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Les écosystèmes côtiers, interface entre terre et mer, sont soumis au changement climatique ainsi qu’à de fortes pressions anthropiques. Par conséquent, les eaux côtières sont sujettes à eutrophisation. Le phytoplancton demande une attention particulière dû à son rôle de producteur primaire des écosystèmes marins. Récemment, l’efflorescence des algues nuisibles est devenue mondialement, une inquiétude croissante. Le but de la thèse a été de décrire et de mesurer les réponses temporelles et les causalités de la structure de communauté phytoplanctonique sous impact des changements globaux, en présence d’une algue nuisible. Pour ce faire, le concept de niche écologique et une méthode statistique, ont été adaptés. Les "Within Outlying Mean Indexes" ont été proposés pour affiner l’analyse "Outlying Mean Index" en combinant ses propriétés avec la décomposition de la marginalité de l’analyse "K-select". Les dynamiques des sous-niches de la communauté d’espèce ont été étudiées dans des conditions environnementales d’ abondances basses (L) ou fortes (H) de Phaeocystis spp. Le sous-ensemble H était caractérisé par une large niche de Phaeocystis spp. ainsi qu’une forte diversité de diatomées. Dans le sous-ensemble L, Phaeocystis spp. a subit une forte contrainte biologique probablement induite par la compétition des diatomées pour les ressources. La relation diversité-productivité du phytoplancton s’est avérée plus forte à l’échelle saisonnière que sur le long-terme. Le déséquilibre des ressources n’a pas eu de lien direct avec la productivité à long terme. Le succès à long terme de l’espèce invasive et de son impact sur la productivité, est favorisé par une suite d’années froides avec des ressources élevées et déséquilibrées, augmentant le nombre de petites espèces de diatomées et donc son efflorescence. Enfin, je discute des améliorations méthodologiques, du potentiel d’utilisation de l’approche par traits, et d’éventuelles montages expérimentaux pour supporter les résultats de la thèse. / Coastal ecosystems, the interfaces between land and sea, are subject to climate change and high anthropogenic pressure. Consequently, most coastal waters are prone to eutrophication. The phytoplankton require a special attention because of its role of primary producer in marine ecosystems. Recently, Harmful Algae Bloom outbreaks has raised concern worldwide. The thesis aim was to describe and to measure the temporal responses and causalities of the phytoplankton community structure, with the occurrence of a harmful algae, under global changes. To do so, the ecological niche concept and a statistical method were adapted. The Within Outlying Mean Indexes was proposed to refine the Outlying Mean Index analysis by combining its properties with the K-select analysis species marginality decomposition. The subniche dynamics of the species composing the community were studied under environmental conditions hosting low (L) and high (H) Phaeocystis spp. abundance. Subset H was characterized by a large Phaeocystis spp. niche and a high diatom diversity. In subset L, Phaeocystis spp. was subject to great biological constrain suspected to be caused by diatom competition for resources. The phytoplankton diversity productivity was stronger at a seasonal scale than on the long-term. The resource imbalance had no direct link with productivity in the long-term. The long-term invasive species success and its impact on productivity is favored by successive cold years with high resource imbalance which rise the number of small species and its bloom. I finally discussed on the methodological improvements, the potential use of the trait-based approach, and possible experimental set-ups to support the thesis results.

Les dynamiques de l’activité photosynthétique du phytoplancton ont été caractérisées dans un écosystème côtier macrotidal (le Détroit du Pas-de-Calais, Manche orientale) et associées aux conditions environnementales. La variabilité spatiale et temporelle des paramètres photosynthétiques a été étudiée à différentes échelles, entre Septembre 2008 et Août 2010. Le niveau de variabilité et les facteurs de contrôle des paramètres photosynthétiques dépendent de l’échelle considérée. Au niveau spatial, aucun gradient des paramètres photosynthétiques n’a été trouvé entre la côte et le large. A l’inverse, au sein de la colonne d’eau, des variations du rendement quantique maximum (Fv/Fm), du taux de transport maximum des électrons (ETRm) et du coefficient de saturation lumineuse (Ek), en lien avec l’histoire lumineuse des cellules, ont été observées. Aux courtes échelles de temps (de l’heure à l’échelle d’un cycle de marée morte-eau/vive-eau), des variations considérables des paramètres photosynthétiques ont été observées. Les conditions lumineuses et la disponibilité des nutriments étaient les principaux facteurs de contrôle. Aux plus grandes échelles de temps (de l’échelle semi-mensuelle à l’échelle pluriannuelle), Fv/Fm, α (l’efficacité maximale d’utilisation de la lumière) et ETRm variaient sans cycle saisonnier clair. Par opposition, Ek suivait le cycle saisonnier de la lumière. A ces échelles, les interactions entre les successions des communautés phytoplanctoniques et les changements de lumière, de température et de disponibilité en nutriments contrôlaient la variabilité de l’activité photosynthétique. / Dynamics of phytoplankton photosynthetic activity were characterised in a macrotidal coastal ecosystem (the Strait of Dover, eastern English Channel) and related to environmental conditions. Spatial and temporal variability of photosynthetic parameters were studied at different scales, between September 2008 and August 2010. The level of variability and controlling factors of photosynthetic parameters depend on the scale considered. In space, no gradient of photosynthetic parameters was found between coastal and offshore waters. By contrast, within the water column, variations of the maximum quantum yield (Fv/Fm), the maximum electron transport rate (ETRm) and the light saturation coefficient (Ek) in relation to the light history of cells were observed. At short time scale (from hour to the scale of a neap-spring tide cycle), considerable variations of photosynthetic parameters were observed. Light conditions, temperature and nutrient availability were the main controlling factors. At longer time scale (from fortnightly to inter-annual scales), Fv/Fm, α (the maximal light utilization efficiency) and ETRm varied without any clear seasonal cycle. By contrast, Ek followed the seasonal variations of light except during summer where its changes of Ek were small compared to the light variability. At these time scales, close interplays between shifts of phytoplankton communities and changes of light, temperature and nutrient availability controlled the variability of photosynthetic parameters.

De nombreuses espèces de dinoflagellés autotrophiques peuvent être parasitées par de multiples parasitoïdes eucaryotes. Ces parasitoïdes ont un cycle de vie particulier qui abouti à la mort de l’hôte et à la libération de plusieurs centaines de zoospores capables d’infecter un nouvel hôte. Plusieurs études ont démontré leur fort potentiel pour contrôler les populations hôtes en quelques jours ainsi que leur très grande diversité et suggère une dynamique d’infection très complexe dans ce type de milieu. L’objectif de cette thèse consiste à appréhender cette dynamique d’infection parasitoïdes-dinoflagellés dans un estuaire fortement mélangé ainsi qu’une meilleure compréhension des différentes interactions ayant lieu au sein de ce système. Afin de répondre à cette problématique, nous avons utilisé l’approche de la modélisation IBM. Cette approche a notamment permis de montrer que le processus de désenkystement des hôtes, utilisé par les parasites pour passer l’hiver, permet d’expliquer la persistance du système. Elle a également permis de montrer l’influence que peuvent avoir différents types de parasitoïdes sur la dynamique d’infection et la succession des espèces de dinoflagellés, avec une diversité accrue de la population hôte en présence de spécialistes et diminué avec les généralistes. Une amélioration de l’estimation du paramètre utilisé pour calculer le taux de rencontre entre les hôtes et les parasites avec des méthodes expérimentales puis numériques a aussi été tentée. Les résultats ont démontré une modification non négligeable de ce paramètre en fonction des comportements ainsi que le besoin de les prendre en compte pour une meilleure paramétrisation. / Many species of autotrophic dinoflagellates can be parasitized by multiple eukaryotic parasitoids. These parasitoids have a specific life cycle resulting in the death of the host and the release of hundreds of zoospores that can infect a new host. Several studies have demonstrated their potential to control the host population in a few days as well as their great diversity and suggests a very complex dynamics of infection in this kind of environment. The objective of this thesis is to understand the parasitoid-dinoflagellates infection dynamics in a highly mixed estuary and a better understanding of the different interactions taking place within this system. To address this problem, we used the modeling approach (IBM). This approach has enabled to show that the hosts excystment process, also used by the parasites to survive the winter, helps to explain the persistence of the system. It has also demonstrated the potential influence of different types of parasitoid on the dynamics infection and succession of dinoflagellates species, with increased diversity of the host population in the presence of specialists and decreased with generalists. The estimation improvement of the parameter used to calculate the rate of encounter between hosts and parasites with experimental and numerical methods was also attempted. The results showed a significant change in this parameter depending on behavior and the need to take it into account for a better parameterization.

Abundance-size distributions of organisms within a community reflect fundamental properties underlying population dynamics. These include characteristics such as predator to prey biomass ratios, given the relationships that exist between body mass and metabolic activity, and between body mass and the ecological regulation of population density. In this way, plankton size has an important role in structuring the rates and pathways of material transfer in the marine pelagic food web, and consequently the oceanic carbon cycle. The transfer of energy between trophic levels can be inferred from regular patterns in population size structure, where plots of abundance within size classes, also known as plankton size spectra, typically show a power-law dependence on size. Metabolic theory, based on such size relations, has provided the basis for using an allometric approach to investigate the metabolic balance of the Atlantic Ocean and to identify the main drivers of trophic status in the plankton community. Samples were collected during three Atlantic Meridional Transect (AMT) cruises with further samples from a Marine Productivity (MarProd) cruise in the Irminger Sea. Three image analysis instruments were used to obtain plankton size spectra in the pico- to mesozooplankton size range. Data from a decadal time series at a coastal station off Plymouth, UK additionally enabled seasonal trends in plankton size spectra to be interpreted. Allometric relationships were also derived from physiological rates of individual plankton and scaled from organisms to ecosystems using community size structure data that were obtained from six earlier AMT cruises. Contrary to common perception, the transfer efficiency between phytoplankton and mesozooplankton in the Atlantic was not related to ecosystem productivity in oceanic and coastal systems. The flow of carbon up the food web was controlled by how quickly the consumers are able to respond to a resource pulse. These findings have fundamental implications for upper ocean carbon flux and suggest that global carbon flux models should reconsider the differences in carbon transfer efficiency between productive and oligotrophic areas of the world’s ocean. The allometric models of microbial community respiration and production provide a complementary method for understanding the metabolic balance of the upper ocean. Respiration exceeded photosynthesis in large areas of the Atlantic Ocean, suggesting that planktonic communities act as potential net sources of CO2. Large-sized phytoplankton are suggested as the main drivers of the balance between net autotrophy and heterotrophy.

L'objectif de cette thèse est de comprendre les processus de couplage entre la turbulence et la matière particulaire (sédiments en suspension et phytoplancton). La première partie de la thèse porte sur des mesures in situ effectuées sous différentes situations météorologiques. Nous avons considéré le coefficient d'atténuation, indicateur de la concentration totale de particules in situ, et le spectre de tailles des particules in situ (particle size distribution - PSD). Cette étude a montré que la dynamique de la PSD est contrôlée par plusieurs paramètres océanographiques, tels que les courants de marée, les vagues et la turbulence. Nous avons également étudié les caractéristiques multifractales de ces PSD pour diverses classes de taille (limon, sable fin, sable grossier, particules macro). Pour cela, nous avons utilisé la décomposition modale empirique avec avec l'analyse spectrale de Hilbert. La deuxième partie de la thèse porte sur l'analyse multi-échelle d'images couleur de l'océan et SST (sea surface temperature). L'hétérogénéité spatiale des scalaires océaniques sous l'influence de la turbulence est considérée à multi-échelles. Cette méthode fonctionne également avec des images ayant des données manquantes. Cette méthodologie a été appliquée à des images réelles de Chl-a, SST, Rrs-443 et Rrs-555 en utilisant les fonctions de structure 2D. Il est possible de caractériser, pour toutes les échelles spatiales, les hétérogénéités et intermittences des champs scalaires étudiés, à l'aide de quelques paramètres (deux paramètres dans le cadre de l'approximation log-normale). Les valeurs de ces paramètres, pour sept endroits différents du globe, sont examinés et comparés. / The objective of this thesis is to understand the coupling processes between turbulence and particulate matter (suspended sediment and phytoplankton). The first part of the thesis is on in situ measurements performed under different meteorological situations. We selected the attenuation coefficient as a proxy for the total concentration of particles and in situ measurement of particle size distribution (PSD) spectrum. This study showed that the dynamics of the PSD is controlled by many oceanographic parameters such as tidal currents, waves and turbulence. We also studied the multifractal characteristics of these PSD for various size classes (silt, fine, coarse and macro particles). For that, we used Empirical Mode of Decomposition along with the Hilbert Spectral Analysis. The second part of the thesis focuses on the multi-scale analysis of satellite ocean colour and SST images. The spatial heterogeneity of oceanic scalars (phytoplankton and sea surface temperature) under the turbulence influence is considered at different scales. This method also works with images having missing data. Finally, this methodology using 2D structure functions, was applied to real images of Chl-a, SST, Rrs-443 and Rrs-555. It is possible to characterize, for all spatial scales and all intensities, the heterogeneities and intermittencies of the studied scalar fields, using a few parameters (2 parameters in the framework of the lognormal approximation). The values of these parameters, for 7 different locations, are discussed and compared.

Les effets de la limitation en azote et en phosphore, de la température et de leurs interactions ont été étudiés expérimentalement sur cinq microalgues marines présentant des phénologies différentes en Manche Orientale ainsi qu’une large gamme de volumes cellulaires. Nos résultats montrent un effet plus fort des sels nutritifs par rapport à la température sur les différents traits mesurés et des différences de réponse au sein d’un même groupe fonctionnel classique. Le volume cellulaire est un paramètre essentiel à prendre en compte dans la définition de groupes fonctionnels car ils conditionnent une partie des réponses des microalgues aux différentes conditions environnementales. Une forte diminution de l’activité photosynthétique est constatée pour les petites cellules du fait d’une interaction entre les sels nutritifs et la température. Les sels nutritifs, la température et leur intéraction influencent la formation de sucres de façon spécifique, aboutissant à une augmentation de sucres par cellules. Enfin, des communautés expérimentales en limitation azote, phosphore et sans limitation, ont été constituées afin de comparer la productivité des communautés et des monocultures. La limitation en azote influence la composition spécifique des communautés et aucune relation claire entre diversité et productivité n’est mise en évidence. Cependant, les communautés sont plus efficaces que les monocultures pour l’absorption des sels nutritifs et de lumière. Toutes ces observations sont essentielles pour comprendre les effets des modifications environnementales sur les microalgues dans le cadre du changement global et par extension, sur le fonctionnement des écosystèmes marins. / The effects of nitrogen and phosphorus depletion, temperature and their interaction were studied on five microalgae which differ in terms of phenology and size. By a multifactorial experimental approach, we demonstrated that nutrient effects override temperature effects, and that species from a same classical functional group could show different responses. Our results suggest that size matters for the responses of microalgae in our different conditions. Indeed, an interactive effect of temperature and nutrients was observed leading to decrease of photosynthetic activity of the small sized algae. These species also showed a high variability in their responses compared to larger ones. Furthermore, particular and dissolved carbohydrates per cell was positively influenced by nutrient limitation, temperature or their interaction, independently of cell size but rather in a specific way. Lastly, in order to highlight the relationship between productivity and diversity three experimental communities were done under nitrogen or phosphorus depletion. Our results demonstrated a better efficiency of nutrient and light absorption of communities compared to monocultures. However these communities were overall less productive than monocultures in terms of carbohydrate and biomass formation. No clear trend between diversity and productivity was shown in our study. Our results provide useful information about the responses of phytoplankton to environmental gradients and consequently of several ecosystem processes taking into accounts the modifications expected through global change.

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Le zooplancton est un important fournisseur de composés bioréactifs pour les bactéries par l’excrétion. Cependant, l'interaction entre le zooplancton et la boucle microbienne est mal comprise. Sur la base d'une approche expérimentale, nous déterminons le rôle du zooplancton dans le recyclage de N et du P dans la région d'upwelling du chili et dans le pacifique sud tropical occidental (WTSP). Le DON est le principal produit d’excrétion dans des conditions automne/hiver, et l'ammonium et la DOP au printemps/été dans le centre-sud du chili. En automne/hiver, l'ammonium a été rapidement consomme par la communauté microbienne coïncida avec une augmentation des copies de transcription d'archaeal et bactéries ammonium oxydatrices, alors qu'une communauté microbienne différente, probablement hétérotrophique, a réagi a l’entrée d'azote par excrétion par des copépodes nourris avec une fraction de taille réduite. Au cours du printemps/ete, un changement dans la composition de la communaute bacterienne active a été associe a la réponse du phylum bactérien opportuniste Proteobacteria et Bacteroidetes. Dans le WTSP, les copépodes contribués d'ammonium, de DON et de DOP. L'excrétion de copépodes peut améliorer le processus de reminéralisation et moduler la composition de la communauté bactérienne active, caractérisée par des changements dans Alteromonadales et SAR11. Nous concluons que l'azote et le phosphore excrétés par copépodes peuvent être utilises directement par des communautés microbiennes, y compris des nitrifiants, fournissant de N reminéralisé pour soutenir la production nouvelle et régénérée dans l'océan supérieur des différents écosystèmes marins. / Zooplankton are important suppliers of bioreactive compounds for marine bacteria through fecal pellet production, sloppy feeding and excretion of dissolved compounds. However, the interaction between zooplankton metabolism and microbial loop is poorly understand. Based on experimental approach we determine the role of zooplankton in the recycling of N and P in the central/southern Chile and in western tropical south pacific (WTSP). DON was the main excretion product under autumn/winter conditions, and ammonium and DOP in spring/summer in central/southern Chile. in the autumn/winter ammonium was rapidly consumed by microbial community and this consumption coincided with increased archaea and bacteria ammonia-oxidizing amoA transcript copies in copepods fed with the larger-sized fraction, whereas a different microbial community, probably heterotrophic, reacted to the input by copepods fed with the smaller-sized fraction. During spring/summer a shift in the composition of active bacterial community was associated with the response of common-opportunistic seawater surface phyla, Proteobacteria and Bacteroidetes. In the WTSP, copepods contributed elevated levels of ammonium, DON and DOP. Copepod excretion can enhance the remineralization process and reshape the composition of the active bacterial community, characterized by shifts in Alteromonadales and SAR11. We concluded that N and P excreted by copepods can be used directly by microbial community, including nitrifying ones, providing significant remineralized N for sustaining new and regenerated production in the upper ocean of different marine ecosystems.