L'étude des gaz rares dans les eaux porales est fondamentale à la compréhension des échanges des espèces chimiques entre le sédiment et la colonne d'eau. Les gaz rares, inertes chimiquement, peuvent être utilisés pour quantifier les flux des espèces chimiques entrantes/sortantes du sédiment ou les processus de consommation/production de ces espèces telles que le carbone et l'azote. Cela permet de mieux visualiser les cycles biogéochimiques de ces éléments dans l'océan et les sédiments océaniques ou estuariens. Ainsi, lors d'une mission océanographique sur l'Estuaire du Saint-Laurent à bord du N.S. Coriolis II, en mai 2007, nous avons procédé à l'échantillonnage d'eaux porales et de sédiments. Cette mission s'est faite en collaboration avec des équipes de l'Université McGill, l'Université Concordia, l'Université de Montréal et de l'Université du Québec à Montréal. Ce groupe comprenait plusieurs membres du GEOTOP. Une nouvelle méthode d'échantillonnage et d'extraction a été mise au point empruntant plusieurs caractéristiques aux systèmes déjà existants. Les échantillons ont été analysés au laboratoire Gaz Rares à Montréal (GRAM). Nous avons découvert, dans plusieurs échantillons, que les concentrations des gaz rares Ne, Ar, Kr et Xe étaient plus élevées que celles attendues par dissolution des gaz atmosphériques dans l'eau de mer. Ces enrichissements semblent être dû à l'adsorption des gaz sur de la matière organique et son relargage dans l'eau porale pendant la décompression de l'échantillon lors de sa remonté à bord du navire. La présence de ces excès a des conséquences importantes dans le calcul des flux de toutes les espèces chimiques entrantes/sortantes du sédiment et une sous-estimation des processus de consommation/production des ces espèces dans les sédiments. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Gaz rares, Géochimie, Isotopes, Eau porale, Estuaire du Saint-Laurent, Sédiment.

De récentes études ont démontré que plus de 1300 km² du fond du chenal laurentien sont baignés par des eaux dont les concentrations d'oxygène dissous sont en deçà de 62.5 µM ou 2 mg/l, correspondant au seuil qui définit l'hypoxie. Une des causes possibles du développement de l'hypoxie serait l'eutrophisation des eaux de surface liée à l'augmentation de l'activité agricole et industrielle dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Les apports accrus en nitrates rendraient compte d'une productivité primaire et d'un flux de carbone organique croissant. La dégradation de cette matière organique exportée dans les eaux profondes pourrait contribuer à l'appauvrissement progressif de celles-ci en O₂ dissous. Dans ce contexte, nous avons analysé les sédiments de deux carottes récoltées le long du chenal laurentien entre Tadoussac et Les Méchins afin de retracer les variations de productivité depuis le dernier siècle et ainsi, de vérifier si ceux-ci révèlent des indices d'une eutrophisation. Les résultats obtenus (carotte boîte AH00-2220; 48°38,33'N, 68°37,82'W; 324m et CR02-23; 48°42.008'N/68°38.894'W; 345m) révèlent une augmentation récente (après 1960 AD) du δ¹³ Corg que nous interprétons comme une augmentation des apports de matière organique marine. De la même façon et sur le même intervalle de temps, la concentration des kystes de dinoflagellés augmente, tout comme leurs flux, ce qui pourrait refléter un accroissement de la productivité primaire. Nous notons aussi une tendance semblable dans la concentration et du flux de réseaux organiques de foraminifères qui reflète probablement un accroissement de la productivité benthique liée à l'augmentation du flux de matière organique aux sédiments. Les concentrations et les flux de tests de foraminifères benthiques sont caractérisés par la même tendance d'augmentation récente. Nous notons aussi l'apparition et l'augmentation progressive de la présence des taxons Brizalina subaneriensis et Bulimina exilis entre les années 1960 et 1970. Ces taxons se singularisent par leur forte tolérance aux faibles concentrations d'oxygène et aux flux de carbone élevés. Les résultats obtenus dans cette étude appuient l'hypothèse d'une augmentation des flux sédimentaires de matière organique marine associés à une augmentation de la productivité primaire dans cette partie de l'estuaire du St-Laurent. Cette augmentation de productivité pourrait bien être un facteur important dans la diminution récente des teneurs en oxygène dissous, il est donc important d'explorer plus en détail cette hypothèse afin de mieux connaître les mécanismes en cours dans l'estuaire du St-Laurent et leur relation avec l'hypoxie récente des eaux de fond. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Hypoxie, Eutrophication, Foraminifères, Géochimie, Saint-Laurent.

La Grande Oie des Neiges (GON) est un oiseau migrateur qui fait halte dans les marais à scirpe américain (Schoenoplectus americanus) de l'estuaire du St-Laurent au printemps et à l'automne. Les oies s'y nourrissent principalement des rhizomes du scirpe. Depuis les années 80, la population connaît une croissance et des études réalisées dans les années 90 avaient montré que leur utilisation des marais dépassait la capacité de support du milieu. Afin d'évaluer si la situation s'était aggravée et pour bien caractériser l'effet du broutement des oies, un protocole expérimental, incluant l'établissement de parcelles permanentes et la pose d'exclos, a été mis en place dans quatre marais de l'estuaire: Cap Tourmente et Montmagny en 2004, l'Île-aux-Grues et Cap St-Ignace en 2005. Ces cages qui empêchaient les oies de brouter étaient installées avant leur arrivée au printemps et enlevées après leur départ à l'automne. À chaque été, un inventaire de la végétation a été fait dans les exclos et dans les parcelles témoins broutées. En utilisant des équations allométriques reliant la masse et la hauteur des tiges, la biomasse aérienne a pu être calculée pour chaque parcelle de façon non destructive. Ces équations allométriques ont été développées en 2007 et validées à l'aide d'un échantillonnage destructif. Suite à cette validation, des facteurs de correction ont été établis puisque l'échantillonnage non destructif surévaluait les biomasses aériennes réelles. Certains facteurs biophysiques ont également été étudiés au cours de 2007 dans tous les marais afin d'évaluer leur impact sur la biomasse: la sédimentation, le type de substrat, le temps de submersion et pour Cap Tourmente, les éléments nutritifs contenus dans les sédiments. La biomasse aérienne a augmenté significativement dans les exclos de tous les marais au cours de l'étude, tandis qu'elle n'a pas varié dans les parcelles témoins. Cette différence était attribuable surtout à l'augmentation de la densité des tiges et non à la biomasse des tiges individuelles dont la hauteur a peu varié dans le temps. Après quatre ans d'exclusion des oies, la biomasse aérienne était 104 et 128% plus élevée dans les exclos que dans les témoins à Cap Tourmente et Montmagny, respectivement. À Cap St-Ignace et à l'Île-aux- Grues, les différences étaient de 29 et 66%, respectivement, après trois ans d'exclusion. Il y avait une relation significative entre la biomasse aérienne et souterraine du scirpe ce qui indique que l'effet du broutement observé grâce à l'échantillonnage de la végétation aérienne a aussi un effet sur la biomasse souterraine qui contribue à l'alimentation des oies et à la production du scirpe. Finalement, les analyses de régression multiple ont montré qu'à Cap Tourmente, le phosphore organique et l'effet du broutement des oies étaient les deux variables explicatives de la variation de la biomasse aérienne du scirpe américain. Lorsque tous les marais étaient considérés, seul l'effet du broutement des oies expliquait la biomasse aérienne du scirpe. En conclusion, les résultats obtenus entre 2004 et 2007 confirment les différences observées au cours des années antérieures et montrent que les oies ont encore un impact sur les marais à scirpe. Elles maintiennent la productivité des marais à scirpe à un niveau faible par rapport à leur potentiel mais encore stable, comme observé par Giroux et Bédard (1987a) il y a plus de vingt ans. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Grande Oies des Neiges, Scirpe américain, Sagittaire, Zizanie aquatique, marais, biomasse, productivité.

Cette étude a été réalisée avec comme objectif principal d'identifier les processus mis en cause dans l'hypoxie récente de l'estuaire maritime du Saint-Laurent. Cette zone d'hypoxie existe depuis une vingtaine d'années et engendre des conséquences néfastes pour cet écosystème. Il devient donc critique de comprendre les mécanismes qui sont responsables du taux d'oxygénation dans l'optique de proposer des solutions d'adaptation réalistes. Pour ce faire, nous avons ciblé deux des processus qui ont probablement le plus d'impact sur les concentrations en oxygène dissous de cet écosystème, c'est-à-dire le réchauffement des eaux profondes et l'eutrophisation possible des eaux de surface de l'estuaire. Pour bien comprendre le rôle du réchauffement sur l'hypoxie, il est important d'avoir accès à des séries temporelles plus étendues que celles que nous offrent les données instrumentales. L'étude de carottes de sédiment nous permet d'obtenir des renseignements précieux sur les conditions environnementales du passé. Nous avons étudié deux carottes sédimentaires provenant de l'estuaire du Saint-Laurent dans le but d'estimer les variations de température survenues depuis le dernier siècle voire même depuis le dernier millénaire. Dans ces carottes, nous avons mesuré la composition isotopique en oxygène (δ18O) des tests de foraminifères benthiques. Cette mesure enregistre, entre autres, la température de calcification de l'organisme, et donc de l'eau dans lequel il se trouve. En comparant le δ18O avec les données de température instrumentales, nous avons validé l'utilisation du δ18O comme paléothermomètre dans l'estuaire du Saint-Laurent. De ce fait, nous avons utilisé le δ18O pour reconstruire les variations de température du dernier millénaire. Les résultats nous permettent de conclure que les eaux de fond de l'estuaire du Saint-Laurent se sont réchauffées d'environ 1.7°C depuis le dernier siècle. Cela constitue le plus important réchauffement des 1 000 dernières années. L'eutrophisation des eaux de surface en milieu estuarien est généralement due à un apport accru en nitrate, nutriment limitant dans ce type de milieu. Les sources d'azote ayant déjà été étudiées, nous avons donc mesuré les puits de façon à pouvoir établir un bilan régional. Deux approches ont été privilégiées: 1) une série de mesures de dénitrification sédimentaire ponctuelles et 2) une approche intégratrice se basant sur les concentrations d'azote et de phosphore dans la colonne d'eau. Les mesures nous permettent de conclure que la majorité de la dénitrification benthique est produite par le couplage nitrification-dénitrification. De plus, les résultats sont cohérents avec l'hypothèse que le processus de bioirrigation joue un rôle très important dans l'élimination sédimentaire de l'azote. L'approche intégratrice semble indiquer que le bilan régional de l'azote est proche de l'équilibre, ce qui suggère que cette région ne peut être considérée comme globalement soumise au phénomène d'eutrophisation. Ceci impliquerait donc que si l'augmentation de la productivité primaire observée dans l'estuaire du Saint-Laurent est due à une augmentation de l'apport en azote, celui-ci est par la suite éliminé naturellement par le système sans avoir d'impact en aval. Dans l'optique de proposer des solutions au problème de l'hypoxie, nous devons mieux connaître les sources d'azote qui fertilisent le Saint-Laurent ainsi que le taux de recyclage in situ. Par conséquent, nous avons mesuré la composition isotopique des nitrates dissous dans la ville de Québec pour identifier les différentes sources d'azote qui se retrouvent dans le Saint-Laurent. De plus, cette méthode nous permet d'identifier les mécanismes du cycle de l'azote qui sont actifs dans cette région. Les résultats sont typiques d'un environnement ou la composition isotopique des nitrates est principalement contrôlée par la saisonnalité et où les processus internes ne semblent pas avoir un impact significatif. Par contre, le peu de données sur la signature isotopique des différentes sources potentielles nous empêche de quantifier leur importance dans le flux de nitrate du Saint-Laurent. ______________________________________________________________________________

Des conditions d'hypoxie sont couramment rencontrées dans les eaux profondes de l'estuaire du Saint-Laurent, dû à une forte dégradation de matière organique particulaire (MOP) hautement réactive de même qu'à une eutrophisation généralisée de l'estuaire au cours des dernières décennies. On en connaît par contre peu sur la distribution et la composition de la MOP retrouvée dans les sédiments, ainsi que sur les facteurs qui gouvernent sa réactivité dans les différentes zones de l'estuaire. Les nutriments azotés, incluant l'azote organique dissous (AOD), sont un facteur limitant courant pour la productivité primaire estuarienne, et pourtant, l'AOD est presque systématiquement absent des budgets de nutriments estuariens et marins. Dans le Saint-Laurent, les sources et les puits de l'AOD ne sont pas bien définis, et les facteurs qui régulent le relargage benthique de l'AOD, en particulier, sont incertains. La mesure de la composition isotopique des différentes espèces d'azote est utile pour comprendre et quantifier les différents processus liés au cycle de l'azote, dans les sédiments et dans la colonne d'eau (incluant les processus qui affectent l'AOD), mais l'effet de la composition isotopique sur les dits processus, en contrepartie, doivent être éclaircis. En ce moment, aucune étude n'a documenté les liens existant entre la composition isotopique des différentes espèces d'azote et les échanges de nutriments entre les milieux benthique et pélagique estuariens et marins. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse est de déterminer la composition et la réactivité de la matière organique (MO) dans l'estuaire du Saint-Laurent, d'évaluer son impact sur les flux et les budgets d'azote, puis d'évaluer comment les propriétés isotopiques des espèces d'azote échangées lors des différents flux affecteront le pool d'azote dans la colonne d'eau. Les objectifs spécifiques sont donc, dans un premier temps, de déterminer la distribution de la MOP réactive au long de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent, ainsi que d'explorer les facteurs qui contrôlent cette distribution, tels que les sources de MOP, l'oxygène dissous et les régimes de déposition. Dans un deuxième temps, j'explore ici la distribution et les flux d'azote et de carbone organique dissous (AOD; COD) dans l'eau interstitielle entre les sédiments et la colonne d'eau, ainsi que les différences stœchiométriques qui en découlent, lesquelles sont probablement régulées par la réactivité de la MOP et les conditions environnementales. Le dernier objectif est de suivre la transformation des différentes espèces d'azote organique et inorganique dissous (AOD+AID) dans les eaux interstitielles, puis de déterminer l'effet qu'aura la séquence de reminéralisation-nitrification-dénitrification de l'azote sur le contenu en 15N du pool réactif d'azote dans la colonne d'eau. Pour répondre à ces objectifs, des échantillons provenant de l'eau et des sédiments de l'estuaire du Saint-Laurent ont été collectés lors de deux campagnes au long d'un gradient depuis l'estuaire vers l'océan. La composition en isotopes stables (N et C), le carbone organique total, l'azote total, les acides aminés et le contenu en chlore ont été mesuré dans les sédiments. Ces analyses sont à la base des calculs d'indices de réactivité de la matière organique, de l'indice de dégradation (ID) et de l'indice de chlore (IC) des sédiments. De plus, les nitrates (et nitrites), l'ammonium, le carbone organique dissous (COD) et l'AOD seront mesurés dans les eaux interstitielles des sédiments. Ces variables seront ensuite utilisées pour estimer les flux diffusifs à l'interface eaux-sédiments. Finalement, les compositions isotopiques des NO3- et de l'azote total dissous (ATD) ont été déterminées, et l'effet isotopique associé à leurs flux à l'interface eau-sédiment a été calculé. Les résultats de ce présent travail montrent clairement un gradient de la réactivité de MOP des sédiments et un début d'altération diagénétique au long de l'estuaire du golfe du Saint-Laurent, avec plus de MO réactive dans la partie peu profonde de l'estuaire moyen et dans la zone hypoxique et très productive de l'estuaire maritime. Les analyses de stéréo-isomères des acides aminés ont révélé un couplage entre l'ampleur de la diagénèse et l'accumulation et la préservation sélective de la matière dérivée des membranes de cellules bactériennes dans les sédiments. Le temps d'exposition à l'oxygène des sédiments semble déterminer fortement la réactivité de MO des sédiments dans l'estuaire du Saint-Laurent, plutôt que la source de la MOP. Dans l'ensemble de la zone d'étude, les sédiments représentent une source d'AOD dans la colonne d'eau (de 0,11 à 0,43 mmol m-2 j-1). Les flux d'AOD comptent pour 30 à 64% de la dénitrification benthique totale, et étaient significativement positivement corrélés avec la réactivité de la MO et négativement corrélés avec l'oxygène dissous des eaux recouvrant les sédiments. Les flux de COD étaient relativement constants (2,1 ± 0,1 mmol m-2 j-1) et n'ont pas démontré de patron de variation au long du gradient estuaire-océan, impliquant une partition des éléments prononcée et contrôlée par l'environnement durant l'hydrolyse et la reminéralisation de la MOP durant la diagénèse hâtive des sédiments. L'azote réduit dissous (ARD) des eaux interstitielles et les nitrates étaient tous les deux significativement enrichis en 15N dans les sédiments. Comme dans les autres environnements marins, le fractionnement isotopique biologique de la perte nette d'N fixé due à la dénitrification était à peine exprimé à l'échelle des échanges entre les sédiments et l'eau. Intégrer, pour la première fois, les flux d'ARD (AOD + NH4+) dans les calculs de l'effet isotopique de l'N total des sédiments génère des effets isotopique d'N légèrement plus élevé (4,6 ± 2 %o), qui semblent être contrôlés par la réactivité et la profondeur de pénétration de l'oxygène dans les sédiments. Les valeurs des effets isotopiques de l'N total des sédiments reportés ici sont plus élevés que les valeurs présumées, et occasionnent des incohérences dans le cycle global des isotopes d'N, car ils impliquent un plus grand ratio de dénitrification entre les sédiments et la colonne d'eau et, ainsi un plus grand débalancement du budget global de l'N qu'il n'est actuellement considéré. En résumé, cette étude souligne les liens étroits existant entre le régime de condition de préservation et de sédimentation, la composition et la réactivité de la MO et le remaniement bactérien, ainsi que les échanges de solutés à l'interface eau/sédiment, avec des implications à grand échelle pour l'effet des processus benthiques sur les éléments et le budget isotopique de l'N dans la colonne d'eau des estuaires marins. ______________________________________________________________________________

Les canards de mer forment un groupe taxonomique bien représenté dans les milieux nordiques. Ces espèces d'oiseaux hivernent dans les milieux côtiers de l'Amérique du Nord, de l'Europe et de l'Asie. Elles semblent fragiles dans les milieux anthropisés ; plusieurs ont accusé des déclins de populations importants et sont maintenant désignées en péril. Pourtant, les connaissances qu'on possède sur la démographie, l'écologie et la répartition des populations demeurent fragmentaires chez la plupart des espèces. L'objectif principal de cette étude était de répondre à la question qui demande quelles sont les ressources qui supportent la population de Garrots d'Islande de l'Est de l'Amérique du Nord dans le système marin du Saint-Laurent en hiver. Cette population est désignée en péril et il était pressant de documenter son écologie afin d'aider à sa conservation. Avec mes co-auteurs, j'ai abordé cette question avec une approche multi-échelles. J'ai d'abord souhaité examiner l'influence sur le régime alimentaire de la propriété la plus fondamentale des organismes vivants : leur masse corporelle. Puisant dans les concepts de la théorie de la quête alimentaire, de la compétition interspécifique et de l'allométrie, j'ai prédit que le contenu énergétique et la diversité du régime alimentaire hivernal des canards de mer seraient en relation inverse avec leur masse corporelle. J'ai testé ces prédictions à l'aide de données tirées d'une revue de littérature qui accordait une emphase particulière à la base de données de régimes alimentaires du US Bureau of Biological Survey. Cette étude est présentée dans le second chapitre. Les résultats montrent le rôle appauvrissant joué par la masse corporelle dans la composition du régime alimentaire et suggèrent aussi un effet de l'évitement de la compétition interspécifique. Cette étude trace un portrait global de l'ensemble des canards de mer d'Amérique du Nord qui sert ensuite de cadre pour l'étude approfondie qui a été faite du cas des Garrots d'Islande et à œil d'or présentée aux chapitres III et IV. Le troisième chapitre traite de la répartition spatiale, de la sympatrie et des facteurs abiotiques qui expliquent la répartition des Garrots d'Islande et à œil d'or à l'échelle du système marin du Saint-Laurent. J'ai analysé des données spatiales issues d'inventaires héliportés. Les résultats permettent d'identifier le cœur de l'aire d'hivernage de la population de Garrots d'Islande de l'Est de l'Amérique du Nord et le rôle joué par différentes composantes du paysage dans sa répartition spatiale. Dans le quatrième chapitre, les Garrots d'Islande et à œil d'or ont été comparés sur la base de leur sélection de l'habitat à l'échelle de la parcelle d'alimentation, de leur régime alimentaire et de la morphologie de leur bec. L'objectif de cette étude comportait deux volets : 1) identifier les ressources qui supportent la population de Garrot d'Islande en hiver et 2) évaluer le potentiel de compétition entre ces espèces. Cette étude a fourni une description inédite de l'habitat d'alimentation et du régime alimentaire du Garrot d'Islande dans l'estuaire du Saint-Laurent. Les analyses comparatives de la répartition à fine échelle spatiale, du régime alimentaire et de la morphologie suggèrent un faible potentiel de compétition entre ces deux espèces. Cette étude a fourni un exemple de partition des ressources entre deux espèces apparentées. Cette étude a approfondi nos connaissances sur l'écologie hivernale du Garrot d'Islande de la population de l'Est de l'Amérique du Nord. Les possibilités d'application de ces connaissances dans les mesures de conservation de cette population sont nombreuses. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Garrot d'Islande, Bucephala islandica, Mergini, canards de mer, sélection des ressources hivernales.

L’évaluation de la condition corporelle des carcasses des bélugas du Saint-Laurent contribue au diagnostic de cause de mortalité du pathologiste. La méthode actuelle repose sur une évaluation visuelle subjective. Notre projet visait à chercher un outil objectif d’évaluation de la condition corporelle. L’indice de masse mise à l’échelle (M̂ i) est objectif puisqu’il est calculé à partir de la masse et de la taille de chaque individu. M̂ i doit être calculé avec des constantes différentes pour les bélugas mesurant plus ou moins de 290 cm. Il produit des résultats en accord avec l’évaluation visuelle. Comme il est parfois logistiquement impossible de peser un béluga, nous avons évalué des indices basés sur d’autres mesures morphométriques. Les indices basés sur la circonférence à hauteur de l’anus pour les bélugas de moins de 290 cm et la circonférence maximale pour ceux de plus de 290 cm représentent des indices de condition corporelle alternatifs intéressants. / Evaluation of the body condition of beluga carcasses from the Estuary of the St. Lawrence contributes to the diagnosis of the cause of death by the pathologist. The current method relies on a subjective visual evaluation. Our project aimed at developing an objective tool for the evaluation of body condition. The Scaled Mass Index (M̂ i) is an objective figure since it is obtained from individual masses and lengths. M̂ i has to be calculated with different constants for belugas under and above a length of 290 cm. M̂ i yielded results consistent with visual evaluation. Since weighing belugas can be logistically impossible, we evaluated indices based on several other morphometric measurements. Indices based on girth at the level of the anus and maximal girth for animals under and above 290 cm, respectively, were deemed useful as alternative body condition indices.

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