Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les efflorescences de cyanobactéries peuvent relâcher des substances toxiques pour la vie aquatique, mais également pour les humains. Plusieurs études ont tenté d'identifier les facteurs qui sont corrélés au dénombrement et aux efflorescences de cyanobactéries. Un facteur souvent négligé dans ces études est l'effet des plantes aquatiques. Certaines plantes peuvent relâcher dans l'eau des substances qui affectent la croissance des cyanobactéries, un phénomène que l'on nomme allélopathie. Il a été montré en laboratoire que le myriophylle à épis (*Myriophyllum spicatum*) libère des acides gras et des polyphénols toxiques pour les cyanobactéries, mais ceci n'a jamais été documenté en nature. Un suivi exhaustif du dénombrement de cyanobactéries, des efflorescences de cyanobactéries, de différents paramètres physico-chimiques (eau, atmosphère) et du couvert de plantes aquatiques a été effectué au lac Saint-Charles (Québec, Canada) entre 2011 et 2022. Les données historiques n'ont pas permis de déceler un effet du myriophylle sur les cyanobactéries, faute peut-être d'un protocole d'échantillonnage adéquat. En 2022, un autre protocole a été mis en place pour étudier de manière plus spécifique cet effet au lac Saint-Charles, mais également au lac McKenzie, un plan d'eau situé non loin et fortement colonisé par le myriophylle. Les substances émises par le myriophylle ont été détectées dans l'eau des deux lacs, mais en concentrations trop faibles pour affecter les cyanobactéries. Les sites avec myriophylle et sans myriophylle au lac Saint-Charles ne présentent pas de différences importantes dans la concentration de ces substances. Les deux études ont montré que d'autres facteurs, soit le niveau d'eau, les précipitations, la température et les concentrations en nutriments ont davantage d'influence sur les efflorescences et le nombre de cyanobactéries. Il est peu probable que l'effet allélopathique du myriophylle détecté en laboratoire exerce une influence significative sur les cyanobactéries en milieu naturel, du moins dans le cas des deux lacs étudiés.

Le modèle biogéochimique de résolution complexe MIRO a été développé pour étudier la dynamique des efflorescences de Phaeocystis en zone côtière belge (BCZ) en réponse aux apports de nutriments anthropiques délivrés directement par l’Escaut et indirectement par la Seine via les eaux atlantiques entrantes. Le modèle MIRO décrit les cycles du carbone (C), de l’azote (N), du phosphore (P) et de la silice (Si) au travers de 38 compartiments chimiques, planctoniques et benthiques clés de l’écosystème côtier dominé par Phaeocystis. Il a été validé dans une configuration multi boite simple en utilisant des forçages climatologiques pour la période 1989-1999 et sur base d’une comparaison visuelle des simulations de nutriments et des variables planctoniques avec les données récoltées durant cette même période.<p>Le modèle validé a ensuite été utilisé pour étudier le fonctionnement de l’écosystème et les cycles biogéochimiques associés. Plus précisément, les bilans de carbone et de nutriments réalisés sur base des flux biologiques modélisés ont montré que l’écosystème de la BCZ, dominé par les efflorescences de Phaeocystis, se caractérise par une faible efficience trophique, une faible capacité de rétention/élimination des apports de nutriments d’origine anthropique et une faible capacité d’absorption du CO2 atmosphérique. Des scénarios annulant tour à tour l’activité biologique et les apports de carbone par les rivières ont permis de déterminer les rôles respectifs de la température, des processus biologiques et des apports de nutriments et de carbone par les rivières dans l’évolution saisonnière de la pCO2 des eaux de surface.<p>L’effet combiné des apports anthropiques de nutriments et des conditions météorologiques locales (débit, vent, température) a été étudié sur base d’une simulation effectuée pour la période contemporaine (1989-2003) en utilisant les forçages réels mesurés. La comparaison visuelle des simulations et des observations montre que, si le modèle est parfaitement capable de reproduire les successions phytoplanctoniques, il est par contre moins performant en ce qui concerne la reproduction des signaux extrêmes. Il apparaît donc que l’échelle de temps (mensuelle) utilisée pour décrire la variabilité des forçages est trop longue et ne permet pas de capter les variations hydrologiques à court terme résultant du vent et de la marée. <p>De manière à mieux comprendre le lien entre les activités humaines sur le bassin versant et l’eutrophisation des zones côtières, le modèle MIRO a été couplé aux sorties du modèle de rivière RIVERSTRAHLER appliqué à la Seine et à l’Escaut sur une période de 50 ans (1950-1998). Les résultats obtenus montrent que l’importance des efflorescences de diatomées est conditionnée par les apports de PO4, alors que l’importance des Phaeocystis est directement liée à l’importance des apports de NO3. Un bilan établi pour la BCZ montre que plus de 50% des apports annuels de N et 60% des apports annuels de P proviennent des eaux Atlantiques et pointe l‘importance des apports de la Seine pour l’enrichissement de la BCZ. <p>Différents scénarios de réduction des apports de nutriments provenant des rivières ont été réalisés afin de cibler le ou les nutriments à diminuer prioritairement pour réduire les efflorescences de Phaeocystis. Les résultats montrent que, dans les conditions actuelles, seule une réduction des apports de NO3 prédit une diminution des efflorescences de Phaeocystis. De plus, pour avoir un abattement significatif de ces efflorescences, il est nécessaire d’agir de manière conjointe sur les apports de la Seine et de l’Escaut.<p>En vue de l’implémentation du code MIRO dans un modèle 3D hydrodynamique et pour tenir compte de la variabilité spatiale des sédiments dans la zone étudiée, une paramétrisation des flux de nutriments à l’interface eau-sédiment a été recherchée sur base des résultats obtenus avec un modèle diagénétique analytique décrivant la dégradation de la matière organique et les cycles de l’azote et du phosphore dans les sédiments. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie animale / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les régions arctiques et subarctiques subissent un changement climatique plus rapide et plus sévère que n’importe où ailleurs dans le monde. Ces rapides modifications accentuent l’urgence d’étudier ce milieu extrême avant qu’il ne soit entièrement modifié et que la banquise n’ait totalement disparue à l’été, affectant grandement les communautés microbiennes qui s’y développent. Dans cette thèse, je me suis intéressée à la dynamique du composé algal diméthylsulfoniopropionate (DMSP), précurseur du gaz climatiquement actif diméthylsulfure (DMS), dans et sous la glace de première année pendant la fonte printanière dans l’archipel Arctique canadien. Au début du printemps, les importants réservoirs de DMSP particulaire (DMSPp) et dissous (DMSPd) présents à la base de la glace contribuent fortement au réservoir de la colonne d’eau sous-jacente via le drainage et le lessivage des saumures. Ces libérations ponctuelles de matière organique favorisent la production bactérienne de DMS. Suite à la disparition complète du couvert de neige, la fonte de la glace augmente la transmittance de la lumière à travers cette dernière et la stratification de la colonne d’eau qui favorisent le développement de floraisons phytoplanctoniques sous la glace. Ces floraisons sont associées à de fortes concentrations de DMSP, particulièrement lorsque des diatomées pennales d’origine sympagique dominent la communauté algale. Lorsque ces algues sont soudainement exposées à la lumière à la lisière des glaces, elles blanchissent et exsudent la majorité de leur contenu cellulaire en DMSP. Ce nouveau réservoir de DMSPd est alors disponible pour les bactéries qui peuvent le transformer en DMS. Une importante variabilité de la photosensibilité des algues est cependant observée en fonction de la composition spécifique de la communauté algale. Les diatomées pennales d’origine sympagique montrent une plus forte tolérance que les diatomées centrales planctoniques. Cette thèse met donc en évidence pour la première fois l’importance du réservoir de DMSPd dans la glace, ainsi que son influence sur les communautés microbiennes vivant dans la colonne d’eau sous-jacente. Elle souligne également l’importance du réservoir de DMSP associé aux floraisons phytoplanctoniques sous la glace et la sensibilité des algues à un choc lumineux en fonction de la composition taxonomique de la floraison. / Climate change is faster and more severe in polar Arctic and Subarctic regions than anywhere else in the world. The dramatic changes recently observed in the Arctic impel us to study this extreme environment before the summer sea ice completely vanishes along with the diversified microbial communities it supports. This thesis explores the fate of the algal compound dimethylsulfoniopropionate (DMSP), precursor of the climate active gas dimethylsulfide (DMS), within and beneath first year ice during the spring melt period in the Canadian Arctic Archipelago. In early spring, the large pools of particulate and dissolved DMSP (DMSPp and DMSPd, respectively) from the bottom sea ice strongly influence the underlying water column following brine release. These punctual releases of organic matter favor the bacterial production of DMS in surface waters. Following the complete disappearance of the snow cover, ice melt favors the penetration of light through the ice pack and the stratification of the water column which enhance the development of under-ice phytoplankton blooms. These blooms are associated with high DMSP concentrations, particularly when dominated by sympagic pennate diatoms. When these algal cells are suddenly exposed to direct sunlight in open waters such as leads or ice edge zones, they bleach and exude their DMSP cellular content. This new DMSPd reservoir then becomes available for bacterioplankton and its potential conversion into DMS. Furthermore, an important variability of algal photosensitivity is observed between algal communities investigated as a function of their taxonomic composition. Sympagic pennate diatoms show greater photoprotective capabilities than planktonic centric diatoms. This thesis highlights the importance of the DMSPd pool in sea ice and its influence on microbial communities in the underlying water column. This study is the first to report on the very high DMSP concentrations associated with under-ice phytoplankton blooms, and evaluate the sensitivity of algae to a sudden light change depending of the taxonomic bloom composition.

Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone (CO2) ont augmenté depuis la révolution industrielle, entraînant des modifications dans les teneurs atmosphériques en CO2 et un accroissement de la pression partielle de CO2 (pCO2) océanique. L’absorption du CO2 par les océans a entraîné une baisse du pH des eaux de surface, correspondant à une augmentation de l’acidité d’environ 30 % par rapport aux valeurs préindustrielles. D’autre part, l’accumulation de CO2 anthropique dans l'atmosphère a également induit un réchauffement des eaux de surface depuis le milieu du 20e siècle. Le devenir des communautés planctoniques face à ces altérations actuelles et futures de leur environnement demeure incertain. On ignore également comment l’acidification et le réchauffement affecteront la production du diméthylsulfure (DMS), un gaz sulfuré d’origine planctonique impliqué dans la régulation du climat. Le but de cette thèse est de déterminer l’impact d’une augmentation de la pCO2 sur le développement des floraisons phytoplanctoniques de l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL) et la production de DMS, ainsi que d’évaluer dans quelle mesure le réchauffement des eaux de surface modulera l’effet de l’acidification. Deux grandes expériences ont été menées au cours de la thèse. Une première expérience en microcosmes (~20 L) a été conduite à l’été 2013 afin d’étudier les effets de la pCO2 sur la floraison printanière des diatomées dans L’EMSL, en portant une attention particulière aux processus microbiens régissant la production de DMS. Une seconde expérience de type multifactorielle en mésocosmes (~2600 L) a été conduite à l’automne 2014 afin de déterminer l’impact combiné de l’augmentation de la pCO2 et du réchauffement sur le développement de la floraison automnale de l’EMSL et la production du DMS. Les résultats de l’expérience en microcosmes montrent que les communautés phytoplanctoniques responsables de la floraison printanière dans l’EMSL sont résistantes à des augmentations de la pCO2 supérieures aux valeurs attendues pour 2100. Cette résistance reflète vraisemblablement leur adaptation au milieu estuarien, environnement connu pour ses variations de pCO2 importantes et rapides. Cette première expérience a également mis en évidence une diminution de 15 et de 40 % des concentrations moyennes de DMS chez les communautés respectivement soumises à des pCO2 de 1850 μatm et 2700 μatm par rapport au contrôle (~775 μatm). Des incubations menées en parallèle ont permis de montrer, au moyen de 35S-DMSPd, que l’effet négatif de l’acidification sur le DMS résultait en grande partie d’une diminution de l’efficacité de conversion du DMSP en DMS par les bactéries. La deuxième expérience a également mis en évidence une forte résistance de la diatomée Skeletonema costatum à une large gamme de pH (~8.0–7.2) et de pCO2 (~90–3000 μatm). Lors de cette étude, un réchauffement des eaux de 5 °C a accéléré le développement et le déclin de la floraison, mais n’a pas eu d’effet sur la production primaire intégrée pendant l’expérience. À l’instar de l’expérience en microcosmes, l’augmentation de la pCO2 a provoqué une diminution des concentrations moyennes de DMS de ~66 % dans les mésocosmes les plus acidifiés par rapport aux traitements les moins acidifiés à température in situ (10 °C). L’effet négatif d’une augmentation de la pCO2 sur la production nette de DMS pourrait cependant être annulé par le réchauffement des eaux de surface. En effet, mes résultats révèlent que la production nette de DMS était plus élevée à 15 °C par rapport à 10 °C et ce à toutes les pCO2 testées. Ces résultats inédits suggèrent que le réchauffement attendu des eaux de surface pourrait contrer en partie l’effet négatif de l’acidification sur la production nette de DMS dans l’EMSL et possiblement dans l’océan mondial. / Anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions have increased since the industrial revolution, leading to modifications in atmospheric CO2 content and an increase in oceanic CO2 partial pressures (pCO2). The uptake of CO2 by the oceans has resulted in a lowering of surface water pH, corresponding to an increase in the acidity of the oceans by ~30 % compared with pre-industrial times. Furthermore, climate change resulting from the accumulation of anthropogenic CO2 in the atmosphere is responsible for the observed warming of sea surface temperatures since the mid 20th century. The fate of planktonic communities in the face of these changes in the marine environment over the next century remains uncertain. Even less understood are the possible interactions of acidification and warming on the production of dimethylsulfide (DMS), a sulfur-containing gas produced by planktonic communities and involved in climate regulation. The aim of this thesis is to determine the impact of heightened pCO2 on the development of the phytoplanktonic blooms in the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE), and their production of DMS, as well as to evaluate how concomitant warming could modulate the effects of acidification. Two intricate experiments were carried out during this study. First, a microcosm experiment (~20 L) was conducted in the summer of 2013 to assess the effects of pCO2 on the development of the LSLE spring diatom bloom, paying special attention to the microbial processes governing the production of DMS. Second, a multifactorial mesocosm experiment (~2600 L) was carried out in the fall of 2014 to investigate the combined effects of pCO2 and temperature on the development of the fall bloom in the LSLE and the production of DMS. Results from our microcosm experiment show that the blooming phytoplankton community of the LSLE during spring is resistant to pCO2 increases superior to the expected values for 2100. This resistance likely reflects its adaptation to the estuarine setting, an environment known for rapid and intense fluctuations of pCO2. This first experiment has also highlighted a reduction of the average concentrations of DMS by 15 and 40 % in planktonic assemblages respectively subjected to pCO2 of ~1850 μatm and ~2700 μatm compared to the control (~775 μatm). Parallel incubations have shown, using 35S-DMSPd, that the negative effect of acidification on DMS mostly stemmed from a decrease in the conversion efficiency of DMSP to DMS by bacteria. The second experiment has also highlighted a strong resistance of the diatom Skeletonema costatum to a wide range of pH (~8.0–7.2), and corresponding pCO2 (~90–3000 μatm). In this study, a warming of 5 °C accelerated the development and decline of the bloom, but did not affect the integrated primary production over the duration of the experiment. As in the first experiment, heightened pCO2 resulted in a decrease of average concentrations of DMS of ~66 % in the most acidified mesocosms compared to the least acidified mesocosms at in situ temperature (10 °C). However, the negative effect of an increase in pCO2 on the net production of DMS could be mitigated by a warming of surface waters. Indeed, my results reveal that the net production of DMS was higher at 15 °C compared to 10 °C over the whole pCO2 gradient in our mesocosm study. These novel results suggest that warming of surface waters could mitigate, at least partly, the negative effect of acidification on DMS net production in the LSLE and perhaps in the world’s oceans.