La compréhension des mécanismes de bioaccumulation des contaminants organiques persistants (POP) dans les réseaux trophiques marins est un enjeu majeur pour l'évaluation des risques environnementaux liés aux pressions anthropiques, notamment en zone côtière. Le plancton joue un rôle pivot dans le devenir des PCB dans l'environnement marin, notamment sur la base des observations de fortes concentrations de ces contaminants chez les zooplanctonophages. Les processus d'accumulation de ces contaminants au sein du plancton restent mal connus. Dans le cadre du projet COSTAS, les teneurs en PCB dans trois classes de tailles de plancton ont été étudiées en baie de Marseille entre sept. 2010 et oct. 2011. Les concentrations étaient fortes en comparaison à d'autres mesures réalisées dans le golfe du Lion. Du fait des apports variables en PCB, aucun «effet de dilution par la biomasse» n'a pu être détecté. Le niveau de contamination est fortement corrélé aux conditions météorologiques qui augmentent les concentrations en PCB dans l'eau. Le passé récent des organismes planctoniques, caractérisable par leur taille ou leur teneur en lipides, ne montre pas d'influence sur les teneurs observées. Le rapport C/N met en évidence l'importance de la contribution des détritus dans les niveaux de contaminations des différentes classes de taille. Une bioamplification modérée mais significative avec la position trophique est mise en évidence par les signatures de δ15N. La relation linéaire entre les BAF et log Kow indiquerait que le partage à l'équilibre avec la phase aqueuse suffit à contrôler les niveaux de PCB dans le plancton. / The understanding of bioaccumulation mechanisms of persistent organic pollutants (POP) in marine trophic networks is a major issue for scaling environmental risks linked to anthropogenic pressure, particularly in coastal areas. The plankton is assumed to play a pivotal role in the fate of PCBs in marine environment, as highlighted by the high concentrations found in planktivorous predators. However the accumulation processes of these contaminants in plankton are still poorly documented. The COSTAS project aimed at improving our knowledge on this issue. PCB levels in three plankton size-classes were studied in the bay of Marseilles (N-W Mediterranean Sea), between September 2010 and Octobre 2011. Measured PCB concentrations in Marseille bay plankton were high in comparison to those measured in other areas of the Gulf of Lion. No "dilution effect" was detected, due to the high variability in PCB inputs in the bay.receive, . The level of contamination in plankton appeared directly linked to weather conditions which increase the PCB concentration either through continental inputs or by sediment re-suspension events and hydrodynamic transport. The recent history of plankton organisms, derived from their size or their lipid content, had no influence on their PCB concentrations. The C/N ratio highlights the contribution of detritus in driving the contamination levels measured in the various size-classes. A moderate but significant bioamplification through planktonic trophic levels was highlighted using δ 15N signatures. The linear relationship between BAF and log Kow would indicate that the equilibrium with water phase is sufficient to control the PCB levels in the plankton.

Quarante pour cent des réservoirs du monde souffrent d'eutrophisation. Ce problème mondial augmente la biomasse de phytoplancton dans les réservoirs et perturbé leurs utilisations. Comprendre les mécanismes et les processus qui contrôlent la prolifération de cyanobactéries sont de grande préoccupation. Les modèles d'écosystèmes nous permettent de simuler, d'analyser et de comprendre les processus écologiques dans les lacs et les réservoirs. La communauté de phytoplancton et de l'application du modèle écologique sont mal documentées dans le Moyen-Orient. Karaoun réservoir, le plus grand plan d'eau au Liban, a été construit pour l'irrigation et la production hydroélectrique. Il ya un grand intérêt dans la qualité de ce réservoir d'eau car il sera utilisé pour alimenter la capitale Beyrouth avec de l'eau potable. Les objectifs de la thèse sont de concevoir et mettre en œuvre des campagnes de terrain pour suivre et comprendre la dynamique du phytoplancton et des cyanobactéries dans le lac de barrage de Karaoun, de modéliser le fonctionnement physique et biogéochimique de cette retenue. Des campagnes d'échantillonnage ont été effectuées deux fois par mois entre mai 2012 et Août 2013 pour évaluer l'état trophique et la diversité biologique et la dynamique de la communauté de phytoplancton en réponse aux changements des conditions environnementales. Ces mesures de campagne ont été ensuite utilisées pour calibrer et valider un modèle hydrodynamique-écologique unidimensionnel sur Karaoun réservoir. Nos résultats ont montré que : la retenue de Karaoun, fortement stratifiée thermiquement entre mai et août, est eutrophe, et présente une faible biodiversité. Seulement 30 espèces de phytoplancton ont été recensées en 2012-2013. La stratification thermique qui apparaît au printemps réduit la croissance des diatomées et entraîne leur remplacement par des chlorophycées. Les cyanobactéries dominent en été : Aphanizomenon ovalisporum lorsque la température de surface de l'eau est inférieure à 25 °C, Microcystis aeruginosa lorsqu'elle est supérieure à 25°C. Le dinoflagellé Ceratium hirundinella constitue l'espèce dominante en fin d'automne lorsque la colonne d'eau est mélangée, l'intensité lumineuse est faible et la température de l'eau d'environ 19 °C. Contrairement aux températures de surface élevées, supérieures à 26 °C, auxquelles prolifère A. ovalisporum dans les autres lacs, une prolifération d'A. ovalisporum survient en octobre 2012 dans la retenue de Karaoun, à une température de l'eau de 22 °C et alors que la stratification thermique est faible. La cylindrospermopsine (CYN), une cyanotoxines, a été détectée dans la retenue de Karaoun, même en l'absence d'A. ovalisporum, seule espèce qui la produit identifiée dans la retenue. La CYN atteint une concentration de 1,7 µg/L, supérieure à la valeur guide pour l'eau potable de 1 µg/L (Organisation Mondiale de la Santé). Une configuration simple de Dyresm-Caedym a permis de simuler avec succès la croissance et la succession des cyanobactéries A. ovalisporum et M. aeruginosa. Le modèle réalise de bonnes performances pour la simulation du niveau de l'eau du réservoir (RMSE <1 m pour une variation annuelle de 25 m), des profils de température de la colonne d'eau (RMSE <1 °C pour des variations annuelles comprises entre 13 et 28 °C) et de la biomasse des cyanobactéries (RMSE <48 µg/L équivalent chlorophylle-a, concentration entre 0 et 206 µg/L). A l'échelle locale, cette thèse est importante pour les autorités de gestion des eaux libanaises qui visent à utiliser ce réservoir pour production d'eau potable. Il a également permis de mieux comprendre les processus et les mécanismes qui contrôlent la prolifération de cyanobactéries. L'application de configurations de modèles simples avec procédés principaux pourrait être transposée sur d'autres réservoirs eutrophies / AbstractMany reservoirs throughout the world suffer from eutrophication. This worldwide problem increases phytoplankton biomass in reservoirs and impairs their uses. Understanding the mechanisms and processes that control cyanobacterial blooms are of great concern. Ecosystem models enable us to simulate, analyze and understand ecological processes in lakes and reservoirs. Except for Lake Kinneret, the phytoplankton community and ecological model application are poorly documented in the Middle East. Karaoun Reservoir, the largest water body in Lebanon, was built for irrigation and hydropower production. There is a great interest in the water quality of this reservoir as it will be used to supply the capital Beirut with drinking water. The objectives of this thesis are to: 1) design and implement a physico-chemical and reinforced biological monitoring in Karaoun reservoir, 2) understand the physico-chemical determinants of cyanobacterial blooms in Karaoun reservoir, and 3) calibrate a deterministic model that can be used to predict cyanobacteria biomass. Sampling campaigns were conducted semi-monthly between May 2012 and August 2013 to assess the trophic state and the biodiversity and dynamics of its phytoplankton community in response to changes in environmental conditions. These campaign measurements were then used to calibrate (summer and autumn 2012) and validate (spring and summer 2013) a one dimensional hydrodynamic-ecological model on Karaoun Reservoir. Our results show that : Karaoun Reservoir strongly stratifies between May and August was found eutrophic with low biodiversity, only 30 phytoplankton species in 2012-2013 study period. Thermal stratification established in spring reduced the growth of diatoms and resulted in their replacement by mobile green algae species during high nutrients availability and water temperatures lower than 22 °C. Water temperature higher than 25 °C favours cyanobacterium Microcystis aeruginosa that displaces Aphanizomenon ovalisporum in summer. Dinoflagellate Ceratium hirundinella dominated in mixed conditions, at low light intensity in late autumn at 19 °C. Unlike the high temperatures, above 26 °C, which is associated with blooms of Aphanizomenon ovalisporum in Lakes Kinneret (Israel), Lisimachia and Trichonis (Greece) and Arcos Reservoir (Spain), Aphanizomenon ovalisporum in Karaoun Reservoir bloomed in October 2012 when water temperature was 22°C and the reservoir was weakly stratified. The field growth conditions of Aphanizomenon ovalisporum in this study revealed that it can bloom at subsurface water temperature 22 °C increasing the risk of its development and expansion in European lakes. Cylindrospermopsin, a fatal toxin, was detected in almost all samples even when Aphanizomenon ovalisporum was not detected. It reached a concentration of 1.7 µg/L, higher than the drinking water guideline value of 1 µg/L of the World Health Organization. The toxin vertical profiles suggest its possible degradation or sedimentation resulting in its disappearance from water column. A simple configuration of the one-dimensional hydrodynamic-ecological model Dyresm-Caedym successfully simulated the growth and succession of the cyanobacteria Aphanizomenon ovalisporum and Microcystis aeruginosa. The model showed a good performance in simulating the water level (RMSE < 1 m, annual variation of 25 m), water temperature profiles (RMSE < 1.1 °C, range 13-28 °C) and cyanobacteria biomass (RMSE < 57 µg L-1 equivalent chlorophyll a, range 0-206 µg L-1).On the local scale, this thesis provides important background data for the Lebanese water management authorities who aim to use this reservoir for drinking water production. It also increases the understanding of processes and mechanisms that control cyanobacterial blooms. The application of simple model configurations with few major processes can be transposed on other eutrophic lakes and reservoirs

Lors d 'une évaluation expérimentale de l 'impact potentiel de l 'acidification océanique sur l 'efflorescence phytoplanctonique saisonnière et la dynamique associée du diméthylsulfure (DMS) en Arctique, nous avons incubé de l 'eau prélevée en Baie de Baffin sous des conditions représentatives d 'un océan arctique acidifié. Employant deux régimes lumineux simulant respectivement des conditions de lumière sous la glace/dans un maximum chlorophyllien en profondeur (basse lumière; faible PAR + UVA, pas d UVB) et en eaux libres à la surface (haute lumière; PAR + UVA + UVB hauts), l 'eau d' échantillonnage collectée à 38m de profondeur a été exposée pendant 9 jours à 6 niveaux décroissants de pH s' échelonnant de 8,1 à 7,2. Une efflorescence phytoplanctonique dominée par les diatomées du genre Chaetoceros spp., atteingnant 7.5 µg de chlorophylle a L-1, s 'est développée dans chaque sac d 'expérience. Les concentrations de diméthylsulfoniopropionate total (DMSPT) et de DMS ont respectivement atteint 155 nmol L-1 et 19 nmol L-1. Dans les deux traitements lumineux, les concentrations de chlorophylle a et de DMS ont diminué linéairement avec l 'augmentation de la concentration en proton pour tous les pH testés. Les concentrations de DMSPT ont également diminué, mais seulement sous l 'influence du traitement « haute lumière » et sur un intervalle de pH restreint (de 8,1 à 7,6). En contraste avec le nanophytoplancton (2-20 µm), le picophytoplancton (≤ 2µm) a été stimulé par la baisse de pH. De plus, nous n avons observé aucune différence significative entre les deux régimes lumineux testés en terme de chlorophylle a, abondance phytoplanctonique, taxonomie et concentrations nettes de DMS et DMSP. Ces résultats montrent que l' acidification océanique pourrait significativement faire diminuer la biomasse algale et inhiber la production de DMS pendant l 'efflorescence phytoplanctonique saisonnière en Arctique, avec de possibles conséquences sur le climat régional. / In an experimental assessment of the potential impact of Ocean acidification on seasonal phytoplankton blooms and associated dimethylsulfide (DMS) dynamics in the Arctic, we incubated water from Baffin Bay under conditions representing an acidified Arctic Ocean. Using two light regimes simulating under-ice/subsurface chlorophyll maxima (low light; Low PAR + UVA, and no UVB) and surface ice-free (high light; High PAR + UVA + UVB) conditions, water collected at 38 m was exposed over 9 days to 6 levels of decreasing pH from 8.1 to 7.2. A phytoplankton bloom dominated by the centric diatoms Chaetoceros spp. reaching up to 7.5 µg chlorophyll a L-1 took place in all experimental bags. Total dimethylsulfoniopropionate (DMSPT) and DMS concentrations reached 155 nmol L-1 and 19 nmol L-1, respectively. Under both light regimes, chlorophyll a and DMS concentrations decreased linearly with increasing proton concentration at all pH tested. Concentrations of DMSPT also decreased but only under high light and over a smaller pH range (from 8.1 to 7.6). In contrast to nanophytoplankton (2-20 µm), picophytoplankton (≤ 2 µm) was stimulated by the decreasing pH. We furthermore observed no significant difference between the two light regimes tested in term of chlorophyll a, phytoplankton abundance/taxonomy, and DMSP/ DMS net concentrations. These results show that OA could significantly decrease the algal biomass and inhibit DMS production during the seasonal phytoplankton bloom in the Arctic, with possible consequences for the regional climate.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.

L’océan Arctique subit actuellement des modifications majeures et abruptes dans ces compartiments atmosphériques et océaniques reliées au changement climatique. Les premières conséquences écologiques à la perte de la glace de mer sont indéniables, telles qu’une augmentation globale de la production primaire (PP) annuelle à travers l’Arctique. Cependant, dans certaines régions, des études suggèrent plutôt une perte de productivité en réponse à une intensification locale de la stratification verticale. La réponse des communautés arctiques phytoplanctoniques au changement climatique reste toujours une question d’actualité complexe et incertaine, ayant de potentiels impacts sur l’ensemble des niveaux trophiques des écosystèmes marins. L’objectif premier de cette thèse se concentre sur cette problématique, avec une emphase particulière sur la biogéographie, la phénologie (c.-à-d., l’étude des cycles biologiques récurrents annuels) et la productivité des communautés phytoplanctoniques arctiques. Plus spécifiquement, cette étude s’appuie sur deux approches de recherche complémentaires : (1) la compilation et l’analyse de bases de données historiques traitant de la répartition verticale et spatiale, de la productivité et de l’écologie du phytoplancton arctique, et de (2) l’utilisation de la télédétection pour décrire la biogéographie, la phénologie et les changements en cours au niveau des communautés phytoplanctoniques arctiques. Basée sur une compilation inédite de profils verticaux de chlorophylle a (chl a; c.-à-d., 5206 stations), nous avons documenté la variabilité spatio-temporelle de la répartition verticale du phytoplancton et des différents régimes de productivité (de régions oligotrophes à eutrophes) pour l’ensemble de l’océan Arctique. Un modèle empirique a également pu être développé prédisant la répartition verticale de la chl a basée sur les valeurs de chl a de surface en fonction des saisons et des provinces biogéographiques de l’océan Arctique. Ce modèle nous a permis d’améliorer les estimations satellitales de la PP, mais aussi de mieux comprendre l’écologie et la phénologie des communautés phytoplanctoniques. Un intérêt particulier s’est porté sur les mécanismes de formation et de maintien des maxima de chlorophylle de subsurface (MCS) et de leur contribution à la PP annuelle. Par leur position verticale dictée par les profondeurs combinées de la nitracline et des masses d’eaux atlantiques (dans l’Arctique de l’Est) et pacifiques (dans l’Arctique de l’Ouest), ces MCSs contribuent significativement à la PP principalement dans les régions oligotrophes et lors des périodes de post-floraison. Dans un second temps, l’utilisation de la télédétection nous a révélé une conséquence inattendue du recul de la glace de mer en Arctique au niveau de la phénologie du phytoplancton arctique. Les régions qui avaient une seule floraison annuelle il y a seulement une dizaine d’années, développent maintenant une deuxième floraison à l’automne. Cette nouvelle floraison, qui coïncide avec le retard de la prise des glaces et à l’exposition accrue de la surface de l’océan aux vents automnaux, implique que l’océan Arctique pourrait passer d’un mode polaire à un mode boréal. Des scénarios biogéographiques du devenir de la PP annuelle, étroitement liés à la phénologie, peuvent ainsi être définis en réponse au retrait du couvert de glace de mer. Ces prédictions nous aideront à mieux appréhender de possibles changements au niveau des communautés phytoplanctoniques, pouvant engendrer par la suite des répercussions sur le cycle du carbone et les écosystèmes marins arctiques. / The Arctic Ocean is currently experiencing major and abrupt changes in its atmospheric and oceanic compartments due to climate change. The first emerging ecological consequences to the loss of sea ice are undeniable, such as increasing annual primary production (PP) globally in the Arctic Ocean. However, in some areas, studies suggest a decrease in productivity in response to a local intensification of the vertical stratification of the upper water column. The response of phytoplankton communities to climate change remains complex and difficult to predict, with potential dramatic impacts extending through all trophic levels of marine ecosystems. The primary objective of this thesis explores this fundamental question, with a particular emphasis on biogeography, phenology (i.e., the study of annual recurring biological cycles) and productivity of Arctic phytoplankton communities. More specifically, this study is based on two complementary research approaches: (1) the compilation and analysis of historical databases covering the vertical and spatial distribution, productivity and ecology of Arctic phytoplankton, and (2) the use of remote sensing data describing the biogeography, phenology and ongoing changes in Arctic phytoplankton communities. Based on a unique compilation of vertical profiles of chlorophyll a (chl a; i.e., 5206 stations), we documented the spatio-temporal variability of the vertical distribution of phytoplankton and the range of productivity regimes (from oligotrophic to eutrophic regions) across the Arctic Ocean. An empirical model has also been developed to predict the vertical distribution of chl a based on surface chl a values depending on season and the province of the Arctic Ocean. The benefits of this model allow us to improve satellite-derived PP estimates and improve our understanding of the ecology and phenology of phytoplankton communities. Particular attention has been focused on the mechanisms of formation and maintenance of subsurface chlorophyll maximum (SCM) and their contribution to annual PP. On account of their vertical position, dictated by the depths of both the nitracline and Atlantic (in the Eastern Arctic) and Pacific (in the Western Arctic) waters, these SCMs appear important to PP, particularly in oligotrophic regions and during post-bloom periods. In a second step, the use of remote sensing could reveal an unexpected consequence of Arctic ice loss on Arctic phytoplankton. Regions that experienced a single annual bloom only a decade ago now develop a second bloom in the fall. This new bloom, which coincides with delayed freeze-up and increasing exposure of the sea surface to winds in the fall, implies that the Arctic Ocean may be shifting from a polar to a temperate mode. Biogeographic scenarios for the future of the annual PP, which is closely related to phenology, can thus be defined in response to the current receding sea-ice cover. These predictions will allow us to better anticipate the possible changes in phytoplankton productivity and community structure and the potential cascading repercussions on the carbon cycle and marine Arctic ecosystems.

L’objectif principal de ce mémoire était d’évaluer et d’interpréter les changements interannuels dans la production primaire nette du phytoplancton et des diatomées en particulier, à partir d’un suivi temporel de la distribution verticale et de l’inventaire des nutriments dans le sud-est de la mer de Beaufort (2003-2011) et le nord de la baie de Baffin (1997-1999; 2005-2011). En mer de Beaufort, une augmentation de la consommation de nitrate était cohérente avec l’approfondissement de la nitracline par le phytoplancton du maximum sub-superficiel de chlorophylle. Pour la baie de Baffin, les résultats suggèrent une baisse de la productivité associée à une augmentation de la stratification et un mélange réduit. L’analyse des rapports de consommation pour les différents nutriments ainsi que ceux de la composition élémentaire de la matière organique particulaire indique que ces changements sont causés principalement par les diatomées en réponse aux récentes perturbations environnementales subies par l’océan Arctique.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.

Une diminution de l’étendue du couvert de glace et de neige au printemps a été observée en Arctique. Il est attendu que ceci affectera la phénologie des floraisons printanières, de même que la succession des groupes et espèces parmi les producteurs primaires. Les principaux objectifs étaient (i) de caractériser les communautés d’algues de glace et de phytoplancton et (ii) d’identifier les principaux forçages environnementaux associés à la succession des principaux groupes taxonomiques d’algues unicellulaires pendant une floraison printanière en baie de Baffin en 2015 et en 2016. Avec des mesures de variables environnementales à haute résolution temporelle et utilisant un cytomètre en flux imageur submersible (Imaging FlowCytobot) pour l’identification et le décompte des algues (<150 μm), nous avons évalué le rôle de la lumière et de la disponibilité en nutriments dans le contrôle des floraisons printanières d’algues unicellulaires. Les diatomées pennées représentaient principalement les communautés sympagiques. Les communautés phytoplanctoniques étaient initialement semblables à celles observées dans la glace, suggérant un possible ensemencement des floraisons phytoplanctoniques par les algues de glace. Une augmentation de l’intensité lumineuse, principalement causée par la fonte de la neige et l’apparition de cuvettes d’eau de fonte, semble avoir favorisé les diatomées centriques, ces dernières dominant les communautés pélagiques pendant les floraisons phytoplanctoniques des deux années. La disponibilité en lumière semble être le forçage principal limitant le déclenchement des floraisons sympagiques et pélagiques, avec une valeur journalière minimale de 0.1 mol photons m-2 d-1. Une limitation en nutriments dans la glace n’a pas clairement été observée, alors que les nitrates semblent avoir joué un rôle prépondérant dans le déclin de la floraison dans la colonne d’eau. Nos résultats suggèrent qu’il y a un fort potentiel pour des floraisons printanières sous la glace, qui sont actuellement principalement limitées par la lumière tôt dans la saison. / With ongoing climate change in the Arctic, a decrease in the extent of sea ice and in the spring snow cover thickness has been observed. A modification of the ice and snow dynamics is predicted to impact the onset, the duration and the decline of microalgae spring blooms, as well as the succession among groups and species of primary producers. The main goals of the present study were (i) to characterize the ice-associated algae and phytoplankton communities and (ii) to identify the main drivers associated with the microalgal main taxonomic groups succession during an under-ice bloom in Baffin Bay in 2015 and 2016. With high-resolution time series of environmental parameters and using an Imaging FlowCytobot for the identification and enumeration of algal cells (<150 μm) within the sea ice bottom and in the underlying water column, we address the role of light and nutrients availability in controlling spring bloom phenology. Pennate diatoms dominated the sympagic community, with different genera dominating for each year. The phytoplankton community was initially alike that found in sea ice, suggesting a possible seeding of the pelagic bloom by the ice algal community. Light availability seemed to be the main factor controlling the onset of both sympagic and pelagic blooms, with a threshold value of 0.1 mol photons m-2 d-1. Through spring, snow and sea ice melting in association with melt pond onset caused the decline of the sympagic bloom, while the increase in under-ice irradiance likely favored centric diatoms, which dominated the protists assemblage during the phytoplankton blooms. Nutrients limitation in sea ice was not observed, while nitrate seemed to play a major role in the decline of the phytoplankton bloom. Our results suggest that there is a potential for early and massive under ice blooms, which are mostly light limited early in the season.

Dans les systèmes d'aide à la décision, sont généralement à disposition des données numériques abondantes et éventuellement certaines connaissances contextuelles qualitatives, disponibles a priori ou fournies a posteriori par retour d'expérience. Les performances des approches de classification, en particulier spectrale, dépendent de l'intégration de ces connaissances dans leur conception. Les algorithmes de classification spectrale permettent de traiter la classification sous l'angle de coupes de graphe. Ils classent les données dans l'espace des vecteurs propres de la matrice Laplacienne du graphe. Cet espace est censé mieux révéler la présence de groupements naturels linéairement séparables. Dans ce travail, nous nous intéressons aux algorithmes intégrant des connaissances type contraintes de comparaison. L'espace spectral doit, dans ce cas, révéler la structuration en classes tout en respectant, autant que possible, les contraintes de comparaison. Nous présentons un état de l'art des approches spectrales semi-supervisées contraintes. Nous proposons un nouvel algorithme qui permet de générer un sous-espace de projection par optimisation d'un critère de multi-coupes normalisé avec ajustement des coefficients de pénalité dus aux contraintes. Les performances de l'algorithme sont mises en évidence sur différentes bases de données par comparaison à d'autres algorithmes de la littérature. Dans le cadre de la surveillance de l'écosystème marin, nous avons développé un système de classification automatique de cellules phytoplanctoniques, analysées par cytométrie en flux. Pour cela, nous avons proposé de mesurer les similarités entre cellules par comparaison élastique entre leurs signaux profils caractéristiques. / In the decision support systems, often, there a huge digital data and possibly some contextual knowledge available a priori or provided a posteriori by feedback. The performances of classification approaches, particularly spectral ones, depend on the integration of the domain knowledge in their design. Spectral classification algorithms address the problem of classification in terms of graph cuts. They classify the data in the eigenspace of the graph Laplacian matrix. The generated eigenspace may better reveal the presence of linearly separable data clusters. In this work, we are particularly interested in algorithms integrating pairwise constraints : constrained spectral clustering. The eigenspace may reveal the data structure while respecting the constraints. We present a state of the art approaches to constrained spectral clustering. We propose a new algorithm, which generates a subspace projection, by optimizing a criterion integrating both normalized multicut and penalties due to the constraints. The performances of the algorithms are demonstrated on different databases in comparison to other algorithms in the literature. As part of monitoring of the marine ecosystem, we developed a phytoplankton classification system, based on flow cytometric analysis. for this purpose, we proposed to characterize the phytoplanktonic cells by similarity measures using elastic comparison between their cytogram signals.

Il est désormais établi que la disponibilité en fer (Fe) contrôle environ 50% de la production primaire des océans du monde. Cependant, les processus régissant l’intensité des puits et des sources du Fe ainsi que la prédominance relative de ces sources au sein des divers bassins océaniques, sont elles-mêmes peu contraintes. Par ailleurs, une fois entrées dans le système océanique, la disponibilité et l’accessibilité des diverses formes de Fe pour les organismes marins restent incertaines. La réactivité du Fe au sein de l’environnement marin dépend de son état d’oxydoréduction et de complexation. Le fer dissous (DFe) est souvent considéré comme la fraction la plus biodisponible pour le phytoplancton et les ligands organiques du Fe augmentent vraisemblablement le temps de résidence du Fe et permettent des concentrations de DFe bien plus élevées que sa solubilité inorganique ne le permet dans l’eau de mer (10 pmol L-1).Dans ce contexte et s’inscrivant dans le programme international GEOTRACES, cette thèse a pour but principal d’implémenter notre savoir du cycle biogéochimique du Fe dans l’océan et ses interactions avec la structure des communautés phytoplanctoniques, en particulier afin de mieux contraindre les formes biodisponibles du Fe. Ainsi, les objectifs de cette thèse reposent sur trois questions scientifiques : 1) Quelles sont les distributions, sources, et puits de Fe ? 2) Quel est le lien entre la structure des communautés phytoplanctoniques et les concentrations en DFe ? 3) Comment la spéciation organique du DFe impacte ses concentrations et sa biodisponibilité ? Ces trois questions ont été explorées sur de deux zones d’études contrastées : l’océan Nord Atlantique (GEOVIDE, GA01 GEOTRACES voyage, PIs G. Sarthou and P. Lherminier) étant occasionnellement et saisonnièrement appauvri en Fe et l’océan Austral (HEOBI, GIpr05 GEOTRACES voyage, PIs A. Bowie, T. Trull, Z. Chase) l’étant de manière permanente. / It is now recognized that iron (Fe) availability dictates the efficiency of the global biological carbon pump such that any perturbation of Fe sources will lead to changes in the carbon cycles with consequences on both other major nutrient cycles and the climate system, controlling about 50% of the worldwide ocean primary production. However, the underlying processes themselves that affect the pathways releasing and trapping Fe, and the relative predominance of Fe sources among the different ocean basins are still poorly constrained. More importantly, the extent to which both the chemical and the physical speciation of Fe are available and accessible for marine organisms, once it enters the ocean, remains uncertain. The reactivity of Fe within the marine environment will depend on its redox and complexation state, with DFe generally considered the most bioavailable form for phytoplankton and Fe-binding organic ligands likely increasing the residence time of Fe that enables enhanced DFe concentrations way above its inorganic solubility in seawater (c.a. 10 pmol L-1).In this context and as part of the international GEOTRACES program, this thesis aims at improving our knowledge on Fe biogeochemical cycle in the ocean and its interactions with the phytoplankton community structure to better constrain the bioavailable forms of Fe. The objectives of this thesis revolve around three scientific questions: 1) What are the distributions, sources, and sinks of dissolved iron? 2) What is the link between the phytoplankton community structure and dissolved iron concentrations? 3) How the organic speciation of dissolved iron affects its concentrations and bioavailability for the phytoplankton community? These three questions were investigated through two contrasted areas: the North Atlantic Ocean (GEOVIDE, GA01 GEOTRACES voyage, PIs G. Sarthou and P. Lherminier) and the Southern Ocean (HEOBI, GIpr05 GEOTRACES voyage, PIs A. Bowie, T. Trull, Z. Chase) the former being occasionally seasonally depleted in Fe, the latter permanently.