Le plancton a un rôle crucial dans le cycle du carbone. Il est donc primordial de projeter son évolution dans le contexte de changement climatique. Une partie des résultats rapportés au niveau des communautés planctoniques montrent une stimulation de la production primaire avec l’augmentation de concentration en CO2 et très peu d’expériences combinant plusieurs facteurs ont été faites. Qui plus est, les expériences ont été réalisées majoritairement dans des conditions naturellement élevées ou enrichies en sels nutritifs et très peu de données existent dans les zones naturellement pauvres en nutriments et chlorophylle a, c’est à dire dans les zones oligotrophes telles que la mer Méditerranée, bien que ces régions représentent une surface importante et en expansion de la surface de l’océan. Plusieurs approches ont été utilisées au cours de cette thèse pour étudier les effets du réchauffement et de l’acidification de l’océan sur des communautés planctoniques dans le NO de la Méditerranée. Une des approches, restreinte à l’effet de l’acidification seule, a été l’utilisation de mesocosmes. En Baie de Calvi (expérience #1; été 2012 sur 22 jours) la communauté étudiée présentait un efficace processus de recyclage des sels nutritifs ainsi qu’une production régénérée importante alors que dans le Baie de Villefranche (expérience #2; hiver/printemps 2013 durant 11 jours) la communauté était caractérisée plutôt par un système autotrophe et par une production nouvelle dominante. Une troisième expérience a été réalisée pour étudier les effets synergétiques de l’acidification et du réchauffement de l’océan (expérience #3; March 2012; post-bloom). Toutes les expériences ont ainsi été menées dans des conditions de faibles concentrations en sels nutritifs avec des communautés dominées par des petites espèces phytoplanctoniques telles que des haptophytes, cynaobacteries et chlorophytes. Lors de l’expérience #3, toutes les populations ont décliné au cours de l’expérience (12 jours) à l’exception des cyanobactéries (principalement Synechococcus spp.) qui ont significativement augmenté durant cette période. Cette augmentation était d’autant plus prononcée dans les conditions de température plus élevée, bien que l’augmentation concomitante de CO2 ai eu tendance à limiter cet effet. Pour les trois expériences, l’acidification de l’océan seule n’a pas montré d’effet sur les taux métaboliques quelque soit la méthode utilisée (O2-LD, marquage au 18O, 13C et 14C) alors que durant l’expérience #3, les conditions élevées en température ont favorisé la production brute déterminée par la méthode de marquage 18O. Des biomarqueurs spécifiques, les acides gras des lipides polaires, utilisés de façon combinée avec du marquage au 13C a permis la détermination des productions primaires par groupe. Ceci a confirmé que l’acidification de l’océan seule n’a pas particuliérement favorisé un groupe phytoplanctonique par rapport à un autre dans nos conditions expérimentales.Basé sur nos résultats et sur une revue de littérature, il apparait que la plupart des expériences (57 % des études) réalisées jusqu’à maintenant n’ont pas montré d’influence notoire de l’acidification de l’océan seule sur les communautés planctoniques, alors que le réchauffement de l’océan semble avoir plus d’effet sur la composition et la production planctonique. De plus, la biomasse dans les écosystèmes dominés par des petites espèces de phytoplancton semble être insensible à l’augmentation de CO2. A l’heure actuelle, il est impossible, basé sur ces résultats, de fournir un concept général de l’effet de l’acidification de l’océan sur les communautés planctoniques. Cependant il semble que l’acidification n’augmentera pas la biomasse et la production primaire pour la majorité des communautés. / Plankton plays a key role in the global carbon cycle. It is therefore important to projectthe evolution of plankton community structure and function in a future high-CO2 world.Several experimental results reported at the community level have shown increased rates ofprimary production as a function of increasing pCO2 and few multi-driver experiments havebeen performed. However, the great majority of these experiments have been performedunder high natural or nutrient-enriched conditions and very few data are available in areaswith naturally low levels of nutrient and chlorophyll i.e. oligotrophic areas such as theMediterranean Sea, although they represent a large and expanding part of the ocean surface.Several approaches have been used during this thesis to investigate the effects ofocean warming and acidification on plankton communities in the NW Mediterranean Sea.One approach, restricted to the investigation of ocean acidification effects alone, was the useof mesocosms. In the Bay of Calvi (experiment #1; summer 2012 during 22 days), thecommunity was very efficient in recycling nutrients and showed important regeneratedproduction while in the Bay of Villefranche (experiment #2; winter/spring 2013 during 11days) the community was characterized by a more autotrophic state and larger newproduction. A third experiment was set-up to investigate the combined effects of oceanacidification and warming in small containers in the Bay of Villefranche (experiment #3;March 2012; post-bloom conditions).All experiments were conducted under low nutrient conditions with communitiesdominated by small species (e.g. haptophytes, cyanobacteria, chlorophytes). During the thirdexperiment, biomass of populations decreased throughout the experiment (12 days), exceptcyanobacteria (mostly Synechococcus spp.) that significantly increased during that period.This increase was even more pronounced under elevated temperature, albeit the combinationwith elevated pCO2 tended to limit this effect. For the three experiments, ocean acidificationalone had no effect on any of the metabolic processes, irrespective of the methods used (O2-LD, as well as 18O, 13C and 14C labelling) while during the multi-driver experiment #3, oceanwarming led to enhanced gross primary production as measured by the 18O labellingtechnique. Specific biomarkers, polar lipid fatty acids, were used in combination with 13Clabelling to assess group primary production rates. This confirmed that ocean acidificationalone did not favour any phytoplankton group under our experimental conditions.Based on our findings and on an extensive literature review, it appears that most (57%) of the experiments performed to date have shown no effect of ocean acidification alonewhile ocean warming seem to have an effect on plankton composition and production.Furthermore, plankton biomass in ecosystems dominated by small phytoplankton speciesappears insensitive to elevated CO2. It remains, for the moment, impossible based on thesefindings to provide a general concept on the effect of ocean acidification on planktoncommunities. However, it appears that ocean acidification will likely not lead to increasedbiomass and primary production rates for most communities, as it was previously anticipated.Furthermore, although warming will likely lead to increased primary production, it appearsthat small species with a low capacity for export will be favoured. If this proves to be awidespread response, plankton will not help mitigating atmospheric CO2 increase through anenhancement of the biological pump.

L’acidification des océans provoquée par l’absorption du CO2 atmosphérique par l’eau de merest devenue une préoccupation écologique majeure et menace déjà les organismes calcifiants. Suiteà la révolution industrielle, le pH de l’océan de surface a diminué de 0,1 unité-pH. En revanche, celuides eaux profondes reste peu documenté. Les isotopes du bore (11B) dans les carbonatesbiogéniques se sont révélés être un puissant outil géochimique pour la reconstitution du pH, mais n’apas encore été appliqué aux coraux profonds. Un travail analytique sur MC-ICPMS Neptune et uneanalyse géochimique de ces coraux ont été effectués afin de reconstituer et quantifier l’acidificationdes océans. De même, la valeur 11B de l’eau de mer utilisée pour calculer les paléo-pH a étérevisitée et l’homogénéité des océans vérifiée.L’analyse de deux colonies modernes de Lophelia pertusa et Madrepora oculata a permis dequantifier un taux d’acidification pendant la fin du XXème siècle pour les eaux de sub-surface en mer deNorvège et cela après établissement d’une calibration expérimentale à partir de coraux de culture.L’analyse géochimique des coraux profonds a mis en évidence un effet vital lié à la physiologie quidoit être considéré pour quantifier avec précision la variabilité du pH. Celui-ci peut être en partiecorrigé par une analyse statistique des isotopes stables B, C et O. Cette étude a aussi révélél’influence de l’hydrodynamique régionale. Enfin les variations naturelles du pH pendant l’Holocène etle Dernier Maximum Glaciaire sur des coraux profonds fossiles méditerranéens ont été établies etcelles pendant l’aube de l’explosion de la diversité biologique. / Ocean acidification is caused by the absorption of rising atmospheric CO2 by seawater andrepresents a major environmental issue. Since the beginning of the industrial era, seawater pH hasdecreased by 0.1 pH units and is already threatening calcifying organisms. Boron isotopes (11B) haveproved to be a powerful geochemical tool for the reconstruction of pH variations, but has not yet beenapplied to deep-sea corals (DSC). Accurate and precise measurements of boron isotopes in coralsand seawaters were performed in order to measure small pH variations.The technique of pH reconstruction based on boron isotopes (pH-11B) was used on two specimens of the DSC Madrepora oculata and Lophelia pertusa collected alive in the Norwegian Sea and spanning an age of 40 (3) and 67 (3) years, respectively. Acidification rates were calculated by applying a new pH-11B calibration obtained from the geochemical analysis M. oculata and L. pertusa samples cultured under different pCO2 conditions. The contribution of a biological-related vital effect on d11B was observed at macrometer scale, and a correction was finally suggested based on oxygen and carbon isotopes. Overall, the coral δ 11B-based reconstructions show a pH decrease in the Norwegian Sea since the 1940s, which seems to be related to the local hydrodynamics. The pH-11B technique was also applied to fossil DSC fragments from two “on-mound sediment cores” retrieved in the Siculo-Tunisian Strait with the aim to reconstruct the pH during the Last Glacial Maximum and the Holocene periods. Finally, well-preserved limestone samples from the stratigraphic sequence Nama (551-543 Ma) in Namibia were investigated for 11B to study the pH variations at the beginning of the Cambrian evolutive radiation.

Les changements environnementaux globaux (CEG) menacent les écosystèmes marins et les populations humaines qui en dépendent. Une recherche scientifique croissante tente d’évaluer les impacts des changements environnementaux sur les écosystèmes et les services écosystémiques, notamment pour guider les politiques publiques. Focalisée sur les systèmes socio-écologiques (SSE) des récifs coralliens, cette thèse analyse les approches proposées dans la littérature et conçoit de nouvelles méthodologies, évaluations et indicateurs pour guider la science et l’action publique. Nous montrons qu’une stratégie de recherche régionale doit prendre en compte la complexité et produire de meilleures projections des impacts des CEG sur les récifs coralliens et les services associés. Nous cartographions des indicateurs à l’échelle globale pour évaluer où la dépendance des sociétés aux récifs coralliens sera affectée par les menaces globales dues à un niveau de CO2 élevé. Nous analysons comment la science répond aux impacts des CEG sur les récifs coralliens et nous identifions des pistes pour la recherche. Enfin, nous opérationnalisons une facette de la vulnérabilité, la capacité d’adaptation écologique, pour servir d’outil pour évaluer l’effectivité des actions locales dans un contexte de CEG. Ce manuscrit contribue à des avancées théoriques et méthodologiques sur l’évaluation des impacts, de la vulnérabilité et de l’adaptation aux CEG. Il développe des approches interdisciplinaires pour l’étude des SSE et des services écosystémiques, ciblant les récifs coralliens comme étude de cas. Enfin, il analyse l’émergence d’un champ scientifique sur les solutions aux GEC pour les récifs coralliens. / Global environmental change (GEC) in the ocean threatens marine ecosystems and the people who depend on them. A growing scientific effort is attempting to evaluate the impacts of environmental changes on ecosystems and ecosystem services and guide policy-making to respond to this global issue. Focusing on social-ecological systems of coral reefs, this thesis critically reviews the approaches put forward in the literature to understand gaps and to design new methodologies, assessments, and indicators to guide science and policy. Our findings show that a regionally targeted strategy of research should address complexity and provide more realistic projections about the impacts of GEC on coral reefs ecosystems and ecosystem services. We map global-scale indicators to understand where human dependence on coral reef ecosystems will be affected by globally-driven threats expected in a high-CO2 world. We then analyze how science is responding to the challenge posed by GEC on coral reefs and to identify gaps in research.Finally, we attempt to operationalize an overlooked component of vulnerability assessments, ecological adaptive capacity, to serve as a tool to help assess where local actions can be effective in the context of climate change. This manuscript contributes to theoretical and methodological advances to evaluate impacts, vulnerability and adaptation to GEC. It develops interdisciplinary approaches for the study of social-ecological systems and ecosystem services, targeting coral reefs as a case study. Finally, it synthesizes critically the emergence of a scientific field on solutions to GEC for coral reef social-ecological systems.