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Laboratoire d'Ecogéochimie des Environnements Benthiques
UMR 8222

Solveig Bourgeois (2009-2011)

Variabilité spatio-temporelle de la qualité de la matière organique particulaire dans les sédiments côtiers : influence des apports terrigènes et marins sur les communautés benthiques.

Directeur : François Charles, Co-directrice : Audrey Pruski

Les marges océaniques dominées par les rivières (RiOMar) sont les principales connexions entre l’environnement terrestre et l’environnement marin. Les apports fluviatiles représentent une source importante de carbone pour les systèmes côtiers. Ces apports sont estimés à 900 Tg par an dont 500 Tg sous forme organique (McKee 2003). De par les quantités mises en jeu et la qualité de ce qui est transporté, les fleuves jouent un rôle crucial dans le cycle global du carbone. De plus, la stimulation de la production phytoplanctonique par les apports en sels nutritifs fait que les systèmes RIOMAR sont parmi les plus productifs de l’Océan. Dans ces environnements, les forts taux d’accumulation sédimentaire induisent une préservation importante de la MO.

La balance entre dégradation et préservation de la matière organique a des conséquences importantes sur le cycle global du carbone et de l’oxygène. Différentes hypothèses complémentaires ont été émises par le passé pour expliquer le contrôle de la dégradation de la MO dans les sédiments marins (Wakeham and Canuel 2006). L’enjeu étant de savoir quel est le devenir de la MO. L’adsorption de la matière organique sur des surfaces minérales dans les sédiments marins stabilise les molécules et ralenti le taux de reminéralisation (Keil et al. 1994). La teneur en oxygène dans les sédiments serait également un facteur contrôlant la préservation de la MO (Canfield 1994). De plus, le concept de préservation sélective de certains constituants de la matière organique pendant la dégradation a souvent été évoqué. Dauwe et Middelburg (1998) ont montré que certains acides aminés tendaient à diminuer avec l’augmentation de la labilité de la MO et d’autres montraient une tendance inverse. Un paradigme couramment considéré dans la littérature est que la MO terrestre est fortement réfractaire en comparaison de la MO autochtone marine (production phytoplanctonique). Néanmoins cette affirmation n’a fait l’objet que de très peu de tests expérimentaux et donc mériterait d’être vérifiée. Le rôle de la matière organique terrigène et son devenir dans l’océan sont encore un sujet actuel de débat. La question “What happens to terrestrial organic matter in the ocean ?” a été posée pour la première fois par Hedges et al. en 1997, puis repris par la suite par Benner (2004) et demeure d’actualité.

Malgré les nombreuses études réalisées, ces dernières années, il reste encore des « verrous scientifiques » sur les mécanismes qui contrôlent la dégradation de la matière organique dans les sédiments des zones côtières et deltaïques. Ainsi, il est indispensable de faire des recherches plus poussées sur la diagenèse de la MO, sur l’étude du co-métabolisme, et sur le rôle des communautés microbiennes et de métazoaires dans la diagenèse. Le lien entre l’écologie (moléculaire) benthique et la géochimie organique est un point important à appréhender. D’une part, les communautés bactériennes benthiques ont un rôle majeur sur les cycles biogéochimiques marins. D’autre part, la qualité et la quantité de la MO sédimentaire influence fortement le fonctionnement du compartiment benthique. En ce qui concerne le co-métabolisme, c’est le processus par lequel un apport de MO labile peut améliorer la dégradation d’une MO plus réfractaire (Wakeham and Canuel 2006). Dans les systèmes deltaïques, où il y a mélange de différentes sources de MO (MO allochtone considérée réfractaire et MO autochtone considérée labile), ce processus est certainement important. Il est donc important de l’étudier.

Le Rhône est le premier fleuve de la Mer Méditerranée en terme de débit (6,2 106 T an-1 MES (Pont 1997) depuis la construction du barrage du Nile (Alliot et al. 2003). Il charrie de grandes quantités de sels nutritifs, de matières organique (MOD, MOP) et minérale. La reminéralisation des dépôts de MO est particulièrement intense dans le prodelta du Rhône (Lansard et al. 2008). De plus, le fort degré d’anthropisation, au niveau du bassin versant (forte activité industrielle et agricole), implique qu’une importante quantité de polluants (pesticides, métaux, etc) est déversée par le Rhône. C’est pourquoi le Rhône est un fleuve largement étudié.

 

L’objectif principal de ce travail de thèse vise à répondre aux questions : Quel est le degré de labilité de la MO sédimentaire dans le prodelta du Rhône ? Quels sont les facteurs qui expliquent les taux de reminéralisation élevés mesurés dans cette zone ? Pour atteindre cet objectif je répondrai à quatre sous-objectifs.

  • Le premier objectif est de décrire et de comparer la qualité nutritionnelle de la matière organique sédimentaire et la réactivité des sédiments superficiels dans des environnements côtiers soumis à l’influence du Rhône. Jusqu’alors, les études réalisées dans cette zone d’étude ont utilisé des descripteurs globaux (Corg, N, isotopes, protéines, glucides, lipides) pour caractériser la composition biochimique des sédiments. Cependant, ils ne rendent pas compte de la labilité et de l’origine de la matière organique. Dans le cadre de ma thèse, je réaliserai une approche descriptive incluant différents biomarqueurs (acides aminés totaux, acides aminés disponibles, pigments, composés lipidiques, …) qui renseigneront plus finement sur l’origine et la qualité de la MO, ainsi que sur les processus biogéochimiques qu’elle a subit. Une étude annuelle sera également réalisée afin de prendre en compte la variabilité temporelle de l’origine et de la qualité de la MO. Pour chaque situation, une analyse de la distribution verticale de ces différents marqueurs dans les sédiments permettra d’estimer le devenir de la MOP après sédimentation.
  • Le deuxième objectif consiste à étudier l’influence des apports de MOP terrigène et marine sur la structure des communautés bactériennes benthiques en milieux côtiers. Est-ce que l’origine et la qualité des apports de MO ont un rôle structurant sur les communautés bactériennes ? Pour cela, la diversité bactérienne sera déterminée afin de vérifier l’hypothèse selon laquelle le mélange de nombreuses sources de MO dans les milieux côtiers soumis à l’influence d’une rivière augmente la diversité microbienne (Aller 1998). En parallèle une comparaison de deux techniques d’empreinte moléculaire (CE-SSCP et RFLP) sera réalisée afin de valider l’utilisation de la CE-SSCP sur les sédiments.
  • Le troisième objectif, est de réaliser une cinétique de dégradation de la MO en laboratoire. Cette expérience préliminaire permettra de mettre en évidence des processus de dégradation sélective de certains constituants de la MO et ainsi d’identifier les biomarqueurs les mieux adaptés pour décrire l’état de dégradation de la MO. L’influence des communautés bactériennes sur la dégradation de la matière organique sera également appréhendée par la mesure de plusieurs activités enzymatiques bactériennes (aminopeptidase, phosphatase, lipase et glucosidase). Lors de cette cinétique, la réactivité des différents marqueurs biochimiques sera examinée afin de vérifier la préservation préférentielle de certains composés pendant la dégradation de la matière organique.
  • Le quatrième objectif est de tester l’hypothèse de co-métabolisme du matériel organique. Pour cela, une expérience d’enrichissement avec deux sources de matière organique (terrestre et marine) sera réalisée. Les flux benthiques (O2 et sels nutritifs) résultent de la demande en oxygène à l’interface eau-sédiment et des processus de reminéralisation de la MOP. Leur mesure permettra de déterminer si le processus de co-métabolisation du matériel d’origine terrestre et du MO marine conduit à une augmentation des taux de reminéralisation de la MOP par le compartiment bactérien. En parallèle, l’expérience d’enrichissement en condition contrôlé permettra de vérifier le « Paradoxe » de Beijerinck « everything is everywhere, but, the environment selects ». Cela consiste à prélever les communautés bactériennes d’un sédiment, à les réinoculer puis à suivre leur dynamique dans du sédiment préalablement stérilisé.

Bibliographie :

Aller, R. C. (1998). "Mobile deltaic and continental shelf muds as suboxic, fluidized bed reactors." Marine Chemistry 61(3-4): 143-155.

Alliot, E., Younes, W. A. N., Romano, J. C., Rebouillon, P. and Masse, H. (2003). "Biogeochemical impact of a dilution plume (Rhone River) on coastal sediments: comparison between a surface water survey (1996-2000) and sediment composition." Estuarine Coastal and Shelf Science 57(1-2): 357-367.

Benner, R. (2004). "What happens to terrestrial organic matter in the ocean?" Marine Chemistry 92(1-4): 307-310.

Canfield, D. E. (1994). "Factors Influencing Organic-Carbon Preservation in Marine-Sediments." Chemical Geology 114(3-4): 315-329.

Dauwe, B. and Middelburg, J. J. (1998). "Amino acids and hexosamines as indicators of organic matter degradation state in North Sea sediments." Limnology and Oceanography 43(5): 782-798.

Hedges, J. I., Keil, R. G. and Benner, R. (1997). "What happens to terrestrial organic matter in the ocean?" Organic Geochemistry 27(5-6): 195-212.

Keil, R. G., Tsamakis, E., Fuh, C. B., Giddings, J. C. and Hedges, J. I. (1994). "Mineralogical and Textural Controls on the Organic Composition of Coastal Marine-Sediments - Hydrodynamic Separation Using Splitt-Fractionation." Geochimica Et Cosmochimica Acta 58(2): 879-893.

Lansard, B., Rabouille, C., Denis, L. and Grenz, C. (2008). "In situ oxygen uptake rates by coastal sediments under the influence of the Rhone River (NW Mediterranean Sea)." Continental Shelf Research 28(12): 1501-1510.

McKee, B. A. (2003). RiOMar: The Transport, Transformation and Fate of Carbon in River-dominated Ocean Margins. Report of the RiOMar Workshop, 1-3 November 2001. Tulane University, New Orleans, LA.

Pont, D. (1997). "Les débits solides du Rhône à proximité de son embouchure : données récentes (1994-1995)." Revue de géographie de Lyon 72(1): 13-33.

Wakeham, S. G. and Canuel, E. A. (2006). Degradation and Preservation of Organic Matter in Marine Sediments. J. K. Volkman, The Handbook of Environmental Chemistry. 2(N): 295-321.

 

Solveig Bourgeois (solveig.bourgeois @ obs-banyuls.fr) - 28/09/17

Traductions :