Le zooplancton exerce un rôle primordial dans les transferts d’énergie à travers les réseaux trophiques océaniques et dans le cycle biogéochimique du carbone des écosystèmes marins. La communauté entière recycle du CO2 en consommant le carbone photosynthétiquement fixé en surface, et en le respirant ensuite. Des migrateurs verticaux transportent du carbone stocké et le respirent en profondeur, contribuant à son exportation de la zone épipélagique. En Arctique, ce flux actif respiratoire n’a pas été mesuré, malgré un potentiel élevé de transport du à la forte contribution du migrateur saisonnier Calanus hyperboreus à la biomasse zooplanctonique. Cette thèse exploite une série quasi-annuelle de profils de biomasse et de respiration zooplanctoniques pour : (1) quantifier ce processus en mer de Beaufort; (2) améliorer les connaissances sur les fluctuations saisonnières de la distribution verticale de sept copépodes arctiques clés; et (3) suivre le cycle biologique de C. hyperboreus. Ce grand herbivore constituait 45 % de la biomasse zooplanctonique et a effectué les migrations verticales les plus extensives. Son ascension saisonnière, de l’ordre de 200 m, et celles de moindre ampleur de C. glacialis et du petit omnivore Oithona similis, ont coïncidé avec les efflorescences d’algues de glace et phytoplanctoniques. Malgré une reproduction hivernale vigoureuse en profondeur, une débâcle hâtive de la banquise, et une production primaire élevée, un faible recrutement au stade copépodite a entrainé une stagnation de la croissance de la population de C. hyperboreus. Très abondant, l’omnivore Metridia longa, et Microcalanus pygmaeus, ont pu exercer dans leur habitat mésopélagique un contrôle sur cette population en interceptant les œufs de C. hyperboreus flottant vers la surface. Le cryophile Pseudocalanus spp. est resté en permanence dans la zone épipélagique froide, tandis que le mésopélagique Triconia borealis, possiblement un semi-parasite de C. hyperboreus, était associé avec dans la couche Atlantique plus chaude. La température a eu peu d’effet sur les déplacements verticaux des copépodes arctiques. Le grand zooplancton, dominé par les Calanus, était responsable de 89% du broutage zooplanctonique de la production primaire brute d’avril à juillet. Les transports de carbone au delà de 100 m et 200 m par ces Calanus étaient du même ordre de grandeur que les flux gravitationnels de carbone organique particulaire à ces profondeurs. Ces résultats soulignent l’importance d’inclure le transport actif dû aux migrateurs saisonniers du grand zooplancton dans les bilans de carbone de l’Océan Arctique. / Zooplankton play a pivotal role in the energy transfer through the oceanic food webs and in the biogeochemical carbon cycle within marine ecosystems. The entire community recycles CO2 by consuming photosynthetically fixed carbon and respiring it thereafter. Vertical migrants transport stored carbon and respire it at depth, thus, contributing to its export from the epipelagic zone. Active respiratory flux has not been measured in the Arctic despite the high potential for transport due to the strong contribution of the seasonal migrant Calanus hyperboreus to zooplankton biomass. This thesis exploits a quasi-annual time series of zooplankton biomass and respiration profiles to: (1) quantify this process in the Beaufort Sea; (2) improve our knowledge on the seasonal fluctuations of the vertical distribution of seven key arctic copepods; and (3) track the life cycle of Calanus hyperboreus. This large herbivore contributed 45% to the zooplankton biomass and performed the most extensive vertical migration. Its seasonal ascent, ranging about 200 m, and those of lesser magnitude of C. glacialis and the small omnivore Oithona similis, coincided with the ice algae and phytoplankton blooms. Despite vigorous winter reproduction at depth, a precocious ice break-up, and high spring-summer primary production, weak recruitment to copepodite stage caused C. hyperboreus population growth to stagnate. In their mesopelagic habitat, the highly abundant omnivore Metridia longa, and Microcalanus pygmaeus, could have exerted a control on this population by intercepting C. hyperboreus eggs floating toward the surface. The cryophilic Pseudocalanus spp. remained year-round in the cold epipelagic zone while the mesopelagic Triconia borealis, likely a semi-parasite of C. hyperboreus, was associated with it in the warmer Atlantic layer. Temperature had little effect on the vertical displacements of arctic copepods. The Calanus-dominated large zooplankton was responsible for 89% of zooplankton grazing on the April-July gross primary production. Carbon transport below 100 m and 200 m depth, mediated by the Calanus species, was of the same magnitude as the gravitational fluxes of particulate organic carbon to these depths. These results stress the importance of including active transport by large zooplankton migrants in carbon budgets of the Arctic Ocean.

Les observations et expériences ont montré que le dépôt d'aérosols pouvait entraîner une augmentation de la quantité de nutriments disponible et ainsi favoriser la production biologique de la mer Méditerranée. Dans ce contexte, cette étude propose pour la première fois une quantification des effets du dépôt d'aérosols en provenance de sources variées sur la biogéochimie de l'ensemble de la mer Méditerranée grâce à un modèle couplé physique-biogéochimie haute résolution NEMOMED12/PISCES. L'étude consiste à modéliser et analyser les effets du dépôt d'azote et de phosphate en provenance de sources naturelles et anthropiques sur la biogéochimie de la Méditerranée. Pour cela,des modèles atmosphériques régionaux et globaux permettant de représenter le dépôt d'aérosol ont été évalués et sélectionnés. Le modèle NEMOMED12/PISCES a été adapté pour prendre en compte ces nouvelles sources de nutriments. L'analyse des simulations a permis de montrer que le dépôt atmosphérique représente environ 10 % des apports externes totaux de nitrates et 5 à 30 % des apports de phosphate en moyenne sur l'ensemble du bassin. Le dépôt peut également entraîner une augmentation de la production biologique jusqu'à 50 % grâce à la levée des limitations en nutriments. Les effets des changements climatiques pourraient avoir des conséquences particulièrement importantes sur une région sensible comme la Méditerranée. C'est pourquoi les évolutions de la biogéochimie du bassin dans un scénario de changement climatique ont été évalués au cours de cette thèse. Pour cela, le modèle NEMOMED8/PISCES a été utilisé avec des forçages physiques et biogéochimiques qui correspondent au scénario d'évolution des conditions climatiques A2 du GIEC. Cette étude met en évidence une diminution de la productivité biologique de surface de 10 % en moyenne dans l'ensemble du bassin en réponse à l'échauffement et à la stratification. Les limitations en nutriments sont fortement modifiées et la sensibilité de la Méditerranée au dépôt atmosphérique de nutriments change. Les résultats de cette thèse soulignent l'importance de l'atmosphère comme source de nutriments et en particulier d'azote et de phosphate. Les effets du dépôt atmosphérique sont variables en fonction de la saison et de la localité du dépôt et ont tendance à être plus significatifs lorsque les eaux de surface sont limitées en nutriments. En n tout bouleversement de la productivité biologique est transmis rapidement le long de la chaîne trophique. Les résultats obtenus pourraient être précisés avec l'amélioration des modèles atmosphériques et l'obtention de nouvelles mesures de flux de dépôt et l'amélioration des connaissances sur les transformations physico-chimiques subies par les aérosols avant et après leur dépôt en milieu océanique. Par ailleurs, des scénarios plus précis concernant les changements climatiques sont nécessaires afin d'évaluer les évolutions des conditions biogéochimiques de la Méditerranée. Enfin, les récents développements du modèle PISCES peut à présent permettre d'étudier la Méditerranée dans un contexte non redfieldien. / Observations and experiments showed that aerosol deposition can increase the amount of bioavailable nutrients and favor biological production of the Mediterranean Sea. In this context, the present study yields for the first time a quantification of the effects of aerosol deposition from various sources thanks to the coupled physical-biogeochemical model NEMOMED12/PISCES. This study consists in modeling and analyzing the effects on the Mediterranean biogeochemistry of atmospheric deposition of nitrogen and phosphate from various natural and anthropogenic sources. For this purpose, regional and global atmospheric models representing aerosol deposition were evaluated and selected. The NEMOMED12/PISCES model was modified to take into account these new nutrient sources. The analysis of the simulations showed that atmospheric deposition accounts for approximately 10 % of total external nitrate supply and 5 to 30 % of phosphate supply on average over the entire basin. Aerosol deposition can also increase biological production up to 50 % thanks to the lowering of nutrient limitations. The maximal fertilizing effects are observed during the stratied period which, in the Mediterranean region, is summer. The effects of climate change may be particularly important in sensitive regions such as the Mediterranean. Therefore, the evolutions of basin scale biogeochemistry were evaluated under a climate change scenario. The NEMOMED8/PISCES model was used with physical and biogeochemical forcings for the IPCC A2 climate change scenario. This study shows a reduction in basin scale surface productivity by approximately 10 % triggered by warming and stratification. Nutrient limitations are modified and the Mediterranean Sea sensibility to atmospheric deposition changes. The results of this thesis underline the importance of atmosphere as a nutrient source, in particular for nitrogen and phosphate. Deposition effects vary according to the season and the location. They are more important during the stratied period, when surface water is nutrient limited. Also, any change in biological productivity is quickly transfered along the biological chain. To refine the results, the atmospheric models could be improved and more knowledge on deposition fluxes and physical and chemical transformations of aerosols before and after deposition would be necessary. Moreover, more precise scenarios concerning climate change effects would be necessary in order to study the future evolutions of biogeochemical conditions in the Mediterranean. Finally, the recent developments on the PISCES model make new studies possible in a non redfieldian context. Preliminary results indicate that the productivity of the different phytoplanktonic groups varies with intracellular C/N/P ratios.

L'objectif de mon étude était de décrire la dynamique des isotopes stables du carbone et de l'azote de la matière organique particulaire sympagique pendant la transition printanière en mer de Beaufort. La biomasse de protistes et la disponibilité en carbone inorganique dissous ont été identifiées comme principaux facteurs de contrôle du signal isotopique du carbone à la base de la glace annuelle. Les signatures isotopiques de l'azote n'ont pu être expliquées à l'aide des variables mesurés. Un apport substantiel de protistes provenant de la glace a été détecté jusqu'à 30 mètres de profondeur à l'aide des isotopes stables du carbone. Cette analyse a également permis de souligner le plus grand potentiel des diatomées sympagiques à être exportées vers le fond marin et celui des cellules flagellés à participer à la biomasse pélagique. Ces derniers ont le potentiel d'ensemencer la colonne d'eau en cellules pouvant participer à la production primaire et d'alimenter le réseau alimentaire pélagique lors d'épisodes de libération de protistes sympagiques.

La présente étude porte sur l’évaluation d’une méthode d’acquisition de la solution de sol présente à l’interface sol-racine, dans la rhizosphère. Cette interface constitue le lieu privilégié de prise en charge par les plantes des contaminants, tels que les métaux traces. Comme les plantes acquièrent ces éléments à partir de la phase liquide, la solution de sol de la rhizosphère est une composante clé pour déterminer la fraction de métaux traces biodisponibles. La microlysimétrie est la méthode in situ la plus appropriée pour aborder les difficultés liées à l’échelle microscopique de la rhizosphère. Ainsi, dans les études sur la biodisponibilité des métaux traces au niveau de la rhizosphère, les microlysimètres (Rhizon©) gagnent en popularité sans, toutefois, avoir fait l’objet d’études exhaustives. L’objectif de cette étude est donc d’évaluer la capacité de ces microlysimètres à préserver l’intégrité chimique de la solution, tout en optimisant leur utilisation. Pour ce faire, les microlysimètres ont été soumis à une série d’expériences en présence de solutions et de sols, où la quantité de solution prélevée et le comportement des métaux traces (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) ont été étudiés. Les résultats montrent que les microlysimètres fonctionnent de façon optimale lorsque le contenu en eau du sol est au-dessus de la capacité au champ et lorsqu’il y a peu de matière organique et d’argile. Les sols sableux ayant un faible contenu en C organique reproduisent mieux le volume prélevé et la solution sous la capacité au champ peut être récoltée. L’utilisation des microlysimètres dans ces sols est donc optimale. Dans les essais en solution, les microlysimètres ont atteint un équilibre avec la solution après 10 h de prélèvement. En respectant ce délai et les conditions optimales préalablement établies (pH acide et COD élevé), les microlysimètres préservent la composition chimique de la solution. Dans les essais en sol, cet équilibre n’a pas été atteint après dix jours et huit prélèvements. Le contenu en matière organique et l’activité microbienne semblent responsables de la modification des concentrations en métaux au cours de ces prélèvements, notamment, dans l’horizon FH où les microlysimètres performent très mal. En revanche, dans l’horizon B, les concentrations tendent à se stabiliser vers la fin de la série de prélèvements en se rapprochant des valeurs de référence. Bien que des valeurs plus élevées s’observent pour les microlysimètres, leurs concentrations en métaux sont comparables à celles des méthodes de référence (extrait à l’eau, lysimètres de terrain avec et sans tension). En somme, les microlysimètres se comportent généralement mieux dans l’horizon B. Même si leur utilisation est plus optimale dans un sol sableux, cet horizon est privilégié pour de futures études sur le terrain avec les microlysimètres. / This study focuses on evaluating a method of acquiring soil solution in the soil-root interface of the rhizosphere. The liquid phase of the rhizosphere constitutes the main area where plants absorb contaminants like trace metals. Thus the rhizosphere soil solution is key to determine the amount of bioavailable trace metals. Microlysimetry has been described as the most appropriate in situ method to tackle difficulties inherent to the microscopic scale of the rhizosphere. Despite the lack of an exhaustive evaluation of their performance, microlysimeters have gained popularity for in situ studies on the bioavailability of trace metals. The objective of this study was to evaluate the capacity of microlysimeter to preserve the chemical integrity of the soil solution and also to determine their optimum use conditions. To do this, microlysimeter have been submitted to a series of laboratory experiments with solutions and soils. The volume of solution extracted and trace metals (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) behaviour were studied. Results show that microlysimeters work optimally when soil water content is above field capacity and when the amount of clay and organic matter is low. Sandy soils with low organic carbon content have a better reproducibility for extracted volume and soil solution extraction is possible even when soil water content is below field capacity. Using microlysimeters in this soil type is thus optimal. In solution experiments, microlysimeters reached equilibrium with the control solution after ten hours of extraction. In optimal conditions (acidic pH and high DOC) and after this ten hours period, microlysimeters preserve the chemical composition of the solution. In soil experiments, this equilibrium has not been reached after eight samplings throughout ten days. Organic matter content and microbial activity could be responsible for the modification of concentrations of trace metals during sampling. This is especially true for FH horizon where microlysimeters perform poorly. In contrast, the concentrations reach the reference values toward the end of sampling serie in the B horizon and microlysimeters have a better overall performance in this horizon. Although higher values are observed for microlysimeters, trace metals concentrations are comparable to other extraction methods, specifically for the B horizon. Even if their uses are optimized in sandy soil, the B horizon should be privileged for future field studies involving microlysimeters.

Les impacts environnementaux dues à l'extraction minière sont considérables. C'est l'action des microorganismes, en utilisant leur métabolisme du soufre sur les déchets miniers, qui engendre les plus grands défis. Jusqu'à présent, peu de recherches ont été effectués sur les microorganismes environnementaux pour la compréhension globale de l'action du métabolisme du soufre dans une optique de prévention et de rémédiation des impacts environnementaux de l'extraction minière. Dans cette étude, nous avons étudié une bactérie environnementale, Acidithiobacillus thiooxidans, dans le but de comprendre le métabolisme du soufre selon le milieu de culture et le niveau d'acidité du milieu. Nous avons utilisé la transcriptomique à haut débit, RNA-seq, en association avec des techniques de biogéochimie et de microscopie à électrons pour déterminer l'expression des gènes codants les enzymes du métabolisme du soufre. Nous avons trouvé que l'expression des gènes des enzymes du métabolisme du soufre chez ce microorganisme sont dépendantes du milieu, de la phase de croissance et du niveau d'acidité présent dans le milieu. De plus, les analyses biogéochimiques montrent la présence de composés de soufre réduits et d'acide sulfurique dans le milieu. Finalement, une analyse par microscopie électronique révèle que la bactérie emmagasine des réserves de soufre dans son cytoplasme. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de son métabolisme et nous rapprochent de la possibilité de développer une technique de prédiction des réactions ayant le potentiel de causer des impacts environnementaux dus à l'extraction minière. / The environmental impact of mining extraction is important. The action of microorganisms using their sulfur metabolism to metabolise compounds in mining waste contributes to reactions that may impact water quality and the environment. Few studies have been conducted on environmental microorganisms to advance the global comprehension of their sulfur metabolism in an attempt to study their impact on the environment. In this study, we cultivate an environmental bacterium, Acidithiobacillus thiooxidans, in an attempt to understand its sulfur metabolism in different growth media and at different levels of acidity. We used high-throughput RNA sequencing in association with sulfur biogeochemistry and electron microscopy to determine the expression of the genes encoding sulfur metabolism enzymes. The expression of genes encoding sulfur metabolism enzymes was media and pH-dependent. Also, the biogeochemical analysis showed the presence of reduced sulfur intermediates and of sulfuric acid in the medium. Finally, an electron microscopic analysis revealed that the bacteria stock sulfur in the cytoplasm. These results resulted in a better comprehension of its sulfur metabolism and it opens the possibility to predict reactions in mining operations that have impact on the environment.

La phytoremédiation s’impose depuis peu comme une alternative de décontamination des sols accessible et soucieuse de l’environnement. Le projet présenté ici a permis de tester, en serre, un traitement sur des sols modérément contaminés aux éléments traces (ET) (Cd, Cu, Pb et Zn), et comportant deux niveaux de contamination organique. L’étude, imbriquée au projet Génorem, a été réalisée à l’aide de plants de Salix purpurea et de mycorhizes Glomus irregulare. Les objectifs étaient 1) d’étudier l’effet de la présence des mycorhizes introduites sur le processus d’absorption des ET, ainsi que l’efficacité générale du traitement ; 2) de déterminer l’influence des processus de transfert et de mise en solution des ET au sein de la rhizosphère sur leur taux d’accumulation par les plantes, et 3) de mesurer l’impact des caractéristiques des sols et de la contamination organique sur la phytoextraction. La présence des mycorhizes inoculées n’a été perceptible ni sur l’accumulation et le transfert des ET, ni sur la production de biomasse. Seules les concentrations solubles de Cu et de Pb se sont avérées moins importantes dans la rhizosphère des sols inoculés que dans la matrice de sol. La performance des plants quant à leur niveau d’accumulation s’est avérée intéressante pour le Cd (moyennes de 2,80 à 10,1 mg/kg) et le Zn (de 54,1 à 410 mg/kg). Ces éléments se sont accumulés surtout dans les parties aériennes des plantes, alors que le Cu et le Pb ont plutôt été stockés dans les racines. Les concentrations solubles avaient pour la plupart augmenté entre le début et la fin de l’expérience, et les différences entre ces concentrations et les concentrations totales, dans la rhizosphère et la matrice, ont démontré que le temps de réponse du sol pour fournir aux plantes les éléments biodisponibles n’était pas un facteur limitant du système dans la plupart des cas. Les concentrations initiales totales dans les sols ont été corrélées à celles dans les parties des plantes uniquement pour le Cu dans les tiges (R2 : 0,54) et les racines (R2 : 0,58) des saules. Les facteurs de fertilité ont permis d’expliquer une part de la variance des concentrations (10 % du total de 25 % pour le Cd, 49 % du total de 36 % pour le Cu-aérien, et 28 % du total de 71 % pour le Cu-souterrain) et des quantités (15 % du total de 30 % pour le Cd) accumulées. La contamination mixte (organique et inorganique) n’a pas entravé l’extraction des ET, ni la dégradation des composés organiques. / Phytoremediation is a relatively new, low cost and environmentally friendly alternative method to decontaminating soils. This research, which involved Salix purpurea plants and Glomus irregulare mycorrhizae, was conducted through the Génorem project in a greenhouse. We tested a treatment on soils, which were contaminated with moderate amounts of trace elements (TE) (Cd, Cu, Pb and Zn), as well as with organic compounds (on two levels of concentration). The objectives were 1) to study the effect of the introduced mycorrhizae on TE’s absorption process, as well as the general treatment efficiency; 2) to determine the influence of TE transfer and solubilization processes at work within the rhizosphere on their accumulation rates by the plants, and 3) to measure the impact of soil characteristics as well as the organic contamination on phytoextraction. The presence of inoculate mycorrhizae was not noticeable on the accumulation or transfer of TE, nor was it on the biomass production. However, soluble concentrations of Cu and Pb were less important in the soil rhizosphere of the inoculated soils than in the soil matrix. Plants performance in regard to their accumulation was considerable for Cd (average of 2,80 to 10,1 mg / kg) and Zn (from 54.1 to 410 mg / kg). These elements were mainly accumulated in aboveground tissues, while Cu and Pb were instead stored in the roots. Additionally, most of the soluble concentrations had increased between the beginning and the end of the experiment. This, combined with the differences between the soluble and total-recoverable concentrations in the rhizosphere and the matrix, showed that the soil’s response in terms of time to provide bioavailable TE to plants was not a limiting factor of the system in most cases. Total initial soil concentrations were only correlated to concentrations plant tissues in the case of Cu within stems (R2 : 0,54), and within roots (R2 : 0,58). Fertility and availability factors allowed to explain parts of the variance in concentrations (10% of the total 25% for Cd, and 49% of the total 36% for Cu-aboveground, and 28% of the total 71% for Cu-aboveground), and content (15% of the total 30% for Cd) accumulated. Mixed contamination (organic and inorganic) did not significantly impede the TE extraction, neither the organic compounds degradation.

Cette étude a été menée afin de mieux comprendre l’influence de l’herbier à Zosteranoltii du Bassin d’Arcachon, herbier affecté par une sévère régression depuis les années2000, sur la dynamique biogéochimique des sédiments intertidaux de cette lagune. Dans cet environnement côtier dynamique, il s’agissait de caractériser cette influence sur demultiples échelles spatiales (i.e. de la racine à l'écosystème) et temporelles (i.e. tidale, diurne, saisonnière et interannuelle). Des mesures par voltammétrie in situ de la composition des eaux porales des sédiments intertidaux non végétalisés ont montré que (i) les distributions verticales des espèces réduites variaient avec les marées et que (ii) la dynamique de l’oxygène dissous en réponse aux cycles tidaux et diurnes était contrôlée par l’activité photosynthétique et les migrations verticales du microphytobenthos. L’étude de l’influence de l’herbier sur cette dynamique via des pertes d’oxygène au niveau des racines a été initiée en mesurant les variations des concentrations en oxygène à l’intérieur des lacunes aérifères de ces plantes. L’organisation des lacunes de Zostera noltii est présentée pour la première fois dans cette étude. La distribution verticale de nutriments dans les eaux porales de sédiments végétalisés et de sédiments nus a été caractérisée pendant la période de croissance de l’herbier. La présence de Zostera noltii a induit une zonation verticale marquée de cette distribution qui reflète l’évolution avec la profondeur de l’équilibre entre la production de nutriments résultant de l’exsudation de matière organique labile par les parties souterraines de la plante (source) et le pompage de ces nutriments par les racines (puits). L’existence d’un pompage de carbone inorganique dissous et de silice dissoute par les racines de l’herbier a été mise en évidence. Des mesures d’échanges benthiques d’oxygène dissous sur des sédiments nus et colonisés par Zostera noltii ont permis de caractériser la saisonnalité et l’hétérogénéité spatiale du métabolisme benthique (respiration et production primaire brute) en relation avec les distributions d’herbier et/ou de macrofaune benthique. Dans les sédiments végétalisés, la forte variabilité spatio-temporelle de ce métabolisme benthique était largement contrôlée par la biomasse de feuilles d’herbier. A l’échelle de la lagune, nos calculs ont montré que la regression de l’herbier à Zostera noltii entre 2005 et 2007 a induit une diminution significative des taux de respiration et de production de la zone intertidal de la lagune. L’évolution interannuelle de la biogéochimie de sédiments colonisés par Zostera noltii a été étudiée en 2006 et en 2010/2011 sur une zone située dans une partie du Bassin d’Arcachon particulièrement affectée par le déclin des herbiers (secteur de Cassy). Contrairement aux observations réalisées sur l’herbier bien portant en 2006, l’herbier en déclin augmenterait le relargage de nutriments dans les sédiments via la stimulation de la production d’ammonium ou de la dissolution du phosphore particulaire. La régression des herbiers fournirait un apport significatif de phosphore vers la colonne d’eau de la lagune, d’une magnitude comparable aux apports par les rivières ou à ceux liés au pompage tidal. / The aim of this study was to improve our understanding of the influence of the Zostera noltii meadows of the Arcachon Bay, a seagrass meadow affected by a severe regression since the 2000’s, on the biogeochemical dynamic of the intertidal sediment of this lagoon. In such a changing coastal environment, it was important to characterize this influence on a wide range of spatial (i.e. from roots to the ecosystem) and temporal scales(i.e. tidal, diurnal, seasonal and inter-annual). In situ voltammetric measurements of the composition of porewater in an intertidal unvegetated sediment showed that (i) the vertical distribution of reduced species varied with tides and (ii) the oxygen dynamic in response to tidal and diurnal cycles was controlled by the photosynthetic activity and vertical migrations of microphytobenthos.The study of the influence of seagrasses on this dynamic by radial oxygen loss around roots was initiated with measurements of oxygen concentrations inside the lacunae of these plants. The organization of the lacunae of Zostera noltii is presented for the first time inthis study. The vertical distribution of porewater nutrients in vegetated and unvegetated sediments was characterized during the growth period of seagrasses. The presence of Zostera noltii induced a strong vertical zonation related to the depth-evolution of the balance between nutrient production stimulated by the root exudation of labile organic matter (source) and the root uptake of nutrients (sink). This study revealed the occurence of a root uptake of dissolved inorganic carbon and dissolved silica. Measurements of benthic oxygen exchanges on sediments colonized or not by Zostera noltii enabled the characterization of the seasonality and spatial heterogeneity of benthic metabolism (respiration and gross primary production) related to macrofaunal and macrophytic distribution. In vegetated sediments, the spatio-temporal variability of this benthic metabolism was highly controlled by leaves biomass. At the lagoon scale, our calculations showed that the regression of Zostera noltii meadows induced a significant decresase of mean annual respiration and production rates of the intertidal area of the lagoon.The inter annual evolution of the biogeochemistry of sediments colonized by Zostera noltii was studied in 2006 and in 2010/2011 in an area of the Arcachon Bay highly affected by the seagrass decline. In contrast to the healthy meadow in 2006, the declining meadow has increased nutrient release in sediments stimulating the production of ammonium or the dissolution of particulate phosphorus. This study shows that seagrass decay may result in a significant supply of phosphorus to the water column of a magnitude comparable to annual inputs to the lagoon from the rivers and the tidal pump.

L'étude de l'impact que les structures hydrodynamiques à mésoéchelle peuvent avoir sur la distribution spatiale des organismes planctoniques et le transport de matière entre la zone côtière et le large est essentielle à la compréhension du fonctionnement de l'écosystème planctonique dans l'océan côtier. L'influence des tourbillons anticycloniques et des processus physiques associés sur l'écosystème planctonique pélagique est examinée au moyen d'un modèle couplé physique-biogéochimie. Dans un premier temps, les sorties du modèle sont confrontées à des données in situ et satellitales afin de vérifier le réalisme du modèle. Pendant la majeure partie de la simulation, et plus particulièrement sur la partie ouest du golfe de Lion pendant la période estivale, l'erreur commise par le modèle sur l'estimation de la chlorophylle de surface (proxy du phytoplancton) est inférieure à celle donnée par le calcul issu de la télédétection. Ensuite, la distribution du plancton en présence d'un tourbillon a été étudiée. Dans les sorties du modèle, un filament avec une forte concentration en chlorophylle est systématiquement observé sur le bord nord/nord-est de la structure, est confirmé par des données satellitales. Enfin, grâce à une simulation longue sur la période 2011-2004, plusieurs tourbillons ont été comparés du point de vue de leur impacts sur les échanges entre la côte et le large de matière et plancton. L'intensité et la direction de ces échanges sont hétérogènes et dépendent des forçages physiques qui ont donné lieu à la génération de ces tourbillons. / The role that mesoscale physical structures play in driving plankton community shifts and transporting matter is key to the understanding of food web dynamics at the regional scale.

L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2. / By taking up large amounts of atmospheric CO2, the Southern Ocean helps to regulate the climate system. Southern Ocean carbon sink is poorly constrained, in part because data coverage is sparse and also because ocean models that have been used in such assessments fail to explicitly resolve key physical features such as mesoscale eddies. In recent decades, the growth of the Southern Ocean carbon sink may have been partly counteracted due to a loss of natural CO2 from the ocean driven by an intensification of westerlies, related to a positive trend in the Southern Annular Mode (SAM). This thesis focuses on documenting and understanding recent spatial and temporal variability of air-sea CO2 fluxes in the Southern Ocean. Sensitivity to positive phases of the SAM are tested by making simulations with a regional model of the Southern Ocean (south of 30°S) that couples biogeochemistry to the dynamics, is forced by atmosphere reanalysis data, and partially resolves the mesoscale. The resulting response of Southern Ocean CO2 fluxes to the SAM is dominated by a strong CO2 efflux to the atmosphere from the Antarctic Zone due to an increase in surface dissolved inorganic carbon (DIC). This increase is driven by the mixed-layer dynamics and is supplied by a meridional transport of DIC, a competition between the wind-driven circulation and the standing eddy-induced circulation. This work discusses the effect of increasing model resolution on simulated air-sea CO2 fluxes.

Malgré leur distance de la pression industrielle, les milieux marins austraux et antarctiques sont contaminés par des polluants globaux, tels que le mercure (Hg), par le transport atmosphérique et les courants océaniques. Jusqu'à présent, les voies de contamination du Hg dans l'Océan Austral restent peu connues, en particulier dans le secteur Indien, et de nouvelles études sont nécessaires pour élucider son devenir et son impact dans ces régions. Les oiseaux marins, en tant que prédateurs supérieurs des chaînes alimentaires marines, sont exposés à des concentrations élevées de méthylmercure (MeHg) via leur régime alimentaire. De plus, ils présentent des habitats de prédation contrastés dans les différents compartiments marins (en termes spatiaux et de profondeur). Par conséquent, ils sont considérés comme des bioindicateurs efficaces de la contamination par Hg et la bonne connaissance de leurs caractéristiques écologiques permet leur application comme traceurs du Hg dans des environnements éloignés, qui sont autrement difficiles à échantillonner. L'objectif principal de ce travail de doctorat est la caractérisation des voies d'exposition de MeHg accumulé par les oiseaux marins et l'identification des processus impliqués dans le cycle biogéochimique du Hg dans l'Océan Austral (des eaux antarctiques aux eaux subtropicales). L'approche méthodologique proposée consiste à combiner la composition isotopique du Hg et la spéciation du Hg dans les tissus d’espèces d’oiseaux marins de l'Océan Austral choisis précisément. Dans une première étape, une évaluation des signatures isotopiques de Hg spécifique de chaque tissu a été réalisée, notamment dans le sang et les plumes, car ceux-ci peuvent être échantillonnés de manière non létale. Chez les poussins, les deux tissus peuvent être utilisés efficacement et indifféremment comme bioindicateurs de la contamination locale en utilisant des isotopes du Hg, alors que chez les adultes, chaque tissu donne accès à une exposition temporelle différente : le sang à l'échelle récente (c'est-à-dire l'exposition pendant la période de reproduction) et les plumes à l'échelle annuelle, fournissant ainsi des informations isotopiques complémentaires aux différentes étapes du cycle annuel des oiseaux. Une deuxième partie a été axée sur l'exploration des sources de MeHg dans quatre espèces de manchots d’une même zone subantarctique, les îles de Crozet. Les populations ont été discriminées par leurs signatures isotopiques du Hg en fonction de leurs habitats de prédation et leurs mouvements latitudinaux, qui se trouvent être les facteurs principaux déterminant leur exposition à différentes sources de MeHg. Dans une troisième partie, les isotopes du Hg ont été étudiés dans deux modèles d'oiseaux (poussins de labbes et manchots adultes) sur une grande échelle latitudinale de l'Antarctique à la zone subtropicale. Les variations latitudinales des valeurs isotopiques du Hg (δ202Hg, Δ199Hg) semblent être influencées par une différente amplitude des processus photochimiques et d'autres voies biogéochimiques telles que la réduction du Hg, et les processus de méthylation / déméthylation, ainsi que les processus trophiques ou métaboliques. / Despite their distance from industrial pressure, marine southern and Antarctic environments are contaminated by worldwide distributed pollutants, such as mercury (Hg), through atmospheric transport and oceanic currents. So far, Hg contamination pathways in the Southern Ocean remains poorly understood, particularly in the Indian sector, and new studies are required to elucidate its fate and impact in these regions. Seabirds, as top predators of marine food webs, are exposed to elevated concentrations of biomagnified methylmercury (MeHg) via dietary intake and moreover, they forage in the different marine compartments both in spatial and depth terms. Therefore, they are considered as effective bioindicators of Hg environmental contamination and the good knowledge of their ecological characteristics permits their application for tracing Hg in such remote environments otherwise of difficult access. The main objective of this doctoral work is the characterization of the exposure pathways of the MeHg accumulated in model seabirds and the identification of the processes involved in the Hg biogeochemical cycle in the Southern Ocean (from Antarctic to subtropical waters). The proposed methodological approach consisted on the combination of Hg isotopic composition and Hg speciation in tissues of a precise selection of seabirds of the Southern Ocean. In a first step, the evaluation of tissue-specific Hg isotopic signatures was accomplished notably in blood and feathers, as they can be non-lethally sampled. In chicks, both tissues can be effectively and indifferently used for biomonitoring of local contamination using Hg isotopes, whereas in adults each tissue provides access to different temporal exposure : blood at recent scale (i.e. exposure during the breeding period) and feathers at annual scale, thus providing complementary isotopic information at the different stages of seabird annual cycle. A second part was focused on the exploration of MeHg sources in four penguin species within a same subantarctic location, the Crozet Islands. Hg isotopes effectively discriminated the four populations and species-specific foraging habitats and latitudinal movements were found the main factors determining their exposure to distinct environmental MeHg sources. In a third part, Hg isotopes were investigated in two ubiquitous seabird models (skua chicks and penguins) over a large a latitudinal scale from Antarctica to the subtropics. Latitudinal variations of Hg isotopic values (δ202Hg, Δ199Hg) appeared to be influenced by different extent of photochemical processes and other biogeochemical pathways such as Hg reduction, and methylation/demethylation processes, as well as trophic or metabolic processes.