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Abstract Not Provided / Thesis / Bachelor of Science (BSc)

The goal of this study was to investigate the effects of intertidal mudflat biofilms on sediment erosion in the Minas Basin of the Bay of Fundy, Canada. From April through November 2012, sediment cores were collected biweekly and eroded using a Gust micro- cosm. Half of the cores were eroded without undergoing prior treatment, while the other half were treated with bleach prior to erosion to destroy biofilms. Size-specific sediment retention by biofilms was evaluated by comparing the disaggregated inorganic grain size (DIGS) distributions of sediment resuspended from untreated and treated cores, while seasonal variation in natural sediment erodibility was assessed by focusing on the mass eroded from untreated cores only. Results show that biofilms preferentially retained clays and very fine silts (< 10 μm), and that overall sediment erodibility decreased from spring to fall. Results also indicate that abundance of the infaunal amphipod Corophium volutator and rainfall increased sediment erodibility.

The passage of two major hurricanes across southwest Florida (Category 5, Labor Day Hurricane of 1935; Category 4, Hurricane Donna 1960) resulted in fragmentation of mangrove forest at Big Sable Creek, Everglades National Park. Over time forest fragmentation led to forest loss and patchy conversion to unvegetated mudflats. My goal was to determine the consequence of forest fragmentation on nekton (i.e., fish and decapod crustaceans) inhabiting the intertidal zone. I used block nets across intertidal rivulets to compare nekton leaving replicate forest and unvegetated mudflat sites from October, 2002 through April 2004. Overall nekton density (individuals per 100 m3) was significantly greater (rmANOVA, p < 0.001) for mangrove (212·100 m-3) than mudflat (26·100 m-3) habitats. Biomass (g per 100 m3) was also significantly greater for mangrove (715 g·100 m-3) than mudflat (20 g·100 m-3) habitats. Composition of the nekton assemblage also differed between habitat types (ANOSIM global R=0.416, p<0.001). Structure-associated species dominated forested sites, whereas schooling species dominated mudflats. When mangrove destruction and mortality results in fragmentation (Craighead and Gilbert, 1962; Smith et al., 1994; Wanless et al., 1994), nekton density and biomass will likely decline as a consequence.

Sedimentation and drawdown-induced habitat degradation limits reproduction of structure-associated fishes in flood control reservoirs. Littoral habitat enhancement can be accomplished by planting fast growing crops during winter, when lakebeds are exposed, to provide fish habitat during spring flooding. It remains unclear if species of crops differ in their submerged persistence or habitat quality to fish. I submerged six species of cool-season annual crops in mesocosms and monitored plant architecture over time. Adult plantings of two grasses persisted long enough to potentially be used by juvenile fishes in reservoirs. To assess the habitat quality provided by crops, I evaluated selection by juvenile Bluegills and adult Largemouth Bass in outdoor mesocosms. Bluegills selected Balansa Clover the most and Largemouth Bass selected annual Ryegrass. Results suggest some clovers may provide nursery habitat but degrade rapidly once submerged and dense annual grasses persist well and provide favorable habitat for prey and predator fish.

La vasière intertidale de Brouage, écosystème très étudié localement de longue date, a fait l’objet depuis 5 ans d’analyses plus approfondies notamment sur le devenir du biofilm microbien se formant à la surface des sédiments à marée basse. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette optique. Il propose, par le couplage d’outils mathématiques et écologiques, d’analyser le réseau trophique de la vasière de Brouage sous différentes conditions abiotiques à partir de la synthèse des données les plus récentes. La modélisation inverse a permis d’estimer les flux manquants du réseau trophique. Les calculs d’indices d’analyse des réseaux écologiques ou ENA (Ecological Network Analysis) ont caractérisé la structure et le fonctionnement du réseau trophique.Un premier travail méthodologique, basé sur la dégradation-reconstruction d’un jeu de données très complet, a défini la meilleure fonction, la moyenne, pour le choix d’une seule solution pour chaque flux à la sortie de la modélisation inverse. La moyenne est la meilleure fonction puisque son utilisation aboutit à une bonne estimation des flux manquants quel que soit le niveau d’information intégré au modèle. Cette fonction permet aussi une bonne préservation de la structure et du fonctionnement du réseau trophique ainsi reconstruit. Le réseau trophique de la vasière de Brouage à basse mer a été étudié sous un aspect saisonnier par l’opposition de l’été et de l’hiver, l’hiver étant caractérisé par la présence d’oiseaux migrateurs sur la vasière. L’activité limicole des oiseaux est soutenue en hiver par une forte production du microphytobenthos et un fort recyclage de la matière. L’organisation interne et la spécialisation des flux restent cependant semblables pour les deux saisons considérées. Dans un deuxième temps, le réseau trophique à pleine mer en été a été modélisé sous différentes conditions hydrodynamiques permettant ou pas la remise en suspension du biofilm microbien. La comparaison entre ces deux situations met en évidence l’effet de la remise en suspension sur le couplage benthos-pelagos. Le système soumis à la remise en suspension présente un très faible indice de recyclage lié à la faible intégration au réseau trophique pélagique du carbone particulaire benthique remis en suspension. De plus, la remise en suspension provoque une augmentation de l’activité du système couplée à une faible spécialisation des flux, ce qui est supposé déstabiliser le système. / The Brouage mudflat is an intertidal ecosystem which has been studied locally for a long time. During the last 5 years, in depth studies have especially focused on the fate of the microbial biofilm which develops at the surface of the sediments at low tide. The present Ph.D. work was accomplished in this framework. It proposes, through the synthesis of the most recent data, to combine mathematical and ecological tools to analyze the Brouage food web under different abiotic conditions. The inverse modeling allowed estimating the unknown flows of the food web. The calculation of the ENA (Ecological Network Analysis) indices characterized the structure and the functioning of the food web. A methodological work, based on the degradation/reconstruction of a complete data set, determined the best function, the mean, to choose a single solution for each flow among the set of values estimated by the inverse modeling. The mean is the best function because it leads to a good estimation of the unknown flows irrespective of the quantity of information integrated in the model. Moreover, this function allows a good conservation of the structure and functioning of the reconstructed food web.The Brouage food web at low tide was investigated with a seasonal approach by the opposition of the summer and the winter food webs, the latest being characterized by the presence of migratory shorebirds. The shorebird activity is sustained by a strong primary production and a strong recycling. Nevertheless, the internal organization and the specialization remain similar for the two seasons. In a second step, the food web at high tide was modeled under different hydrodynamical conditions sufficient or not to induce the resuspension of the microbial biofilm. The comparison between the two food webs highlights the effect of the resuspension on the benthos-pelagos coupling. The recycling activity is low due to the low integration of the resuspended benthic particulate carbon in the pelagic food web during resuspension. Additionally, the resuspension leads to an increase of the activity of the whole system coupled with a drop of the specialization of the trophic pathways that is supposed to destabilize the system.

Le microphytobenthos (MPB) des latitudes tempérées est dominé par les diatomées. Deux grands groupes se distinguent, les épipéliques (mobiles) des sédiments vaseux, et les épipsammiques (fixées) des sédiments sablo-vaseux. Afin de mieux comprendre la production des vasières, le MPB a été étudié par des approches du niveau physiologique au niveau écologique. Dans un premier temps, l’étude s’est focalisée sur des expérimentations en laboratoire. La réponse des différents groupes à la lumière a montré que la forme de vie et la mobilité sont en lien étroit avec la capacité de photoprotection physiologique. Ainsi, les diatomées non-mobiles présentent une meilleure photoprotection physiologique que les diatomées mobiles qui peuvent fuir les excès de lumière. Dans une deuxième partie, le travail s’est effectué sur des échantillons ramenés en laboratoire. Des profils de migrations ont été réalisés par mesure continue de la fluorescence. Il a été établi que le MPB présente un rythme de migration interne pouvant être modulé par la lumière. De plus la qualité de la lumière modifie les profils de migration. Il est communément admis que les phases de division cellulaire se dérouleraient en profondeur. La cytométrie en flux permet de vérifier cette hypothèse. Finalement les mesures effectuées en laboratoire ont été comparées à des mesures effectuées directement sur le terrain à l’échelle de la communauté. Il a ainsi pu être vérifié que la photoprotection sous lumière fluctuante est fonction de la population. Pour les populations épipéliques, la photoprotection physiologique ne varie pas au cours des fluctuations lumineuses, laissant supposer que la migration module ces fluctuations. Les populations épipsammiques, quant à elles, modifient leur réponse physiologique en fonction des fluctuations lumineuses. / Microphytobentos (MPB) from temperate latitude is mainly composed of diatoms. Those microorganisms can be separated in two groups: the epipelic one from muddy sediments (composed of mobile diatoms) and the epipsammic one from sandy-muddy sediments (composed of diatoms living attached to their substrate). In order to investigate mudflats’ primary production, the MPB compartment was studied through diverse approaches from the physiological level to the ecological one. In the first place, laboratory experiments (in vitro experiments), focusing on light reaction of epipelic and epipsammic diatoms, showed that their life form and their mobility were strongly connected to their physiological photoprotection ability. Thereby, the motionless diatoms were characterized by higher physiological photoprotection abilities than the mobile ones, which could avoid excess of light. In the second place, the fluorescence of collected samples (in vivo experiments) was measured to acquire diatoms’ migration profiles. The results pointed out an internal and light-regulated migration pattern of the MPB and furthermore highlighted the effect of light quality on migration profiles. Besides, the commonly accepted hypothesis of deep cell division phases was tested and confirmed through flow cytometry experiments. Eventually, laboratory measurements were compared to in situ ones realized at the scale of the whole community. These comparisons revealed that diatoms photoprotection in fluctuating light depended on the targeted populations. Epipelic organisms were indeed characterized by an unvarying photoprotection, diatoms migration regulating alone the effect of light fluctuations. On the contrary, motionless epipsammic populations required a light-regulated photoprotection.

En contexte équatorial, les sédiments intertidaux sont colonisés par un continuum écologique allant de vasières en cours de stabilisation à des sols colonisés par divers faciès de mangroves. Les fonctions microbiennes édaphiques de ces écosystèmes sont méconnues. Ces recherches ont donc eu pour objectif de définir les facteurs de contrôle et de variabilité spatio-temporelle des fonctions microbiennes des milieux estuariens et littoraux de Guyane française. Elles ont été conduites sur divers stades de colonisation biologique de ces habitats et à diverses échelles spatio-temporelles en tenant compte du rôle de l'instabilité hydro-sédimentaire et des variabilités induites par les saisons hydro-climatiques. Différents facteurs pouvant influencer les fonctions microbiennes ont été considérés : i) la qualité chimique (RMN solide du 13C) de la MOS en fonction de la composition des formations végétales et de leurs stades de développement ; ii) les caractéristiques physico-chimiques des sédiments et des eaux interstitielles en fonction de la localisation des divers faciès de mangroves. Les résultats ont mis en évidence l'importance des instabilités hydro-sédimentaires dans la mise en place et la structuration des fonctions microbiennes sédimentaires de Guyane. En outre, pour les différents modèles étudiés, les facteurs de structuration sont apparus variables. Néanmoins, la MO, en termes de quantité et de qualité, s'est révélée être un facteur prépondérant pour l'expression de ces fonctions des stades allant de la vasière nue à la jeune mangrove. En revanche, il est apparu plus difficile de discerner des facteurs structurants génériques pour les divers faciès de mangroves matures. / Under equatorial conditions, coastal sediments of intertidal mudflats form an ecological continuum, from bare mud being stabilized to soil settled by various mangrove facies. Edaphic microbial functions of terrestrial ecosystems are extensively documented; on the contrary, this is not the case with regards to sedimentary environment. This study had the main objective defining the drivers of the spatiotemporal variability of microbial functions (aerobic respiration, metabolic diversity, and enzyme activities) in coastal sediments of French Guiana. These researches were carried out according to biological colonization states (mudflats, pioneer and mature mangroves) and using various spatiotemporal scales considering the fundamental role of the hydro-sedimentary instability and potential variability due to hydro-climatic seasons. Different factors which can influence microbial functions were studied: i) the chemical quality (13C solid-state NMR) of OM with respect to vegetation presence and composition, and its development state; ii) the physicochemical characteristics of sediments and porewaters according to localization and topography of the different mangrove facies. Generally, results showed the importance of hydro-sedimentary instability for the establishment and structuring of microbial functions. Moreover, giving the different models, structuring factors were variables. However, OM, in terms of quantity and quality, was overriding for the expression of these functions and this was true for the evolution states from mudflat to young mangrove. By contrast, it appeared much more difficult discerning generalizable drivers for mature mangroves.

L’estuaire de Seine est un géosystème macrotidal présentant un hydrodynamisme fort lié à la combinaison des courants fluviatiles et tidaux. Ces phénomènes entrainent l’érosion et le dépôt des sédiments au niveau des vasières intertidales. Au sein des vasières, l’interface eau-sédiment est une zone importante car c’est à cet endroit que se réalise les échanges en nutriment (C, N, P) entre le sédiment et la colonne d’eau. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’impact des forçages hydrodynamiques, physiques et thermiques sur les flux de nutriment à cette interface en utilisant une double approche expérimentale de terrain et de modélisation. Dans ce but, une vasière d’embouchure et une vasière amont de l’estuaire sont échantillonnées au cours des mois de mars-avril 2017. Des échantillonneurs passifs ainsi que des instruments de mesure en continu sont implantés dans le sédiment. Les données obtenues sont ensuite intégrées en entrée dans des modèles de diffusion et d’advection afin d’estimer la contribution relative de la diffusion et des mouvements d’eau dans les flux de nutriment. Les résultats expérimentaux obtenus montrent les différences de fonctionnement hydrodynamiques des deux vasières du fait de leur localisation différente dans l’estuaire. Ils mettent aussi en avant l’hétérogénéité des sédiments des deux vasières d’un point de vue hydrodynamique, physique et biogéochimique. Enfin ils permettent de comprendre la dynamique de la température du sédiment en lien avec le cycle diurne et la marée. La partie modélisation de cette étude est divisée en deux parties distinctes : l’étude de la diffusion et de l’advection à l’interface eau-sédiment. La diffusion est étudiée de façon horizontale et verticale. Le facteur prépondérant de la dynamique de diffusion est la température, celle-ci est modulée par plusieurs paramètres. Les flux potentiels de diffusion sont aussi calculés pour les deux vasières. L’étude de l’advection au sein du sédiment est réalisée à l’aide de deux modèles : le modèle VFLUX et le modèle 1DTempPro. Les vitesses d’écoulement de l’eau interstitielle sont fonction du phasage-déphasage du cycle diurne avec celui de la marée. Ces résultats mettent en avant le rôle prédominant de l’advection par rapport à la diffusion dans la dynamique des flux de nutriment et permettent de proposer un modèle conceptuel des échanges thermiques et de l’advection-diffusion au sein des vasières intertidales / The Seine estuary is a macrotidal geosystem with a strong hydrodynamism linked to the combination of fluvial and tidal currents. These phenomena cause erosion and sediment deposition on the intertidal mudflats. Within the mudflats, the water-sediment interface is an important area because it is there that nutrient exchanges (C, N, P) take place between the sediment and the water column. The objective of this thesis is to evaluate the impact of hydrodynamic, physical and thermal forcing on nutrient fluxes at this interface using a dual experimental field and modelling approach. For this purpose, a mudflat situated at the mouth of the river and an upstream mudflat of the estuary are sampled during the months of March-April 2017. Passive samplers and continuous measuring instruments are implanted in the sediment. The resulting data are then integrated into diffusion and advection models to estimate the relative contribution of water diffusion and movement in nutrient fluxes.The experimental results show differences in the hydrodynamic functioning of the two mudflats due to their different location in the estuary. They also highlight the heterogeneity of the sediments of the two mudflats from the hydrodynamic, physical and biogeochemical points of view. Finally, they allow us to understand the dynamics of sediment temperature in relation to the diurnal cycle and the tide. The modelling part of this study is divided into two distinct parts: the study of diffusion and advection at the water-sediment interface. The diffusion is studied in a horizontal and vertical direction. The main factor of diffusion dynamics is temperature, which is modulated by several parameters. The potential diffusion fluxes are also calculated for the two mudflats. The study of advection within the sediment is performed using two models: the VFLUX model and the 1DTempPro model. Interstitial water flow velocities are a function of the phase-diphase shift of the diurnal cycle with that of the tide. These results highlight the predominant role of advection compared to diffusion in the dynamics of nutrient flows and allow to propose a conceptual model of heat exchange and advection-diffusion within intertidal mudflats.