Thèse (Ph. D.) -- Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 8-14. Publié aussi en version électronique.

Les travaux de recherche développés durant cette thèse relèvent de la biogéochimie et de la sédimentologie appliquée aux systèmes lacustres. Ils s'inscrivent dans une démarche de rétro-observation sur la période récente (150-300 ans) avec l'objectif global d'évaluer l'implication des forçages environnementaux locaux (charge externe en nutriments, hydrologie) dans l'accentuation/atténuation des forçages globaux (climat). Nos recherches se sont concentrées sur une réponse intégratrice du système lacustre : le développement de l'état de l'hypoxie (manque d'oxygène ; [O2] <2µg L-1) dans les lacs, qui reflète l'état du système lacustre à l'échelle de l'hypolimnion. La thèse participe à un programme pluridisciplinaire, IPERRETRO ANR VMCS 008, dont les résultats sont utilisés dans ce travail pour comparer les trajectoires de 3 réponses biologiques (diatomées, cladocères, chironomes) et de la réponse de l'hypoxie dans les lacs du Léman, du Bourget et d'Annecy. Les objectifs spécifiques de ce travail de doctorat sont 1) de développer une méthode de quantification du régime de l'hypoxie au travers d'une approche spatio-temporelle (multi-site de carottage), 2) de caractériser les forçages et, 3) de recourir aux outils de modélisation statistique afin de comprendre les relations entre les forçages (globaux et locaux) et les réponses de l'écosystème lacustre dans un contexte de réchauffement climatique. Le prélèvement inédit de 81 carottes sédimentaires s'est révélé essentiel pour quantifier 2 forçages clés de l'hypoxie dans les 3 lacs : 1) les flux biogéniques et 2) le régime des crues. Nos principaux résultats montrent que l'enrichissement en phosphore dissous a conduit à un changement d'état de l'hypolimnion dès le milieu du XXe siècle. Désormais hypoxique, les écosystèmes de l'hypolimnion semblent particulièrement vulnérables face à l'augmentation croissante des températures. En revanche, l'action des crues (à l'échelle pluriannuelle, pluri-décennale et centennale) présente des effets bénéfiques sur les conditions de l'hypolimnion en favorisant périodiquement la recharge en oxygène, malgré l'état de stabilité global de l'hypoxie. D'autre part, les résultats montrent que le contexte hydrique local (~dimension des affluents) conditionne la vulnérabilité spécifique des lacs face aux changements globaux. Nous montrons qu'un lac comme Annecy (petit affluent) est plus vulnérable aux augmentations de température qu'un lac comme le Léman (gros affluent). Finalement, les trajectoires des réponses lacustres (flux biogéniques, diversité biologique et régime de l'hypoxie) indiquent que les réponses sont généralement plus immédiates dans l'hypolimnion face aux changements globaux et locaux que dans l'épilimnion. Cette différence de sensibilité des réponses, entre les « sous-systèmes », précise l'ampleur des défis pour la modélisation et la gestion intégrée des systèmes lacustres. / This Thesis is dedicated to the identification of issues (local and global stressors) that affected lakes physical and biogeological environment over the last 150 years through sediment-based palaeo-reconstructions. Our researches focussed on the recent development of hypoxia (i.e. low oxygen concentrations) which is a good indicator of lake ecosystem quality at the hypolimnetic scale. The aim is to reconstruct in 3 perialpin lakes (Geneva, Bourget, Annecy), with annual resolution, the evolution of 1) trophic level (Anthropic forcing), 2) flood regime (climate forcing) and 3) hypoxia (hypolimnetic response) in order to identify over time the role of human activity and climate on the lake ecosystem quality. A 4D approach is developed, using 80 sediment cores, to quantify for the first time the low oxygen dynamic and the flood regime from sediment archives. Statistical modelling is used to identify the relation between thermal, hydrological, trophic forcings on the response of hypoxia. 3D modelling is developed to support the results and to make results more understandable to actors of management. The principal findings gather around three topics: 1) Optimisation of spatio-temporal approach to quantify palaeoreconstruction from sediment archives based on volume calculation. Those reconstructions of hypoxia dynamic for the three lakes enable to emphasis the notion of weaken equilibrium, ecosystems vulnerability and the amplification of response following cumulative pressures. 2) New description of hypolimnetic functioning under constant increase of external pressures (with a focus on the nature of transitions between states: threshold effect, saturation effect, hypersteresis). 3) The contribution of palaeoreconstructions and statistical analyses to describe the respective influence of human activity and climate involved on the initiation of lake dysfunction, maintain or rebalancing of hypolimnetic functioning.

La vallée de Stuckberry a été touchée par une importante variabilité climatique au cours de l'Holocène et constitue actuellement un environnement en transition rapide en raison de la hausse des températures. Le retrait du glacier principal de la vallée a entraîné la formation de quatre lacs, où l'âge de chaque lac est proportionnel à la distance de l'océan Arctique. Les sédiments des lacs représentent un trésor d'informations sur les changements passés dans le bassin versant de la vallée de Stuckberry et fournissent une « mémoire à long terme » de la façon dont les lacs ont réagi à ces changements. L'objectif spécifique de l'étude est de caractériser les changements au fil du temps dans la structure des communautés microbiennes. Pour ce faire, l'ADN a été extrait à partir de couches de sédiments et la technologie de séquençage d'amplicons du gène de l'ARNr 16S a été utilisée pour la fraction bactérienne et archéenne et la technologie métagénomique shotgun a été utilisée dans quelques couches ciblées pour la fraction virale. Des analyses bio-informatiques et statistiques ont ensuite été effectuées pour réaliser l'affiliation taxonomique et les comparaisons de la diversité microbienne des couches des carottes de sédiments des lacs, l'hypothèse étant que la diversité microbienne varierait avec le temps et que cette dynamique reflèterait les changements environnementaux passés dans le bassin versant. Les résultats obtenus dans cette recherche nous permettent de conclure qu'il y a bien des changements au niveau des structures des communautés microbiennes au fil du temps qui semblent être influencées par les changements environnementaux subits par la vallée de Stuckberry et les variances entre les lacs semblent être dues à leur composition physico-chimique respective et à leur temps d'évolution différent. Ce travail contribue à de nouvelles connaissances sur les forces à l'origine des changements épisodiques et interannuels des communautés microbiennes. / Stuckberry Valley experienced significant climatic variability during the Holocene and is currently an environment in rapid transition due to rising temperatures. The retreat of the main glacier from the valley resulted in the formation of four lakes, where the age of each lake is proportional to its elevation above the Arctic Ocean. The sediments from these lakes represent a treasure trove of information about past changes in the Stuckberry Valley watershed and provide a "long-term memory" of how the lakes responded to these changes. The specific objective of the study is to characterize changes over time in the structure of microbial communities. To do this, DNA was extracted from discrete sediment layers followed by 16S rRNA gene amplicon sequencing for the bacterial and archaeal fractions and shotgun sequencing of a few targeted layers to characterize viruses. Bioinformatics and statistical analyses were then performed to determine taxonomic affiliations and to compare the microbial diversity of the sediment core layers of the four lakes, based on the hypothesis that the microbial diversity would vary over time and that this dynamic reflected past environmental changes in the watershed. Our results suggest that the structure of the microbial community over time was influenced by environmental changes in Stuckberry Valley, while the variation between lakes appears to result from their respective physico-chemical composition and their different ages. This work gives new insight into the forces behind episodic and interannual changes in microbial communities.

Les pressions anthropiques peuvent avoir une influence négative sur la qualité de l’eau et sur la capacité d'un lac à fournir des services écosystémiques (SÉ). Cependant, une approche intégrant les connaissances écologiques et sociales nécessaires pour identifier les lacs les plus à risque de perdre leurs SÉ fait actuellement défaut. Nous fournissons ici un cadre qui intègre l'état écologique des lacs, les menaces pour la qualité de l’eau et l’utilisation des SÉ récréatifs à des échelles régionales pour identifier les zones vulnérables. En utilisant les données de plus de 660 lacs échantillonnés à travers le Canada, une classification régionale des lacs basée sur les caractéristiques biophysiques de lacs peu impactés a été déterminée. L'écart des lacs impactés par rapport aux caractéristiques naturelles de leur région a permis d'identifier les concentrations d'azote total et de chlorure comme les indicateurs les plus constants d’une altération de l’état écologique des lacs par l’activité humaine. L'état écologique, le niveau de menace et l’utilisation des SÉ ont été combinés et cartographiés avec un modèle de couleur additif. Les lacs du sud de l'Ontario et du Québec étaient les plus préoccupants, car ils étaient très altérés, menacés et fortement utilisés. Les lacs situés près des centres urbains des deux côtes étaient altérés et utilisés, mais apparemment moins menacés, tandis que ceux des Prairies étaient altérés et menacés, mais moins utilisés. Notre nouveau cadre fournit la première biogéographie socio-écologique des lacs canadiens et constitue un outil de gestion prometteur pour évaluer l'état et la vulnérabilité des lacs. / Anthropogenic pressures can negatively influence water quality and a lake's ability to provide ecosystem services (ES). However, an approach that integrates the ecological and social knowledge needed to identify lakes most at risk of losing their ES is currently lacking. Here, we provide a framework that integrates lake ecological status, water quality threats, and recreational ES use at regional scales to identify vulnerable areas. Using data from over 660 lakes sampled across Canada, a regional classification of lakes based on the biophysical characteristics of low impact lakes was determined. The deviation of impacted lakes from the natural characteristics of their region identified total nitrogen and chloride concentrations as the most consistent indicators of altered ecological state of lakes due to human activity. Ecological status, threat level and ES use were combined and mapped using an additive color model. Lakes in southern Ontario and Quebec were of greatest concern as they were highly altered, threatened and heavily used. Lakes near urban centers on both coasts were altered and used, but apparently less threatened, while those in the Prairies were altered and threatened, but less used. Our new framework provides the first socio-ecological biogeography of Canadian lakes and is a promising management tool for assessing lake state and vulnerability.

The prey consumption by benthivorous fish predators can have profound top-down effects in stream food webs. To analyse this effects in small temperate stream ecosystems, a long-term field experiment was conducted in two streams in South-eastern Germany, Gauernitzbach and Tännichtgrundbach, from 2004 to 2011. The densities of two small-bodied benthivorous fish species, gudgeon (Gobio gobio) and stone loach (Barbatula barbatula), were manipulated following a Before-After-Control-Impact design. The top predator regime affected the benthic community composition of the streams mainly in pools, whereas the total benthic invertebrate biomass was not affected in any mesohabitat. The present work describes a causal analysis of the observed food web effects using additional field analyses and laboratory experiments, with a special focus on the habitat use and foraging behaviour of the fish as top predators. The probably most important of the analysed mechanisms was mesohabitat-specific predation by the fish. Three 24-h field video surveys combined with benthic invertebrate sampling showed that constraints in habitat use, especially for gudgeon, induced a differential predator-prey habitat overlap which resulted in a higher predation risk for the invertebrate prey in pools than in riffles. Another important mechanism was selective predation of both fish species. Their prey selectivity was largely explained by a small number of prey variables being connected to the partly non-visual foraging mode of these benthic predators. Besides the traits body size and feeding type, long-term mean abundance played a central role, small and highly abundant invertebrates, grazers and sediment feeders being preferred by gudgeon and stone loach. The preference for small and abundant prey taxa (chironomids) exceeded purely opportunistic feeding and probably facilitated resource partitioning between the two fish species having very similar diets. In addition to active selectivity, different predator avoidance strategies of the invertebrates analysed in laboratory experiments explained the passive selectivity of the fish predators for certain prey taxa in the streams. This could be shown for two abundant taxa being consumed by the fish predators in very different quantities, Gammarus pulex and Hydropsyche instabilis. These three mechanisms, although probably interacting with several other factors, could explain a large part of the effects the top-down food web manipulation had on the benthic community, especially the observed high degree of mesohabitat and species specificity. Confirming this, quantitative characteristics of predation food webs, for instance the importance of intraguild predation, differed markedly between pool and riffle mesohabitats. From the results of this study it can be concluded that the benthivorous fish affected benthic community structure mainly by mesohabitat-specific and selective predation. A manipulation of this (native) top predator type therefore will probably have such rather subtle but not catastrophic consequences in ecosystems with a high biotic diversity and a rich natural habitat structure and connectivity.

Nous avons cherché des relations empiriques entre l’abondance des macrophytes submergés et le développement résidentiel du bassin versant, les propriétés du lac et la présence de milieux humides dans 34 lacs de la région des Laurentides et de Lanaudière sélectionnés à travers un gradient de développement résidentiel. Les macrophytes submergés ont été échantillonnés par méthode d’échosondage à l’intérieur de la zone littorale. L’abondance moyenne des macrophytes a ensuite été estimée à l’intérieur de quatre zones de croissance optiquement définies (profondeur maximale = 75 %, 100 %, 125 % et 150 % de la profondeur de Secchi) ainsi qu’à l’intérieur de toute la zone littorale. L’occupation humaine a été considérée selon trois échelles spatiales : celle présente 1- dans un rayon de 100 mètres autour du lac, 2- dans la fraction du bassin versant qui draine directement vers le lac et 3- dans le bassin versant en entier. Nous avons aussi testé, lac par lac, l’effet de la pente locale sur l’abondance des macrophytes. Nous avons observé des corrélations positives et significatives entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de l’aire de drainage direct (r > 0.51). Toutefois, il n’y a pas de relation entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de la bande de 100 mètres entourant le lac et du bassin versant entier. Les analyses de régression multiple suggèrent que l’abondance des macrophytes submergés est faiblement corrélée avec l’aire du lac (+) et avec la présence de milieux humides dans le bassin versant entier (-). Localement, l’abondance des macrophytes est reliée à la pente et à la profondeur qui expliquent 21% de la variance. Les profondeurs de colonisation maximale et optimale des macrophytes submergés sont corrélées positivement au temps de résidence et à la profondeur de Secchi et négativement à l’occupation humaine et à l’importance des milieux humides. / We searched for empirical relationships between whole-lake submerged macrophyte abundance and residential development, lake properties and wetlands in 34 lakes from the Laurentides-Lanaudière region subjected to a wide range of residential development. Submerged macrophyte abundance was assessed by echosounding of the entire littoral zone. Human encroachment was measured at three spatial scales: Within 1- a 100 m-wide buffer strip circling the lake, 2- the fraction of the watershed that drains directly into the lake and 3- the entire watershed. Single and multiple regression were used to test the effect of residential development on macrophyte abundance in the entire littoral zone and within four optical growth zones defined by Secchi depth. The local effect of slope on local macrophyte abundance was also tested in individual lakes. We found significant positive correlations between submerged macrophyte abundance and dwelling density present within the direct drainage area (r > 0.51). In contrast, there was no significant relation between macrophyte abundance and human occupation of the 100 m-wide buffer circling lake and the entire watersheds. Multiple regression analysis suggest that submerged macrophyte abundance is weakly correlated with lake area (+) and wetland importance within the entire watershed (-). Locally, macrophyte abundance is related to slope and depth which explained together 21% of the variance. Maximum and optimum colonization depths of submerged macrophytes were positively correlated to residence time and Secchi depth and negatively to human occupation and to wetland importance.

Im Rahmen einer deutsch-australischen Forschungskooperation erfolgte im Südsommer 2001/2002 eine Expedition in die Amery-Oase (70°50’S, 68°00’E), die im Einzugsgebiet des Lambert-Gletscher/Amery-Schelfeis-Systems, dem größten ostantarktischen Eis-Drainagesystem, liegt. Von deutscher Seite wurden im Zuge der Geländekampagne erstmals lakustrine Sedimentsequenzen gewonnen, um die bislang wenig erforschte spätquartäre Klima- und Umweltgeschichte dieser rund 1800 km² großen eisfreien Region zu rekonstruieren. Die drei untersuchten Glazialseen Beaver, Radok und Terrasovoje unterscheiden sich sowohl deutlich in ihrer Größe, Bathymetrie und den hydrologischen Merkmalen sowie in ihren Sedimentabfolgen. <br><br> Einen Schwerpunkte dieser Doktorarbeit bildet die Rekonstruktion der Sedimentationsprozesse und des Ablagerungsmilieus sowie Untersuchungen zur Herkunft des detritischen Sedimentmaterials in den Seebecken. Der methodische Ansatz verfolgt die Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies an Hand lithologisch-granulometrischer Merkmale sowie mineralogisch-geochemischer Analysen der Sedimentherkunft. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Rekonstruktion der holozänen biogen gesteuerten Ablagerungsbedingungen im Terrasovoje-See, die Rückschlüsse auf den kurzfristigen postglazialen Klima- und Umweltwandel in der Amery-Oase gestattet. Dabei wurden mikrofazielle Untersuchungsmethoden und hochauflösende Elementscannermessungen angewandt. <br><br> Die klastische Sedimentherkunft in den drei Seen unterscheidet sich räumlich deutlich voneinander und spiegelt den komplexen geologischen Aufbau der Amery-Oase wider. Als Sedimentquellen konnten präkambrische Metamorphite, permotriassische Sedimentgesteine und tertiäre Lockersedimente identifiziert werden. Die Varibilität der Herkunftssignale ist zeitlich weniger deutlich als räumlich ausgeprägt und deutet auf relativ konstante Liefergebiete in den einzelnen Seen hin. <br><br> Das glaziolakustrine Ablagerungsmilieu der drei untersuchten Seen zeigt klare räumliche und zeitliche Unterschiede. In allen drei Seen setzen sich die älteren Sedimente aus grobkörnigem, häufig diamiktischem Material zusammen, während die jüngeren Sedimente aus feinkörnigen Laminiten bestehen. Die lithofazielle Zweiteilung in den Sedimentabfolgen deutet auf einen Rückzug der Gletscher und/oder einen Anstieg der Wassertiefen im Übergang von den grobkörnigen zu den feinkörnigen Ablagerungseinheiten hin. Die oberen feinkörnigen Kernabschnitte spiegeln in allen drei Seen die postglaziale lakustrine Sedimentation wider. Im Beaver-See wird die postglaziale Fazies durch laminierte klastische Stillwassersedimente repräsentiert, im Radok-See durch Turbiditsequenzen und im Terrasovoje-See durch Algenlaminite. <br><br> Abgesehen vom Terrasovoje-See ist die zeitliche Einordnung der Fazieswechsel auf Grund mangelnder Altersinformationen schwer erfassbar. Im Terrasovoje-See setzte die postglaziale Sedimentation um rund 12,4 cal. ka ein. Somit weisen die darunterliegenden glazigenen Klastika mindestens ein spätpleistozänes Alter auf. Die sedimentologischen Eigenschaften, Änderungen der Sedimentationsraten und organogene Zusammensetzung der postglazialen Biogenlaminite des Terrasovoje-Sees deuten auf Variationen der paläolimnologischen Bedingungen hinsichtlich Eisbedeckung, biologischer Produktivität, Wasserstand, Redoxbedingungen und Salinität hin, die mit regionalen holozänen Klimaänderungen in Verbindung gebracht werden können. Weitere Anhaltspunkte ergeben sich aus der Zusammensetzung und den Mächtigkeitsvariationen der Laminae, die generell aus Wechsellagerungen von Cyanobakterienmatten mit feinklastischen Lagen bestehen. Lagenzählungen der Laminae belegen Änderungen des Ablagerungsmilieus auf subdekadischen Zeitskalen, wobei zeitweilige jährliche Signale nicht ausgeschlossen werden können. Unter Berücksichtigung aller faziellen Indikatoren lässt sich aus der Sedimentabfolge des Terrasovoje-Sees ein frühholozänes Klimaoptimum zwischen 9 und 7 cal. ka sowie weitere Wärmephasen zwischen 3,2 und 2,3 cal. ka sowie 1,5 und 1,0 cal. ka ableiten. <br><br> Im Vergleich mit Eiskernarchiven und anderen Seesedimentabfolgen aus ostantarktischen Oasen zeigt sich, dass das Auftreten postglazialer Warmphasen nicht allenorts einem allgemein gültigen räumlich-zeitlichen Muster folgt. Die Ursachen hierfür liegen vermutlich in den lokalen geographischen Gegebenheiten. Es lässt sich daraus schliessen, dass die bisher vorliegenden Klimarekonstruktionen eher das Lokalklima an einem Untersuchungsstandort als das Großklima der Ostantarktis reflektieren. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen von antarktischen Klimaarchiven und Untersuchungsstandorten, um örtliche von überregionalen Klimasignalen besser unterscheiden zu können. / In the scope of a German-Australian research cooperation field work was conducted in the Amery Oasis (70°50’S, 68°00’E), situated in the Lambert Glacier/Amery Ice Shelf region, the largest East Antarctic ice drainage system. The German part comprised the retrieval of lacustrine sediment cores for the reconstruction of the late Quaternary development of the palaeoenvironment in the 1800 km² large ice-free region. The three studied glacial lakes Beaver, Radok, and Terrasovoje reveal marked differences in size, hydrology and their sedimentary inventory. The goals of this thesis were to infer the onset of depostion in the lacustrine basins and to characterize changes in the depositional environment in the course of glacial retreat and the postglacial climate development. The methodic approach followed the recognition of sedimentary facies variability and sediment sources by means of facies analysis and mineralogical-geochemical provenance analysis. Another aspect was the high-resolution reconstruction of postglacial biogenic sedimentary modes in Lake Terrasovoje that provide insights into the short-term Holocene palaeo-climatic and palaeoenvironmental development. <br><br> The origin of siliciclastics shows marked spatial differences between the lakes, reflecting the complex geological setting of the Amery Oasis. The main detrital sources comprise crystalline rocks of the East Antarctic craton, Permotriassic and Tertiary sedimentary rocks. The temporal variability of sediment provenance is less developed than the spatial pattern, pointing to relatively constant sediment sources through time in the respective lakes. <br><br> The glaciolacustrine depositional environment of the three lakes shows clear spatial and temporal contrasts. In all lakes, the older sediments are composed of coarse, partly diamictic lithologies, while the younger materials consist of fine-grained laminites. The twofold lithofacial pattern is related to regional glacial retreat at the boundary between both sedimentary units that reduced direct glacigenic sediment input. In the epishelf Lake Beaver, in addition, the effect of postglacial sea-level rise led also to the rise of lake level and shifted the study site towards a more distal position from the shore, away from the influence of coarse clastic sediment input. The upper sedimentary units of the three lakes are dominated by fine-grained sediments, which only occasionally include ice-rafted dropstones. The postglacial sediments comprise clastic stillwater laminites at Lake Beaver, finely laminated turbidites in Lake Radok, and algal laminites in Lake Terrasovoje. <br><br> Apart from Lake Terrasovoje the timing of the lithological change is hard to determine, because of missing age constraints. At Lake Terrasovoje, the postglacial sequence started at approximately 12.4 cal. ka BP, suggesting an late Pleistocene age for the underlying glacial sediments. Sedimentological features, changes in sedimentation rates, and the compositional variability of the organic-rich postglacial laminites in Lake Terrasovoje point to variations in the palaeolimnic environment in terms of ice cover, biological productivity, lake level, redox conditions, and salinity that can be related to the regional Holocene climate history. Further evidence arises from the structure, composition, and thickness variations of the laminae, which basically consist of alternations of algal mats (cyanobacteria) and fine-clastic layers. The counting of laminae couplets reveal changes in the depositional enviroment at sub-decadal time scales that partly might include annual layering. Under the consideration of all sedimentological facies indicators, the postglacial laminite sequence of Lake Terrasovoje documents an early Holocene climate optimum between 9 and 7 cal. ka as well as two warm spells between 3.2 and 2.3 cal. ka and 1.5 and 1.0 cal. ka, respectively. <br><br> In comparison with ice-core records and lake records from other East Antarctic ice-free regions, it becomes evident that the appearence of warm episodes does not follow a consistent spatial-temporal pattern. Common trends comprise the existence of an early Holocene climate optimum, as seen in the ice-core records and in the Amery Oasis, and several warm episodes in the middle to late Holocene that are often time-transgressive. The cause of this inconsistent pattern probably can be explained by local boundary conditions that affect the study sites, such as topography, maritime influences and the distance to glacial ice. Therefore, many climate reconstructions basically document local climate rather than overregional Antarctic climate. In conclusion, there is need for ongoing palaeoclimatic studies in East Antarctica and the establishment of a dense network of study sites to distinguish and validate local from overregional palaeoclimatic fingerprints.

The aim of this study was to identify the algal genera found in the different freshwater bodies on Marion Island, to relate the presence or absence of the genera to the chemistry of the water bodies and to group the genera according to their limno-chemical preferences. The Island's freshwater algal genera were also compared with genera found on other Southern Ocean islands. The major factors influencing the chemical composition of the freshwaters of the island are the surrounding ocean and the manuring of seals and seabirds. The Western and Southern lakelets and wallows had higher mean conductivity values than most of the other water bodies. Eastern Inland lakelets, crater lakes and glacial lakes had low ion and nutrient concentrations, since they are mainly situated inland, away from bird or seal colonies. The chemical composition of wallows was influenced by manuring of seals and seabirds. The freshwaters are acidic and lakelets tend to be more acidic than glacial lakes. The lentic waters were more acidic than the stream. In total, 106 genera, mainly belonging to Chlorophyta (60 genera; 56% of total) and Cyanophyta (29 genera; 27% of total), were found in the freshwaters on the island. Other algal divisions found were Chrysophyta (7 genera), Euglenophyta (4 genera), Pyrrophyta (2 genera) and Xanthophyta (4 genera). Mean number of genera per sample ranged from 8 (in wallows) to 16 (in Eastern Inland lakelets). Filamentous algae were present in all the samples. Abundant green algae were Cosmarium, Klebsormidium, Mougeotia and Oedogonium. The most common cyanobacteria were Lyngbya and Chroococcus. The filamentous yellow-green alga, Tribonema, was also common. There were distinct differences in the algal composition between the southern, western and northern lakelets and the lakelets on the eastern side of the island. Sixty percent of the algal genera were present in waters with low conductivity values. Trichodesmium, Sphaerocystis and Tolypothrix occurred in freshwater bodies with higher conductivity values. Variance analysis showed that 87 of the 106 genera were less likely to occur in nitrogen and phosphate containing waters. Chlamydomonas, Prasiola, Spirogyra Trachelomonas, Tribonema, Ulothrix and Xanthidium were among the genera commonly found in nitrogen and phosphate containing waters. Diversity (number of genera per sample) was negatively correlated with conductivity, PO4-P, NH4-N and NO3-N. Diversity declined significantly with increasing salinity and eutrophication. Genera likely to occur in acidic waters include Binuclearia, Chlamydomonas, Chroococcus, Cosmarium, Klebsormidium, Microspora, Oedogonium, Oocystis, Prasiola, Scenedesmus, Staurastrum, Stigeoclonium, Tetrastrum, Ulothrix, Lyngbya, Synura and Tribonema. Marion Island’s algal flora shows a high affinity with that of Îles Kerguelen and Crozet, both located in the same biogeographical province (South Indian Ocean Province) of the sub-Antarctic than Marion Island, and a lesser affinity with islands in other sub-Antarctic provinces. Algal genera were grouped according to their limno-chemistry preferences. / Thesis (MSc (Environmental Sciences))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012.

The aim of this study was to identify the algal genera found in the different freshwater bodies on Marion Island, to relate the presence or absence of the genera to the chemistry of the water bodies and to group the genera according to their limno-chemical preferences. The Island's freshwater algal genera were also compared with genera found on other Southern Ocean islands. The major factors influencing the chemical composition of the freshwaters of the island are the surrounding ocean and the manuring of seals and seabirds. The Western and Southern lakelets and wallows had higher mean conductivity values than most of the other water bodies. Eastern Inland lakelets, crater lakes and glacial lakes had low ion and nutrient concentrations, since they are mainly situated inland, away from bird or seal colonies. The chemical composition of wallows was influenced by manuring of seals and seabirds. The freshwaters are acidic and lakelets tend to be more acidic than glacial lakes. The lentic waters were more acidic than the stream. In total, 106 genera, mainly belonging to Chlorophyta (60 genera; 56% of total) and Cyanophyta (29 genera; 27% of total), were found in the freshwaters on the island. Other algal divisions found were Chrysophyta (7 genera), Euglenophyta (4 genera), Pyrrophyta (2 genera) and Xanthophyta (4 genera). Mean number of genera per sample ranged from 8 (in wallows) to 16 (in Eastern Inland lakelets). Filamentous algae were present in all the samples. Abundant green algae were Cosmarium, Klebsormidium, Mougeotia and Oedogonium. The most common cyanobacteria were Lyngbya and Chroococcus. The filamentous yellow-green alga, Tribonema, was also common. There were distinct differences in the algal composition between the southern, western and northern lakelets and the lakelets on the eastern side of the island. Sixty percent of the algal genera were present in waters with low conductivity values. Trichodesmium, Sphaerocystis and Tolypothrix occurred in freshwater bodies with higher conductivity values. Variance analysis showed that 87 of the 106 genera were less likely to occur in nitrogen and phosphate containing waters. Chlamydomonas, Prasiola, Spirogyra Trachelomonas, Tribonema, Ulothrix and Xanthidium were among the genera commonly found in nitrogen and phosphate containing waters. Diversity (number of genera per sample) was negatively correlated with conductivity, PO4-P, NH4-N and NO3-N. Diversity declined significantly with increasing salinity and eutrophication. Genera likely to occur in acidic waters include Binuclearia, Chlamydomonas, Chroococcus, Cosmarium, Klebsormidium, Microspora, Oedogonium, Oocystis, Prasiola, Scenedesmus, Staurastrum, Stigeoclonium, Tetrastrum, Ulothrix, Lyngbya, Synura and Tribonema. Marion Island’s algal flora shows a high affinity with that of Îles Kerguelen and Crozet, both located in the same biogeographical province (South Indian Ocean Province) of the sub-Antarctic than Marion Island, and a lesser affinity with islands in other sub-Antarctic provinces. Algal genera were grouped according to their limno-chemistry preferences. / Thesis (MSc (Environmental Sciences))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'Arctique se réchauffe rapidement, et les lacs de ces régions sont typiquement décrits comme étant très sensibles aux variations environnementales. Cependant, les données physicochimiques sous forme de profils ou de séries temporelles sont rares, en particulier dans les régions les plus nordiques, et peu d'attention a été accordée à la période sous glace. Cette thèse se compose de trois chapitres visant à mieux comprendre la dynamique des lacs de l'Arctique face aux changements climatiques, en se penchant sur la dynamique de l'oxygène et les processus biogéochimiques impliqués. Le premier chapitre se penche sur quatre lacs côtiers de l'île d'Ellesmere. Des profils physicochimiques ont été mesurés dans ces lacs avant la fonte printanière sur trois années consécutives. Malgré leur proximité géographique, ces lacs présentaient des différences majeures en termes de propriétés limnologiques. Les lacs moins profonds, et situés plus proches de l'océan étaient pauvres en oxygène, tandis que les lacs plus profonds et plus éloignés étaient mieux oxygénés. En association avec la déplétion en oxygène dans les lacs peu profonds, des gradients verticaux prononcés en ions, métaux et éléments nutritifs ont été observés, indiquant des processus microbiens anaérobies importants. Ces résultats suggéraient que les caractéristiques biogéochimiques étaient davantage influencées par la morphologie du lac que par leur position le long du gradient océan-intérieur. Le deuxième chapitre est une revue systématique des connaissances sur la dynamique de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques. Des données de 167 sites sur 76 ans, incluant 40 sites avec des séries temporelles ont été recueillies pour réaliser une méta-analyse. Les résultats ont montré que les lacs peu profonds situés au sud du gradient latitudinal étaient plus susceptibles d'avoir des concentrations d'oxygène faibles, et que les lacs méromictiques étaient situés vers le nord du gradient. Un modèle conceptuel a été développé pour expliquer les mécanismes derrière les variations de la dynamique d'oxygène en réponse aux pressions climatiques. Cette étude met en évidence la nécessité d'une surveillance continue de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques, et suggère des efforts de modélisation pour mieux comprendre les répercussions des changements climatiques. Le troisième chapitre se penche sur la dynamique de l'oxygène et de la température dans un lac du Haut-Arctique sur trois cycles annuels complets. Les variations interannuelles ont révélé que ce lac est sensible aux changements de nature climatiques. Les étés plus chauds ont entraîné des concentrations d'oxygène élevées dans les eaux libres de glace et une stratification thermique, tandis que l'été le plus froid a provoqué une anoxie persistante dans les eaux de fond. Ces résultats indiquent que de légères variations climatiques peuvent entraîner des trajectoires différentes pour les lacs de l'Extrême-Arctique, avec des conséquences majeures pour les processus biogéochimiques. Cela souligne également l'importance de ces écosystèmes en tant qu'indicateurs des changements environnementaux globaux. Dans son ensemble, cette thèse montre que les lacs du Haut-Arctique sont sensibles aux changements climatiques et souligne l'importance de surveiller de près ces écosystèmes en transition. Ce projet fournit également des recommandations pour de futures études et met en évidence la nécessité de mieux comprendre les processus limnologiques dans l'Arctique pour prédire les répercussions des changements climatiques. / The Arctic is warming rapidly, and lakes in these regions are typically very sensitive to environmental variations. However, physicochemical data in the form of profiles or time series are rare, particularly in the northernmost regions, and little attention has been paid to the ice-covered period. This thesis consists of three chapters aiming for a better understanding of the dynamics of Arctic lakes in the face of climate change, with a focus on oxygen dynamics and the biogeochemical processes involved. In the first chapter, we studied four coastal lakes on Ellesmere Island. Physicochemical profiles were measured in these lakes before spring melt over three consecutive years. Despite their proximity to each other, these lakes presented major differences in terms of limnological properties. Shallower lakes located closer to the ocean were oxygen depleted, while deeper and more inland lakes were well oxygenated. In association with oxygen depletion in shallow lakes, pronounced vertical gradients in ions, metals and nutrients were observed, indicating significant anaerobic microbial processes. These results suggested that biogeochemical characteristics were more influenced by lake morphology than by their position along the ocean-inland gradient. The second chapter is a systematic review of knowledge about oxygen dynamics in Arctic lakes. Data from 167 sites over 76 years, including 40 sites with time series, were collected to perform a meta-analysis. The results showed that shallow lakes located south of the latitudinal gradient were more likely to have low oxygen concentrations, and that meromictic lakes were located toward the north of the gradient. A conceptual model was developed to explain the mechanisms behind variations in oxygen dynamics in response to climatic pressures. This study highlights the need for continued monitoring of dissolved oxygen in Arctic lakes, and suggests modelling efforts to better understand the impacts of climate change. The third chapter looks at the dynamics of oxygen and temperature in a High Arctic lake over three complete annual cycles. Interannual variations revealed that this lake is sensitive to climatic variables. Warmer summers led to elevated oxygen concentrations in ice-free waters and thermal stratification, while the colder summer caused persistent anoxia in bottom waters. These results indicate that small climatic variations can lead to different trajectories for High Arctic lakes, with major consequences for biogeochemical processes. They also highlight the importance of these ecosystems as indicators of global environmental changes. This thesis shows that High Arctic lakes are sensitive to climate change and highlights the importance of closely monitoring these transitioning ecosystems. This project also provides recommendations for future studies and highlights the need to better understand limnological processes in the Arctic to predict the impacts of climate change.