Thèse doctorat : Dynamique & environnements sédimentaires : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3399. Articles en anglais reproduits dans le texte. Résumé en français. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique & environnements sédimentaires : Lille 1 : 2003. / Articles en anglais reproduits dans le texte. Résumé en français. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Même les écosystèmes les plus nord du monde ont été affectés par le réchauffement climatique et les lacs de l'Extrême-Arctique ne font pas exception. L'île d'Ellesmere est à la limite nord du Canada et des changements de régime vers des taxons associés à des saisons de croissance plus longues ont déjà été documentés dans les lacs de cette région. La côte nord de l'île d'Ellesmere est dans une région pour laquelle on prévoit le plus grand réchauffement annuel au cours des 80 prochaines années. Il est donc impératif de comprendre le fonctionnement des lacs côtiers sensibles avant que d'autres changements ne se produisent. J'ai étudié une série de quatre lacs de la vallée de Stuckberry (82º54 N, 66º58 W) pour donner un aperçu de leur dynamique phytoplanctonique sous la glace. Mes objectifs étaient 1) identifier et quantifier les communautés photosynthétiques dans les lacs de la vallée de Stuckberry, 2) déterminer les variables physico-chimiques qui ont exercé le contrôle le plus fort sur la variation de la communauté au sein des lacs et entre les lacs, et 3) élargir la compréhension des écosystèmes d'eau douce sous la glace de l'Extrême-Arctique et leur fonction. Les intensités lumineuses et l'oxygène dissous exerçaient un contrôle primordial sur la distribution et l'abondance des organismes photosynthétiques et la conductivité spécifique et l'azote jouaient aussi des rôles importants. Ces variables distinguaient clairement deux lacs oxiques profonds des deux lacs anoxiques peu profonds. Les différences des types de communautés photosynthétiques entre les lacs et les profondeurs étaient liées aux concentrations d'oxygène dissous : la lignée des algues rouges dominait dans les eaux oxiques, tandis que les bactéries sulfureuses pourpres dominaient dans les eaux anoxiques. Les pigments indiquaient aussi que les dinoflagellés, les cryptophytes et les haptophytes étaient abondants partout dans les quatre lacs, alors que les chrysophytes et les chlorophytes étaient présentes en plus faibles concentrations. Ma thèse représente l'une des très rares études de communautés photosynthétiques sous la glace de l'Extrême-Arctique, et elle fait progresser considérablement notre compréhension des processus écologiques dans cette région hautement sensible. / Even the world’s most northern ecosystems have been affected by climate warming and High Arctic lakes are no exception. Ellesmere Island is at the northernmost limit of Canada, and regime shifts have already been documented in its lakes towards taxa associated with longer growing seasons. It has been projected that the northern coast of Ellesmere Island is within a region that will experience the greatest annual warming in the Arctic over the next 80 years, and so understanding the functioning of its sensitive coastal lakes is critical before further changes occur. I studied a series of four lakes in Stuckberry Valley (82º54 N, 66º58 W) to give insight into their under-ice phytoplankton dynamics. My objectives were 1) identify and quantify the photosynthetic communities found in the Stuckberry Valley lakes, 2) determine the physicochemical variables that exerted the strongest control over within- and between-lake community variation, and 3) expand the understanding of under-ice High Arctic freshwater ecosystems and their function. Light intensities and DO concentrations exerted primary control over the distribution and abundance of photosynthetic organisms, in addition to important roles played by specific conductivity and nitrogen. These variables clearly distinguished two deep, oxic lakes from two shallow, anoxic lakes. Differences in photosynthetic community types between lakes and depths was strongly linked to DO concentrations: the red pigment algal line dominated in oxic waters, while purple sulfur bacteria (PSB) were found in anoxic zones. Pigments indicated that dinoflagellates, cryptophytes, and haptophytes were abundant throughout all four lakes, with lower concentrations of chrysophyte and chlorophyte pigments. My thesis represents one of the very few studies of High Arctic under-ice photosynthetic communities, and it significantly advances our understanding of ecological processes in this highly sensitive region.

La région de Charlevoix, dans le sud-est du Québec, est caractérisée par un paysage spectaculaire formé par la jonction des Hautes-Laurentides, de l’astroblème de Charlevoix et de l'estuaire du Saint-Laurent. Cette étude, basée sur deux campagnes de terrain et sur l'interprétation de photos aériennes numériques de haute résolution 3D et de données LiDAR, documente un géosystème glaciaire dominé par le développement de lacs proglaciaires lors de la déglaciation en raison d'une topographie très irrégulière et de la présence de grands systèmes morainiques. Les résultats fournissent une chronologie relative pour le développement et le drainage d’une série de lacs proglaciaires pendant chaque étape de la déglaciation. Dans la région, les Hautes-Laurentides sont caractérisées par un haut plateau (700 - 1174 m) et des vallées profondément encaissées (Malbaie, Sainte-Anne, à Mars). L’astroblème de Charlevoix est caractérisé par un graben circulaire (vallées du Gouffre et Malbaie) et une remontée centrale (mont des Éboulements et collines de Saint-Hilarion). Quatre systèmes morainiques sont observés dans la région: les systèmes Rochette et Brûlée-Sainte-Anne, probablement développés pendant la Dryas ancien (~ 14 cal. ka BP.), et les systèmes de Mars-Batiscan et de Saint-Narcisse, datant du Dryas récent (12,9 - 11,7 cal. ka BP). La présence de deltas, de rythmites, de dépôts littoraux, de terrasses lacustres, de brèches de drainage et de dépôts de drainage a été utilisée pour identifier 91 lacs proglaciaires. Cinq systèmes de lacs proglaciaires ont été identifiés sur la base de leur emplacement, leur chemin de drainage, leur type de barrages, leur complexe morainique associé et leur stratigraphie: 1- Système des lacs se drainant la vallée du Saint-Laurent : des lacs étant contenus par le courant glaciaire du Saint-Laurent ou par les moraines de Rochette; 2- Système des vallées latérales de l’astroblème : des lacs se drainant dans le graben de l’astroblème, contenus par les langues glaciaires du Gouffre et Malbaie; 3- Système du secteur de Sainte-Aimée-des-lacs : des lacs situés dans le graben de l’astroblème, contenus par des crêtes morainiques associées au complexe de Saint-Narcisse; 4- Système du Secteur Sainte-Anne : des lacs se drainant par les vallées des rivières Sainte-Anne et Montmorency, contenus par les moraines du complexe de Brûlé-Sainte-Anne ou par des glaciers de vallées; 5- Système des Laurentides Nord : des lacs se drainant vers le nord (Saguenay, rivière Noire), contenus d’abord par l’Inlandsis laurentidien et ensuite par les moraines des complexes de Saint-Narcisse et de Mars-Batiscan. / The Charlevoix region, in southeastern Québec, is characterized by a dramatic landscape formed by the junction of the Laurentian Highlands, the Charlevoix Astrobleme and the St. Lawrence Estuary. This study, based on two extensive field campaigns and the interpretation of high-resolution 3D digital air photos and LiDAR data, documents a glacial landsystem dominated by the development of proglacial lakes during deglaciation due to a very irregular topography and the presence of major moraine systems. Our results provide a relative chronology for the development and drainage of series of proglacial lakes formed during each successive stage of deglaciation. In the region, the Laurentian Highlands are characterized by a high plateau (700-1174 m) and deeply incised river valleys (Malbaie, Saint-Anne, à Mars). The Charlevoix Astrobleme is characterized by a circular graben (Malbaie and du Gouffre river valleys) and a central uplift (Mount of Éboulements and Saint-Hilarion hills). Four moraine systems are observed in the region: the Rochette and Brûlée-Sainte-Anne systems, probably developed during the Older Dryas (~ 14 cal. ka BP), and the Saint-Narcisse and Mars-Batiscan systems dating from the Younger Dryas (12.9 to 11.7 cal. ka BP). Deltas, rythmites, coastal deposits, lacustrine terraces, breaches and drainage deposits were used to identify 91 proglacial lakes. Five types of proglacial lakes were identified based on their location, drainage path, type of dams, associated moraine complex and stratigraphy: 1- Lakes draining towards the St. Lawrence valley : constrained by glacial ice in the St. Lawrence Estuary or by the Rochette moraine, and draining later into the Goldthwait Sea; 2- Astrobleme side valley lakes : constrained by du Gouffre and Malbaie glacial tongues and draining into the graben of the astrobleme; 3- Sainte-Aimée-des-Lacs lakes : constrained by moraine ridges associated with Saint-Narcisse moraine systems; 4- Sainte-Anne Sector lakes : constrained by Brûlé-Sainte-Anne moraines or by valley glaciers lakes and draining through the Sainte-Anne and Montmorency river valleys; 5- Northern Laurentian lakes: constrained first by the Laurentide Ice Sheet and then by the moraines of the Saint-Narcisse and Mars-Batiscan moraine systems and draining northward towards Lake St-Jean and Saguenay River.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les conditions actuelles de réchauffement climatique provoquent d'importants changements dans les paysages subarctiques, notamment le dégel du pergélisol et la croissance des lacs de thermokarst. Ces lacs sont connus pour leur libération importante de gaz à effet de serre (GES), un processus conduit par l'activité microbienne. Ce projet utilise comme modèle la vallée de la rivière Sasapimakwananistikw (SAS), située dans la région de Whapmagoostui-Kuujjuarapik au Nunavik, pour tracer un portrait des populations virales de ces milieux afin de permettre une meilleure compréhension des changements liés au dégel du pergélisol. Les lacs de thermokarst sont peu profonds (< 3 m) et riches en matière organique. En été, leur colonne d'eau est stratifiée, avec des eaux chaudes et oxygénées en surface et des eaux froides et anoxiques en profondeur. En hiver, l'ensemble du lac est scellé par la neige et la glace, entravant les échanges avec l'atmosphère, et l'eau y devient entièrement anoxique. Ces conditions anoxiques favorisent l'activité des micro-organismes méthanogènes et la formation de GES. Les virus sont connus pour avoir un impact considérable sur l'environnement. Ils peuvent affecter les réseaux trophiques, l'équilibre des populations microbiennes et les cycles biogéochimiques. Puisque nombre de virus sont encore inconnus, leur impact sur les écosystèmes polaires reste mal documenté. Ce projet donne l'occasion de combler une lacune importante dans les connaissances actuelles. Dans ce projet, j'utilise une approche métagénomique pour étudier la communauté virale des lacs de thermokarst du nord du Québec dans le but de répondre aux questions suivantes : (1) Quelle est la diversité virale des lacs de thermokarst et comment varie-t-elle au fil des saisons? Et (2) Quel est le niveau de connectivité entre les communautés virales nordiques, du lac thermokarstique aux milieux marins en passant par les rivières les reliant? Deux études préliminaires ont été menées pour étudier les communautés virales et leurs hôtes cellulaires dans le lac SAS2A. La première étude présente la variation saisonnière des communautés virales intracellulaires dans ce lac; la seconde étude étudie les hôtes cellulaires retrouvés dans la « petite » fraction. Ces études ont mis en lumière la transition des communautés virales entre les saisons ainsi que la diversité et les rôles métaboliques des micro-organismes de petite taille. L'analyse d'échantillons du lac SAS2A a permis de décrire deux communautés virales distinctes dans un lac de thermokarst échantillonné en été et en hiver sur une période de trois ans. Une communauté saisonnière dynamique occupe la couche de surface oxygénée pendant l'été et une communauté plus stable occupe la couche d'eau anoxique au fond du lac en été et dans une grande partie de la colonne d'eau en hiver. La grande majorité des génomes viraux identifiés dans ces métagénomes ont été assignés à des familles virales appartenaient aux Caudovirales (Caudoviricetes), notamment les groupes morphologiques myovirus, siphovirus et podovirus. Une comparaison avec des métagénomes d'autres milieux nordiques a mis en évidence la composition distincte des communautés virales dans cet écosystème lacustre de dégel du permafrost. L'analyse d'échantillons de multiples habitats dans la vallée SAS, incluant le lac SAS2A, la tourbière et une palse de la vallée SAS2, et la rivière SAS qui draine le système vers la Baie d'Hudson, a révélé un niveau de connectivité variable dans la région. Les résultats dénotent une déconnexion complète des communautés virales de la palse et de la rivière, contrastée par une relation étroite entre les communautés de l'eau du lac et de ses sédiments. La comparaison avec les populations virales de nos études antérieures a confirmé la récurrence de certains génotypes viraux dans cet habitat sur plusieurs années. Les résultats de cette étude montrent la présence d'une grande diversité de virus dans le paysage pergélisolé et indiquent une connectivité très variable entre les habitats adjacents. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse enrichissent nos connaissances sur le fonctionnement interne des lacs de thermokarst, en approfondissant notre compréhension des communautés virales sur un spectre taxonomique, temporel et spatial plus large. Les lacs de thermokarst présentent une grande diversité virale en toutes saisons et des relations transitoires complexes à travers le temps et l'espace. Ce projet ouvre la voie à une meilleure compréhension et de nouvelles recherches sur l'écologie virale des environnements nordiques touchés par la dégradation du pergélisol. / Under current global warming conditions, subarctic landscapes are undergoing major changes, including permafrost thawing and the growth of thermokarst lakes. These lakes are known for their considerable release of greenhouse gases (GHG), a process driven by microbial metabolism. This metagenomics project uses the Sasapimakwananistikw (SAS) river valley, located in the Whapmagoostui-Kuujjuarapik region in Nunavik, as a model to portray viral populations in these environments, with a focus on better understanding the changes associated with permafrost thaw. Thermokarst lakes are shallow (< 3 m) and rich in organic matter. In summer, their water column is stratified, with warm, oxygenated water at the surface and cold, anoxic water at the bottom. In winter, the whole lake is sealed off by snow and ice, preventing exchanges with the atmosphere, and becomes entirely anoxic. These anoxic conditions favor the activity of methanogenic micro-organisms and the formation of GHG. Viruses, small intracellular parasites, are known to have a considerable impact on their host and environment. They can affect food webs, the balance of microbial populations and biogeochemical cycles. Since many viruses are still unknown, their impact on polar ecosystems is still poorly documented. This project was an opportunity to fill a major gap in current knowledge. This project used a metagenomic approach to study the viral community of thermokarst lakes in northern Quebec, with the aim of answering the following questions: (1) What is the viral diversity of thermokarst lakes, and how does it vary over the seasons? And (2) What is the level of connectivity between northern viral communities, from peatland soils and wetlands to thermokarst lakes, and to the marine environment via connecting rivers? Two preliminary studies investigated viral communities and their cellular hosts in thermokarst lake SAS2A. The first study focused on the seasonal variation of intracellular viral communities in this lake, while the second examined the cellular hosts found in a small size fraction (< 0.2 μm) of the microbial community. These studies highlighted the transition of viral communities between seasons, as well as the high diversity and broad metabolic potential of small microorganisms, generally poorly represented in traditional metagenomes. Analysis of SAS2A lake samples revealed two distinct viral communities in a thermokarst lake sampled in both summer and winter over a three-year period. A dynamic seasonal community occupied the oxygenated surface layer in summer, while a more stable community occupies the anoxic water layer at the bottom of the lake in summer and a large part of the water column in winter. The vast majority of viral genomes identified in these metagenomes were assigned to viral families belonging to the Caudovirales (Caudoviricetes), notably the morphological groups myovirus, siphovirus and podovirus. A comparison with other permafrost and northern lake metagenomes highlighted the distinct composition of viral communities in this permafrost thaw lake ecosystem. Analysis of samples from multiple habitats in the SAS valley, including SAS2A lake, the surrounding peatland, a palsa in the SAS2 valley, and the river that drains the system into Hudson Bay, revealed a variable level of connectivity across the landscape. The results show a clear and complete disconnection between the viral communities of the palsa and the river, contrasted by a close relationship between the communities of the lake bottom water and its sediments. Comparison with viral populations from our previous studies carried out in this thermokarst lake system confirmed the recurrence of certain viral genotypes in this habitat over several years. The results of this study show the presence of a high diversity of viruses in the permafrost landscape and indicate highly variable connectivity between adjacent habitats. Overall, the findings of this thesis add to our knowledge of the inner workings of thermokarst lakes, deepening our understanding of viral communities over a wider taxonomic, temporal and spatial spectrum. Thermokarst lakes exhibit high viral diversity in all seasons, as well as complex transitional relationships across time and space. This project paves the way for a better understanding and new research into the viral ecology of northern environments impacted by permafrost degradation.