Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'agriculture intensive utilise de grandes quantités d'herbicides afin de contrer la prolifération des mauvaises herbes. On retrouve ces divers herbicides dans l'environnement, que ce soit dans les sols ou dans les cours d'eau. Chacun de ces herbicides peut avoir un effet délétère sur les organismes aquatiques. Certains de ceux-ci, tel l'atrazine, ont été l'objet de nombreuses études sur leurs effets sur les organismes vivants. On sait, par ailleurs, que ces herbicides peuvent dérégler l'équilibre du biote aquatique. Il faut toutefois se rappeler que plusieurs types d'herbicides sont utilisés simultanément et à de nombreuses reprises au cours d'une saison créant ainsi un mélange potentiellement très toxique pour les différents organismes non-cibles. Ces herbicides peuvent interagir de nombreuses façons entre eux, que ce soit de manière synergique, antagoniste, additive. Les cyanobactéries sont appelées couramment algues bleu-vert et se retrouvent dans les milieux eutrophes riches en phosphates et en nitrates. L'agriculture, de par son utilisation massive d'engrais, permet la création de milieux particulièrement propices à l'éclosion de floraisons de cyanobactéries qui forment ces tapis verdâtres et gluants sur les cours d'eau, les rendant nauséabonds et impropres à la baignade. De plus, certaines souches produisent, de surcroît, des toxines qui peuvent être délétères pour Ies organismes vivants. Ces toxines peuvent parfois se retrouver en quantité suffisante dans l'eau potable et affecter la santé humaine. Peu d'études ont été faites sur les effets de xénobiotiques, tels que des herbicides, sur la photosynthèse et la physiologie des cyanobactéries. Comment ces herbicides et leurs mélanges affectent-il la cyanobactérie qu'on retrouve partout dans le monde, Microcystis aeruginosa? Nous avons utilisé deux souches de Microcystis aeruginosa, l'une produisant la toxine hépatotoxique appelée microcystine (UTCC 299), l'autre ne la produisant pas (UTCC 632). Lors de cette étude, nous avons testé les effets individuels de divers herbicides commerciaux (atrazine, métolachlore), d'un additif (safener ou phytoprotecteur) appelé Benoxacor et de divers mélanges de ces substances. Nous avons étudié les effets de ces substances sur la photosynthèse grâce au PAM et au PEA, appareils utilisant la fluorescence comme outil de mesure afin de déterminer comment est utilisée l'énergie lumineuse servant à la photosynthèse et comment elle est dissipée à travers diverses voies de dissipations énergétiques. Nous avons aussi utilisé la cytométrie en flux afin de déterminer les effets de ces xénobiotiques sur la grosseur et la granulosité des cellules en plus de mettre en évidence la formation d'espèces réactives oxygénées. Nous avons aussi extraits les pigments chlorophylliens afin de vérifier les effets des produits utilisés sur ceux-ci. Ce qu'il ressort de cette étude est le fait que l'atrazine est un facteur majeur de la toxicité dans les mélanges tandis que le métolachlore n'a pas d'effets significatifs. De plus, le phytoprotecteur Benoxacor présente aussi une forte toxicité et rehausse les effets délétères lorsque ajouté dans un mélange. Il y a production d'espèces réactives oxygénées en présence d'atrazine. Les cellules voient leur physiologie changée et la chlorophylle a cellulaire de UTCC 299 est fortement affectée par la présence des herbicides. L'atrazine et le Benoxacor interagissent ensemble et leur mélange augmente la toxicité générale du mélange. Les antennes et les pigments chlorophylliens sont les éléments les plus affectés et altérés par les substances testées. La physiologie de UTCC 299 est nettement plus affectée par l'atrazine et le Benoxacor que UTCC 632. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Herbicides, Interaction, PEA, PAM, Cyanobactéries, Chlorophylle, Phytoprotecteur, Safener, Espèces réactives oxygénées.

La pollution des milieux aquatiques par les métaux lourds demande une évaluation du risque des effets toxiques chez des espèces aquatiques. En particulier, le cadmium est connu pour être un métal non essentiel pour le fonctionnement cellulaire et toxique à faible concentration. Environ 25 000 tonnes de cadmium par année sont rejetées dans l'environnement via les activités industrielles, d'extraction de métaux, par l'emploi de pesticides et autres. Dans ce contexte, tant la formation que l'activité de l'appareil photosynthétique représente une cible importante pour les contaminants métalliques parce que l'inhibition des processus biochimiques et biophysiques de la photosynthèse affectent en entier la physiologie des plantes. Dans cette étude, la biosynthèse de la chlorophylle et la fluorescence chlorophyllienne ont été utilisées afin d'évaluer les effets toxiques du cadmium sur la formation de l'appareil photosynthétique et son activité. Dans un premier temps, l'effet toxique du cadmium a été évalué sur l'activité photosynthétique de l'algue verte. Dans cette partie, la fluorescence chlorophyllienne des algues est utilisée comme une approche pour évaluer le risque de toxicité du cadmium. Une altération de la capacité photosynthétique induite par les métaux lourds se reflète dans le rendement et la cinétique de fluorescence. Deux souches de cette espèce, une souche «sauvage» (CC-125 WT mt+) avec paroi cellulaire et une souche «mutante» (CC-400 CW 15 mt+) sans paroi, ont été employées pour étudier les effets de la paroi cellulaire sur l'absorption du cadmium et son effet toxique après 24 et 48 heures de traitement. Les courbes dose-réponse obtenues pour ces deux souches ont permis d'identifier une grande sensibilité des effets toxiques du cadmium pour les algues sans paroi par rapport à celles avec paroi en présence d'une même concentration nominale de cadmium. Les paramètres photosynthétiques de fluorescence ont indiqués que le site d'inhibition au cadmium a été au complexe enzymatique du dégagement d'oxygène associé au photosystème II. Dans la seconde partie, afin d'évaluer la capacité à synthétiser la chlorophylle dans un environnement contaminé au cadmium, la phototransformation de la protochlorophyllide (PChlide) en chlorophyllide (Chlide) par l'enzyme protochlorophyllide oxydoréductase (POR) a été étudié chez l'algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii. Une souche mutante ne synthétisant pas la chlorophylle à l'obscurité a du être utilisé afin d'obtenir des cellules étiolées, c'est-à-dire que les chloroplastes de ces cellules ne sont pas encore formés. La fluorescence à basse température (77 °K) est l'outil permettant de suivre dans le temps la phototransformation des pigments et la formation des photosystèmes. Les spectres de fluorescence ont permis d'évaluer un certain retard dans la phototransformation de la protochlorophyllide en chlorophyllide ce qui a une répercussion sur la formation des photosystèmes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cadmium, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorophillide, Chlorophylle, Cytométrie de flux, Fluorescence, Métaux lourds, NADPH-protochlorophyllide oxydoréductase, Photosynthèse, Protochlorophillide, Toxicité.

Proliferation of cyanobacteria is a growing problem in lacustrine environment that results in rapid degradation of water quality. Moreover, certain cyanobacteria species produce harmful toxins. Phycocyanin (PC) is a photosynthetic pigment typical of cyanobacteria and affects the water color: it is therefore possible to study them using remote sensing. At least three algorithms to estimate PC concentration ([PC]) have been published, but their relative errors are important, especially for lower concentration. In this study, we are presenting the results of a new algorithm that uses the second order variability (anomalies) of water's reflectance spectrum to estimate [PC]. This method has never been used in lacustrine environment. The dataset used to develop and validate the algorithm was obtained between 2001 and 2005 in 57 different lakes and reservoirs of the Netherlands and Spain. The performance of the second order algorithm is equivalent or better than the three previously published algorithms. For the subset were [PC] > 32 mg m[superscript -3], the contribution of the second order term (R[superscript 2] =0.68 and RMSE=0.25) seems to improve considerably the first order algorithm (R[superscript 2] =0.50 and RMSE=0.35). The accuracy of the second order algorithm for [PC] > 32 mg m[superscript -3] is superior to the one calculated for the whole dataset (R[superscript 2] =0.69 and RMSE=0.44). The algorithm can also be adapted to the bands of satellite sensor MERIS for the study of cyanobacteria. The application of this algorithm to a MERIS image acquired the 29 August 2010 taken over the Missisquoi Bay (Quebec, Canada) demonstrates the potential of this new algorithm for a future cyanobacteria' monitoring system. Note that all the statistical results presented above are for the logarithm of [PC] and the units of the RMSE are log(mg/m[superscript 3]).

Les mesures satellitaires de réflectance de télédétection (Rrs) associée à la fluorescence de la chlorophylle-a induite par le soleil (FCIS), notées Rrs,f , sont largement utilisées dans le domaine de l’océanographie converties sous la forme de rendement quantique de la fluorescence (QYF). Le QYF permet de déterminer l’impact de l’environnement sur la croissance du phytoplancton. Tout comme les autres mesures qui reposent sur la luminance montante, le QYF, et donc la Rrs,f , sont influencés par les effets de bidirectionnalité. Ainsi, sachant que la variabilité naturelle du QYF est faible, les biais engendrés par une normalisation inadéquate de la Rrs,f peuvent avoir des impacts importants sur l’interprétation des mesures de QYF à l’échelle planétaire. La méthode actuelle utilisée pour corriger la dépendance angulaire du signal observé dans la bande de fluorescence par le spectroradiomètre imageur à résolution moyenne (MODIS), embarqué à bord du satellite Aqua, repose sur l’application d’une table de correspondance (LUT) développée par Morel et al. (2002). Toutefois, l’approche de Morel et al. (2002) ne tient pas compte du caractère isotrope de la FCIS ce qui induit des biais systématiques sur les mesures de Rrs,f selon la latitude, par exemple. Dans ce mémoire, une nouvelle méthode de calcul de la LUT ayant pour but de réduire ces biais est introduite. Tout d’abord, celle-ci intègre une mise à jour des propriétés optiques inhérentes (IOPs) dans le modèle de transfert radiatif sur la base de publications plus récentes. Ensuite, la gamme spectrale de son application est élargie à la bande de fluorescence contrairement à la méthode actuelle qui se limite à la longueur d’onde de 660 nm. Finalement, la LUT révisée tient compte des trois composantes principales de la réflectance de télédétection que sont (1) la rétrodiffusion élastique de la lumière par les molécules d’eau et par les particules en suspension, (2) la diffusion Raman (inélastique) par les molécules d’eau et (3) la FCIS. Les résultats de Rrs,f normalisées avec la nouvelle méthode présentent une différence de dispersion moyenne par rapport à celle obtenue par l’application de la méthode de Morel et al. (2002) de l’ordre de -15 %. Des différences significatives, de l’ordre de -22 %, sont observées à de grands angles d’observation et d’éclairement (> 55 %).

La compréhension des processus écologiques affectant la matière transitant ou produite dans les estuaires nécessite une bonne connaissance des facteurs qui contrôlent le développement des différents groupes biologiques et leurs relations trophiques dans le milieu.Les milieux estuariens macrotidaux sont le plus souvent caractérisés par des fortes turbidités qui limitent généralement la production primaire locale. Ils présentent cependant une forte productionsecondaire et des concentrations en chlorophylle non négligeables dans la colonne d’eau. L’une des problématiques demeure donc l’origine de cette production primaire dans les eaux turbides de ces milieux. Cette thèse s’inscrit dans cette logique ; dans la continuité des travaux réalisés précédemment. Elle vise à analyser l’importance et le rôle de la production primaire dans la production globale de l’estuaire de la Gironde. Le présent manuscrit résume ainsi l’ensemble des travaux réalisés et lesrésultats obtenus sur les principaux groupes de producteurs primaires (phytoplancton et microphyto-benthos) présents le long du continuum fluvio-estuarien de la Gironde. Les principales questions qui sont développées dans ce travail structurent ce rapport en trois axes de recherche. Le premier axe permet, au moyen d’une modélisation 1D de transport et réaction, de simuler,dans l’espace et le temps, la dynamique de la chlorophylle-a et des sels nutritifs, témoins d’uneproduction primaire dans le milieu. Les résultats indiquent que la dynamique de la chlorophylle-adans la Gironde reste fortement dépendante des débits et des temps de résidence très courts des massesd’eau, renforçant ainsi une origine allochtone du phytoplancton. Parmi les sources potentielles deproduction d’origine allochtone présents dans la colonne d’eau, les microalgues benthiques jouent unrôle majeur puisqu’elles peuvent être remises en suspension au cours de chaque marée. L’analyse dece compartiment et de sa production a permis dans un second axe de travail, de montrer que les zonesintertidales situées en aval de l’estuaire sont les plus productives et sont majoritairement autotrophes.Elles produiraient relativement plus de matière que les zones situées en amont qui elle, sont fortementinfluencées par les débits des fleuves.Finalement dans le troisième axe, les différentes voies de transfert de la matière organique au seindu réseau trophique, où les copépodes occupent une place prépondérante, sont analysées au moyendu traçage par les isotopes stables de carbone et de l’azote (13C et 15N) / Abstract

Dans les expériences modélisant la photosynthèse, une bonne dispersion des molécules de chlorophylle est requise. Afin d'obtenir cette bonne dispersion, une solution consiste à les ancrer à un hôte. Dans cette étude, des nouveaux matériaux hybrides sont synthétisés en utilisant des hydrotalcites et un dérivé de la chlorophylle : la chlorophylline. La chlorophylline est incorporée et dispersée dans les hydrotalcites par co-précipitation ou pendant la reconstruction des hydrotalcites. Dans cette thèse est également discuté l'effet d'une irradiation par micro-onde. Dans tous les cas sont obtenus des matériaux stables, où les molécules de chlorophylline sont isolées et liées aux hydrotaltices par des liaisons avec les groupes hydroxy OH. Dans ce travail, de nouveaux matériaux sont synthétisés en utilisant les hydrotalcites et la chlorophylle a. Dans ce cas là, il est mis en valeur que la stabilisation de la chlorophylle a peut dépendre du support, à la fois par la nature et le rapport des métaux constituants les hydrotalcites. Ces matériaux hybrides obtenus (chlorophylle a/hydrotalcites) sont également stables. Ces matériaux ont été testés par lixiviation à l'acétone. Dans tous les cas, les composés lixiviés sont de la chlorophylle a, montrant ainsi que la nature et la composition des molécules sont préservées même après trente jours, bien qu'il soit à noter que dans le cas des hydrotalcites Ni/Al une faible fraction de la chlorophylle est décomposée en phéophytine. Finalement, bien que les hydrotalcites soient des composés relativement simples, ils s'avèrent tout à fait adaptés pour empêcher la dégradation des molécules de chlorophylle. / In experiments modeling photosynthesis, well dispersed chlorophyll molecules are required. A solution could be to anchor them on some host. In this work, new hybrid materials are synthesized using hydrotalcite and a chlorophyll derivative : chlorophyllin. Chlorophyllin is incorporated and dispersed in hydrotalcite through simultaneous precipitation or during hydrotalcite reconstruction. The effect of microwave irradiation on the crystallization step is discussed. In all cases stable materials are obtained, chlorophyllin molecules are isolated and bonded through hydrotalcite OH groups. Also new hybrid materials are synthesized using hydrotalcites and chlorophyll a. The effect of the support composition on chlorophyll a stabilization is discussed. The stability of the adsorbed chlorophyll a is affected by the support nature and the metal ratio of the hydrotalcite. The obtained hybrid compounds (chlorophyll a on hydrotalcite) are stable. Those hybrids were tested in lixiviation with acetone. In all cases, the lixiviated compound was chlorophyll a showing that the composition and nature of the molecule was preserved even after thirty days, although Ni/Al hydrotalcites decomposed a small fraction of the chlorophyll to pheophytin. Hydrotalcites being basic compounds turn out to be an adequate material to avoid degradation of chlorophyll molecules.

Dans l'océan Arctique, les conditions de croissance des micro-algues sont particulièrement variables et souvent contraignantes. De par sa position et sa taille modeste, cet océan est fortement influencé par les fleuves affluents et les eaux de l'Atlantique et du Pacifique. La lente propagation de ces eaux fait en sorte que, durant le premier été, le phytoplancton épuise les nutriments dans la couche de surface; le renouvellement des nutriments est ensuite limité par la très forte stratification verticale causée par l’accumulation d’eau douce. Ces conditions mènent le phytoplancton à trouver un compromis entre la limitation en lumière (en profondeur) et en nutriment (en surface), ce qui conduit à la formation d'un maximum de chlorophylle subsuperficiel (SCM). L'objectif premier de cette thèse était d’examiner, pour la première fois, la structure verticale, l’écologie et la productivité des SCM en fonction des conditions du milieu dans différents secteurs côtiers de l'Arctique canadien. Il appert que les SCM sont des structures omniprésentes et persistantes dans les eaux libres de glace. La plupart des SCM étaient associés à la nitracline, suggérant que la disponibilité en nitrate exerce une influence dominante sur leur positionnement vertical. Une étude expérimentale des relations entre la lumière, la disponibilité en azote et la productivité primaire a montré que les algues du SCM présentent de fortes compétences photosynthétiques et assimilent activement le carbone, le nitrate et d’autres sources d’azote. Bien que leur productivité à court terme soit contrainte par la faible luminosité et les basses températures, les algues du SCM contribuent largement à la production primaire journalière nouvelle, représentant une source majeure de matière organique pour l’écosystème. Comme il est difficile de mesurer la production annuelle du SCM, les résultats expérimentaux ont été jumelés à un modèle écosystémique numérique initialisé et forcé avec les conditions physico-chimiques du golfe d’Amundsen. Les simulations indiquent que la couche verticale englobant le SCM effectuerait l’essentiel de la synthèse de matière organique dans cet environnement. Vu l’impact présumé du SCM sur le réseau alimentaire, les flux verticaux de carbone et la justesse des estimations satellitaires de productivité, la meilleure compréhension de la dynamique des SCM résultant de cette thèse permet de jeter un regard nouveau sur l’écologie de l’océan Arctique dans un contexte de changements climatiques rapides. / In the Arctic Ocean, the growth conditions of micro-algae are highly variable and often restrictive. By virtue of its location and small size, this ocean is strongly influenced by water inputs from large rivers and the adjacent Atlantic and Pacific oceans. The slow propagation of these waters ensures that the phytoplankton exhausts nutrients in surface waters during the first summer. Afterwards, upward nutrient renewal is curtailed by the strong vertical stratification imparted by the accumulation of freshwater. These conditions force the phytoplankton to find a compromise between light limitation at depth and nutrient limitation at the surface, resulting in the formation of subsurface chlorophyll maximums (SCM). The central objective of this thesis was to provide the first comprehensive analysis of the vertical structure, ecology and productivity of SCM with respect to environmental conditions across different sectors of the coastal Canadian Arctic. Results revealed the widespread occurrence of long-lived SCM in ice-free waters. Most of these SCM were closely associated with the nitracline, implying that their vertical positioning was primarily influenced by nitrate availability in the lower euphotic zone. Experimental assessments of nitrogen nutrition and photosynthetic rates showed that SCM phytoplankton possessed high photosynthetic competency and were actively assimilating carbon, nitrate and other nitrogen sources. Although low irradiance and temperature constrained short-term productivity in the lower euphotic zone, SCM contributed strongly to daily new production and thus represented a major source of organic matter in the ecosystem. Since the overall contribution of SCM to annual productivity is very difficult to measure directly, experimental results were combined with a numerical ecosystem model initialized with and forced by the physico-chemical conditions of Amundsen Gulf. The simulations indicate that SCM layers potentially contribute most of the annual new and total primary production in the southeast Beaufort Sea. Since these layers presumably exert a strong impact on the food web, vertical carbon flux and the accuracy of remote-sensing estimates of productivity, the new knowledge of SCM dynamics generated in this thesis provides crucial insights into the ecology of the Arctic Ocean in a context of rapid environmental changes.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.