Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (LOV) – UMR 7093 Thèse de Doctorat de l’Université Paris VI Spécialité : Océanologie Biologique ETUDE DES PARTICULES EXOPOLYMERIQUES TRANSPARENTES (TEP) EN MILIEU MARIN. Dynamique et rôle dans le cycle du carbone                                                           Sophie Beauvais Sous la direction de M.L. Pedrotti et de F. Rassoulzadegan Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (LOV) – UMR 7093

Le cycle du carbone dans les océans Chaîne alimentaire basée sur le broutage Réseau trophique microbien (bactéries, virus, protozoaires …) Matière organique dissoute (Chisholm 2000)

Une nouvelle voie de transfert du carbone Réseau trophique microbien TEP Réseau trophique basé sur l’agrégation (Passow 2002) Comment les TEP s’intègrent dans ce réseau basé sur l’agrégation ? D’après http://www.biology.ualberta.ca/

Source & Formation MOD MOP TEP PHYTOPLANCTON et BACTERIES exsudation POLYSACCHARIDES DISSOUS (100-300 KDa) MOD MICROFIBRILLES (1-100 nm) Alignement via ponts cationiques (Ca 2+, Mg 2+) AGGREGATS COLLOÏDAUX (taille submicrométrique) Coagulation MOP TEP Coagulation = Matrice de la neige marine 10 µm

Sommaire Distribution saisonnière des TEP en Méditerranée Nord-Occidentale : étude in situ Influence de la turbulence et des conditions trophiques sur la dynamique des TEP : étude en milieu contrôlé Le microscope électronique à transmission couplé à une micro-analyse aux rayons X : une nouvelle approche pour l’étude de la composition élémentaire des TEP Conclusion & Perspectives

Production extracellulaire Problématique : rôle des TEP dans la surconsommation de CID en conditions oligotrophes ? Surface Carbone inorganique dissous (CID) Azote inorganique dissous (NID) C N C/N = 106/16 CO2 Diffusion Production extracellulaire Riche en carbone Matière organique dissoute C/N > 106 /16 C 106 ? 16? Coagulation TEP C/N = ? Thématique de cette étude

Site d’étude : DYFAMED Méditerranée Nord-Occidentale Pourquoi ce site? Site stable / Courants advectifs verticaux prépondérants (Béthoux et al. 1988) Facilite la description des processus Station de référence du programme JGOFS-France depuis 1989 Importante base de données Surconsommation apparente de CID observée (Copin-Montégut 2000) Laisse présumer de l’importante formation de TEP (Carte issue de http://www.obs-vlf.fr/sodyf/presentation.htm)

Distribution saisonnière des TEP Représentation globale Z = Max de Chl a TEP Présentes durant la totalité de l’année en forte abondance ( > 2 x 104 TEP ml-1) Formation au printemps Maxima en juin ( 2,2 x 105 TEP ml-1) Accumulation estivale Faible abondance durant l’hiver

Spectres de taille des TEP - Loi de puissance (granulométrie générale) - Différences significatives entre saisons (ANCOVA ; p < 0,001) Hiver : relativement plus petites Printemps : relativement plus grandes (agrégations)

Origine des TEP à DYFAMED en 1999 Chlorophylle a (phytoplancton) TEP µg l-1 Fucoxanthine (Diatomées) (Marty et al. 2002) 1ère floraison: Diatomées TEP peu abondantes Sédimentation Flux verticaux exceptionnels ( jusqu’à 729 mg m-2 j-1 en février-mars ; Miquel & La Rosa 1999) 19’ Hexanoyloxyfucoxanthine (Nanoflagellés) 2ème floraison: Nanoflagellés Abondance maximale en TEP

Causes de l’accumulation estivale? Divinyl chlorophylle a (Prochlorophytes) Picoplancton / faible taux d’exportation (Marty et al. 2002) production d’exopolymères renforçant le pool de TEP Rapport N/P des sels nutritifs > 20 (Marty et al. 2002) Ultra-oligotrophie : « mauvais fonctionnement du réseau trophique microbien » faible dégradation T (°C) Forte stratification thermique empêche flux vertical de matière TEP (°C)

Estimations du rapport C/N des TEP Méthodologie Colonne de bullage (10x200 cm) remplie d’eau de mer prélevée in situ, filtrée sur 1,2 µm Gaz à faible teneur en carbone Bulleur en verre fritté Formation de TEP par coagulation de surface (Mari 1997) Formation de TEP à partir de précurseurs colloïdaux et dissous ( méthode adaptée d’après Mari 1999) Estimations du rapport C/N des TEP Méthodologie

Variations saisonnières du rapport C/N des TEP à DYFAMED Rapport C/N élevé relative richesse en carbone Particulièrement élevé durant la période stratifiée C/N = 38 ± 14 de juin à septembre

Évolution saisonnière de la concentration en carbone lié aux TEP (TEP-C) et en nitrates TEP-C : de 0,6 µM à 20,5 µM C = 12,0 ± 0,6 µM C durant période stratifiée soit 15% du COT en moyenne en été. L’accumulation de carbone lié aux TEP coïncide avec la période de limitation en azote.

Concentration en carbone lié aux TEP (TEP-C) et production primaire Production primaire ne serait pas limitée à la production de biomasse mais inclurait les produits extracellulaires riches en carbone (TEP)

Schéma conceptuel illustrant la surconsommation de CID Biomasse CID C TEP-C Production extracellulaire Photo-assimilation C/N =17 > 106/16 (6,6) assimilation NO3 N = 1,2 C = 20,6 C = 4,0 C = 16,6 80,5 % du C assimilé : exsudé (TEP)

Résumé Hypothèse de surconsommation de CID : validée Production en TEP = voie majeure de transfert du carbone lors de cette surconsommation, en période oligotrophe. Production primaire = production de biomasse + produits extracellulaires riches en C (TEP).

Sommaire Distribution saisonnière des TEP en Méditerranée Nord-Occidentale : étude in situ Influence de la turbulence et des conditions trophiques sur la dynamique des TEP : étude en milieu contrôlé Le microscope électronique à transmission couplé à une micro-analyse aux rayons X : une nouvelle approche pour l’étude de la composition élémentaire des TEP. Conclusion & Perspectives

influence de la turbulence sur le devenir du pool de TEP ? Problématique Projet européen NTAP (Nutrient dynamics mediated through Turbulence And Plankton) Comment la charge en nutriments et en matière organique, associée à un hydrodynamisme élevé, peut influencer les problèmes d’eutrophisation ? influence d’un apport en sels nutritifs sur la production de TEP ? influence de la turbulence sur le devenir du pool de TEP ? influence de la turbulence sur la colonisation bactérienne des TEP ?

Étude en Mésocosmes Raunefjord (Norvège) Eau de mer naturelle, filtrée sur 250 µm Avec ou sans turbulence 0 : stagnant ( = 10-9 cm2 s-3) 2 : vent léger ( = 10-6 cm2 s-3 ) 4 : forte tempête ( = 10-4 cm2 s-3) Avec ou sans apport de sels nutritifs (N/P/Si = 16/32/1 ; jour 1) Durée de l’expérience : 14 jours

Évolution de la concentration en TEP et en chlorophylle a Sans ajout de sels nutritifs « stagnant » « léger vent » « forte tempête » Origine = Diatomées Floraison / dégénérescence Effet positif de la turbulence sur la présence de TEP Avec sels nutritifs Pourquoi ? 1- Effet indirect (favorise le développement des diatomées).

Effet de la turbulence sur le flux vertical de TEP - + Sédimentation Turb. Non enrichis Enrichis - Le flux vertical dépend de la quantité de matériel en présence - « Léger vent » (2) : sédimentation des TEP « Forte tempête » (4) : empêche la sédimentation donc 2ème raison : accumulation dans la colonne d’eau (effet direct de la turbulence)

Effet d’une forte turbulence sur la distribution de taille des TEP Tendance à l’agrégation Forte turbulence  accumulation en surface et agrégation des TEP L’hydrodynamisme du milieu aura un impact sur le devenir de ce pool de carbone organique.

Colonisation bactérienne des TEP Double marquage DAPI / Bleu Alcian Lumière transmise UV Superposition Les TEP sont majoritairement colonisées par des bactéries (87% ± 9%) Mais seulement 21% ± 11% des bactéries sont agrégées aux TEP (jour 0)

Impact de la turbulence sur la colonisation bactérienne Non enrichis n = ad b n = nombre de bactéries attachées aux TEP d = diamètre de sphère équivalente (µm) Enrichis Sels nutritifs : pas d’effet sur la colonisation bactérienne (ANCOVA, p > 0,05, n = 526) Turbulence : effet positif sur la colonisation (ANCOVA, p < 0,001, n = 526) Accélère les taux de rencontre

Résumé - Nécessité d’une floraison Fort apport en sels nutritifs  effet indirect sur production de TEP Rôle des apports anthropiques en sels nutritifs par les rivières sur la formation de grands agrégats organiques (eutrophisation). Turbulence contrôle le devenir du pool de TEP (accumulation versus sédimentation / agrégation /attachement bactérien) L’hydrodynamisme influencera les transferts de carbone : vers le réseau trophique microbien / vers les profondeurs.

Sommaire Distribution saisonnière des TEP en Méditerranée Nord-Occidentale : étude in situ Influence de la turbulence et des conditions trophiques sur la dynamique des TEP : étude en milieu contrôlé Le microscope électronique à transmission couplé à une micro-analyse aux rayons X : une nouvelle approche pour l’étude de la composition élémentaire des TEP. Conclusion & Perspectives

Étude de la composition élémentaire des TEP Estimer leur rôle dans le cycle des éléments (ex : C) Analyses chimiques délicates / Difficile de les isoler des autres particules en suspension Méthodes d’estimation de leur contenu en carbone = prédictives Cibler de façon précise les particules à analyser et obtenir leur composition élémentaire de façon directe Déjà utilisé pour analyser la composition élémentaire (C, N, P, Fe, Si …) des bactéries (Heldal et al. 96), de la neige marine (Leppard et al. 96), des DYP (Mostajir et al. 97), des colloïdes (Lienemann et al. 98). Jamais réalisé pour les TEP

Observation au MET des échantillons d’eau, prélevés dans les mésocosmes Agrégat hétérogène (détritus inorganiques dans une matrice de matière organique) Jour 0 (= eau de mer naturelle, Fjord) Jour 5 Bactéries Coccolithes Diatomée Matière organique fibrillaire ou diffuse, de taille colloïdale à particulaire, non vivante (TEP)

Composition globale des TEP (eau de mer naturelle, fjord norvégien) 0-0,02 0-0,002 0-0,06 0,001-0,04 0-0,16 0,02-0,61 0,16-5,49 Min-Max Fe Mn Ca P Mg N C Éléments Concentration en éléments liés aux TEP (µM) TEP-C = 0,5 à 17,5% du COP confirme leur importance en tant que réservoir de carbone R2 R1

Contribution des TEP au cycle des éléments-traces (eau de mer naturelle, fjord norvégien) Fraction dissoute (nM) TEP Les TEP semblent être une source non négligeable en métaux-traces associés à la phase particulaire Bio-disponibilité?

Influence des conditions trophiques sur le rapport C/N des TEP en milieu contrôlé C versus N C et N sont significativement corrélés 106/16 = 6,6 Rapports C/N Jour 0 : 6,7 Jour 1 : 5,3 Jour 3 : 8,0 Jour 5 : 11,2 Jour 7 : 9,7 Limitation en N C/N augmente parallèlement à une limitation en nitrates, comme in situ. C/N = 106/16

Confirmation du rôle des TEP dans la surconsommation de CID - Comme en Méditerranée Nord-Occidentale, le rapport C/N des TEP augmente lorsque le milieu devient limitant en azote (processus rapide). - Logique puisque moins de nitrates dans le milieu ! - Non! Car le contenu en N des TEP reste relativement stable, c’est leur contenu en C qui augmente. Ces résultats en milieu contrôlé, confirment le rôle des TEP dans la surconsommation de CID par le phytoplancton en période de limitation par l’azote : bien que limité par les sels nutritifs, le phytoplancton assimile du CID puis exsude le surplus de carbone  formation des TEP

Résumé TEP = réservoir de carbone important MET = nouvelle approche prometteuse pour déterminer de façon plus précise le rôle des TEP dans le cycle des éléments marins. TEP = réservoir de carbone important Source extracellulaire de fer et de manganèse Confirmation par le biais d’une autre méthode, des résultats in situ.

Sommaire Conclusion & Perspectives Distribution saisonnière des TEP en Méditerranée Nord-Occidentale : étude in situ Influence de la turbulence et des conditions trophiques sur la dynamique des TEP : étude en milieu contrôlé Le microscope électronique à transmission couplé à une micro-analyse aux rayons X : une nouvelle approche pour l’étude de la composition élémentaire des TEP. Conclusion & Perspectives

(diatomées, nanoflagellés) Conclusion Forts vents sédimentation + - TEP NO3- Phytoplancton (diatomées, nanoflagellés) + Surplus de CO CID C NID surface Réservoir de C N P Fe Mn Bact. micro-niche écologique Réseau basé sur l’agrégation élargit notre vision du réseau trophique

CID Perspectives ? C TEP ? ? NO3- Phytoplancton surface sédimentation Surplus de CO CID NID surface Forts vents sédimentation N, P, Fe, Mn Bact. micro-niche écologique ? C-biomasse / C-exsudé? C Réservoir de C ? Maillons trophiques supérieurs ? Recherche multidisciplinaire : collaborations avec chimistes, microbiologistes et modélisateurs

« La boucle microbienne : version impressionniste. Épilogue TEP « La boucle microbienne : version impressionniste. Vue de la couche euphotique depuis l’œil d’une bactéries. » Azam (Science, 1998)