Les concentrations en silice dissoute (DSi) et silice particulaire biogène (BSi) ont été mesurées pendant une année complète (en 2003) dans la zone tidale de la rivière Escaut et dans ses tributaires aux limites tidales. Alors que la DSi est restée, dans les tributaires, à des concentrations élevées toute au long de l’année, et que la BSi s’est maintenue à des concentrations faibles, la DSi a été entièrement consommée pendant l’été dans la rivière tidale et les concentrations en BSi ont augmenté. En comparant ces concentrations avec celles de la biomasse des diatomées et de la matière en suspension, il a pu être estimé que la majeure partie de la BSi en été était associée aux diatomées vivantes. Des bilans de masse de la DSi et de ces deux fractions de BSi ont été effectués sur différentes zones de la rivière tidale pendant la période durant laquelle les diatomées se développent (période productive, Mai à Octobre). Ceci a permis l’estimation de la croissance et de la mortalité des diatomées, ainsi que de la sédimentation nette de la BSi durant cette période : la moitié de la DSi apportée par les rivières a été transformée en BSi dans la rivière tidale, et la rétention de la silice y a atteint un tiers des apports fluviaux en silice “totale” (TSi = DSi + BSi). Les flux annuels de silice ont aussi été calculés pour replacer à une échelle annuelle les résultats obtenus pendant la période productive : les rétentions annuelles de DSi et la de TSi ne s élevèrent respectivement qu’à 14 et 6 %. L’échantillonnage de l’estuaire a été effectué sur l’ensemble du gradient de salinité au cours de 11 campagnes réparties sur trois ans (de 2003 à 2005). Du fait du mélange des eaux douces et marines, les concentrations en DSi diminuèrent toujours de l’amont vers l’aval, mais les profils étaient généralement convexes ou concaves. Ils ont été interprétés en les comparant avec ceux obtenus à l’aide de la modélisation du transport conservatif. Les flux à l’embouchure ont aussi pu être recalculés, ce qui a permis de quantifier la consommation ou le relargage de DSi au sein de l’estuaire : un maximum de consommation a été observé au printemps, mais l’estuaire a été une source nette de DSi d’août à décembre. A l’échelle annuelle, 28 % des apports de DSi à l’estuaire ont été consommés. La comparaison des profils de BSi avec ceux de la biomasse des diatomées et ceux de la matière en suspension indiqua que la plupart de la BSi dans l’estuaire était détritique (c’est-à-dire non associée aux diatomées vivantes). Ces résultats ont été confirmés par des expériences d’incorporation de silice radioactive qui, bien que la méthodologie soit complètement différente, apportèrent des résultats comparables. La dynamique complexe de la BSi a donc pu être interprétée à l’aide de celle déjà bien étudiée de la matière en suspension dans l’estuaire de l’Escaut, et un bilan de masse de la BSi dans l’estuaire a pu être établi à partir d’un bilan pour la matière en suspension obtenu de la littérature. En plus de la production de diatomées, l’estuaire a reçu presque autant de BSi de la rivière tidale que de la zone côtière. Ceci induisit que la rétention de TSi dans l’estuaire (59 %) a été plus importante que celle de la DSi. Au final, le système tidal de l’Escaut apparaît comme un filtre important pour la silice : les rétentions globales de DSi et TSi dans ce système s’élevèrent respectivement à 39 et 61 %. La comparaison des dynamiques de la silice dans la rivière tidale et dans l’estuaire mit en évidence l’importance du rôle de l’estuaire. La consommation de DSi et la déposition de BSi par unité de surface étaient certes plus intenses dans la rivière tidale mais, à l’échelle de l’écosystème, les effets y furent limités du fait de sa faible surface comparée à celle de l’estuaire. L’une des observations les plus importantes de cette étude est celle de l’apport net de BSi à l’estuaire depuis la zone côtière, ce qui induisit une importante rétention estuarienne de la silice. Les différences importantes entre les rétentions de DSi et de TSi mettent ainsi en évidence la nécessité de prendre en compte la dynamique de la BSi dans l’étude de celle de la silice. De plus, l’importance de la BSi détritique implique que la dynamique de la BSi ne peut être étudiée de part l’observation seule de celle des diatomées. Enfin, l’apport net de BSi vers l’estuaire à l’embouchure, ainsi que l’origine en grande partie marine des diatomées se développant dans l’estuaire, soulignent l’importance de prendre en compte l’importance des échanges à l’embouchure pour le fonctionnement biogéochimique de la silice dans l’estuaire ; l’estuaire ne doit pas être vu comme un simple filtre à sens unique des espèces dissoutes et particulaires provenant uniquement des rivières en amont.

Le but général de ce travail fut de quantifier la silice biogène (BSiO2) dans les sédiments du continuum de l'Escaut (estuaire – zone côtière), ainsi que son taux de recyclage - rétention. Le coefficient de diffusion moléculaire de la DSi a été déterminé pour différentes valeurs de température et deux salinités et une relation empirique reliant le coefficient de diffusion à la température et à la viscosité de la solution a été établie. La distribution longitudinale de la BSiO2 dans les sédiments de surface, ainsi que les profils verticaux de BSiO2 et de silice dissoute ont été déterminés durant différentes saisons en 2004 et 2005. Les flux de DSi ont été également estimés via des expériences d’incubations et par modélisation des profiles verticaux de DSi. Des expériences de dissolution des sédiments ont permis de déterminer (via modélisation) les constantes cinétiques de vitesse de la BSiO2 et une première évaluation du taux de recyclage de la BSiO2 (5 – 70%). Sur base des calculs à partir des profiles de DSi dans l’eau interstitielle, le taux de recyclage de la BSiO2 varie entre 8 et 92% dans l’estuaire, ce qui correspond à une rétention moyenne de la BSiO2 supérieure à 60%, et souligne ainsi l'efficacité du filtre estuarien par rapport à la silice. En revanche, le recyclage de BSiO2 dans la zone côtière apparaît comme très intensif, avec des valeurs souvent supérieures à 40%. Ces résultats montrent l'importance d'inclure les estuaires dans le calcul des budgets globaux de Si. / The general objective of this study was to quantify the BSiO2 in the sediments of the Scheldt continuum, together with its recycling and retention in this area. First an empirical relation linking the diffusion coefficient of DSi to temperature and salinity was determined, via diffusion experiments. The longitudinal BSiO2 distribution in surface sediments and the vertical BSiO2 and DSi profiles in sediment cores where then measured during 2 years and different seasons, together with other parameters characterizing pore waters, such as alkalinity, pH, sulphate… DSi fluxes were also estimated either directly through whole core incubations measurements or via modelling of interstitial water profiles. BSiO2 dissolution experiments allowed the evaluation of the kinetic rate constants also through modelling of the results, and gave preliminary information over the BSiO2 recycling rates (5 – 70%). The recycling rate as obtained from pore water profiles vary between 8 and 92%, with an average value of about 32%, which highlights the importance of the estuarine filter for silica. Recycling is much more intense in the coastal area, with values up to 40%, which we explain by higher salinity and higher sediment permeability. The different experiments and results also indicated that secondary mineral precipitation might be and important process affecting BSiO2 in the Scheldt sediments.

The dissolved silicon (DSi) has a crucial role for growth of a large group of primary producers – diatoms and, hence, impact on functioning of the aquatic food web. This thesis contributes to an increased understanding of the modifications of the DSi cycling in the Baltic Sea. The results provide new information about spatial and temporal changes in DSi concentrations and nutrient ratios for the period 1970-2001 as well as during the 20th century. For the period 1970-2001, the declining DSi trends were found at the majority of monitoring stations all over the Baltic Sea. This decrease is assumed to be mainly due to the ongoing eutrophication. It is supported by the increasing trends of inorganic nitrogen and phosphorus. The trends have implications for the nutrient ratios, DSi:DIN and DSi:DIP, which are important indicators of the state of an ecosystem. The long-term retrospective DSi budget has shown that the DSi concentrations before major hydrological alterations and eutrophication were about twice the present ones. This decrease is related to both eutrophication and anthropogenic perturbations in the catchment. The occurrence of DSi concentrations close to the potentially limiting levels has been also analysed. While DSi concentrations are still high in the northern regions of the Baltic, other areas may be at risk of developing Si limitation if the decrease in DSi concentrations persists. The results depict the Baltic Sea journey from being water body with DSi levels sufficient to support diatom production to one that may experience Si limitation and its adverse ecological consequences. / Löst kisel (DSi) har en viktig roll för tillväxten av en stor grupp av primärproducenter – kiselalger, och därmed även påverkar hela den akvatiska näringskedjan. Denna avhandling bidrar till en ökad förståelse av förändringarna i DSi kretsloppet i Östersjön. Resultaten tillhandahåller ny information om rumsliga och tidsmässiga förändringar i DSi koncentrationer såväl för perioden 1970-2001 som för hela 1900-talet. För perioden 1970-2001 återfanns minskade DSi koncentrationer på mätstationer över hela Östersjön. Minskningen antas främst bero på den pågående övergödningen. Detta antagande stöds av stigande halter av oorganiskt kväve och fosfor. Sammantaget har dessa trender en inverkan på ekosystemets tillstånd och näringsämnenas kvoter, DSi: DIN och DSi: DIP. Ur ett längre tidsperspektiv kan man se att innan övergödningen och de stora hydrologiska ombildningar i Östersjöområdet var DSi koncentrationerna ungefär dubbelt så höga som idag. Dagens förekomst av DSi koncentrationer som ligger nära de potentiellt begränsande nivåerna har också analyserats. DSi koncentrationerna är fortfarande höga i norra delar av Östersjön, men är i andra områden i riskzonen för att utveckla Si begränsning om minskningen av DSi koncentrationer fortsätter. Resultaten skildrar Östersjöns resa från att vara ett havsområde med DSi halter som är tillräckliga för att understödja kiselalgernas produktion till ett sådant som kan uppleva Si begränsning och dess negativa ekologiska konsekvenser.

Les concentrations en silice dissoute (DSi) et silice particulaire biogène (BSi) ont été mesurées pendant une année complète (en 2003) dans la zone tidale de la rivière Escaut et dans ses tributaires aux limites tidales. Alors que la DSi est restée, dans les tributaires, à des concentrations élevées toute au long de l’année, et que la BSi s’est maintenue à des concentrations faibles, la DSi a été entièrement consommée pendant l’été dans la rivière tidale et les concentrations en BSi ont augmenté. En comparant ces concentrations avec celles de la biomasse des diatomées et de la matière en suspension, il a pu être estimé que la majeure partie de la BSi en été était associée aux diatomées vivantes. Des bilans de masse de la DSi et de ces deux fractions de BSi ont été effectués sur différentes zones de la rivière tidale pendant la période durant laquelle les diatomées se développent (période productive, Mai à Octobre). Ceci a permis l’estimation de la croissance et de la mortalité des diatomées, ainsi que de la sédimentation nette de la BSi durant cette période :la moitié de la DSi apportée par les rivières a été transformée en BSi dans la rivière tidale, et la rétention de la silice y a atteint un tiers des apports fluviaux en silice “totale” (TSi = DSi + BSi). Les flux annuels de silice ont aussi été calculés pour replacer à une échelle annuelle les résultats obtenus pendant la période productive :les rétentions annuelles de DSi et la de TSi ne s élevèrent respectivement qu’à 14 et 6 %.<p>L’échantillonnage de l’estuaire a été effectué sur l’ensemble du gradient de salinité au cours de 11 campagnes réparties sur trois ans (de 2003 à 2005). Du fait du mélange des eaux douces et marines, les concentrations en DSi diminuèrent toujours de l’amont vers l’aval, mais les profils étaient généralement convexes ou concaves. Ils ont été interprétés en les comparant avec ceux obtenus à l’aide de la modélisation du transport conservatif. Les flux à l’embouchure ont aussi pu être recalculés, ce qui a permis de quantifier la consommation ou le relargage de DSi au sein de l’estuaire :un maximum de consommation a été observé au printemps, mais l’estuaire a été une source nette de DSi d’août à décembre. A l’échelle annuelle, 28 % des apports de DSi à l’estuaire ont été consommés.<p>La comparaison des profils de BSi avec ceux de la biomasse des diatomées et ceux de la matière en suspension indiqua que la plupart de la BSi dans l’estuaire était détritique (c’est-à-dire non associée aux diatomées vivantes). Ces résultats ont été confirmés par des expériences d’incorporation de silice radioactive qui, bien que la méthodologie soit complètement différente, apportèrent des résultats comparables. La dynamique complexe de la BSi a donc pu être interprétée à l’aide de celle déjà bien étudiée de la matière en suspension dans l’estuaire de l’Escaut, et un bilan de masse de la BSi dans l’estuaire a pu être établi à partir d’un bilan pour la matière en suspension obtenu de la littérature. En plus de la production de diatomées, l’estuaire a reçu presque autant de BSi de la rivière tidale que de la zone côtière. Ceci induisit que la rétention de TSi dans l’estuaire (59 %) a été plus importante que celle de la DSi.<p>Au final, le système tidal de l’Escaut apparaît comme un filtre important pour la silice :les rétentions globales de DSi et TSi dans ce système s’élevèrent respectivement à 39 et 61 %. La comparaison des dynamiques de la silice dans la rivière tidale et dans l’estuaire mit en évidence l’importance du rôle de l’estuaire. La consommation de DSi et la déposition de BSi par unité de surface étaient certes plus intenses dans la rivière tidale mais, à l’échelle de l’écosystème, les effets y furent limités du fait de sa faible surface comparée à celle de l’estuaire. L’une des observations les plus importantes de cette étude est celle de l’apport net de BSi à l’estuaire depuis la zone côtière, ce qui induisit une importante rétention estuarienne de la silice. Les différences importantes entre les rétentions de DSi et de TSi mettent ainsi en évidence la nécessité de prendre en compte la dynamique de la BSi dans l’étude de celle de la silice. De plus, l’importance de la BSi détritique implique que la dynamique de la BSi ne peut être étudiée de part l’observation seule de celle des diatomées. Enfin, l’apport net de BSi vers l’estuaire à l’embouchure, ainsi que l’origine en grande partie marine des diatomées se développant dans l’estuaire, soulignent l’importance de prendre en compte l’importance des échanges à l’embouchure pour le fonctionnement biogéochimique de la silice dans l’estuaire ;l’estuaire ne doit pas être vu comme un simple filtre à sens unique des espèces dissoutes et particulaires provenant uniquement des rivières en amont.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le but général de ce travail fut de quantifier la silice biogène (BSiO2) dans les sédiments du continuum de l'Escaut (estuaire – zone côtière), ainsi que son taux de recyclage - rétention. Le coefficient de diffusion moléculaire de la DSi a été déterminé pour différentes valeurs de température et deux salinités et une relation empirique reliant le coefficient de diffusion à la température et à la viscosité de la solution a été établie. La distribution longitudinale de la BSiO2 dans les sédiments de surface, ainsi que les profils verticaux de BSiO2 et de silice dissoute ont été déterminés durant différentes saisons en 2004 et 2005. Les flux de DSi ont été également estimés via des expériences d’incubations et par modélisation des profiles verticaux de DSi. Des expériences de dissolution des sédiments ont permis de déterminer (via modélisation) les constantes cinétiques de vitesse de la BSiO2 et une première évaluation du taux de recyclage de la BSiO2 (5 – 70%). Sur base des calculs à partir des profiles de DSi dans l’eau interstitielle, le taux de recyclage de la BSiO2 varie entre 8 et 92% dans l’estuaire, ce qui correspond à une rétention moyenne de la BSiO2 supérieure à 60%, et souligne ainsi l'efficacité du filtre estuarien par rapport à la silice. En revanche, le recyclage de BSiO2 dans la zone côtière apparaît comme très intensif, avec des valeurs souvent supérieures à 40%. Ces résultats montrent l'importance d'inclure les estuaires dans le calcul des budgets globaux de Si. / The general objective of this study was to quantify the BSiO2 in the sediments of the Scheldt continuum, together with its recycling and retention in this area. First an empirical relation linking the diffusion coefficient of DSi to temperature and salinity was determined, via diffusion experiments. The longitudinal BSiO2 distribution in surface sediments and the vertical BSiO2 and DSi profiles in sediment cores where then measured during 2 years and different seasons, together with other parameters characterizing pore waters, such as alkalinity, pH, sulphate… DSi fluxes were also estimated either directly through whole core incubations measurements or via modelling of interstitial water profiles. BSiO2 dissolution experiments allowed the evaluation of the kinetic rate constants also through modelling of the results, and gave preliminary information over the BSiO2 recycling rates (5 – 70%). The recycling rate as obtained from pore water profiles vary between 8 and 92%, with an average value of about 32%, which highlights the importance of the estuarine filter for silica. Recycling is much more intense in the coastal area, with values up to 40%, which we explain by higher salinity and higher sediment permeability. The different experiments and results also indicated that secondary mineral precipitation might be and important process affecting BSiO2 in the Scheldt sediments.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished