Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 51-55. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les impacts des changements climatiques en Arctique sont de plus en plus présents et affectent davantage les écosystèmes marins. De plus, la fonte des glaces ouvre de nouvelles routes maritimes telles que le passage du Nord-Ouest dans la région marine du Kitikmeot. Ces problématiques croissantes soulèvent des préoccupations quant à l’état des organismes benthiques vivant dans cette région où peu d’études ont été menées. Les invertébrés benthiques sont primordiaux dans le recyclage des nutriments, l’oxygénation et la décomposition dans les sédiments et sont de très bons indicateurs de changement. Ce projet a comme objectif d’explorer et d’évaluer quels sont les paramètres environnementaux influents et de modéliser les assemblages d’espèces benthiques dans la région du Kitikmeot et le chenal de Parry dans l’Arctique canadien. Pour ce faire, plusieurs échantillons provenant d’un chalut Agassiz (épibenthos) et d’un carottier à boîte (endobenthos) ont été récoltés à bord du NGCC Amundsen de 2010 à 2018. En outre, 19 variables environnementales ont été considérées lors des analyses statistiques. Nous avons observé que l’endofaune est dominée par les annélides (principalement les polychètes) tandis que l’épifaune par les arthropodes. Les résultats démontrent aussi que les différents types de communautés benthiques se succèdent un après l’autre formant ainsi une zone de transition (écotone) entre la mer de Beaufort et la baie de Baffin. Les eaux qui ont comme origine l’océan Pacifique ont une influence majeure sur la distribution et la composition des communautés. Il en est de même pour les apports d’eaux douces d’origine terrestre. Ce sont deux paramètres qui sont actuellement de plus en plus présents en Arctique, ce qui laisse présager d’importants changements dans la distribution des communautés dans l’Archipel canadien central pour les années à venir. De plus, deux autres facteurs explicatifs de la composition taxonomique sont la profondeur et la concentration de pigments associés à la production primaire locale. Cette étude a aussi démontré que la profondeur, l’oxygène ainsi que le ratio N/P sont les paramètres ayant le plus d’influence sur le nombre de taxons retrouvé. Elle a aussi permis de modéliser la répartition de la diversité benthique pour la première fois dans l’Archipel canadien. De tels modèles peuvent ensuite servir dans une optique de gestion d’aires marines. / The impacts of climate change in the Arctic are increasingly present and affect marine ecosystems. In addition, the associated sea ice melt opens up new shipping routes such as the Northwest Passage in the Kitikmeot marine region. These growing issues raise concerns about the state of benthic organisms living in this region where few studies have been carried out. Benthic invertebrates are essential in nutrient recycling, oxygenation and de composition in sediments and are very good indicators of change. The objective of this project is to exploreand assess the influential environmental parameters and model benthic species assemblage distributions in the Kitikmeot region and Parry Channel in the Canadian Arctic. For this, a number of samples from an Agassiz trawl (epifauna) and a box corer (infauna) were collected on board the CCGS Amundsen between 2010 and 2018. In addition, 19 environmental variables were considered for the statistical analyses. It was observed that infauna is dominated by annelids (mainly polychaetes) and epifauna by arthropods. The results also show that the different types of benthic communities succeed one another, thus forming a transition zone (ecotone) between the Beaufort Sea and Baffin Bay. Waters originating from the Pacific Ocean have a major influence on the distribution and composition of communities, as do freshwater inputs from land. These are two parameters whose volumes are currently increasing in the Arctic, which suggests significant changes in the distributionof communities in the central Canadian Archipel ago for years to come. Moreover, two other significant factors explaining the taxonomic composition are the depth and the pigment concentrations associated with local primary production. This study also demonstrated that depth, oxygen and N/P ratio are the parameters having the most influence on the number of taxa found. Moreover, it is the first time the distribution of benthic diversity is modeled inthe Canadian Archipelago. The models developed here can be used by decision makers forspatial marine management purposes.

Au Nunavik, les communautés inuites dépendent grandement de ressources issues de l'océan. Dans cette étude, la valeur nutritive d'organismes benthiques marins consommés par les humains a été analysée. Des pétoncles, des moules, des oursins et des étoiles de mer ont été analysés pour leur quantité d'acides gras, de pigments et de sélénium. Les objectifs étaient de révéler si les quantités de nutriments sont influencées par la période de retrait des glaces et de voir si ces nutriments sont bioamplifiés selon les niveaux trophiques des espèces. Les résultats ne montrent pas de tendances claires par rapport au temps de retrait des glaces et le contenu de nutriment semble être influencé par d'autres facteurs car ces tendances ne sont pas généralisées à travers tous les éléments analysés. Les résultats d'EPA (C20:5 (cis-5,8,11,14,17)) et de DHA (C22:6 (cis-4,7,10,13,16,19)) indiquent un accroissement en corrélation avec l'augmentation du niveau trophique. Cette tendance n'est, par contre, pas généralisée parmi tous les acides gras analysés. Ces résultats aident à mieux comprendre l'influence de la dynamique des glaces sur les quantités de nutriments trouvées dans des organismes benthiques ainsi que la façon dont ils passent à travers le réseau trophique benthique du Nunavik, au Canada. / In Nunavik, Inuit communities depend greatly on country food that come from the ocean. In this study, the nutritional value of benthic organisms consumed by the human population in these communities were analysed. Scallops, mussels, urchins and seastars had their fatty acid, pigment and selenium quantities evaluated. The goals were to reveal if the nutrient quantities were influenced by the timing of ice withdrawal and if there was bioamplification according to species. Results show that no clear trend can be identified for ice withdrawal and the nutrient contents seem to be influenced by other factors because these trends are not generalized to all nutrients. EPA (C20:5 (cis-5,8,11,14,17)) and DHA (C22:6 (cis-4,7,10,13,16,19)) seem to exibit an increase as the trophic level gets higher. This tendency is not present for all the fatty acids analysed, however. These results help better understand the influence of ice dynamics on the nutrient quantities found in benthic organisms as well as the way they pass through the benthic food web in Nunavik, Canada.

Au Nunavik, les communautés inuites dépendent grandement de ressources issues de l'océan. Dans cette étude, la valeur nutritive d'organismes benthiques marins consommés par les humains a été analysée. Des pétoncles, des moules, des oursins et des étoiles de mer ont été analysés pour leur quantité d'acides gras, de pigments et de sélénium. Les objectifs étaient de révéler si les quantités de nutriments sont influencées par la période de retrait des glaces et de voir si ces nutriments sont bioamplifiés selon les niveaux trophiques des espèces. Les résultats ne montrent pas de tendances claires par rapport au temps de retrait des glaces et le contenu de nutriment semble être influencé par d'autres facteurs car ces tendances ne sont pas généralisées à travers tous les éléments analysés. Les résultats d'EPA (C20:5 (cis-5,8,11,14,17)) et de DHA (C22:6 (cis-4,7,10,13,16,19)) indiquent un accroissement en corrélation avec l'augmentation du niveau trophique. Cette tendance n'est, par contre, pas généralisée parmi tous les acides gras analysés. Ces résultats aident à mieux comprendre l'influence de la dynamique des glaces sur les quantités de nutriments trouvées dans des organismes benthiques ainsi que la façon dont ils passent à travers le réseau trophique benthique du Nunavik, au Canada. / In Nunavik, Inuit communities depend greatly on country food that come from the ocean. In this study, the nutritional value of benthic organisms consumed by the human population in these communities were analysed. Scallops, mussels, urchins and seastars had their fatty acid, pigment and selenium quantities evaluated. The goals were to reveal if the nutrient quantities were influenced by the timing of ice withdrawal and if there was bioamplification according to species. Results show that no clear trend can be identified for ice withdrawal and the nutrient contents seem to be influenced by other factors because these trends are not generalized to all nutrients. EPA (C20:5 (cis-5,8,11,14,17)) and DHA (C22:6 (cis-4,7,10,13,16,19)) seem to exibit an increase as the trophic level gets higher. This tendency is not present for all the fatty acids analysed, however. These results help better understand the influence of ice dynamics on the nutrient quantities found in benthic organisms as well as the way they pass through the benthic food web in Nunavik, Canada.

Les régions côtières des estuaires sont le siège de nombreuses activités anthropiques terrestres ou aquatiques comme l'agriculture, le transport maritime ou l'aquaculture. Ces différentes activités engendrent des facteurs de stress, communément appelés stresseurs, qui affectent la structure et le fonctionnement des communautés benthiques. Avec l'augmentation des activités humaines, deux scénarios principaux ont été notés : i) le chevauchement spatio-temporelle de plusieurs facteurs de stress, et ii) l'intensification de stresseurs uniques. Dans un premier temps, la superposition spatiotemporelle de plusieurs stresseurs peut mener à l'interaction entre ceux-ci, où la présence d'un stresseur accentue (synergie) ou, au contraire, atténue l'effet d'un autre (interaction antagoniste). Dans un deuxième temps, l'intensification de stresseurs uniques peut mener à l'apparition de points de bascule, correspondant à des réorganisations substantielles dans la structure et le fonctionnement d'un écosystème. L'interaction de stresseurs et les points de bascule ont de profondes implications sur les écosystèmes; ils sont souvent très difficiles à prévoir, et peuvent occasionner des changements importants au sein de communautés naturelles, à un point tel que le retour à l'état initial est parfois impossible. Ces deux concepts ont largement été étudiés de façon exclusive. Toutefois, très peu d'études ont cherché à combiner ces deux concepts. C'est à la lumière des activités humaines et de leurs impacts sur les écosystèmes aquatiques, notamment ceux de l'estuaire du Saint-Laurent, que se justifie mon projet doctoral. Plus précisément, l'objectif général de cette thèse est de comprendre l'effet de multiples stresseurs d'origine anthropique sur les écosystèmes aquatiques en intégrant différents compartiments biologiques (c.-à-d. individus, populations, communautés, écosystèmes). Cette thèse s'articule autour de deux objectifs principaux, divisés en cinq chapitres. Le premier objectif est de déterminer les scénarios d'interaction entre plusieurs stresseurs et leurs effets sur les communautés benthiques à l'aide d'approches expérimentales en laboratoire et in-situ (Chapitres 1 et 2). Le deuxième objectif est d'identifier des points de bascule lorsque les communautés sont exposées à différentes intensités et combinaisons de stresseurs à l'aide d'une revue de littérature et d'une expérience en laboratoire (Chapitres 3, 4 et 5). Mon premier chapitre s'est concentré sur l'effet individuel et combiné d'un enrichissement en nutriments, d'une variation de salinité et une augmentation de la température de l'eau sur la moule bleue, Mytilus spp., la telline de la Balthique, Limecola balthica, et sur le microphytobenthos. Pour répondre à ces objectifs, nous avons effectué une expérience de manipulation en laboratoire de trois mois où la mortalité, le contenu énergétique des tissus et la minéralisation des coquilles ont été évalués chez Mytilus spp. et chez L. balthica, ainsi que les pigments microphytobenthiques. La variation de salinité et l'enrichissement en nutriments, séparément, ont eu d'importants effets sur la mortalité, le niveau de minéralisation des coquilles, le contenu énergétique des tissus, et la biomasse microphytobenthique et leur effet variait dans le temps. Au contraire, l'augmentation de la température de l'eau n'a eu aucun effet. Ces résultats démontrent une prévalence d'interactions antagonistes pour les réponses évaluées et l'importance de considérer l'effet de stresseurs uniques et combinés dans le temps. Sur la même thématique, mon deuxième chapitre a cherché à caractériser in situ l'effet de vagues de chaleur et d'un enrichissement en nutriments sur les bancs de moules et l'écosystème qu'elles créent. Nous avons mené une expérience où la mortalité et le contenu énergétique chez Mytilus spp., l'activité microbienne, et la concentration sédimentaire en chlorophylle a et en phaeopigments ont été évalués au cours du temps. L'enrichissement en nutriments et les vagues de chaleur, de manière individuelle et combinée, ont eu des effets positifs et négatifs sur le contenu énergétique des tissus chez Mytilus spp., sur les phaeopigments ainsi que sur le ratio chlorophylle a/phaeopigments. En ce qui concerne les autres réponses d'intérêt, aucun effet n'a été observé, suggérant que les stresseurs influencent de manière différente les différents compartiments biologiques et écosystémiques étudiés. Ce chapitre démontre que l'effet individuel et combiné des stresseurs environnementaux diffère à travers le temps et illustre l'importance de combiner plusieurs approches expérimentales pour cerner la complexité derrière l'interaction entre stresseurs multiples. Pour mon troisième chapitre, à l'aide d'une revue de la documentation scientifique, nous avons (1) développé une perspective actuelle et historique sur les points de bascule dans les écosystèmes terrestres et aquatiques; (2) décrit l'effort de recherche dans différents habitats aquatiques; (3) exploré les résultats d'études expérimentales axés sur les points de bascule mesurés aux échelles individuelles, des populations, des communautés, et des services/fonctions écosystémiques dans un contexte de stresseurs uniques et multiples. Le nombre d'études portant sur les points de bascule augmente annuellement, mais très peu d'études ont pour objectif spécifique de les identifier (32.6%). Encore moins d'études examinent comment l'ajout d'un stresseur additionnel peut modifier un point de bascule. Aussi, plusieurs études s'intéressent à de multiples réponses, mais seulement 25% se concentrent sur de multiples échelles biologiques. Ces résultats démontrent que le concept de point de bascule est très actuel, mais nous avons identifié certaines pistes de solution afin de renouveler ce concept dans un contexte de stresseurs multiples. Dans le cadre de mon quatrième et cinquième chapitre, nous avons mené une expérience afin d'étudier les effets d'une intrusion sporadique d'eau salée le long d'un gradient d'enrichissement en nutriments sur une communauté d'eau douce composée de périphyton, de microorganismes hétérotrophes, et d'individus de moule zébrée Dreissena polymorpha. Nous cherchions à (1) caractériser l'effet individuel et combiné des deux stresseurs sur les réponses d'intérêts et identifier des interactions synergiques ou antagonistes; (2) identifier un point de bascule le long du gradient d'enrichissement en nutriment en absence et présence d'une intrusion sporadique d'eau salée; puis, (3) identifier l'effet de la présence d'un stress osmotique sur l'atteinte d'un point de bascule. Nous nous sommes intéressés à la mortalité (Chapitre 4) et au taux métabolique chez D. polymorpha, à l'activité microbienne, et au périphyton (chlorophylle a, phaeopigments) (Chapitre 5). Les deux stresseurs ont eu des effets individuels (c.-à-d. dominances) et combinés (c.-à-d. interactions) sur toutes les variables réponses, et nous avons observé un changement au niveau du type d'interaction le long du gradient. La présence d'un stress osmotique a eu pour effet de devancer le point de bascule pour la mortalité et de créer un point de bascule pour le taux métabolique chez D. polymorpha. Nos résultats mettent en évidence que le type d'interaction peut varier le long d'un gradient environnemental et que la présence de plusieurs stresseurs peut devancer un point de bascule. Cette thèse de doctorat contribue à l'amélioration de notre compréhension théorique des concepts d'interactions entre stresseurs et les points de bascule et combine, pour une des premières fois à notre connaissance, les deux concepts écologiques à différents échelles biologiques (individu, communauté, écosystème) Ce projet, qui s'intéresse tant à la portion d'eau douce qu'à la portion marine du Saint-Laurent, apportera également des informations importantes quant à la capacité de tolérance des écosystèmes face à l'empreinte humaine. En intégrant plusieurs composantes de l'écosystème, nous souhaitons mettre en lumière que l'évaluation de l'empreinte humaine sur les écosystèmes aquatiques doit être effectuée en intégrant plusieurs composantes afin de bien comprendre la complexité derrière le concept d'interactions entre stresseurs et de points de bascule. Ultimement, en apportant des informations et pistes de solutions quant à la vulnérabilité des communautés benthiques à plusieurs facteurs et intensités de stresseurs, ce projet contribuera à une meilleure gestion écosystémique des communautés benthiques du Saint-Laurent. / The coastal regions of estuaries are heavily affected by terrestrial and aquatic anthropogenic activities such as agriculture, fisheries, aquaculture and shipping. These activities lead to a diversity of environmental stressors that affect the structure, dynamics and functioning of benthic communities and will have impacts at different scales of the biological hierarchy, from the individual to the community. With increasing human activities, two main scenarios have been observed: i) the spatio-temporal overlap of multiple stressors, and ii) the intensification of single stessors. First of all, the spatio-temporal superposition of multiple stressors can lead to their interactions, where the presence of one stressor will accentuate (i.e. synergy) or attenuate (i.e. antagonism) the effect of another. Second of all, the intensification of single stressors can lead to tipping points, corresponding to substantial reorganizations in the structure and functioning of an ecosystem. Stressor interactions and tipping points have profound implications on ecosystems: often very difficult to predict, they can cause significant changes within communities, to such an extent that a return to initial states is sometimes impossible. These two concepts have been widely studied individually. However, very few studies have attempted to combine both concepts. The justification to carry out this doctoral project resides in the need to address the challenge of the increase of human activities and their impacts of aquatic ecosystems, particularly those in the estuary and gulf of the St. Lawrence River. More specifically, the objective of this thesis is to understand the effect of multiple anthropogenic stressors on marine and freshwater ecosystems by integrating multiple biological compartments. The thesis is structured around two main objectives divided into five chapters. The first objective is to characterize the scenarios of interaction between multiple stressors and their effects on benthic communities using experimental approaches in the laboratory or in situ (Chapters 1 and 2). The second objective is to identify tipping points when communities are exposed to different intensities and combinations of stressors using a literature review and a laboratory experiment (Chapters 3, 4 and 5). The objective of my first chapter is to characterize the individual effects of nutrient enrichment, salinity variation and increased water temperature on different biological responses measured at the individual level in two bivalve species (Mytilus spp. and Limecola balthica) and on microphytobenthos. We carried out a laboratory experiment with two exposure times (one and three months) and evaluated mortality levels, energy content and mineralization levels in Mytilus spp. and L. balthica as well as microphytobenthic pigments. Salinity variation and nutrient enrichment, individually and combined, had significant effects on mortality, shell mineralization, tissue energy content and sediment chlorophyll a concentration and more interestingly, their effect varied through time. On the contrary, increased water temperature had no effects on the investigated responses. These results suggest a prevalence of antagonistic interactions for the evaluated responses and the importance of considering the effect of single and combined stressors over time. Similarly, my second chapter has for objective to characterize in situ the effect of heat waves and nutrient enrichment on mussel beds and their associated ecosystem. More specifically, we carried out a three months experiment where mortality and energy content in Mytilus spp, microbial activity and sediment chlorophyll a and phaeopigment concentration were assessed multiple times over the duration of the experiment. Nutrient enrichment and heat waves, individually and in combination, affected tissue energy content in Mytilus spp., phaeopigments and the chlorophyll a/phaeopigments ratio. Regarding the other responses, no significant effect was detected, suggesting that stressors influence the compartments differently. This chapter demonstrates that the individual and combined effect of environmental stressors differ over time and illustrates the importance of combining several experimental approaches to understand the complexity behind the interaction between multiple stressors. My third chapter seeks, through a literature review, to (1) develop a historical perspective of tipping point studies in terrestrial, freshwater and marine ecological systems; (2) portray the research effort in different aquatic habitats; and (3) explore the results of experimental studies focusing on tipping points measured at the individual, communities, ecosystem level (incl. ecosystem functions and services) in a context of single and multiple stressors. The number of studies mentioning tipping points increases every year, but surprisingly very few have had to date as specific objective that to actually identify them (32.6%). Even fewer studies examine how adding an additional stressor may alter a tipping point. Also, several studies are interested in multiple responses, but only 25 % of these focus on multiple biological scales. These results allowed us to identify some shortcoming in the field and some potential solutions in order to renew this concept in a context of multiple stressors. In my fourth and fifth chapter, we conducted an experiment to study the effect of pulses of saltwater intrusion along a nutrient enrichment gradient on a freshwater community composed of periphyton, heterotrophic microorganisms, and the zebra mussel Dreissena polymorpha. We sought to (1) characterize individual and combined effect of the two stressors on the investigated responses; (2) identify a tipping point along the nutrient enrichment gradient in the absence and presence of pulses of saltwater intrusion and; (3) identify the effect of osmotic stress on the presence, timing or intensity of a tipping point. We evaluated mortality levels (chapter 4) and metabolic rates in D. polymorpha, microbial activity and periphyton biomass (chapter 5). Both stressors had individual and combined effects on all response variables, and we observed a change in the type of interaction along the gradient. The presence of osmotic stress along the gradient had for effect that to create a tipping point (metabolic rate) or to create an earlier tipping point (mortality). Our results highlight that the type of interaction can vary along an environmental gradient and the presence of multiple stressors may create of outpace a tipping point. In general, this doctoral thesis contributes to improving our theoretical critical understanding of the concepts of stressors' interactions and tipping points, individually and, for the first time to our knowledge, combined and this, considering multiple levels of biological compartments (individual, communities, ecosystems). More specifically, this project focuses on both the freshwater and marine portion of the St. Lawrence River, and provides essential information on the tolerance of ecosystems within the context of an increasing human footprint. By integrating several components of the ecosystem, we wish to highlight that the human impact on aquatic ecosystems must be assessed by integrating several components to fully understand the complexity behind the concept of stressors' interactions and tipping points. Ultimately, by providing information and possible solutions regarding the vulnerability of benthic communities to multiple drivers and intensities of stressors, this project will contribute to a better ecosystem management of benthic communities in the St. Lawrence.

La diminution de la couverture de glace de mer due au réchauffement de l'Arctique pourrait entraîner des changements complexes et indéterminés dans l'apport en nourriture qui pourraient altérer le fonctionnement des écosystèmes marins de l'Arctique. Les organismes benthiques sont des membres essentiels du réseau trophique de l'Arctique et constituent une source de nourriture importante pour les consommateurs des niveaux trophiques supérieurs. Dans l'océan Arctique, les consommateurs benthiques dépendent en grande partie des pulsations saisonnières de l'approvisionnement en nourriture provenant du phytoplancton (c.-à-d. la communauté pélagique) et des algues de glace de mer (c.-à-d. la communauté sympagique), mais nous ignorons encore comment les changements de la productivité primaire pourraient influer sur la dynamique trophique benthique. Afin de prévoir les tendances futures de la dynamique et du fonctionnement des écosystèmes, il est de plus en plus important de comprendre les facteurs environnementaux et biologiques qui influencent les interactions trophiques, les régimes alimentaires des consommateurs benthiques, et la cooccurrence des espèces dans les régions sujettes à des changements environnementaux rapides. En utilisant de multiples marqueurs trophiques, trois études connexes ont été réalisées et présentées dans cette thèse dans le but de (i) déterminer les facteurs qui influencent l'écologie trophique et la structure du réseau trophique benthique; (ii) quantifier la contribution relative du carbone sympagique dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et établir le rôle de la concentration de glace de mer dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et la structure du réseau trophique; et (iii) déterminer le rôle des individus dans les interactions trophiques et la structure du réseau trophique benthique. Dans le chapitre 1, nous avons étudié la structure du réseau trophique de la communauté macrobenthique à l'échelle de l'Arctique pancanadien afin de déterminer les facteurs influençant la dynamique des niches écologiques. Nous avons trouvé que la niche écologique fluctuait entre les régions présentant des concentrations différentes de glace de mer (SIC) sous l'effet d'une série de facteurs, notamment les conditions environnementales, les ressources disponibles et les pressions biotiques comme la prédation et la compétition. Les résultats ont mis en évidence une réduction de la richesse isotopique (c.-à-d. longueurs et largeurs de chaînes trophiques plus courtes) associée aux zones ayant des concentrations de glace de mer faibles et élevées, ce qui suggère une homogénéité et une faible variabilité des ressources consommées par les organismes. En revanche, nous avons observé une augmentation de la richesse isotopique (c.-à-d. une niche plus étendue) dans les zones de glace avec une concentration de glace de mer modérée, ce qui correspond à une plus grande hétérogénéité dans les sources de nourriture basale et des consommateurs utilisant des niches trophiques individuelles. Nos résultats appuient l'idée que la glace de mer est un facteur déterminant important de la dynamique et de la structure du réseau trophique benthique dans l'océan Arctique canadien. Dans le chapitre 2, les régimes alimentaires de la macrofaune benthique des grands fonds marins et la structure de son réseau alimentaire ont été étudiés dans la région de la baie de Baffin. Nous sommes les premiers à combiner des biomarqueurs lipidiques de type isoprénoïdes hautement ramifiés (HBI) avec des rapports d'isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) pour mieux comprendre la relation entre la disponibilité des sources de carbone dans les sédiments et l'assimilation et le transfert du carbone sympagique dans le réseau alimentaire benthique. Les HBI ont révélé une corrélation entre la consommation par les organismes benthiques de carbone organique particulaire dérivé de la glace de mer et les concentrations de glace de mer. D'après nos résultats, les diminutions de la quantité de carbone sympagique atteignant les fonds marins pourraient entraîner des changements temporels dans la composition des régimes alimentaires des consommateurs benthiques, les affectant de différentes manières selon leur guilde alimentaire et leur degré de plasticité alimentaire, ce qui pourrait alors affecter la dynamique du transfert de carbone. Dans le chapitre 3, les isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) ont été utilisés en conjonction avec l'approche des ellipses bayésiennes pour explorer les tendances spatiales des niches isotopiques quant à leur chevauchement et à leur largeur pour trois ophiures cooccurrentes: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum et Ophiopleura borealis, dans des régions arctiques spécifiques de la baie de Baffin (BB), de l'archipel arctique canadien (CAA), et de la polynie des eaux du Nord (NOW). Les différences de disponibilité et de diversité des aliments à l'échelle locale ont entraîné la variabilité de l'utilisation des ressources entre les stations au niveau individuel, ce qui a affecté les interactions trophiques, les chevauchements de niche et les structures de niche isotopique des ophiures. Nous avons observé un plus grand chevauchement de niches dans la région hautement productive de NOW, où les consommateurs présentaient une sélectivité alimentaire similaire, tandis que les régions présentant une plus grande concentration de glace de mer présentaient une augmentation de la ségrégation des niches. Enfin, les résultats ont mis en évidence que les ophiures pourraient être des espèces écologiques critiques gouvernant la dynamique, le fonctionnement et la stabilité des réseaux alimentaires benthiques dans l'océan Arctique. / Declines in sea-ice cover due to the Arctic warming could lead to complex and undetermined changes in food supply that could alter negatively the functioning of Arctic marine ecosystems. Benthic organisms are essential members of the Arctic food web, constituting an important food source for higher-trophic level consumers. In the Arctic Ocean, benthic consumers depend mainly on seasonal pulses of food supply from phytoplankton (i.e., pelagic) and sea ice-associated algae (i.e., sympagic community), yet it is still unknown how changes in primary productivity might affect benthic trophic dynamics. In order to predict future trends in ecosystem dynamics and functioning, it is becoming increasingly important to understand the environmental and biological drivers influencing trophic interactions, benthic consumer diets, and species co-occurrence in regions subject to rapid environmental changes. Using multiple trophic markers approaches, three inter-related studies were performed here with the ultimate purpose of (i) determine the drivers of trophic ecology and benthic food web structure; (ii) quantify the relative contribution of sympagic carbon in benthic consumers' diets and establish the role of sea-ice concentration (SIC) in benthic consumers' diets and food web structure; and (iii) determine the role of individuals in trophic interactions and benthic food web structure. In Chapter 1, the food web structure of the macrobenthic community was studied at a Pan-Canadian Arctic scale to identify drivers of ecological niche dynamics. The ecological niche fluctuated between areas with different SIC by a series of drivers including environmental conditions, resource supply, and biotic pressures such as predation and competition. Results highlighted a reduction in the isotopic richness (i.e., shorter chain length and width) linked to ice areas with low and high SIC, suggesting homogeneity and low variability of resources consumed by organisms. In contrast, an increase in isotopic richness (i.e., broad niche) was observed in ice areas with moderate SIC, implying higher heterogeneity in basal food sources and consumers using individual trophic niches. Our results support the idea that sea ice is an important driver of benthic food web dynamics and structure across the Canadian Arctic Ocean. In Chapter 2, deep-sea benthic macrofauna diets and food web structure were studied in the Baffin Bay region. We were the first at combining highly branched isoprenoid (HBI) lipid biomarkers and stable isotope ratios (δ¹³C, δ¹⁵N) to better understand the relationship between the availability of carbon sources in sediments and the assimilation and transfer of sea-ice algae carbon through the benthic food web. Highly branched isoprenoid (HBI) biomarkers revealed a correlation between sea ice-derived particulate organic carbon (Sympagic carbon or SC) consumption in benthic organisms and sea-ice concentrations. Based on our results, decreases in the quantity of SC reaching the seabed could lead to temporal changes in the composition of benthic consumer diets, affecting them in different ways according to their feeding guilds and degree of dietary plasticity that could, in turn, affect carbon transfer dynamics. In Chapter 3, stable isotopes (δ¹³C, δ¹⁵N) in conjunction with the Bayesian ellipses approach were used to explore spatial trends in population isotopic niche width and overlap of three coexisting ophiuroids: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum, and Ophiopleura borealis, in specific Arctic regions of Baffin Bay (BB), Canadian Arctic Archipelago (CAA), and North Water Polynya (NOW). Differences in the availability and the diversity of local food items drove variability of resource utilization across stations at the individual-level, which in turn affected trophic interactions, niche overlaps, and isotopic niche structures of ophiuroids. A greater niche overlap was associated with the highly productive region of NOW, where consumers exhibited similar food selectivity, whereas regions with more sea-ice concentration (SIC) showed an increase in niche segregation. Finally, results highlighted that brittle stars could be critical ecological species driving dynamics, functioning and stability of benthic food webs in the Arctic Ocean.

L’objectif général était d’évaluer la réponse du macrobenthos à la dynamique d’un herbier marin à Zostera noltii (colonisation, maturation, destruction, restauration), dans le Bassin d’Arcachon, une lagune du sud-ouest de la France. Quand l’herbier commence à se développer, la structure de la macrofaune diverge immédiatement entre habitats d’herbier et de sables nus, sans cependant que les indice biotiques testés (BENTIX, BOPA, AMBI) varient. De même, la population du bivalve dominant, la coque (Cerastoderma edule), souffre du développement de l’herbier. Sa communauté parasitaire (trématodes) est modifiée, sans que cela n’influe sur la dynamique des coques. A l’échelle du Bassin, le développement de l’herbier (considéré comme un signe de “bonne santé”) a été comparé à la santé de deux bivalves endogés dominants, la palourde japonaise (Ruditapes philippinarum) et la coque (C. edule), évaluée en termes de prévalence de maladie. Aucune corrélation n’existe entre le taux de recouvrement d’herbier et la prévalence de trois maladies (trématodiase, perkinsose, maladie du muscle marron). Entre 2002 et 2010, la surface d’herbier a diminué de 1/3. En termes de structure de communautés et d’espèces dominantes, peu de différences sont notées au sein de chaque année (entre les 12 stations) et entre années, indépendamment du déclin de l’herbier. Parmi les indicateurs biotiques, l’indice multivarié MISS est en adéquation avec la relative similarité de la structure de la macrofaune benthique entre les groupes discriminés par l’analyse MDS. En 2005, des activités de dragage dans le Bassin d’Arcachon ont abouti à l’enfouissement de 0,32 km2 d’herbier à Z. noltii. La structure du macrobenthos a été immédiatement modifiée sans retour à l’état initial sur les zones couvertes de sable. En revanche, le macrobenthos (endofaune) s’est rapidement rétabli dans les zones couvertes de vase alors que l’herbier n’a commencé à se développer qu’au bout de 5 ans après les travaux. Le dernier chapitre de cette thèse donne un bref aperçu des connaissances actuelles sur les herbiers vietnamiens et des possibles travaux scientifiques à mener. / The overall objective was to assess macrobenthos response to marine Zostera noltii seagrass dynamics (colonization, maturation, destruction, restoration), in Arcachon Bay, a French Southwestern lagoon.When seagrass starts to develop, the structure of macrofauna community immediately diverges between sand and seagrass habitats, without however modifying tested biotic indices (BENTIX, BOPA, AMBI). As well, population of the dominant bivalve, the cockle (Cerastoderma edule), suffers from seagrass development. Their parasite (trematode) community are impacted, but not sufficiently to explain cockle deficit in seagrass.At the scale of the Bay, seagrass development (considered as a sign of “good health”) is compared to the fitness of the two dominant infaunal bivalves, the Manila clam (Ruditapes philippinarum) and the cockle (Cerastoderma edule), measured in terms of disease prevalence. There was no correlation among seagrass cover rate and the prevalence of three diseases: trematodiosis, perkinsosis and Brown Muscle Disease.Between 2002 and 2010, seagrass cover decreased by 1/3. When looking at community structure and dominant species, there were moderate differences within (among 12 stations) and among years, independently of seagrass decline. Among biotic indicators, multivariate index MISS was in adequation with the relative similarity of macrofauna structure among groups discriminated by MISS analysis.In 2005, dredging activities in Arcachon Bay led in burying 0.32 km2 of Z. noltii. Macrobenthos structure was immediately modified and did not recover in places buried by sand. Conversely, macrobenthos (infauna) recovered rapidly in areas cover by mud, while seagrass began to develop again five years after work. The last chapter of the thesis provides a brief insight of the seagrass in Vietnam, the actual knowledge and what could be investigated.

Plusieurs environnements côtiers sont aux prises avec des côtes en érosion et une pression anthropique accrue, dont la pression générée par le développement des infrastructures routières situées en bord de mer. Le Québec maritime ne fait pas exception à ce phénomène; devant l'érosion active des côtes, les instances gouvernementales et les particuliers ont de plus en plus recours à la mise en place d'ouvrages de protection du littoral. Dans la zone d'étude, soit le secteur de Saint-Siméon et de Bonaventure, dans la baie des Chaleurs (Québec, Canada), le ministère des Transports du Québec a procédé, en 2007, à la réfection d'anciennes structures et à la mise en place de nouveaux enrochements. La plage devant ces structures est souvent submergée à marée haute. Or, les infrastructures de protection du littoral sont tenues responsables de modifications des systèmes côtiers. Ces impacts se répercutent à la fois sur l'évolution de la ligne de rivage, sur la morpho-sédimentologie des zones intertidales et sur les organismes benthiques. L'objectif du présent mémoire est d'évaluer l'effet d'ouvrages en enrochement sur l'évolution historique de la côte et sur les caractéristiques morpho-sédimentaires et biologiques benthiques des plages. Le bilan de l'évolution historique, obtenu par photo-interprétation multidate (1934-2007), montre que les murets et les enrochements ont provoqué une réduction de 10 % à 75 % de la largeur des plages, entraînant même la disparition quasi complète de celles-ci pour certains segments de côte. Par ailleurs, on observe que plus un secteur est artificialisé, plus les plages situées devant des zones naturelles toujours plus restreintes ont tendance à se rétrécir. Par ailleurs, les résultats de la campagne d'échantillonnage biologique révèlent certaines caractéristiques différentes entre les milieux artificiels (avec structure de protection) et naturels. Les analyses statistiques ont permis d'identifier les variables environnementales prédominantes, dans la structure des 13 taxons dominants identifiés. Parmi les 11 facteurs environnementaux échantillonnés, la pente et l'altitude des plages, ainsi que le coefficient de triage du substrat des plages sont les facteurs influençant le plus la structure des communautés biologiques échantillonnées. Les groupements a priori montrent une distinction plus claire entre les zones artificielles et les bas estrans naturels. En contrepartie, les zones artificielles sont associées à des conditions environnementales semblables à celles des hauts estrans naturels, mais avec des temps de submersion supérieurs, ce qui représente un facteur écologique néanmoins déterminant. Ces conditions environnementales sont interprétées comme étant plus stressantes pour les communautés benthiques, notamment pour les bivalves fouisseurs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : enrochement, littoral, artificialité, protection, érosion, benthos, plage.

Les activités anthropiques causent des invasions biologiques qui sont devenues un problème mondial susceptible de causer des dommages écologiques (p. ex., sur la biodiversité et l’habitat), économiques (sur les industries) et sociaux (sur le bien-être humain). La prévention et la détection précoce des nouvelles invasions sont des éléments essentiels pour la gestion des risques et des impacts sur les écosystèmes et les économies. Bien sûr, la prévention est préférable, mais la détection précoce est une étape cruciale pour enrayer la propagation ultérieure des espèces envahissantes, car elle offre la possibilité de les éradiquer avant les phases d’établissement de la population et de propagation. Bien qu’il s’agisse d’une option de gestion efficace en matière de coût et de temps, la détection précoce exige un effort d’échantillonnage considérable pour détecter les populations envahissantes aux tout premiers stades de leur invasion. En utilisant le système benthique marin comme modèle, quatre études interdépendantes ont été menées pour identifier des stratégies d’échantillonnage susceptibles d’améliorer notre capacité à détecter des populations envahissantes rares et à comprendre les patrons et processus écologiques de recrutement benthique à multiples échelles spatiales et temporelles. Plus précisément, ces études expérimentales sur le terrain visaient à (1) évaluer la relation entre l’approvisionnement en larves et la fixation dans une population envahissante isolée, (2) déterminer la durée de l’échantillonnage et de la fréquence à l’aide de plaques de fixation pour la détection d’espèces rares, (3) déterminer l’importance relative aux sources de variations spatiales et temporelles du recrutement benthique, et (4) examiner l’effet de l’échelle spatiale de l’échantillonnage sur la détection des espèces en analysant les patrons de recrutement à de multiples échelles sur quatre ordres de grandeur allant de la dizaine de mètres à la dizaine de kilomètres. Première étude : contrairement à l’hypothèse originale d’une relation étroite entre l’approvisionnement et la fixation initiale, l’approvisionnement en larves était plutôt un facteur déterminant de la fixation aux échelles moyennes. Ces résultats suggèrent que la force de cette relation s’affaiblit avec l’augmentation de l’échelle spatiale des observations de terrain. Néanmoins, un quart de la variation de la fixation à moyenne échelle peut encore être expliqué par l’approvisionnement sur des courtes échelles de temps (une semaine). Par conséquent, cette relation confirme l’utilité des plaques de fixation en tant qu’outil efficace pour la détection précoce aux échelles moyennes dans une marina, car une faible densité de recrutement sur les plaques correspond à une faible abondance de propagules envahissantes dans la colonne d’eau... / Les activités anthropiques causent des invasions biologiques qui sont devenues un problème mondial susceptible de causer des dommages écologiques (p. ex., sur la biodiversité et l’habitat), économiques (sur les industries) et sociaux (sur le bien-être humain). La prévention et la détection précoce des nouvelles invasions sont des éléments essentiels pour la gestion des risques et des impacts sur les écosystèmes et les économies. Bien sûr, la prévention est préférable, mais la détection précoce est une étape cruciale pour enrayer la propagation ultérieure des espèces envahissantes, car elle offre la possibilité de les éradiquer avant les phases d’établissement de la population et de propagation. Bien qu’il s’agisse d’une option de gestion efficace en matière de coût et de temps, la détection précoce exige un effort d’échantillonnage considérable pour détecter les populations envahissantes aux tout premiers stades de leur invasion. En utilisant le système benthique marin comme modèle, quatre études interdépendantes ont été menées pour identifier des stratégies d’échantillonnage susceptibles d’améliorer notre capacité à détecter des populations envahissantes rares et à comprendre les patrons et processus écologiques de recrutement benthique à multiples échelles spatiales et temporelles. Plus précisément, ces études expérimentales sur le terrain visaient à (1) évaluer la relation entre l’approvisionnement en larves et la fixation dans une population envahissante isolée, (2) déterminer la durée de l’échantillonnage et de la fréquence à l’aide de plaques de fixation pour la détection d’espèces rares, (3) déterminer l’importance relative aux sources de variations spatiales et temporelles du recrutement benthique, et (4) examiner l’effet de l’échelle spatiale de l’échantillonnage sur la détection des espèces en analysant les patrons de recrutement à de multiples échelles sur quatre ordres de grandeur allant de la dizaine de mètres à la dizaine de kilomètres. Première étude : contrairement à l’hypothèse originale d’une relation étroite entre l’approvisionnement et la fixation initiale, l’approvisionnement en larves était plutôt un facteur déterminant de la fixation aux échelles moyennes. Ces résultats suggèrent que la force de cette relation s’affaiblit avec l’augmentation de l’échelle spatiale des observations de terrain. Néanmoins, un quart de la variation de la fixation à moyenne échelle peut encore être expliqué par l’approvisionnement sur des courtes échelles de temps (une semaine). Par conséquent, cette relation confirme l’utilité des plaques de fixation en tant qu’outil efficace pour la détection précoce aux échelles moyennes dans une marina, car une faible densité de recrutement sur les plaques correspond à une faible abondance de propagules envahissantes dans la colonne d’eau. Deuxième étude : des durées d’échantillonnage intermédiaires d’une à deux semaines (l’échelle des traitements allant d’un jour à un mois) étaient la durée optimale de déploiement de la plaque de fixation pour la détection des espèces « rares » (c’est-à-dire, des le début du recrutement). Une analyse au niveau de l’assemblage montre toutefois que l’augmentation de la durée et de la fréquence de l’échantillonnage augmentait logarithmiquement le nombre total d’espèces rares observées. Ces résultats espèce par espèce et au niveau de l’assemblage démontrent que la modification des éléments temporels de l’échantillonnage, tels que la durée et la fréquence, peut affecter considérablement la détection d’espèces. Troisième étude : après avoir évalué plusieurs sources spatiales et temporelles (le site, la région, la saison, et l’année), le moment choisi pour le déploiement des plaques est apparu comme étant la plus grande source de variabilité du recrutement benthique d’espèces rares. En particulier, le moment optimal pour la détection précoce serait en automne (a) lorsque le recrutement saisonnier d’espèces envahissantes établies tend à atteindre un pic et (b) lorsque la détection au niveau du site d’espèces envahissantes rares tend à se produire. Quatrième étude : l’échelle spatiale dominante dans le recrutement d’espèces rares est la plus petite (centaine de mètres). Cette échelle dominante peut être interprétée comme étant la bonne échelle spatiale pour la détection d’espèces rares. Une analyse plus poussée a montré que si l’échantillonnage a été structuré de manière aléatoire, l’échantillonnage à des échelles intermédiaires (millier de mètres) devient l’échelle optimale pour la détection d’espèces rares. Ces résultats élucident les différences de variabilité naturelle de la population benthique entre multiples échelles d’espace et de temps pour des espèces rares et communes. Ces études écologiques font partie d’une boîte à outils de détection précoce nécessaire à la gestion des espèces envahissantes marines en renseignant sur la manière dont l’échantillonnage des espèces rares doit être faite à multiples échelles spatio-temporelles. Des expériences de terrain similaires optimisant la détection d’espèces rares (au-delà de l’utilisation de plaques de fixation pour détecter les organismes benthiques dans les provinces Maritimes canadiennes) devraient être réalisées pour d’autres taxons, régions, t outils d’échantillonnage—en particulier, les envahisseurs à haut risque prévus, les invasions futures, et les outils récemment développés. / As a consequence of anthropogenic activities, biological invasions have become a global problem that can cause ecological (e.g., biodiversity and habitat), economic (industries), and social (human wellbeing) harm. Prevention and early detection of new invasions are vital components of managing risks and impacts to ecosystems and economies. Prevention is, of course, preferred but early detection is a critical step that can ultimately stop future spread of invasive species because it provides an opportunity for eradication before population growth and spread. Despite being a cost- and time-effective management option, early detection requires considerably high sampling effort to detect incipient invasive populations at the early stages of their invasion. Using the marine benthic system as a model, four inter-related studies were carried out to identify sampling strategies that could enhance our ability to detect rare invasive populations and to understand ecological patterns and processes of benthic recruitment across multiple scales of space and time. Specifically, these experimental field studies aimed to (1) evaluate the relationship between propagule supply and settlement in a closed invasive population, (2) determine the optimal sampling duration and frequency using settlement plates to detect rare species, (3) ascertain the relative importance of spatial and temporal sources of variation in benthic recruitment, and (4) examine how the spatial scale of sampling affects species detection by analyzing recruitment patterns at multiple scales across four orders of magnitudes ranging from tens of metres to tens of kilometres. First study: Contrary to the expectation of a strong relationship between supply and initial settlement, larval supply was instead a limited determinant of settlement at mesoscales. This finding suggests that the strength of this relationship weakens as the spatial scale increased from previously reported small-scale field observations to mesoscales of the present study. Nonetheless, a quarter of the variation in settlement can still be explained by supply over short timescales (one week). Therefore, this relationship supports the utility of settlement plates as an effective tool for early detection at mesoscales within a marina because low densities of recruitment on plates correspond to low abundances of invasive propagules in the water column...

Les zones côtières sont des milieux privilégiés pour l’ostréiculture. L’espèce la plus cultivée au monde est l’huître creuse Crassostrea gigas, qui a été introduite dans de nombreux pays à des fins d’exploitation et qui, lorsqu’elle trouve des conditions climatiques favorables dans son nouveau milieu, se développe naturellement, en constituant des récifs. Dans le Bassin d’Arcachon, l’huître existe ainsi sous deux formes, cultivée et sauvage. La forme récifale est une structure tridimensionnelle complexe (huîtres agglomérées, au contact du sédiment, plusieurs classes d’âge présentes), alors que les huîtres cultivées sont placées en sur-élévation dans des poches ostréicoles (spécimens isolés, classe d’âge unique). L’effet respectif de ces deux configurations a été étudié selon trois approches : (1) comparaison de la dynamique des deux types de population d’huîtres (croissance, reproduction, composition biochimique), (2) effet de l’activité alimentaire sur les proies accessibles dans le milieu et les flux particulaires associés, et (3) effets des huîtres sur le sédiment et les communautés benthiques. Les deux années d’échantillonnage ont été marquées par un retard de la ponte (année 1) et un défaut de croissance (année 2) des huîtres, qui ont été rapprochées d’un déficit thermique en période estivale (année 1) et d’une disponibilité alimentaire plus faible au printemps (année 2) ; les cycles de reproduction sont apparus en léger décalage entre huîtres cultivées et sauvages. Une expérimentation in situ en tunnels benthiques à trois périodes de l’année a permis de quantifier les flux de matière et la consommation de nutriments et d’espèces planctoniques par les deux populations d’huître durant un cycle de marée. Le sédiment à proximité des huîtres est enrichi en particules fines et en matière organique, par suite de modifications locales de l’hydrodynamisme et de la production de fèces par les huîtres. Il en résulte une modification de la structure des peuplements de l’endofaune benthique. Les récifs d’huîtres sauvages constituent un nouvel habitat de substrat dur dans le Bassin d’Arcachon où n’existent naturellement que des habitats sédimentaires ; ils supportent une épifaune à fortes biomasse et diversité, qui accroît la biodiversité locale. / Coastal areas are favourable environments for oyster farming. The most commonly farmed species in the world is the cupped oyster Crassostrea gigas, which was introduced in many countries for aquaculture purposes. When it finds suitable climatic conditions in its new environment, the species develops naturally, thereby creating oyster reefs. In Arcachon Bay (SW France), the cupped oyster develops as both farmed and feral populations. Oyster reefs are complex tridimensional structures (agglomerated oysters, in contact with the sediment, populations with many any classes), while farmed oysters are cultivated off-bottom in plastic bags (isolated oysters, populations with a single age class). The respective effects of these two oyster configurations were studied according to three research axes: (1) a comparison of the dynamics of farmed and wild oyster populations, in terms of growth, reproduction, and biochemical composition; (2) the effect of oyster feeding on accessible preys and the associated particulate fluxes; and (3) the effects of oysters on the sediment and benthic communities. The two years of study were characterized by a delay in the spawning periods (year 1) and an unusually low growth rate (year 2) in oysters, which were related to low summer water temperatures (year 1) and a low food availability in spring (year 2); reproduction cycles also appeared slightly shifted between farmed and wild oysters. An in situ experiment with benthic tunnels at three periods of the year was designed to quantify the flux of matter and the consumption of nutrients and planktonic species by the two oyster populations during a tidal cycle. Sediment in the vicinity of oysters contained more fine particles and organic matter, due to changes in local hydrodynamism and oyster production of faeces. These sedimentary changes modified the structure of benthic infaunal assemblages. Oyster reefs form a new habitat of hard substrate in Arcachon Bay, where only sedimentary habitats naturally occur; they have an epifauna with high biomass and diversity, that increases the local biodiversity.