I. Quantification des réservoirs minéraux et organiques des éléments biogènes

 

I.1. Apports atmosphériques de nutriments/Marqueurs des sources d'émission (2003 et 2004)

Les flux atmosphériques de N, P, Si, Fe seront quantifiés, et leur variabilité temporelle (événement/saison) sera évaluée à travers la mesure i) du flux total (flux sec + flux humide), source parfois significative de nutriments et de métaux pour les eaux de surface, et ii) l'analyse de l'aérosol atmosphérique, qui permettra de caractériser les diverses influences anthropiques et minérales et leur variabilité. Le pas d'échantillonnage sera hebdomadaire pour l'aérosol et le dépôt total, et les événements pluvieux seront systématiquement collectés, avec le dépôt total ou spécifiquement.

      La cinétique de solubilisation de la matière d'origine atmosphérique, déterminante pour la disponibilité des substances nutritives, sera étudiée expérimentalement. En particulier, une étude cinétique de libération de P et Si sera menée sur des échantillons d’aérosol atmosphérique (prélevés spécifiquement et sur le même pas de temps hebdomadaire) et sur des particules de matériau-source caractéristique (e.g., poussières d’échappements automobiles, cendres volantes, sol saharien).  Cette étude prendra en compte la dissolution en fonction de l’éclairement : mesure comparative du taux de libération de P et Si sous éclairement et dans l’obscurité. Il s’agira de choisir 40 échantillons représentatifs de diverses situations météorologiques significatives sur la centaine d’échantillons collectés au Cap Ferrat en deux ans et leur faire subir une altération au contact d’une solution aqueuse avec des propriétés connues. Cette solution pourra être soit acide, soit neutre/basique avec des complexants pour simuler l’eau de mer. On étudiera sur ces échantillons la partition soluble/insoluble des éléments nutritifs et du fer.

      D’autres traceurs géochimiques (e.g., Al, Cr, Cu, K, Mn, Na, Pb, S, V, Zn, etc.) seront  analysés sur les mêmes échantillons afin de déconvoluer les sources d'émission naturelles et anthropiques de nutriments.

     

Dépôt total : 52 échantillons par an (2003-2004) 

Aérosol : 52 échantillons par an (2003-2004)

Après filtration du dépôt total, la fraction particulaire est pesée (estimation du flux de poussières)

Conservation des échantillons dissous à – 20 °C

C, N, P particulaires (filtration d’aérosol) : colorimétrie automatique avec oxydation humide (Raimbault et al., 1999b)

P, Si, Fe et traceurs géochimiques (filtration d’aérosol) : fluorescence X

N (nitrate, nitrite), P (orthophosphate), Si (silicate) dissous (dépôt total) : colorimétrie automatique avec oxydation humide pour la détermination de C, N et P totaux

Fe dissous : ICP-AES 

 

 

 

I.2. Stocks/flux d'éléments biogènes dans la colonne d’eau

La succession saisonnière des niveaux de nutriments (N, P, Si) et de fer sera contrôlée dans les eaux de surface et dans les pièges à particules (200 m). Pour les sels nutritifs, les techniques d'analyse adaptées à des niveaux très bas en période de stratification seront utilisées. Les flux de matière à 200 m seront disponibles pour cette étude.

      La concentration en orthophosphates sera mesurée par la méthode MAGIC (MAGnesium Induced Coprecipitation) proposée par Karl & Tien (1992) et modifiée par Thompson-Bulldis & Karl (1998). Les améliorations méthodologiques apportées dans le cadre de BIOSOPE pourront être testées au cours des campagnes MELISSA. Seront également dosés le phosphate organique dissous et le phosphate organique particulaire (par fractions de taille 0,2, 0,6, 2 et 10 µm). Les améliorations récentes de la méthode classique de dosage au persulfate permettent d'obtenir un niveau de précision de l'ordre de 1 nM, adaptée aux milieux ultra-oligotrophes.

      Des profils verticaux seront réalisés sur l'ensemble de la colonne d'eau au site DYFAMED pour le suivi temporel de la distribution des stocks dissous minéraux et organiques d'azote (nitrate, nitrite et ammonium : NOD), du phosphore (phosphate : POD) et du COD. Les techniques utilisées seront le dosage automatique par colorimétrie pour les sels nutritifs et, pour la matière organique qui comprendra le COD, la méthode semi-automatique décrite dans Raimbault et al. (1999a). A ces paramètres s'ajouteront les réservoirs particulaires de carbone (COP), de l'azote (NOP) et du phosphore (POP) par une méthode semi-automatique permettant le dosage simultané de ces trois éléments (Raimbault et al., 1999b). L'ensemble de ces mesures donnera accès aux rapports C:N:P dans la matière minérale et organique.

      De même, les stocks et les flux de Si seront mesurés, en relation avec les études concernant l’azote, le phosphore et le fer (e.g., hypothèse de limitation de l’absorption de Si(OH)₄ par la disponibilité en fer, comme cela s’observe dans une zone HNLC australe). Les fractions biogénique (BSi) et lithogénique (LSi) seront distinguées dans la colonne d'eau sur 12 niveaux de profondeur.

      Les concentrations de fer dissous seront mesurées dans les 200 premiers mètres afin de suivre l’évolution des concentrations dans la colonne d’eau en relation avec l’apport atmosphérique (sorties mensuelles + sorties spécifiques, e.g. deux périodes contrastées dans l'année; dans un premier temps les conditions oligotrophes, e.g. fin de l’été, seront une priorité). Dans le cas des sorties spécifiques, des incubations in vitro seront effectuées pour identifier les facteurs limitants et déterminer le Ks du fer avec l’assemblage phytoplanctonique présent dans le milieu pendant cette période. Ces expériences seront similaires à celles menées dans le cadre des campagnes POMME (Blain et al., 2001); elles seront conduites en microcosme et consistent à définir le rôle potentiel des éléments nutritifs majeurs (N, P, Si), du fer et de poussières éoliennes sur la production primaire. Ces expériences pourront être couplées à celles de la diazotrophie afin de préciser le rôle du fer d’origine atmosphérique dans le processus en Méditerranée.

      Le matériel de prélèvement de la colonne d’eau, décrit dans Guieu et al. (2002a), permet l’acheminement et la filtration en ligne de l’eau prélevée dans les 200 premiers mètres de la colonne d’eau dans des conditions ultra-propres. Le fer dissous sera dosé en flux continu par chimiluminescence (Obata et al., 1993) pour la spéciation redox (discrimination FeII/FeIII) et par polarographie pour la spéciation fer réactif/fer complexé. Le broutage par le zooplancton pourrait être le processus dominant du recyclage du fer biologique dans de nombreux environnements marins (Hutchins et al., 1993). En effet, les conditions acides des intestins des brouteurs facilitent le relargage du fer biologique des proies ingérées. Dans l'Océan Austral, pendant la campagne de fertilisation SOIREE, il a été montré que la régénération et l'assimilation du fer étaient du même ordre de grandeur (Bowie et al., 2001). Qu'en est-il en Méditerranée ? Nous ne savons pas sous quelle forme le fer est régénéré dans la phase dissoute (forme inorganique Fe(II)/Fe(III) ou forme organique), ni si le fer régénéré est assimilable ou plus facilement assimilable par le phytoplancton. La caractérisation de la spéciation et de la biodisponibilité du fer régénéré d'une part, et la quantification des processus de transfert entre les différentes phases, d'autre part, seront réalisées grâce à des expériences de broutage de communautés phytoplanctoniques naturelles marquées au fer-55, des extractions sélectives liquide/solide et un comptage par scintillation liquide. La variation saisonnière de ces processus sera étudiée lors des campagnes au site DYFAMED aux différentes saisons.

 

 

a) C, N, P

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

L’évolution temporelle des stocks de C, N et P sera mesurée.

Prélèvements : rosette (12 échantillons : 10 L de surface ; 5 L 0-100 m ; 2 L 100-200 m ; 0,5 L 200-1000 m)

Empoisonnement des échantillons par HgCl₂ + réactifs supplémentaires pour NH₄⁺

Analyse colorimétrique automatique :

      - Nitrate, nitrite, ammonium, phosphate, silicate entre 0 et 1000 m

      - C, N, P organiques particulaires entre 0 et 200 m

-          C, N, P dissous entre 0 et 1000 m

 

► Campagnes saisonnières (2004)

(comprend les protocoles d’études d’impact des apports atmosphériques sur la production primaire et l’assimilation d’azote – voir § II.1 et II.5.a)

Idem Campagnes mensuelles, plus :

Les mesures de C, N, P particulaires entre 0 et 200 m seront faites en distinguant les différentes classes de taille (total ; < 10µm ; < 2 µm)

Manipulations à bord : prélèvements ; filtration du matériel particulaire ; dosage des sels nutritifs ; expérimentations et incubations ¹³C/¹⁵N ; incubation en bacs sur le pont et sur une ligne in situ (24 h). Cette stratégie pourra être répétée chaque jour avec des prélèvements en fin de nuit (obtention de 5 profils et 5 séries d’expériences au cours de chaque sortie)

 

► Pièges à sédiments fixes (2004 et 2005)

L’évolution temporelle des rapports stoechiométriques C:N:P sera étudiée dans la matière particulaire collectée dans les pièges à particules au site DYFAMED (profondeurs : 200 et 1000 m)

Prélèvements : une fraction de la matière collectée par godet (1 à 5 mg de matière)

Fréquence : 15 jours sur les deux pièges, soit 50 échantillons par an.

 

b) Silice 

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

Mesure des stocks BSi/LSi (colonne d’eau, 12 profondeurs + pièges à sédiment). L’étude sera complétée par la mesure des taux de production de BSi ainsi que des taux de dissolution à deux profondeurs (surface et base de la couche de mélange).

 

► Campagnes saisonnières (2004)

Mesures des flux et études de processus (cinétiques d’absorption du Si, dissolution de BSi, cinétiques d’absorption de l’acide silicilique et mesure des taux de régénération, effet du fer sur les processus de co-limitation).

Analyse fine des populations microphytoplanctoniques sur la base mensuelle du suivi saisonnier (prélèvements en duplicats lugol-formol dans la couche mélangée) ainsi qu’au cours des trois campagnes saisonnières. Ces travaux permettront en outre de tester les méthodes d’évaluation de la biomasse siliceuse active par marquage fluorescent couplé à l’analyse d’image. Ceci devrait améliorer notre connaissance de la dynamique des populations de phytoplancton siliceux.

Les résultats attendus seront mis en parallèle avec ceux acquis sur SOFI de façon à dessiner une première estimation du cycle du silicium dans les écosystèmes méditerranéens.

 

Prélèvements : rosette (1000 mL pour BSi et LSi, 1000 mL pour les vitesses de dissolution).

Profils complets (12 échantillons) pour BSi/LSi fractionné sur 2 et 10 µm, 2 échantillons pour les vitesses de dissolution.

 

c) Cycle biogéochimique du phosphore

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

Stocks

Mesure des concentrations en orthophosphates par la méthode MAGIC (MAGnesium Induced Coprecipitation, Karl et al., 1992) modifiée par Thomson-Bulldis & Karl (1998).

Mesure du phosphate organique dissous

Mesure du phosphate organique particulaire (fractions de taille 0,2, 0,6, 2 et 10 µm). Les adaptations récentes de la méthode au persulfate permettent d’obtenir une précision de l’ordre de 1 nM adaptée aux milieux ultra-oligotrophes.

 

1 profil (12 profondeurs) pour l’ensemble des variables à l’exception du P particulaire par fraction de taille qui ne sera mesuré qu’en surface et au maximum de chlorophylle a.

Prélèvements : 300 mL x 2 (mesures MAGIC), 100 mL x 2 (P total), 500 mL (P particulaire)

Pas d’embarquant spécifique : les analyses seront réalisées ultérieurement à Marseille.

 

 

► Campagnes saisonnières (2004)

 

En plus des mesures de stocks ci-dessus, des mesures de flux seront réalisées à l’aide de ³³P.

 

Flux

En parallèle avec la mesure des taux d’absorption du phosphate par ³³P, la cinétique d’absorption des orthophosphates par les populations planctoniques sera étudiée expérimentalement (avec une attention particulière pour la compétition entre les hétérotrophes et les autotrophes de petite taille dans les eaux oligotrophes méditerranéennes).

Le temps de recyclage des orthophosphates sera étudié par marquage au ³³P.

 

Plusieurs profils (12 profondeurs) pour l’ensemble des variables et mesures de cinétique d’assimilation de P par les organismes planctoniques en surface uniquement.

Prélèvements : 500 mL

1 embarquant pour l’ensemble des mesures.

 

d) Fer dissous 

 

► Campagnes saisonnières (2004)

Prélèvements par pompage propre in situ avec filtration à 0,2 µm : 250 mL par profondeur entre 0 et 200 m (15 échantillons).

Analyses à terre (chimiluminescence).

 

Expériences de fertilisation à bord

Prélèvement d’eau : profondeur en fonction de la stratification de la colonne d’eau, de toute façon < 50 m.

38 bouteilles de 4 L. L’incubation s’étend sur toute la durée du temps sur site.

Analyses à terre.

Volume d’eau nécessaire : 12 L (surface ; 6 échantillons)

 

 

e) Quantification de la spéciation et de la biodisponibilité du fer régénéré par le broutage du zooplancton

 

► Campagnes saisonnières (2004)

La spéciation et la biodisponibilité du fer régénéré seront quantifiées par des techniques isotopiques, avec l’utilisation du radiotraceur ⁵⁵Fe et d’un comptage à scintillation liquide. Les expériences seront adaptées de Bowie et al. (2001, voir figure 4) qui ont étudié les taux de régénération du fer par le broutage du micro- et du méso-zooplancton nourris avec i) des bactéries et du "petit" phytoplancton (< 2 µm) et ii) du "grand" phytoplancton (> 2 µm).

Trois jours avant les expériences de broutage, le plancton de classe de taille < 2 µm et 2-20 µm est incubé avec du ⁵⁵Fe à lumière et température ambiantes. Après trois jours d’incubation, les cellules sont collectées sur des filtres en polycarbonate de porosité 2 µm et 20 µm et rincées avec une solution de Ti(III)EDTA-citrate pour éliminer le fer extracellulaire (Hudson & Morel, 1989 ).

Pour les expériences de broutage par le micro-zooplancton, les cellules (de tailles < 2 µm) marquées au ⁵⁵Fe sont filtrées puis remises en suspension dans 1 L d’eau de mer. Après 24 h, la spéciation du ⁵⁵Fe (Fe organique et Fe inorganique Fe(II)/Fe(III)) dans la phase dissoute est mesurée par extraction sélective sur résine (C18 et 8-hydroxyquinoleine ; Obata et al., 1993 ; Elbaz-Poulichet et al., 1994). L’activité du ⁵⁵Fe est également mesurée dans les fractions >20 µm, 2-20 µm et 0,2-2 µm (rincées avec une solution de Ti(III)EDTA-citrate ; Hudson & Morel, 1989).

      Les expériences destinées à l’étude de la régénération par le broutage du mesozooplancton sont similaires. Les cellules (> 2 µm) marquées au ⁵⁵Fe sont remises en solution dans 1 L d’eau de mer et des copépodes sont ajoutés (4 L^-1). La spéciation et l’activité du ⁵⁵Fe dans les fractions > 20 µm, 2-20 µm, et 0,2-2 µm sont également mesurées.

      Les contrôles consistent à remettre en suspension les cellules marquées dans de l’eau de mer filtrée à 0,2 µm.

      Pour chaque expérience, la biodisponibilité du fer régénéré est quantifiée par des expériences de croissance de cellules non marquées dont le milieu de culture est la phase dissoute ayant subie le broutage.

 

 

Figure 4: Chemical speciation and bioavailability of iron regenerated by zooplankton grazing (adapted from Bowie et al., 2001).

 

 

II. Production/Biomasse/Processus d'assimilation

Estimation des flux particulaires et dissous associés à la production

 

II.1. Production

Le projet utilisera les mesures mensuelles standard de production primaire particulaire acquises dans le cadre du SO DYFAMED ainsi que les mesures effectuées lors des campagnes saisonnières spécifiques (3 campagnes en 2004). Avec le projet sera développé un protocole de mesure de la production dissoute aussi bien pour les mesures mensuelles que pour les mesures des campagnes saisonnières. Le taux d'assimilation du carbone (production primaire) sera mesuré par marquage au ¹⁴C. En outre, lors des expérimentations à l’azote-15, la production primaire sera spécifiquement estimée par marquage au ¹³C lors des campagnes MELISSA sur 6 niveaux de profondeur (technique du double marquage ¹³C-¹⁵N).

      La production nouvelle sera quantifiée par la mesure d'absorption de nitrate (¹⁵N-NO₃) et de la fixation d’azote (¹⁵N -N₂).

      La production régénérée sera quantifiée par la mesure d’absorption d’ammonium (¹⁵N-NH₄). Ces mesures de production seront complétées par des estimations des flux de régénération : régénération d'ammonium, nitrification (oxydation de l'ammonium), d'excrétion d'azote organique dissous (NOD), selon les protocoles décrits dans Raimbault et al. (1999c), pour déterminer le devenir immédiat de la matière photosynthétisée et de la fraction potentiellement exportée.

      Les activités bactériennes seront suivies dans la colonne d’eau de surface (0-200 m) : production et phosphatase alcaline par classe de taille.

      En parallèle, la fraction exportée sera évaluée à l’aide de pièges dérivants (suivi sur 48 h, pas de temps de 6 h), dans le cadre des campagnes saisonnières.

 

 

a) Production primaire particulaire et dissoute

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

Production primaire particulaire et dissoute : prélèvements (10 mL) par enceintes LET GO à 10 profondeurs 

Filtrations à bord : 1 m² de paillasse ; 1 personne

Mesure de la production dissoute : protocoles de Karl et al. (1998) et Moran et al. (2001)

Autres manipulations au retour à terre (conservation des échantillons à 4°C)

Nombre d’échantillons par jour : 10 (production primaire)

 

 

► Campagnes saisonnières (2004)

Idem « Campagnes mensuelles », plus :

2 personnes à bord, 3 m² de paillasse (comprend les mesures de pigments, voir § II.2.a, et les expériences de fertilisation, voir § III)

 

b) Production nouvelle/Production régénérée

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005) et saisonnières (2004)

Utilisation de traceurs isotopiques

Production primaire : marquage au ¹³C dans expérimentation à l’azote-15

Production nouvelle (assimilation de nitrate et fixation d‘azote moléculaire) : ¹⁵N

Production régénérée : ¹⁵N

Régénération de l’ammonium : ¹⁵N

Nitrification : ¹⁵N

Excrétion d’azote organique dissous : ¹⁵N

 

c) Activité bactérienne hétérotrophe

Les activités bactériennes seront suivies dans la colonne d’eau de surface (0-200 m) : production et phosphatase alcaline par classe de taille, expériences d’enrichissement à différentes profondeurs sur la verticale. Ces mesures ont pour but :

      - de mesurer la production bactérienne et l’activité phosphatase alcaline in situ, en relation avec les cycles du phosphore et du carbone.

      - de suivre la variabilité des facteurs limitant les bactéries hétérotrophes sur la colonne d’eau (zone euphotique essentiellement, approximativement les 150 premiers mètres), en fonction de certaines situations saisonnières types, en réalisant des expériences d’enrichissement en azote, phosphore minéral et glucose.

 

► Campagnes saisonnières (2004)

1 profil vertical à 12 niveaux (épifluorescence, cinétique de l’activité phosphatase globale, détection de l’activité phosphatase au niveau cellulaire, production bactérienne classe de taille 0,2 et 0,6 µm).

Expérience d’enrichissement avec suivi de production bactérienne et d’activité phosphatase.

1 personne à bord

Surface de travail : 1,5 m dans le container radioactif + 1,5 m en dehors du container.

 

II.2. Biomasse phytoplanctonique et diversité génétique du picophytoplancton

Les variations saisonnières de la biomasse phytoplanctonique totale et spécifique (chlorophylle a + pigments spécifiques, analysés par HPLC) seront étudiées à partir de mesures mensuelles standard (acquises dans le cadre du SO DYFAMED) et au cours des campagnes tri-annuelles spécifiques au projet.

      Une analyse fine des populations microphytoplanctoniques (base mensuelle du suivi saisonnier + trois expériences saisonnières) est proposée. Ces actions pourraient aussi servir à tester les méthodes d’évaluation de la biomasse siliceuse active par marquage fluorescent couplé à l’analyse d’image. Résultats attendus sur la dynamique des populations de phytoplancton siliceux. Les résultats seront mis en parallèle avec ceux acquis en 2000 à la station SOFI (talus continental au large de Marseille, conditions mésotrophes) où des mesures de flux d’absorption de Si(OH)₄ ont été réalisées par marquage au ³²Si, ainsi que des mesures de stocks et de flux verticaux de silice biogénique et lithogénique.

 

      Les variations saisonnières de l'abondance des populations du picophytoplancton seront étudiées par cytométrie en flux (Prochlorococcus, Synechococcus, picoeucaryotes +/- virus).

      L’évolution saisonnière de la diversité phylogénétique du picophytoplancton sera étudiée à 4 à 6 profondeurs par des méthodes moléculaires : le picoplacton eucaryote sera étudié par analyse du gène de l’ARNr 18S en DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) et séquençage des bandes d’intérêt (e.g. correspondant à des génotypes abondants, ubiquistes ou présents toute l’année, etc.) et/ou PCR (Polymerase Chain Reaction) quantitative. Les prélèvements seront réalisés sur les mêmes profils que les mesures HPLC/Pigments. Ces données devraient permettre d’estimer l’abondance relative des principaux groupes du picoplancton eucaryote (Prasinophyceae, Pelagophyceae, Prymnesiophyceae).

      Prochlorococcus sera étudié par analyse du gène fonctionnel pcb codant pour le principal complexe collecteur de photons par la méthode de PCR-RFLP (Random Fragment Length Polymorphism). Elle consiste à amplifier puis digérer ce gène par l’enzyme de restriction Haelll afin d’obtenir des profils de restriction sur gel d’électrophorèse (Metaphor). L’étude des variations temporelles de ces profils permettra notamment de suivre la mise en place de la stratification verticale des populations de Prochlorococcus après le mélange hivernal.

 

      Détection de la présence du gène nifH.

      La présence dans la colonne d’eau du gène nifH, indicateur d’organismes potentiellement fixateurs d’azote (comme les cyanobactéries Trichodesmium ou certaines espèces de Synechocystis) sera également étudié à 1 ou 2 profondeurs au cours du suivi annuel en utilisant des amorces spécifiques de ce gène et en essayant de l’amplifier sélectivement par PCR. Les échantillons dans lesquels un produit de PCR sera détecté seront étudiés plus avant en séquençant le produit obtenu afin de récolter une information phylogénétique sur le ou les organismes d’où provient ce gène. Ces données permettront de mettre en évidence un éventuel cycle annuel des organismes fixateurs d’azote à la station DYFAMED.

 

      Les paramètres ainsi mesurés sont :

      - Concentration du picoplancton (bactéries, Prochlorococcus, Synechococcus, picoeucaryotes)

      - Diversité des échantillons naturels de picoeucaryotes visualisée par un profil de bandes sur gel d’électrophorèse (DGGE)

      - Séquences du gène de l’ARN 18S et arbres phylogénétiques

      - Abondance relative des divers groupes du picoplancton eucaryote

      - Diversité génotypique de Prochlorococcus après amplification et digestion du gène pcb

      - Séquences du gène nifH

 

 

      Pour la biomasse zooplanctonique, les migrations nycthémérales sont prises en compte avec un échantillonnage jour/nuit sur un cycle d'au moins 48h, avec pour chaque point d'échantillonnage :

1) un trait vertical 0-200m avec un filet triple 200µm pour estimation de la biomasse sestonique et de la taxonomie (paramètres standards internationaux);

2) un trait double-oblique sur 0-200m avec un filet de vide de maille 200µm afin de récolter les organismes vivants à mettre en expérience dans des conditions nutritionnelles naturelles ou limitatives, afin : i) d'estimer l'activité et la sélectivité alimentaire (mesures pigmentaires et incubations); ii) de mesurer la fécondité des populations; iii) d'évaluer les processus d'égestion.

Ces expériences seront conduites sur les espèces dominantes.

 

 

a) Phytoplancton

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

Voir les mesures standard de pigments effectuées dans le cadre du SO DYFAMED.

Echantillons de pièges à sédiments fixes (200 et 1000 m)

 

► Campagnes saisonnières (2004)

Description de la distribution verticale des groupes phytoplanctoniques spécifiques par la mesure des pigments par HPLC, en relation avec la distribution détaillée des divers nutriments. Détermination de la variabilité temporelle de ces paramètres sur 72 h. La distribution sera détaillée au niveau des différentes nutriclines (12 profondeurs ou plus). Suivi des évolutions temporelles (sur 48 h) des populations phytoplanctoniques dans des enceintes dopées par un nutritifs susceptible d’être apporté par voie atmosphérique.

Mesure de pigments sur les échantillons de pièges dérivants de type PPS 5 (1 aliquote, soit 1/8^ème)

Prélèvements : CTD rosette (pigments) à 12 profondeurs

Nombre d’ échantillons par jour : 24 (pigments) + enceintes (cf § III)

2 profils par 24 h (jour + nuit) pour les pigments (4-5 jours)

1 profil journalier de production primaire particulaire et dissoute (4 jours)

Dosage des pigments (caroténoïdes et phaeopigments) sur le matériel des pièges dérivants (4 échantillons par sortie)

 

b) Picophytoplancton

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

1) Cytométrie : 2 mL fixés au glutaraldéhyde 0,2% (15 mn), congélation dans l’azote liquide puis stockage à – 80°C. Prélèvements à toutes profondeurs. 2 échantillons par profondeur.

 

2) Diversité et abondance des picoeucaryotes : 1,5 à 3 L (selon la biomasse chlorophyllienne) préfiltrés sur 3 µm et récoltés sur filtre Supor 0,45 µm (filtres en cascade), congelé dans un tampon ADN. Prélèvements à 3 profondeurs en période homogène, davantage (4 à 6) dès le début de la stratification de la colonne d’eau (e.g., 5 m, nitracline, maximum de chlorophylle, 20 m au-dessus du maximum de chlorophylle). 1 échantillon par profondeur (2004 seulement)

 

3) Diversité de Prochlorococcus : 1 L filtré sur Supor 0,2 µm et congelé à sec dans un cryotube. Profondeurs/nombre d’échantillons : idem (2) (2004 seulement)

 

► Campagnes saisonnières (2004)

Idem « Campagnes mensuelles », plus analyses cytométriques et analyses de la diversité des picoeucaryotes par DGGE à T₀ et en fin d’incubation des différents échantillons incubés à bord après ajout de traces de différents éléments.

Remarque : la participation aux campagnes saisonnières sur ce poste se limitera à une sortie (mars ou septembre).

 

 

 

c) Zooplancton

Paramètres mesurés : taux d’ingestion des espèces dominantes par groupe de proies potentielles, y compris les proies hétérotrophes ; sélectivité ; production gonadique des espèces dominantes ; taux d’égestion des espèces dominantes.

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

Prélèvements par filets WPII de 200 µm horizontaux et obliques ; bouteilles Niskin

Volume d’eau prélevé : 60 L ; profondeur : 0-200 m ; 12 prélèvements / 24 h ; 44 échantillons issus de l’incubation de certains de ces prélèvements / 24 h

Manipulations à bord : tri des prélèvements à la loupe binoculaire, mesure de la fluorescence intestinale et incubations pour 1) mesures de broutage 2) mesures de la production d’œufs et 3) mesure de la production de pelotes fécales

2 personnes à bord

2 m linéaires de paillasse

 

 

II.3. Flux particulaires et dissous

 

Les données régulières de flux à 200 m acquises dans le cadre du SO DYFAMED permettront d’appréhender les variations temporelles et verticales des flux particulaires en fonction des différentes configurations de limitation chimique.

 

Voir aussi § II.1

 

 

II.4. TEP –DOM

 

► Campagnes mensuelles (2004 et 2005)

 

a) Distribution saisonnière des TEP dans la colonne d’eau - Etude de la production et de la colonisation bactérienne des TEP en relation avec le statut trophique du milieu

Pour savoir si les TEP constituent ou non un support privilégié pour le développement des bactéries, la colonisation bactérienne sera étudiée ainsi que le nombre de bactéries actives fixées à ces particules prélevées à différentes profondeurs. Cette étude in situ complétera les études en microcosmes en cours (interactions TEP-bactéries et interactions TEP-organismes filtreurs, en l’occurrence des copépodes). Les paramètres mesurés sont : l’abondance et le spectre de taille des TEP, l’abondance et la caractérisation des bactéries associées aux TEP.

 

Prélèvements de 200 mL à 10, 30, 50, 90, 130, 200, 500, 1000 et 2000 m.

Pas de personne spécifiquement embarquées pour ce travail. Manipulations à terre (conservation des échantillons à T ambiante si retour < 5 heures, sinon congélation à – 20°C).

 

 

b) Variations saisonnières des propriétés d’adhésion des TEP - Caractérisation microscopique des TEP à partir d’échantillons purifiés et concentrés de TEP provenant de la couche euphotique

Les objectifs sont : i) déterminer les rôles de la turbulence et de la dégradation bactérienne dans les processus d’agrégation/désagrégation, afin de prédire les variations dans les flux particulaires en fonction de la profondeur et de la saison (limitation saisonnière) ; ii) caractériser chimiquement les TEP et révéler les variations saisonnières de leur composition liées aux conditions de limitation en nutriments.

 

Prélèvements par bouteilles Niskin de 10 L à 25, 50, 100, 250, 500 et 1500 m pour les expériences de coagulation

Prélèvement de 10 L à 25 m pour purification et concentration des TEP.

Manipulations à bord : Préfiltration des échantillons ; purification et concentration des TEP pour caractérisation microscopique et analytique.

2 m² de paillasse requis.

 

 

► Campagnes saisonnières (2004)

 

a) Abondance et spectre de taille des TEP dans la colonne d’eau (complément aux études mensuelles) - Colonisation bactérienne des TEP à court terme en relation avec le statut trophique du milieu

Protocoles : idem sorties mensuelles a) + prélèvement (2 L) toutes les 4 heures à 2 profondeurs.

1 personne à bord, 60 cm de paillasse.

 

b) Caractérisation chimique de la HWM DOM 

La nature et l’abondance de ce matériel semi-labile recyclé aux échelles mensuelle et annuelle seront déterminées par la caractérisation de la fraction de haut poids moléculaire (HWM, environ 30% de la DOM totale). La fraction de HWM de la DOM sera récupérée (campagnes saisonnières) par ultrafiltration à bord. La spectroscopie RMN et les techniques électrophorétiques seront utilisées pour étudier la distribution des groupes organiques fonctionnels dans les isolats de HWM DOM. Différents monomères organiques (sucres, aminoacides, lipides) seront isolés et caractérisés par GC, HPLC et GC-MS.        

En complément, des expériences in situ et en culture permettront de mesurer la consommation de biomolécules dissoutes et la production bactérienne. Ceci contribuera à évaluer la disponibilité de tels substrats naturels vis-à-vis du bactérioplancton. Plus globalement, cette approche permettra d'expliciter les paramètres qui contrôlent l'occurrence de la DOM sous différentes dynamiques nutritives et trophiques.

 

c) Relation entre les stocks de HWM DOM et de TEP 

Afin d'étudier l'hypothèse de formation des TEP par coagulation des AcylPolySaccharides (APS), la composition chimique des HMW DOM et des TEP sera analysée, à travers les données saisonnières acquises au site DYFAMED et des expérimentations en culture. Les TEP seront purifiées et concentrées selon la méthode magnétique (Mari & Dam, en prép.) également utilisée pour caractériser chimiquement les TEP (campagnes mensuelles). Si cette hypothèse est vérifiée, une fraction importante de la DOM peut être exportée via la formation de TEP, ce qui souligne le rôle que jouent les TEP entre les cycles de DOM et de matière organique particulaire.

 

d) Propriétés d’adhésion et caractérisation chimique des TEP

Les macromolécules composant la matière organique colloïdale (30 à 40% du pool de DOM ; Benner et al., 1992 ; Santschi et al., 1995) sont supposées être à l’origine de la formation des TEP. Mais si l’agrégation de la HWM DOM en neige marine par l’intermédiaire des TEP est une voie majeure d’excrétion de la DOM de la surface des océans, ce processus est peu connu. La nature chimique des TEP et leurs propriétés d’adhésion seront étudiées en relation avec la disponibilité saisonnière des nutriments et en fonction de la profondeur. Les propriétés d’adhésion des TEP seront étudiées au laboratoire (expériences de coagulation en conditions contrôlées sur 4 niveaux de turbulence, un dispositif oscillant produisant les différents niveaux de turbulence). Un exercice de modélisation permettra de déterminer le coefficient d’adhésion des TEP.

 

Remarque : Les analyses qui requièrent un matériel indisponible à Villefranche (RMN, GC-MS) seront effectuées sous la responsabilité de Dan Repeta.

 

Prélèvements en bouteilles Niskin :

- 10 L à 25, 50, 100, 250, 500 et 1500 m pour les TEP (purification et concentration) et 200 L à 25, 500 et 1500 m pour HMW DOM (purification et concentration) ;

- 200 L à 25 m pour expériences sur la composition chimique des TEP et leurs propriétés d’ adhésion en fonction de l’activité bactérienne (15 jours d’incubation)

Manipulations à bord : 2 personnes, 3 m² de paillasse

 

 

Collaborations :

Adrian B. Burd (Univ. of Athens, Georgie, USA)

Peter H. Santschi (Univ. of Texas A&M, Galveston, Texas, USA)

Daniel J. Repeta (Woods Hole Oceanographic Institute, Woods Hole, USA)

 

 

 

II.5. Processus d'assimilation

 

a) Fixation biologique de N₂

Si dans certaines zones océaniques, P est l'élément limitant, c'est d'abord parce que N ne l'est pas. Qu'en est-il en Méditerranée ? La fixation d'azote atmosphérique a-t-elle lieu, et dans ce cas, quelle est son intensité ? Jusqu'à présent, la quantification de la diazotrophie en Méditerranée a été indirecte (e.g., bilans à l'échelle d'un bassin). Ce processus doit à présent être quantifié directement. Deux approches sont prévues ici :

      1) Utilisation de l'isotope stable ¹⁵N, d'après le protocole décrit par Montoya et al. (1996), parallèlement aux mesures classiques des flux d'autres espèces chimiques d'azote (nitrate et ammonium). Les mesures de diazotrophie doivent être effectuées séparément sur la fraction picoplanctonique (bien que l’analyse de génomes complets de Prochlorococcus et Synechococcus semble indiquer qu’aucun de ces deux organismes ne possède le gène nifH et donc la capacité de fixer l’azote) et la fraction nanoplanctonique (taille > 3 µm) qui, malgré sa faible abondance dans les eaux oligotrophes (5 à 30% de la chlorophylle totale), pourrait être le siège principal de la diazotrophie (Zehr et al., 2001).

      2) L'approche génétique permettra d'identifier dans les échantillons naturels (clonage et séquençage) les espèces possédant le gène nifH, c'est-à-dire potentiellement capables de fixer N₂. Malgré les nombreuses publications suggérant la fixation de N₂ atmosphérique en Méditerranée, aucune vérification directe n'a été faite à ce jour.  Une première étape consistera à rechercher la présence du gène nifH à une ou deux profondeurs au cours du suivi saisonnier. Cette étude qualitative et les mesures quantitatives de ¹⁵N sont complémentaires.

 

 

Il faut ajouter que d'une part, la fixation d'azote ne peut se faire en l'absence de tout autre substance nutritive, et l'étude du processus de diazotrophie se fera en connaissance des autres apports nutritifs, notamment le phosphate et le fer. Ceci sera particulièrement important en conditions d'oligotrophie, quand les apports atmosphériques constituent la seule source possible d'alimentation pour les eaux stratifiées du large. D'autre part, l'assimilation d'azote résultant du processus de diazotrophie doit conduire à des rapports cellulaires N/P supérieurs à 16 chez les organismes concernés. Il sera donc important de suivre l'évolution des rapports C/N/P dans la fraction particulaire, autant que possible dans la fraction contenant préférentiellement les fixateurs d'azote (nano- et picoplancton), notamment dans les configurations saisonnières favorables à leur développement.

 

b) Limitation par P et assimilation compétitive

Quelle est la relation entre la limitation par les nutriments et la diversité des populations microbiennes ? Cet aspect sera abordé par des expériences in vitro : l'eau de surface du site DYFAMED sera utilisée pour dopage/incubation au laboratoire. Ajouts de NH₄⁺, PO₄^3- et glucose (en tant que source de carbone). L'effet de l'enrichissement sera examiné à intervalles réguliers. Cette approche est très complémentaire des travaux de dopage/incubation proposés en milieu naturel. Les paramètres de contrôle seront ici l'incorporation de leucine, de ¹⁴C, les biomasses bactérienne et phytoplanctonique, l'activité bactérienne, la cinétique d'assimilation et le temps de turnover (marquage par ³³P) et les mesures de P soluble réactif, POD, POP, COD et COP. Des échantillons d'eau seront prélevés dans la colonne d'eau et incubés à température in situ et la cinétique de consommation d'oxygène sera mesurée.

 

 

c) Métabolisme bactérien

L'efficacité de croissance bactérienne sera estimée dans la couche de surface (0-200 m) en mesurant la l’abondance, la production et la respiration bactériennes. Un cycle d'un an pourrait débuter à l'été 2003 dans le cadre d'une comparaison avec des systèmes côtiers : point B de la baie de Villefranche-sur-mer, baie de Palma ainsi que l'estuaire et le panache de l'Escaut (travail post-doctoral de N. Gonzalez-Benitez, LOV Villefranche).

      Le métabolisme hétérotrophique dans la colonne d’eau sera examiné en relation avec les flux de COP et de DOC (processus de transport vertical et de régénération). Les bactéries sont-elles des producteurs ou des reminéralisateurs ? L’objectif est de quantifier la contribution de la respiration planctonique aux processus de reminéralisation dans la colonne d’eau, en particulier dans la couche aphotique. Selon des travaux récents sur la colonne 0-2000 m au site DYFAMED (Tanaka & Rassoulzadegan, 2002), les profils verticaux d’abondance et de biomasse microbiennes dans la colonne d’eau montrent que le modèle log-log de décroissance en fonction de la profondeur ne se vérifie pas dans la couche mésopélagique. Cela suggère des mécanismes de transport de la matière organique différents des couches mésopélagique à bathypélagique.

 

 

 

III. Fertilisations expérimentales des eaux de surface

 

Les échantillons de pluie collectés au Cap Ferrat ont déjà permis de calculer l'impact théorique d'un apport atmosphérique significatif en phosphore sur la dynamique phytoplanctonique en conditions oligotrophes : par exemple, un flux de 17 µmol P réactif m^-2, observé en période estivale, pourrait induire, en admettant un rapport C/P de 106, une production de l'ordre de 0,02 g C m^-2 (Migon & Sandroni, 1999). La vérification expérimentale d'un tel impact sera effectuée in situ : des enceintes transparentes de type LET GO (4,5 litres), enrichies avec une quantité de phosphore (ou de tout autre élément intervenant dans la limitation de la production, comme l’indiqueront les études de caractérisation saisonnières) correspondant à un tel apport compte tenu d'un effet de dilution sur une colonne d'eau typique de 5 m, seront mouillées au site DYFAMED. Après incubation, l'évolution du milieu sera observée : concentrations en sels nutritifs, production primaire, biomasses phytoplanctoniques totale et spécifique (mesures pigmentaires par HPLC), abondance et dynamique des populations du picoplancton, etc., permettant ainsi d'appréhender les paramètres chimiques qui régulent la production primaire, la cinétique d'assimilation de N, P et Si par les diverses espèces, ou encore l'aptitude d'une espèce donnée à fixer le carbone du milieu. A noter que cette approche, qui sera utilement complétée par des expériences en cultures, a déjà révélé une réaction rapide (dès 24 h d’incubation) de la plupart des classes phytoplanctoniques (Chambard, 1999; Magro et al., 2000; Migon & Sandroni, 2000).

      Par ailleurs, l'influence de la disponibilité en P ou Fe sur le cycle de N et sur la production primaire sera examinée au moins une fois par campagne par des expériences d'enrichissement (Fe + phosphate) réalisées en bacs sur des échantillons de surface avec des incubations de l'ordre de 48 h. Dans le même ordre d'idées, l'impact d'une co-limitation en fer et en phosphore sera étudiée expérimentalement (en particulier, l'hypothèse de la limitation de l'absorption de Si(OH)₄ par la disponibilité en fer, comme cela a déjà été démontré en zone HNLC australe). La problématique d'enrichissement chimique du compartiment pélagique sera étroitement couplée aux études de dissolution du matériel atmosphérique dans la couche marine de surface. Le rôle des poussières minérales (dissolution de la silice lithogénique) sera évalué.

      Quelle est la relation entre limitation par les nutriments et diversité des populations microbiennes ? Cet aspect sera abordé par des expériences in vitro : l’eau de surface du site DYFAMED sera utilisée pour dopage/incubation au laboratoire. Ajouts de NH₄⁺, PO₄^3- et glucose (en tant que source de carbone). L’effet de l'enrichissement sera examiné à intervalles réguliers. Cette approche est très complémentaire des travaux de dopage/incubation proposés en milieu naturel. Les paramètres de contrôle seront ici l’incorporation de leucine, de ¹⁴C, les biomasses bactérienne et phytoplanctonique, l’activité bactérienne, la cinétique d’assimilation et le temps de turnover (marquage par ³³P) et les mesures de P soluble réactif, POD, POP, COD et COP. Des échantillons d’eau seront prélevés dans la colonne d’eau et incubés à température in situ et la cinétique de consommation d’oxygène sera mesurée.

      Les algues comme les bactéries hétérotrophes sont capables de développer l’expression d’une activité ectoenzymatique, la phosphatase alcaline, qui permet d’obtenir du phosphate sous forme minérale après hydrolyse de phosphore organique dissous. Le suivi simultané de l’activité phosphatase et de la production bactérienne in situ, ainsi que des expériences d’enrichissement (in vitro) en N, P minéral, glucose, seuls et/ou en combinaison, ont permis d’établir un gradient horizontal de limitation dans les eaux de surface en Méditerranée, mais aussi un  gradient de limitation sur la verticale dans la zone euphotique (Van Wambeke et al., 2002). A la station DYFAMED, en septembre, les bactéries hétérotrophes passent d’un stade de limitation en phosphate à un stade de limitation en carbone labile à une profondeur où le phosphate est toujours indétectable, et qui correspond à un temps de turnover de la phosphatase alcaline d’environ 100 h (Van Wambeke et al., 2002). Des expériences d’enrichissement seront menées à différentes profondeurs sur la verticale avec pour objectif : i) de mesurer la production bactérienne et l’activité phosphatase alcaline in situ, en relation avec le cycle du phosphore, et du carbone; ii) de suivre la variabilité des facteurs limitant les bactéries hétérotrophes sur la colonne d’eau (zone euphotique essentiellement, les 150 premiers mètres environ), en fonction de certaines situations saisonnières types, en réalisant des expériences d’enrichissement en N, P minéral, et glucose (voir § II.1.c).

 

 

► Campagnes saisonnières (2004)

 

Protocoles :

1-2 expérience(s) en enceinte LET GO de 4,5 L  : effets d’un apport nutritif sur la production et sur la composition phytoplanctonique spécifique (pigments)

Enceintes à 3 et 10 m (couche mélangée et surface, selon profil)

 

IV. Modélisation

 

L'approche modélisatrice sera intégrée dès sa mise en route du projet.  Plusieurs échelles seront couvertes, allant du processus à la variabilité interannuelle.

 

IV.1. Processus

Jusqu’à présent, les modèles 1-D appliqués au site DYFAMED ne prenaient en compte que la limitation par N (Andersen & Nival, 1988; Lévy et al., 1998a; Tusseau et al., 1998), et dernièrement la limitation par Si (Olivier, 2001). Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle biogéochimique pour la Méditerranée faisant intervenir le P, ni les apports atmosphériques en sels nutritifs, les processus de dissolution, etc. Les questions scientifiques importantes qui motivent les modélisateurs et qui seront couvertes par un programme d'envergure au site DYFAMED sont :

- la co-limitation de la photosynthèse, avec un aspect fondamental et particulièrement bien adapté à la Méditerranée, à savoir le (dé)couplage N/P, ou le rôle de Si et Fe.

- le recyclage de la DOM et l'activité bactérienne - boucle microbienne.

- le transfert surface - colonne d'eau et le devenir de la matière organique dans l'océan profond.

      Les échelles de temps qui seront abordées par la station DYFAMED en modélisation sont les suivantes :

- la haute fréquence (échelle impulsionnelle : apport atmosphérique intense, coup de vent)

le cycle saisonnier (variabilité des co-limitations, succession d'espèces)

- la variabilité inter-annuelle (avec la composante anthropique sur le long terme)

      Une modélisation déterministe des co-limitations chimiques successives de la production primaire par la disponibilité en micro- (Fe) et macro-éléments (sels nutritifs) est proposée sur la base des expériences d'enrichissement régulières (systèmes LET GO incubés in situ) et celles prévues au cours des campagnes saisonnières 2003-2004. En outre, une modélisation du processus de diazotrophie et des effets de la disponibilité de fer et de phosphore sur l'efficacité de ce processus est envisagée dans la mesure où les travaux menés sur le site DYFAMED révèlent une fixation significative. La prise en compte de ces co-limitations, ainsi que l'importance du volet concernant le devenir de la matière organique, demandent la représentation explicite de plusieurs types de producteurs primaires. En effet, non seulement certaines espèces sont associées à des co-limitations spécifiques (e.g., Fe et Si pour les diatomées, Fe et P pour les diazotrophes, N et/ou P pour le picoplancton), mais la proportion de la production primaire nette susceptible d'être exportée résulte de la structure du réseau trophique, fortement conditionnée par le premier échelon. Cette différenciation permettra en outre de mieux représenter à la fois la boucle microbienne dans la couche euphotique, régénérant la matière organique localement, et l'export de flux particulaire, associé à des tailles de particules différentes. De même, le potentiel d'export de la DOM, très important dans les régions oligotrophes, nécessite de décomposer le réservoir générique "DOM" en compartiments caractérisés par leur composition chimique (rapport C:N:P) et leur degré de labilité (temps de turnover) (Lévy et al., 1998a). A cet égard, le rôle des TEP dans le bilan de carbone devra être exploré dans la mesure du possible (Mari et al., 2001). Enfin, pour décrire le devenir de la matière organique exportée dans les ouches profondes, le couplage entre un modèle de surface et un modèle de zone aphotique est prévu. Contrairement aux modèles pélagiques, ces modèles de colonne d'eau sont encore peu développés et ne prennent en compte que peu de processus. Les premières études se baseront sur des modèles déjà existants (Kriest & Evans, 1999; Athias, 2001), et chercheront à les améliorer, en prenant appui à la fois sur les données de DYFAMED mais aussi sur d'autres programmes d'observation (POMME) et d'autres bases de données (BATS, HOT).

      Les paramétrisations développées seront incluses dans des modèles biogéochimiques d'écosystème pélagique couplés à des modèles hydrodynamiques unidimensionnels (modèles OPA ou Symphonie). Ainsi, un modèle biogéochimique, initialement couplé à la version tridimensionnelle de Symphonie a déjà permis d'étudier l'impact des phénomènes physiques de méso-échelle sur l'exportation de carbone dans le Golfe du Lion (Diaz, 2000). Ce modèle décrit, dans sa configuration actuelle, les cycles pélagiques de l'azote et du phosphore avec notamment une co-limitation de la croissance phytoplanctonique par la disponibilité en phosphate et en nitrate. D'autres études se sont intéressées à l'impact de facteurs physiques à méso-échelle sur la floraison printanière en Méditerranée nord-occidentale (Lévy et al., 1998b, 1999, 2000; Mémery et al., 2002; Olivier, 2001).

      D'autres paramètres et/ou des modifications de structure du modèle seront introduits en fonction des observations de terrains acquises dans le cadre du projet (e.g., variabilité impulsionnelle des concentrations de substances nutritives, groupes phytoplanctoniques dominants, etc.). A cet égard, la quantité et la qualité des données DYFAMED ont déjà permis de mener des exercices de "calibration objective" de modèles biogéochimiques, grâce àl'écriture du code adjoint de ces modèles (Faugeras et al., 2002). En effet, les modèles biogéochimiques sont caractérisés par un nombre important de paramètres internes, souvent mal connus soit parce que leur mesure est difficile, soit parce qu'ils représentent plusieurs processus et qu'ils n'ont pas d'équivalents observables. La calibration de ces modèles est donc délicate. L'assimilation variationnelle de données est un outil mathématique puissant pour aborder ce type de problématique. L'acquisition de données à des fréquences régulières au site DYFAMED fournira les conditions idéales pour ces méthodologies et quantifier, par exemple, la variabilité saisonnière de certains paramètres, ou la cohérence des modèles et des observations.

      La validation/calibration de ces modèles se fera donc essentiellement sur sa capacité à reproduire les successions saisonnières i) des éléments chimiques qui contrôlent le développement de l'échelon primaire, ii) des groupes fonctionnels phytoplanctoniques contrôlant l'exportation de carbone au site DYFAMED, et iii) des observations recueillies dans les pièges à particules (flux de masse, composition).

      Sur des échelles de temps de l'ordre de la saison, le site DYFAMED peut être considéré comme un système 1D vertical. Cette caractéristique permet d'envisager avec confiance une modélisation 1D lors d'une expérience de fertilisation. Les zones d'ensemencement en fer dans le Pacifique équatorial (IRONEX – Coale et al., 1996) et l'Océan Austral (SOIREE – Boyd et al., 2000) étaient caractérisées par des vitesses de surface dépassant 50 cm s^-1, ce qui est d'un ordre de grandeur plus élevé que les vitesses moyennes au site DYFAMED. Cependant, les structures de moyenne et petite échelles sont ubiquistes dans l'océan, et peuvent avoir des impacts locaux importants, comme cela a été montré par exemple à BATS (McNeil et al., 1999). En outre, les instabilités du courant Liguro-Provençal peuvent parfois atteindre une extension suffisante pour toucher le site DYFAMED. Par conséquent, une modélisation 3D régionale à petite échelle doit être aussi considérée, ce qui permettra en outre deprendre en compte les échanges côte-large.

      Sur des échelles pluri-annuelles, l'hypothèse 1D n'est plus valide, ce qui demande alors de vraiment prendre en compte en compte les apports latéraux. Ceci ne peut se faire que dans des simulations plus globales de la Méditerranée. Des techniques d'emboîtement sont maintenant opérationnelles pour effectuer des zooms à haute résolution sur la zone DYFAMED : les conditions aux limites ouvertes sont alors prescrites par le modèle grande échelle (Tusseau-Vuillemin et al., 1998; Echevin et al., 2001). Ce type d'approche est indispensable si on s'intéresse à la variabilité du signal profond sur des échelles longues, associées par exemple aux perturbations anthropiques.

 

      Un point très important de ce projet est que, dans une configuration donnée de limitation, les données acquises permettront de suivre les évolutions des rapports stoéchiométriques du matériel exporté. Le couplage production-exportation de C dépend non seulement du rapport f (production nouvelle/production totale) et de la respiration, mais aussi de la stoechiométrie C:N:P du matériel exporté par rapport à celle du phytoplancton (généralement supposée identique, ce qui est manifestement incorrect). A partir des variations de stoechiométrie sur la verticale et dans le temps caractérisées au site DYFAMED, sera développée une autre approche, avec un modèle qui contraint l’exportation verticale de carbone de la zone euphotique au moyen des valeurs de :

      i) production primaire nette,

      ii) respiration hétérotrophe,

      iii) fixation nette de C,

      iv) composition chimique du matériel particulaire et dissous exporté (C:N ou C:P).

      Ce modèle associe donc dans un même ensemble d'équations deux perspectives jusqu'à présent indépendantes, à savoir que l'exportation est contrôlée par (1) l'apport d'un élément limitant (dans sa forme la plus simple, le modèle d'Eppley & Peterson, 1979) et (2) la différence entre la production primaire nette et la respiration hétérotrophe. Ce modèle pourrait fournir un cadre conceptuel pour l'exploitation des données acquises au site DYFAMED.

 

      La découverte récente que la stoéchiométrie des éléments chimiques (C, N, P, Si) n’est pas conforme aux rapports constants C:N:P = 106:16:1 de Redfield est une conséquence inattendue des programmes de recherches pluridisciplinaires tels que U.S. JGOFS et WOCE (Hood, 2001 ; Michaels et al., 2001). Cette conclusion provient de l’analyse des mesures réalisées aux stations temporelles HOT, BATS et DYFAMED, au cours de ces dix dernières années.

      Les modèles écologiques basés sur le concept de Redfield n’arrivent pas à reproduire certains aspects importants du cycle des éléments. Cela provient essentiellement du fait que les couplages dynamiques entre les cycles ne sont pas considérés (Karl et al., 2000).

      L’approche stoechiométrique a permis la réalisation d’études expérimentales ou de modélisation (Elser & Hassett, 1994 ; Anderson, 1997 ; Touratier et al., 1999a, b; Touratier et al., 2000 ; Touratier et al., 2001). Avec ces études, il est possible d’entrevoir l’importance et surtout les conséquences de la variabilités de rapports C:N:P:Si au niveau des composants et des processus sur la dynamique des écosystèmes marins. Le principal avantage de cette approche réside dans sa capacité à intégrer et simuler le cycle biogéochimique des principaux éléments (Sterner & Hessen, 1994 ; Elser et al., 1996). Par cette méthode, ce n’est pas seulement la quantité, mais aussi la qualité (les rapports des éléments) des composés qui influencent un nombre important de processus au sein des réseaux trophiques. Ces aspects nouveaux ont stimulés l’émergence d’une nouvelle génération de modèles d’écosystème (Anderson, 1997 ; Touratier et al., 2000, 2001) où la variabilité des rapports élémentaires est explicitement parametrisée. Le but de cette étude, commune aux propositions PROOF MELISSA et ACTION (Anthropogenic Carbon : Temporal Increase, Observations and Numerization; proposé par C. Goyet), est de fournir un modèle stoéchiométrique capable de décrire la dynamique des principaux compartiments inorganiques, organiques, particulaires et dissout au site DYFAMED.

      La Figure 5 montre la structure du modèle qui sera construit pour simuler la dynamique du réseau trophique au site DYFAMED. Pour construire un tel modèle avec les unités C, N, P et Si, les paramétrisations de Anderson (1997) et Touratier et al. (2001) décrivant les processus autotrophiques et hétérotrophiques, seront intégrées au modèle d’écosystème construit par Touratier et al. (en prép.).

      Dans le cadre du projet ACTION, l'objectif sera de calibrer et de valider la structure du modèle stoéchiométrique éléments qui sera couplé à un  modèle de chimie du carbone. Ce modèle est destiné a être couplé au modèle OPA 3D du LODYC pour toute la Méditerranée. Dans le cadre de MELISSA, le but sera d’étudier l’influence des concentrations et des rapports des nutriments (nitrates/nitrites, ammonium, phosphates, silicates) sur la composition et la dynamique des  réseaux trophiques et les effets rétro-actifs sur le type d’élément qui limite la croissance du phytoplancton. Nous analyserons aussi les changements de limitation (N vers P ou vice-versa) observés au site DYFAMED (Marty et al., 2002; voir Figure 3).

 

 

 

Figure 5: Structure of the stoichiometric model with the highest level of complexity, to be build up for the MELISSA and ACTION projects. Red is for C, blue is for N, green is for P, and yellow is for Si. For clarity, processes between variables are not represented. Note that two types of nano-autotrophs are considered (non-calcifying and calcifying species; i.e. P2 and P3, respectively). Two types of dissolved organic matter are also considered, i.e. the low  and high molecular weight compounds (DO1 and DO2, respectively).

 

 

Collaborations
Ru Cheng Tian (Dept. of Earth and Planetary Sciences, Harvard University, USA)

 

 

IV.2. Evolution du système/Modèles prédictifs

La variabilité des rapports P:Si:N:C à l’échelle saisonnière sur le site DYFAMED sera étudiée en intégrant les séries temporelles déjà disponibles. Pour le matériel particulaire, le suivi du rapport C:N:Si:P dans la matière vivante (matériel filtré) et dans les pièges à particules (200 m) sera pris en compte. Pour le matériel dissous, les concentrations de nutriments (NO₃^-, Si(OH)^4-, PO₄^3-) seront prises en compte.

      La modélisation permettra d'évaluer l’impact des apports externes sur les rapports molaires et les flux de matière dans la colonne d’eau. L’étude de la distribution des espèces zooplanctoniques pourrait apporter des éléments de de réponse sur les conséquences trophiques d’un éventuel déséquilibre des rapports N:Si:P. Cependant, il n’y a pas de valeurs de référence aujourd’hui qui permette d’envisager une évolution. De telles observations au site DYFAMED pourraient toutefois servir de référence pour les évolutions futures.

      D'une part, de nombreux processus fondamentaux interagissent, très souvent d’une manière non linéaire, avec des échelles de variabilité qui recouvrent plusieurs ordres de grandeur, ce qui pose problème au niveau de l’observation. D'autre part, l’activité humaine peut non seulement fortement perturber flux et bilans de constituants biogéochimiques, mais aussi modifier le comportement d’écosystèmes dans leur globalité. Les relations entre ces paramètres étant souvent de nature non linéaires, voire chaotiques, des modèles de type “ réseaux de neurones ” seront utilisés dans le projet. Ils présentent l’avantage d’intégrer les processus stochastiques du comportement de l’écosystème, mais en contrepartie nécessitent de nombreuses données. Les séries temporelles du site atmosphérique du Cap Ferrat et du site marin DYFAMED, et l'acquisition des données dans le cadre du projet permettront une utilisation optimale de ce type de modélisation prédictive. Les résultats obtenus avec de tels modèles pourront être comparés avec ceux des modèles à compartiments plus classiques. Le projet MELISSA pourrait également être aussi l’occasion d’utiliser des méthodes d’analyses multivariées non linéaires pour examiner les relations entre les différentes variables prises en compte.