Rôle de la biodiversité des diatomées dans la modulation des flux biogéochimiques du carbone et du silicium dans les milieux polaires - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Diatom biodiversity and the modulation of biogeochemical fluxes of carbon and silicon in pelagic polar ecosystems

Rôle de la biodiversité des diatomées dans la modulation des flux biogéochimiques du carbone et du silicium dans les milieux polaires

Résumé

Polar regions are particularly affected by the ongoing climate changes which have profound consequences on the development of phytoplankton and on the functioning of the biological pump (vertical transfer of particulate organic carbon from the surface to the deep ocean). Plankton community structure and species-specific properties (size, shape, cellular content in Si and C, physiological state, life stage, etc.) can strongly influence biogeochemical cycles and the export of organic matter (e.g. C, N) and biomineral (e.g. Si). In high latitudes, diatoms are a major contributor to primary production and exhibit a great diversity of species. The objectives of this PhD are (1) to identify the factors controlling the development and the structure of diatom communities, (2) to assess the influence of species diversity on the composition and stoichiometry of particulate matter, and (3) to understand mortality and export modes in the deep ocean. This work is based on the study of two subpolar regions located in both the northern and southern hemispheres: (1) the Baffin Bay, a seasonal ice zone in the Arctic, and (2) the Kerguelen region, a permanently open ocean zone in the Southern Ocean. In the latter region, we studied two contrasted environments: a low production HNLC (High Nutrient Low Chlorophyll) area versus a high production iron-fertilized area located above the Kerguelen plateau. In Baffin Bay, we highlight a diatom community succession in relation with sea ice melting and the strong west-to-east water masses gradient prevailing in the bay. A low productive community dominated by pennate diatoms was found beneath the consolidated ice pack (pre-bloom conditions), in ice-free Pacific influenced waters, and on the easternside of the bay (post-bloom conditions). In contrast, an actively growing diatom bloom composed of a mixed assemblage of centric (e.g. Chaetoceros, Thalassiosira) and pennate diatoms was found in the marginal ice zone. These results highlight the importance of the melting sea ice for the development of the spring bloom but also other parameters such as: the water masses gradient (Atlantic vs. Pacific), the bathymetry, and the melting snow cover. In the Kerguelen region, we confirm that iron is a key parameter controlling diatom community structure since we identified two distinct communities located either above the Fe-fertilized plateau or in adjacent HNLC waters. In the HNLC area, diatoms were more heavily silicified due to the combined effects of both taxonomic composition of the resident community and a direct physiological response to iron stress, resulting in higher Si:C elemental ratios in diatoms as well as in the bulk particulate matter. A deep and inactive diatom community was found within the pycnocline gradient, both on- and off-plateau, which likely resulted from the differential sinking and accumulation of denser species previously grown at the surface and more resistant to grazing and/or remineralization. In HNLC waters, detrital frustules belonging to the species Fragilariopsis kerguelensis and Chaetoceros atlanticus carried mostly Si below the mixed layer. Our results reveled that F. kerguelensis undergo a strong grazing pressure by micro- and mesozooplankton, a species usually considered as resistant to grazing. Above the Kerguelen plateau, intact Chaetoceros spores carried both Si and C below the mixed layer, giving further evidence to the role played by life stages for particulate matter export. The deployment of a Bottle-net, a recently available device that allows to concentrate and collect deep particles over a pre-determined water layer, revealed that 93 % of the intermediate (125-500 m) and deep (>500 m) particle stocks were single diatom cells — fecal pellets and aggregates represented less than 2% of the collected particles — providing new evidence of the importance of small particles for export fluxes. More generally, this thesis bring attention to the need to follow a species-centered approach in order to understand more finely the functioning of the biological carbon pump and predict its future role in the context of climate change.
Les régions polaires sont particulièrement impactées par les changements climatiques en cours qui ont de profondes conséquences sur le développement du phytoplancton et le fonctionnement de la pompe biologique (transfert vertical de carbone organique particulaire depuis l’océan de surface vers l’océan profond). La structure des communautés planctoniques et les propriétés spécifiques aux espèces (taille, forme, contenu cellulaire en Si et C, état physiologique, stade de vie, etc.) influencent les cycles biogéochimiques et l'export de la matière organique (e.g. C, N) et biominérale (e.g. Si). Aux hautes latitudes, les diatomées contribuent de manière importante à la production primaire et présentent une grande diversité d'espèces. Cette thèse a pour but (1) de déterminer les facteurs contrôlant la structure et le développement des communautés de diatomées dans les régions polaires, (2) d'évaluer l'influence de la diversité des espèces sur la composition et la stœchiométrie de la matière particulaire, et (3) de comprendre les modes de mortalité et d'export des diatomées dans l'océan profond. Ces travaux reposent sur l'étude de deux régions subpolaires situées aux antipodes : (1) la baie de Baffin, une zone de glace saisonnière située en Arctique (programme Green Edge), et (2) la région des Kerguelen située dans la zone ouverte en permanence de l'océan Austral (programme MOBYDICK), où nous avons comparé deux zones contrastées, l'une dite HNLC (High Nutrient Low chlorophyll), l'autre influencée par le plateau naturellement fertilisé par le fer. Dans la baie de Baffin, nous avons mis en évidence une succession des communautés de diatomées en lien avec la fonte de la banquise et le gradient des masses d'eau. Une communauté peu productive constituée de diatomées pennées est présente sous la banquise (condition pré-bloom), dans les eaux dépourvues de glace mais influencées par le Pacifique, ou encore à l'extrémité́ est de la baie (condition post-bloom). À l'inverse, un bloom de diatomées centriques (e.g. Chaetoceros, Thalassiosira) et pennées, activement en train de silicifier, se développe dans la zone marginale des glaces. Ces résultats montrent l'importance de la fonte de la banquise pour le développement du bloom printanier mais également d'autres paramètres tels que : le gradient des masses d'eau (Atlantique vs. Pacifique), la bathymétrie, ou encore la fonte de la couverture neigeuse. Dans la région des Kerguelen, nous avons confirmé le rôle du fer avec l'identification de deux communautés distinctes situées de part et d'autre du plateau. Dans la zone HNLC, les diatomées sont davantage silicifiées — ce qui s'explique par la composition taxonomique de l'assemblage et par une réponse physiologique des diatomées résultant d'une limitation par le fer — ce qui conduit à une augmentation des rapports BSi:POC des diatomées et de la matière particulaire. Une communauté inactive se trouve systématiquement dans le gradient de la pycnocline, issue probablement de la sédimentation rapide de certaines espèces/stades de vie plus denses et davantage résistants au broutage et/ou aux processus de reminéralisation. Dans la zone HNLC, cette communauté est constituée principalement de frustules vides de Fragilariopsis kerguelensis et de Chaetoceros atlanticus, qui transportent efficacement le Si sous la couche de mélange. Nos résultats révèlent une forte pression exercée par le micro- et le mésozooplancton sur F. kerguelensis, une espèce habituellement considérée comme résistante au broutage. Au dessus du plateau des Kerguelen, l'accumulation de spores de Chaetoceros encore intactes permet le transport du C et du Si en profondeur, ce qui souligne l'importance des stades de vie dans l'export de la matière particulaire. Grâce à l'utilisation du Bottle-net, un nouvel instrument permettant d'échantillonner les couches profondes de l'océan, nous avons montré que près de 93 % des particules >20 μm collectées dans les couches intermédiaires (125-500 m) et profondes (>500 m) sont des cellules individuelles de diatomées — les pelotes fécales et les agrégats ne représentant que 2 % des particules collectées — ce qui montre l'importance des petites particules dans les flux d'export. De manière générale, cette thèse met en exergue la nécessité d'étudier la composition spécifique des communautés de diatomées afin de de comprendre de manière plus fine le fonctionnement de la pompe biologique de carbone et de prédire son rôle futur dans le contexte des changements climatiques.
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Dates et versions

tel-03137420 , version 1 (10-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03137420 , version 1

Citer

Augustin Lafond. Rôle de la biodiversité des diatomées dans la modulation des flux biogéochimiques du carbone et du silicium dans les milieux polaires. Océanographie. Aix Marseille Université, 2021. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03137420⟩
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