Abstract: A prerequisite for environmental and toxicological applications of mercury (Hg) stable isotopes in wildlife and humans is quantifying the isotopic fractionation of biological reactions. Here, we measured stable Hg isotope values of relevant tissues of giant petrels (Macronectes spp.). Isotopic data were interpreted with published HR-XANES spectroscopic data that document a stepwise transformation of methylmercury (MeHg) to Hg-tetraselenolate (Hg(Sec)4) and mercury selenide (HgSe) (Sec = selenocysteine). By mathematical inversion of isotopic and spectroscopic data, identical δ202Hg values for MeHg (2.69 ± 0.04‰), Hg(Sec)4 (−1.37 ± 0.06‰), and HgSe (0.18 ± 0.02‰) were determined in 23 tissues of eight birds from the Kerguelen Islands and Adélie Land (Antarctica). Isotopic differences in δ202Hg between MeHg and Hg(Sec)4 (−4.1 ± 0.1‰) reflect mass-dependent fractionation from a kinetic isotope effect due to the MeHg → Hg(Sec)4 demethylation reaction. Surprisingly, Hg(Sec)4 and HgSe differed isotopically in δ202Hg (+1.6 ± 0.1‰) and mass-independent anomalies (i.e., changes in Δ199Hg of ≤0.3‰), consistent with equilibrium isotope effects of mass-dependent and nuclear volume fractionation from Hg(Sec)4 → HgSe biomineralization. The invariance of species-specific δ202Hg values across tissues and individual birds reflects the kinetic lability of Hg-ligand bonds and tissue-specific redistribution of MeHg and inorganic Hg, likely as Hg(Sec)4. These observations provide fundamental information necessary to improve the interpretation of stable Hg isotope data and provoke a revisitation of processes governing isotopic fractionation in biota and toxicological risk assessment in wildlife.

Abstract:

Abstract. Sea-level observations provide information on a variety of processes occurring over different temporal and spatial scales that may contribute to coastal flooding and hazards. However, global research on sea-level extremes is restricted to hourly datasets, which prevent the quantification and analyses of processes occurring at timescales between a few minutes and a few hours. These shorter-period processes, like seiches, meteotsunamis, infragravity and coastal waves, may even dominate in low tidal basins. Therefore, a new global 1 min sea-level dataset – MISELA (Minute Sea-Level Analysis) – has been developed, encompassing quality-checked records of nonseismic sea-level oscillations at tsunami timescales (T<2 h) obtained from 331 tide-gauge sites (https://doi.org/10.14284/456, Zemunik et al., 2021b). This paper describes data quality control procedures applied to the MISELA dataset, world and regional coverage of tide-gauge sites, and lengths of time series. The dataset is appropriate for global, regional or local research of atmospherically induced high-frequency sea-level oscillations, which should be included in the overall sea-level extremes assessments.

Abstract: Parmi les outils qui permettent de mieux comprendre les systèmes naturels, la modélisation écologique a connu un essor particulièrement important depuis une vingtaine d’années. Les modèles écologiques, représentation simplifiée d’une réalité complexe, permettent de mettre en avant les facteurs environnementaux qui déterminent la niche écologique des espèces et de mieux comprendre leur réponse aux changements de l’environnement. Dans le cas des faunes marines antarctiques, la modélisation écologique fait face à plusieurs défis méthodologiques. Les jeux de données de présence des espèces sont très souvent agrégés dans le temps et dans l’espace, à proximité des stations de recherche. Ces données sont souvent trop peu nombreuses pour caractériser l’espace environnemental occupé par les espèces ainsi que leur physiologie. Enfin, les jeux de données environnementales manquent encore de précision pour finement représenter la complexité des habitats marins. Dans ces conditions, est-il possible de générer des modèles performants et justes à l’échelle de l’océan Austral ? Quelles sont les approches possibles et leurs limites ? Comment améliorer les méthodes afin de générer de meilleurs modèles ? Au cours de ce travail de thèse, trois types de modèles ont été étudiés et leurs performances évaluées. (1) Les modèles physiologiques de type DEB (Dynamic Energy Budget) simulent la manière dont l’environnement abiotique influe sur le métabolisme des individus et proposent une représentation de la niche fondamentale des espèces. (2) Les modèles de distribution d’espèces (SDMs pour Species Distribution Models) prédisent la probabilité de distribution des espèces en étudiant la relation spatiale entre données de présence et environnement. Ils proposent une représentation de la niche réalisée des espèces. Enfin (3), les modèles de dispersion de type lagrangien prédisent le mouvement de propagules dans les masses d’eau. Les résultats montrent que les modèles physiologiques réussissent à simuler les variations métaboliques des espèces antarctiques en fonction de l’environnement et à prédire les dynamiques de populations. Cependant, davantage de données sont nécessaires pour pouvoir caractériser finement les différences physiologiques entre populations et évaluer correctement les modèles. Les résultats obtenus pour les SDMs montrent que les modèles générés à l’échelle de l’océan Austral et leurs prédictions futures ne sont pas fiables du fait du manque de données disponibles pour caractériser l’espace occupé par les espèces, du manque de précision des scénarios climatiques futurs et de l’impossibilité d’évaluer les modèles. De plus, les modèles extrapolent sur une très grande proportion de l’espace projeté. L’apport d’information complémentaire sur les limites physiologiques des espèces (observations, résultats d’expériences, sorties de modèles physiologiques) permet de réduire l’extrapolation et d’augmenter la capacité des modèles à décrire la niche réalisée des espèces. L’agrégation spatiale des données, qui influençait les prédictions et l’évaluation des modèles a également pu être corrigée. Enfin, les modèles de dispersion ont montré un potentiel intéressant pour révéler le rôle des barrières géographiques ou à l’inverse, la connectivité spatiale, mais également le lien existant entre distribution, physiologie et histoire phylogénétique des espèces. Ce travail de thèse propose de nombreux conseils et fournit des codes annotés parfois sous forme de tutoriels, afin de constituer une aide utile aux futurs travaux de modélisation sur les espèces marines antarctiques.

Abstract: We develop and apply a method to constrain the space- and frequency-dependent location of ambient noise sources. This is based on ambient noise cross-correlation inversion using numerical wavefield simulations, which honour 3-D crustal and mantle structure, ocean loading and finite-frequency effects. In the frequency range from 3 to 20 mHz, our results constrain the global source distribution of the Earth’s hum, averaged over the Southern Hemisphere winter season of 9 yr. During Southern Hemisphere winter, the dominant sources are largely confined to the Southern Hemisphere, the most prominent exception being the Izu-Bonin-Mariana arc, which is the most active source region between 12 and 20 mHz. Generally, strong hum sources seem to be associated with either coastlines or bathymetric highs. In contrast, deep ocean basins are devoid of hum sources. While being based on the relatively small number of STS-1 broad-band stations that have been recording continuously from 2004 to 2013, our results demonstrate the practical feasibility of a frequency-dependent noise source inversion that accounts for the complexities of 3-D wave propagation. It may thereby improve full-waveform ambient noise inversions and our understanding of the physics of noise generation.