Les coccolithophoridés sont des microalgues unicellulaires calcifiantes qui jouent un rôle important dans le cycle du carbone océanique via leurs processus cellulaires de photosynthèse (puits de CO2) et de calcification (source de CO2). L'espèce la plus abondante dans l'océan moderne est l'espèce cosmopolite Emiliania huxleyi, qui est caractérisée par une forte tolérance à de larges gammes de température, d'irradiance et de concentrations en nutriments. La distribution d'E. huxleyi qui s'étend des régions subarctiques aux régions subéquatoriales et des eaux eutrophes aux eaux oligotrophes en fait l'espèce de coccolithophoridés la plus étudiée jusqu'à présent. Cependant, sa réponse physiologique à des conditions environnementales clés comme la co-limitation en lumière et en nutriments reste peu étudiée, que ce soit in situ, où ces conditions sont rencontrées dans les niches profondes de coccolithophoridés des gyres oligotrophes, ou en laboratoire. J'ai ainsi réalisé des expériences de culture et une approche de modélisation numérique afin d'étudier la réponse physiologique d'E. huxleyi en conditions de limitation en nutriments et en lumière, avec pour objectif d'améliorer notre compréhension du contrôle environnemental des niches profondes de coccolithophoridés. / Coccolithophores are unicellular calcifying marine algae that play an important role in the oceanic carbon cycle via their cellular processes of photosynthesis (a CO2 sink) and calcification (a CO2 source). The most abundant coccolithophore species in the modern ocean is the cosmopolitan species Emiliania huxleyi that is characterized by a strong tolerance to a wide range of light, nutrient and temperature conditions. The distribution of Emiliania huxleyi from subarctic to subequatorial regions and from eutrophic to oligotrophic waters makes it the most widely studied coccolithophore species. However, its physiologic response under key environmental conditions such as the co-limitation of light and nutrients remains poorly investigated, both in the laboratory and in the field, such as in deep niches of coccolithophores in oceanic gyres. I conducted laboratory culture and numerical modeling experiments to understand the controls on the physiology of Emiliania huxleyi in low-nutrient and low-light conditions, with the aim of better understanding environmental controls on deep ecological niches of coccolithophores.

Les sujets abordés dans cette thèse s'articulent autour de la modélisation numérique du couplage entre l'hydrodynamique et la biologie pour la culture industrielle de microalgues dans des raceways. Ceci est fait au moyen d'un modèle multicouches qui disrétise verticalement les équations de Navier-Stokes hydrostatiques couplé avec un modèle de Droop photosensible pour représenter la croissance des algues, notamment la production de carbone. D'un point de vue numérique, une méthode volumes finis avec schémas cinétiques est appliquée. Elle permet d'obtenir un schéma équilibre qui préserve la positivité de la hauteur d'eau et des quantités biologiques et qui satisfait une inégalité d'énergie. Des simulations sont effectuées en 2D et en 3D, au moyen d'un code C++ développé à cet effet. Du point de vue de l'intérêt pratique de ce travail, ces simulations ont permis de mettre en évidence l'utilité de la roue à aube présente dans les raceways, mais aussi d'exhiber les trajectoires lagrangiennes réalisées par les microalgues, qui permettent de connaitre l'historique lumineux des algues, information d'une grande importance pour les biologistes car elle leur permet d'adapter leurs modèles de croissance phytoplanctoniques à ce contexte très particulier et non naturel. Afin de valider les modèles et les stratégies numériques employées, deux pistes on été explorées. La première consiste à proposer des solutions analytiques pour les équations d'Euler à surface libre, ainsi qu'un modèle biologique spécifique permettant un couplage analytique. La deuxième consiste à faire de l'assimilation de données. Afin de tirer partie de la description cinétique des lois de conservation hyperboliques, une méthode innovante basée sur la construction d'un observateur de Luenberger au niveau cinétique est développée. Elle permet d'obtenir un cadre théorique intéressant pour les lois de conservation scalaires, pour lesquelles on étudie les cas d'observations complètes, partielles en temps, en espace, et bruitées. Pour les systèmes, on se concentre particulièrement sur le système de Saint-Venant, système hyperbolique non linéaire et un observateur basé sur l'observation des hauteurs d'eau uniquement est construit. Des simulations numériques dans les cas scalaires et systèmes, en 1D et 2D sont effectuées et valident l'efficacité de la méthode.