Le projet PECHE s’articule autour de plusieurs périodes d’observations in situ à différentes saisons : deux  campagnes à la mer en avril et juillet 2003 et une en septembre-octobre 2004. Une réunion des participants en 2002 permettra de planifier les stratégies d’échantillonnage et de démarrer et finaliser les collaborations indispensables à ce projet.

            Les trois campagnes seront réalisées afin :

- de mieux estimer (1) l’importance relative du zooplancton et des bactéries (et leurs ecto-enzymes associés) dans la minéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau et (2) la variabilité de la minéralisation suivant la structure du réseau hétérotrophe et la profondeur,

- d’apprécier les réponses de l’écosystème à des perturbations impulsionnelles en période de transition estivale; cet aspect sera étudié lors d'une campagne plurisdiciplinaire qui intégrera les études de processus réalisées à d'autres saisons pendant les deux campagnes précédentes.

  Notre projet, axé sur les processus verticaux, doit être réalisé dans une zone où les transferts latéraux sont négligeables. La zone centrale de la mer Ligure, en particulier la station permanente DYFAMED (à 28 milles au large du cap Ferrat), apparaît comme un site-atelier approprié. Cette zone n’est généralement pas soumise à des advections horizontales importantes.

            Les séries temporelles mensuelles acquises à la station DYFAMED depuis 1991 (e.g. Marty et al., 2002) permettront de resituer nos observations à petite échelle de temps dans l’évolution à plus long terme du système et fourniront les paramètres et processus complémentaires aux études que nous réaliserons en 2003.

            Les résultats pluridisciplinaires, tant expérimentaux (observations in situ) que théoriques (modélisation) de ce projet pourront être extrapolés à d'autres zones océaniques, en zone tempérée en particulier.

Les deux séries d’observations ont pour objectif de mieux cerner l’importance relative du zooplancton et des bactéries hétérotrophes dans la minéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau à l’aide d’approches originales.

            Les observations auront lieu (1) en période de maximum de biomasse zooplanctonique au printemps (avril), quand différents types d'organismes (copépodes, salpes, mollusques ptéropodes sont abondants, et (2) en période d'oligotrophie estivale (juillet) quand le flux particulaire présente un minimum annuel et où l'on s'attend à une activité d'hydrolyse maximale en surface. Le N/O Téthys-II sera demandé pour une période de 7 jours pour chaque campagne; la plupart de l'expérimentation se fera à terre.

            L’étude des traceurs biogéochimiques lipidiques et des processus bactériens en 1995, lors de la campagne DYNAPROC, a montré clairement des co-variations entre l'activité bactérienne (augmentation des activités bactériennes et des traceurs lipidiques d'hydrolyse) et la présence de zooplancton (accumulation de cires dans les pièges à sédiment), associé à la décroissance du flux particulaire et à l'accumulation de carbone non assimilé. Cependant le rôle respectif de ces hétérotrophes dans les flux de carbone observés n'est pas encore identifié. Une étude ciblée sur ce point est donc indispensable pour mieux appréhender les dynamiques physiques, chimiques et biologiques à courtes échelles de temps lors de l'étude complète du système pendant la campagne DYNAPROC-2.

L'approche pluridisciplinaire que nous proposons tient compte à la fois de la variabilité des caractéristiques chimiques de la matière organique et de la diversité des espèces bactériennes et de leurs fonctionnalités, en relation avec la composition de la communauté zooplanctonique.

            Elle s'attachera en particulier à déterminer :

- Comment évoluent les caractéristiques chimiques, biochimiques et microbiologiques de la colonne d’eau à l'échelle jour/nuit ?

- Quel est l’impact de différents types de pelotes fécales et d'agrégats sur ces mêmes paramètres ?

- Quelle est la nature des communautés bactériennes associées?

- Quel rôle jouent–elles dans la production et l’utilisation de la matière organique humique colorée au cours du cycle jour/nuit ?

- Que représente le flux d’hydrolyse ecto-enzymatique par rapport au flux de production bactérienne ?

- Que deviennent les activités bactériennes entre 200 et 1000 m (couche où elles ne sont pas influencées la pression hydrostatique) ?

- Quels sont les rôles de la stratification, des caractéristiques trophiques du système, et des conditions nutritionnelles associées, connues pour influencer l'activité des bactéries productrices d’ectoenzymes (Riemann et al. 2000) ?

        La stratégie repose sur :

- L’exploration de la colonne d’eau par des profils 0-1000 m à l’aide d’une CTD/rosette pour déterminer les caractéristiques hydrologiques, chimiques, biochimiques et microbiologiques dans les fractions dissoutes et particulaires des principales couches,

- La récolte d'agrégats avec la bouteille PDS (Programmable Detritus Sampler) et la récolte d'organismes zooplanctoniques par traits de filet, les différents groupes de zooplancton (classes de taille) étant mis en incubation de façon à récolter des pelotes fécales fraîches,

- La mise en incubation au laboratoire des pelotes fécales et des grosses particules dans l’eau du site et le suivi des caractéristiques chimiques, biochimiques et microbiologiques de ces agrégats,

- L'inventaire chimique de bio-polymères et de leurs monomères couplé à une approche enzymologique des cinétiques de transformation de ces polymères en monomères et des enzymes impliquées (pour les lipases).

Sels nutritifs, POC, DOC

Les réservoirs minéraux et organiques des éléments majeurs du cycle biogéochimique marin seront quantifiés sur l’ensemble de la colonne d’eau :

- Dosage colorimétrique automatique (Tréguer & Le Corre, 1975),

- Stocks de matières organiques dissoutes en termes de carbone, azote et phosphores: (Raimbault et al., 1999a),

- Biomasse en termes de carbone, azote et phosphore particulaires (Raimbault et al., 1999b)

- Dosage de carbone organique total par analyseur Shimadzu TOC 5000 (Cauwet, 1994).

Matière organique labile/semi-labile

            La matière organique labile/semi-labile sera caractérisée par sa composition en protéines, sucres et lipides, composantes biochimiques majeurs de la matière organique biogène. Pour les protéines et les sucres, les méthodes utilisées seront des méthodes spectrométriques globales avant et après hydrolyse de façon à avoir accès à la quantité relative de polymères et de monomères.

            Les lipides, qui représentent quelques % à 40 % du carbone incorporé dans les organismes marins, seront identifiés et quantifiés par chromatographie sur couche mince/détection à ionisation de flamme sur analyseur Iatroscan. Le carbone lipidique constitutif de la MO sera ainsi caractérisé suivant une acquisition à haute fréquence compatible avec les exigences d’un échantillonnage à petite échelle. Les stocks de carbone biogène et les processus d’échange entre les stocks seront étudiés grâce aux propriétés de traceurs des lipides (Goutx et al., 2000; Caillau et al., 1999; Weeks et al., 1993). L'analyse Iatroscan permet d'identifier à la fois les lipides estérifies (acyl-glycérides) et leurs métabolites de dégradation (les acides gras libres). L'étude du comportement de ces traceurs organiques s'accompagnera de la mesure de vitesse réelle de leur dégradation.

MOD réfractaire

            La matière organique macromoléculaire colorée (MODC) représente une fraction importante du DOC. Elle est majoritairement réfractaire bien qu'une exposition à la lumière augmente sa biodisponibilité. Elle comprend deux fractions : les acides humiques et les acides fulviques, dont les dynamiques sont différentes. Les acides fulviques ont une origine récente: ils résultent de la condensation sur une échelle de temps courte (jour/semaine) de lipides tels que les triacylglycérides (et les phospholipides) en présence de sources d’azote (minérale et/ou organique) dont ils deviennent alors un puits (Kieber et al., 1997).

            Dans le cadre de PROPECHE, l’objectif majeur sera de déterminer la dynamique des acides fulviques dans les systèmes étudiés en relation avec les variables ambiantes susceptibles de contrôler cette dynamique : (1) niveaux des lipides précurseurs (triacylglycérides, phospholipides), à la fois dissous et particulaires, (2) niveaux d’azote minéral et organique (acides aminés totaux) et (3) biomasse algale et activités microbiennes. La variable forçante utilisée sera celle des entrées de pelotes fécales.

            L’analyse des fractions fulviques (en équivalent carbone) et humiques se fera après séparation par chromatographie HPLC, en utilisant les coefficients d’absorption UV/visible spécifiques relatifs à chacune de ces fractions. La partie expérimentale réalisée en 2003 sur l’incubation de pelotes fécales devra permettre de préciser les conditions biochimiques et chimiques ambiantes favorisant la formation de matière fulvique (dissoute et particulaire), ainsi que les constantes de temps associées.

Activité ecto-enzymatiques

Du fait de leur intervention en amont dans les processus de dégradation, l'activité des enzymes est, dans la plupart des cas, le facteur limitant la décomposition du matériel organique et la croissance bactérienne qui s'accompagne de la respiration (Chrost, 1991). Il est donc important quand on étudie le devenir des productions biologiques notamment à travers la dynamique du réseau microbien de bien définir ce paramètre d'hydrolyse bactérienne (Riemann et al. 2000). Pour estimer les vitesses d'hydrolyse de la MO, les méthodes spectrofluoriméètriques sont les plus répandues. Elles sont basées sur l'utilisation de substrats analogues (petits monomères ou dimères) fluorescents et donnent accès à des mesures d'activités potentielles d'hydrolyse (Van Wambeke et al. 2001). Ces protocoles seront complétés par l'utilisation de substrat de type polymère, plus représentatifs de la structure de la matière organique hydrolysable (Kuznetsova  & Lee, 2001), ce qui permettra une estimation de la vitesse réelle d'hydrolyse in situ. Dans le cadre de PECHE, différents substrats seront utilisés : des substrats analogues (MCA-leucine, MUF-oleate, MUF-phosphate) et des modèles de biopolymères de type Lucifer Yellow anhydride (LYA) et de type triglycérides radioactifs (pris comme modèle de polymères). La mesure de la concentration en molécules organiques présentes dans le milieu permet de calculer un  taux d'hydrolyse réel.

L’hypothèse selon laquelle ce paramètre “ hydrolyse réelle ” serait un bio-indicateur très sensible aux variations chimiques et biologiques du milieu doit être testée. L’étude spécifique des lipides et des activités lipases associées constitue actuellement notre modèle pour tester cette hypothèse.

Biomasse et production bactériennes

Les bactéries libres représentent la grande majorité de la population bactérienne pélagique (>90%) et montrent un comportement saisonnier marqué. A l'inverse, les bactéries vivant attachées aux particules représentent une faible proportion de la population et varient de façon aléatoire montrant de brusques variations liées à des phénomènes hydrodynamiques transitoires. Ces bactéries disposent de plus grandes quantités de matière organique (Alldredge et al., 1993; Long & Azam, 1996) et leurs activités enzymatiques excèdent souvent celles des bactéries vivant librement (Karner & Herndl, 1992; Smith et al., 1995; Richardot et al., 1999; Becquevort & Smith, 2001). D'autre part, elles sont moins sensibles à la prédation par les protozoaires (Jürgens & Güde, 1994). Les différences taxonomiques observées entre les libres et les attachées montrent le rôle sélectif de la matière organique particulaire.

Dans le cadre du projet PECHE, on étudiera la contribution relative des bactéries libres et/ou attachées dans les processus de reminéralisation de la MOP et leur rôle dans les flux d'azote. La biomasse et la production bactérienne seront estimées dans les échantillons d'eau (population totale) et dans la fraction < 0.6 :m (bactéries libres). La biomasse sera estimée par cytométrie de flux et la production bactérienne par incorporation de leucine tritiée. Ces paramètres seront mesurés sur les  profils qui seront réalisés à chacune des deux saisons (avril et juillet 2003) et lors de séries d'incubation.

Structure des communautés bactériennes

Les outils retenus pour cette analyse sont essentiellement des outils de biologie moléculaire adaptés à l'analyse de la diversité bactérienne.

Différents auteurs ont démontré une relation directe entre l'apport de matière organique et l’abondance des bactéries, leurs activités ectohydrolasiques et leurs capacités de colonisation de particules (Palumbo et al., 1984; Smith et al., 1995). Néanmoins, ces caractéristiques phénotypiques globales ne permettent pas de comprendre l'organisation et le fonctionnement des communautés impliquées, deux composantes essentielles à la compréhension du fonctionnement des écosystèmes (Klug & Tiedje, 1993). A l'heure actuelle, peu de travaux prennent en compte cette relation structure/fonction de la communauté associée à la dégradation de la MO. Ce manque d’information est essentiellement attribuable à la difficulté d’accès à la diversité bactérienne par les méthodes culturales classiques (Amann et al., 1995; Lebaron et al., 1998). En utilisant des techniques cultures-indépendantes (reposant sur les caractéristiques phylogénétiques de l'ARNr 16S), Cottrell & Kirchman (2000b) ont notamment montré que l'utilisation de divers composés organiques dissous est plus ou moins efficace selon le groupe phylogénétique bactérien considéré, et ceci sans corrélation avec leur abondance relative. Ces rares travaux semblent également montrer que seul un nombre limité de groupes bactériens soit impliqué dans la dégradation de la MOD, mais que cette diversité reste fonction du type de MOD considéré (Cottrell & Kirchman, 2000b; Gonzalez et al., 2000).

L’approche présentée ici repose sur une estimation de la structure des communautés bactériennes couplée à la minéralisation de la matière organique d’origine zooplanctonique. Cette estimation nécessite à la fois une technique suffisamment discriminante pour décrire la communauté à l'échelle de l'espèce, mais aussi suffisamment reproductible pour le suivi à long terme de ces communautés en relation avec les différents descripteurs du milieu. La technique de SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism) couplée à un système automatisé d’Electrophorèse Capillaire (CE-SSCP) semble être à l’heure actuelle la technique la plus fiable pour répondre cet objectif (Delbès et al., 2000). Cette technique prometteuse n’a encore jamais été utilisée pour l’analyse de la structure de la microflore marine.

La stratégie d'échantillonnage sera la même que celle utilisée pour les mesures globales de biomasse bactérienne (cytométrie en flux), de production et d'activités spécifiques bactériennes, qui sont des données complémentaires indispensables pour estimer le rôle du compartiment bactérien dans la minéralisation de la MO d'origine zooplanctonique.

Flux biologiques de CO₂

Le bilan de l’activité biologique des micro-organismes marins peut être appréhendé par les mesures de production communautaire nette (PCN). Les flux de PCN représentent la balance entre les processus de photosynthèse et de respiration de la communauté microbienne et par conséquent permet de quantifier et de qualifier (autotrophie versus hétérotrophie) le rôle de la pompe biologique.

La méthode d’étude est basée sur la mesure des variations de teneur en oxygène dissous ou de carbone inorganique dissous dans des échantillons incubés pendant 24 heures à la lumière et à l'obscurité. Les flux journaliers minimums détectés par cette approche sont de l’ordre de 0,2 :mol O₂ dm^-3 (Williams & Jenkinson, 1982) ou de 0,5 :mol CO₂ dm^-3 (e.g. Goyet & Hacker, 1992). Les flux d'oxygène sont ensuite exprimés en flux de carbone à l'aide de coefficients de conversion. Cette approche sera appliquée à la mesure de la respiration de la communauté microbienne pendant les séries d'incubation.

Zooplancton

Les organismes zooplanctoniques, par la diversité spécifique des types trophiques et des processus métaboliques d’ingestion et d’égestion, jouent un rôle clé dans la structure de taille et la composition du matériel particulaire exportable. En effet, une pelote fécale n'a pas la même vitesse de sédimentation et n'est pas dégradée de la même façon selon l'espèce émettrice. De plus, sa composition biochimique dépend des conditions nutritionnelles du zooplancton. Pour cette étude, le zooplanton sera caractérisé par sa composition en classes de taille. Les espèces seront cependant examinées ponctuellement pour affiner certaines observations.

Pour récolter un spectre de tailles représentatif de la communauté zooplanctonique, on utilisera au moins deux filets de maille différente (filet Bongo, 133 :m; filet à nappes Bioness, 500 :m). Ces pêches obliques seront réalisées de nuit dans les couches superficielles où se concentrent les organismes, en particulier les migrateurs. Les organismes séparés par classes de taille seront mis en incubation pour récolter des pelotes fécales fraîches qui seront traitées comme  décrit précédemment. Un trait vertical dans la colonne 0-200 m avec un filet de 200 :m (standards internationaux) sera également effectué, de jour et de nuit,  pour la détermination de la biomasse.

La période de transition entre le système oligotrophe estival et le système automnal en zone tempérée et en particulier en Méditerranée nord-occidentale soulève plusieurs questions majeures concernant le contrôle de la production primaire et de l’exportation en profondeur et la dynamique des processus rapides. Le refroidissement de l’océan se produit en automne lors de périodes de vents forts. Comment réagit l’écosystème à ces processus physiques rapides ? Quelle est alors l’influence des enrichissements impulsionnels en nitrates sur le développement du bloom automnal du phytoplancton ?

Le pas de temps d’échantillonnage de la colonne d’eau à la station DYFAMED étant de 15 jours à 1 mois, sauf exception, ces enrichissements transitoires ne sont visibles que certaines années sur les séries temporelles acquises en ce site (séries DYFAMED : Marty et al., 2002; radiales PROS VI : FRONTAL, 1989; Lacroix, 1998). D’autre part, à cette époque, le phytoplancton apparaît dominé par des cellules de petite taille, prochlorophytes essentiellement (Marty et al., 2002 ) et le zooplancton est caractérisé par une abondance de filtreurs microphages, tels que des mollusques ptéropodes et des thaliacés (Franqueville, 1991; Chiarini, 1993; Sardou et al., 1996). Quelle est donc la part relative du contrôle de la production primaire par les ressources et celle du contrôle par la prédation ? Cette période est aussi déterminante pour le devenir de la matière organique particulaire et dissoute qui s’est accumulée dans les couches superficielles pendant l’été.

Des observations in situ à l’échelle de quelques heures à quelques jours et sur plusieurs semaines consécutives sont indispensables pour bien appréhender la réponse du système aux perturbations impulsionnelles et son évolution au début de l’automne, période peu étudiée jusqu’à présent.

Nous nous proposons donc d’étudier ces processus lors d’une campagne à la mer pluridisciplinaire en septembre-octobre 2004. Cette campagne, DYNAPROC 2 (DYNAmique des PROCessus rapides dans la colonne d’eau), fait suite à la campagne DYNAPROC réalisée en période post-floraison printanière (mai 1995).

Les principaux objectifs de cette campagne concernent donc :

1 - les facteurs de contrôle de la floraison phytoplanctonique automnale (disponibilité en sels nutritifs et broutage du zooplancton),

2 - l'influence de la diversité structurelle et fonctionnelle du réseau hétérotrophe sur le flux exporté en profondeur,

3 - l’impact des coups de vent sur la dynamique du système biologique,

4 - l’effet de cette transition saisonnière sur l’évolution de l’écosystème à plus long terme,

5 - l’acquisition d’un corps de données pluridisciplinaires pour paramétrer, contraindre et valider des modèles de processus et des modèles couplés physique-biologie.

Les principales observations se feront, à l’échelle de quelques heures à quelques jours, à une station fixe dans la zone centrale de la mer Ligure : variation de la biomasse phytoplanctonique et des paramètres physiques et chimiques associés, changement de structure du réseau trophique (phytoplancton, réseau microbien, grands organismes filtreurs,...), exportation de la matière en profondeur. La majeure partie de ces études biogéochimiques sera basée sur des mesures à courte échelle de temps (fréquence de 4 à 12 h) en station de longue durée (48 heures). Les mesures des variables et processus autotrophes et hétérotrophes seront réalisées par diverses techniques (prélévements rosette et traits de filets, par exemple); la composition et la qualité du flux particulaire seront fournies simultanément par des pièges à sédiments dérivants. On prévoit la réalisation de 8 cycles de 48 heures au cours de la campagne. Les processus liés à la production primaire seront explorés dans la colonne d’eau 0-200 m, ceux liés aux organismes hétérotrophes (bactéries, macrozooplancton en particulier) de la surface jusqu’à 1000 m de profondeur.

On disposera d‘un enregistrement continu des paramètres météorologiques à haute fréquence (échelle horaire ou inférieure), paramètres cruciaux pour notre étude, grâce à la bouée Météo-France mouillée au voisinage du site DYFAMED. 

Afin de déterminer l’environnement hydrologique de la station fixe et les gradients horizontaux supposés faibles, un réseau de 16 stations, centré sur le site principal d’observations, sera exploré à au moins quatre reprises pendant la campagne (profils CTD 02 fluorescence 0-1000 m et sels nutritifs).

La campagne DYNAPROC 2 débutera par une radiale (profils CTD 02 fluorescence 0-1000 m) pour déterminer la position exacte de la station fixe, qui sera située au voisinage du site DYFAMED ou quelques milles plus au large.

Cette étude intensive sera menée sur plusieurs semaines consécutives afin de bien appréhender les interactions et les couplages qui conditionnent la dynamique et l’évolution du système, de pouvoir saisir les effets des coups de vent et de documenter la transition saisonnière.

Une lettre d’intention sera adressée cette année à IFREMER pour une demande du N/O Thalassa pour une période de 30-35 jours entre mi-septembre et fin octobre 2004.

Biomasse et communauté phytoplanctonique

Plusieurs méthodes complémentaires seront utilisées pour quantifier la biomasse phytoplanctonique et déterminer sa composition. En effet, il est indispensable de bien apprécier la composition du phytoplancton dont les variations se répercutent sur l’ensemble du réseau trophique et sur le broutage du zooplancton en particulier.

           Une approche sera basée sur la réalisation de profils des pigments (chlorophylles et caroténoïdes) analysés par HPLC qui permettront de caractériser les différents groupes d’autotrophes (Vidussi et al., 1996) et de fournir des informations sur le devenir du phytoplancton (sénéscence, broutage). La cytométrie en flux permettra une description détaillée de l'ultraphytoplancton (< 10 :m), abondant à cette période de l’année et la détermination de l'état physiologique des cellules en contrôlant l'intégrité des membranes (Veldhuis et al., 2001). En complément de leur dénombrement par cytométrie en flux, la diversité des populations de cyanobactéries sera explorée par l’analyse de leurs phycoérythrines (Lantoine & Neveux, 1997). Les apports impulsionnels de sels nutritifs dans la couche de mélange liés aux coups de vent donnant souvent lieu à des blooms épisodiques de diatomées, la diversité spécifique du microphytoplancton (diatomées, dinoflagellés) sera également suivie à courte échelle de temps (microscopie optique inversée et microscopie électronique).

Production primaire et processus de régénération

Cette approche visera à (1) quantifier les éléments nutritifs disponibles pour la production primaire, (2) estimer l’assimilation biologique de CO2 et (3) estimer la part exportable et le devenir à court terme de la matière organique nouvellement formée, à partir de l’étude du cycle de l’azote (assimilation et régénération). La quantification des réservoirs minéraux et organiques des éléments majeurs du cycle biogéochimique marin sur l’ensemble de la colonne d’eau concernera : les sels nutritifs (nitrate, nitrite, phosphate, ammonium, silicate), les matières organiques dissoutes et particulaires en termes de carbone, azote et phosphore (Raimbault et al., 1999a; 1999b). Les flux biologiques associés à la production (sous forme particulaire et dissoute) et à la régénération de la matière organique (en terme de carbone et d’azote) seront estimés dans la couche euphotique. La quantification de la production nouvelle, de la production régénérée et des principaux flux de régénération de l’azote (régénération d’ammonium, nitrification; Raimbault et al., 1999c) sera faite par la méthode à l’azote-15, la quantification de la prise biologique du carbone pat la méthode au carbone-13. Ces mesures de production seront complétées par des estimations des flux d’excrétion d’azote organique dissous (NOD; Slawyk & Raimbault, 1995; Raimbault et al., 2000; Slawyk et al., 2000) et de carbone organique dissous (COD).

Minéralisation et composition de la matière organique - Communautés bactériennes

La minéralisation et la composition de la matière organique dans la colonne d'eau et leur variabilité selon la diversité structurelle et fonctionnelle de la communauté hétérotrophe seront abordées selon les mêmes approches que pour les campagnes PROPECHE, l'échantillonnage se faisant à plus petite échelle de temps et étant étroitement couplé aux autres études pluridisciplinaires dans le cas de DYNAPROC 2. Par exemple, en ce qui concerne les bactéries hétérotrophes, leur distribution verticale et leur viabilité seront estimées par cytométrie en flux (Gregori et al., 2001). L’activité des bactéries influencées par la pression hydrostatique dans la colonne d’eau profonde (Tamburini et al., 2002) sera intégrée à cette étude si ce thème de recherche est soutenu par le recrutement au CNRS d’un chercheur.

Flux biologiques de CO2 et assemblages microbiens dans la colonne d'eau

Outre les mesures de production communautaire nette (PCN) réalisées in vitro, comme pour les campagnes PROPECHE, il est aussi envisagé de déterminer les variations de  la PCN in situ à l’aide d’un système de mouillage muni d’une chambre d’incubation, d’une électrode oxygène et d’un capteur PAR (Langdon, 1984). Cette approche permet de s’affranchir de l’étape des incubations en flaconnage et rend possible des séries temporelles plus longues. L’équipement nécessaire n’est pas disponible actuellement et fera l’objet d’une demande de moyen à la CSOA. La mise en place de 3 mouillages sur la colonne d’eau pourrait être envisagée.

L’utilisation couplée de ces méthodologies permet d’appréhender différentes échelles de temps quant à l’évolution des signaux, échelle du jour pour ce qui concerne les incubations et l’échelle de l’heure pour ce qui concerne les mouillages in situ.

On mettra à profit ces études pluridisciplinaires à petite échelle de temps pour tester l'hypothèse du train d’ondes entretenues. En effet, l’interprétation des résultats obtenus lors de la campagne DYNAPROC en 1995 a conduit à formuler une hypothèse dite du train d’ondes entretenues (Martin, 1997). D’après cette hypothèse, les migrations verticales journalières des organismes zooplanctoniques induiraient une sédimentation récurrente de particules composées de pelotes fécales ou d’agrégats de matières en suspension, ces particules entraînant dans leur chute une grande partie des communautés bactériennes se développant en subsurface. La régénération de la population bactérienne serait assurée par les excrétions de matière organique dissoute très labile par les organismes zooplanctoniques migrateurs stationnant en subsurface pendant le jour.

La stratégie expérimentale consistera donc à réaliser des profils (500-2000 m) d’activité ETS avec une fréquence de 3 h sur une période de 36 h. L’opération sera réalisée deux fois au cours de la campagne, une fois au début et une fois à la fin. Cette démarche a pour objectif de vérifier l’enfoncement récurrent d’un pic d’activité ETS comme le prévoit l’hypothèse citée. Des mesures de cytométrie en flux seront faites simultanément pour déterminer l'abondance et la composition des assemblages et l'état physiologique des cellules.

Microzooplancton

Le microzooplancton constitue un maillon intermédiaire entre le pico- et nanoplancton autotrophe et hétérotrophe et le mésozooplancton (copépodes principalement). Plusieurs processus et paramètres seront étudiés pour estimer la contribution du microzooplancton à la dynamique du réseau trophique :  (1) le taux de production du microzooplancton à partir d'échantillons fractionnés en classes de taille et mis en incubation, (2) la prédation du mésozooplancton, à partir d'échantillons mis en incubation avec une partie des récoltes du zooplancton et (3) les variations de distribution verticale et d'abondance des ciliés, avec une étude plus fines de la diversité spécifique des ciliés tintinnides (Dolan, 2000).

Méso- et macrozooplancton, micronecton

La biomasse, la composition, la distribution verticale du zooplancton et du micronecton seront estimées, de jour et de nuit, par diverses méthodes afin d’avoir une vue de l’ensemble et un spectre de taille représentatif de la communauté.

- Prélèvements avec la rosette dans les 100 premiers mètres, afin d’avoir une distribution fine des jeunes stades de crustacés qui sont le plus soumis aux effets de la turbulence (Lagadeuc et al., 1997; Andersen et al., 2001b).

- Pêches de mésozooplancton avec un filet WP-2 (maille 200 :m) dans la colonne d’eau 0-200 m (standards internationaux) et, occasionnellement, 0-500 m, ces organismes (copépodes essentiellement) occupant principalement les couches supérieures.

- Pêches de zooplancton au filet à nappes (Bioness, maille de 500 :m) qui fournira la distribution verticale des organismes dans la colonne d’eau découpée en 9 tranches.

Deux types de pêches seront réalisés : (1) dans les 200-300 premiers mètres afin de déterminer la structure verticale de la biomasse dans la couche productive, (2) jusqu’à 1000 m de profondeur, en relation avec le flux particulaire et les autres processus hétérotrophes (reminéralisation par exemple). Ces pêches profondes permettront également d’estimer l’importance des organismes effectuant une migration ontogénique en profondeur en automne (par exemple certaines espèces de copépodes), processus dont il faudrait tenir compte dans les modèles de cycles annuels (Ohman et al., 1998).

- Profils vidéo jusqu'à 1000 m (Profileur Vidéo Marin, PVM, Gorsky et al., 2000). Les enregistrements avec ce système compléteront les données obtenues avec les pêches au filet à nappes, en particulier pour la distribution verticale des organismes gélatineux fragiles, souvent méconnus.

Il est également envisagé d'apprécier la distribution spatiale du zooplancton et sa variation en exploitant les enregistrements ADCP.

L'autre volet de l'étude des hétérotrophes macrobiens concernera l'estimation des taux physiologiques. Ces taux seront mesurés pour divers types d'organismes, selon leur taille, groupe taxonomique et régime alimentaire. On s'intéressera particulièrement aux mollusques ptéropodes qui sont des "brouteurs" très efficaces des petites cellules phytoplanctoniques abondantes à cette période de l'année et dont la physiologie est encore peu connue. Les mesures concerneront l'ingestion, l'excrétion ammoniacale, la respiration et la production des pelotes fécales. Une partie des pelotes fécales sera utilisée pour les études de minéralisation et de composition, comme pour les campagnes PROPECHE.

La combinaison de ces mesures de taux physiologiques avec les données de stock et de diversité spécifique du phytoplancton et du zooplancton permettra une bonne appréciation des relations prédateurs/proies et des flux de matière au sein de l'écosystème.

Flux particulaire

L’influence de la structure et de la dynamique de l’écosystème sur le flux particulaire et sa composition sera estimée à l’aide de différentes techniques : mesures de traceur (Thorium), profileur vidéo et deux types de mouillage de pièges à sédiment.

Le temps de résidence du ²³⁴Th dans les couches de surface est étroitement lié à l’activité du zooplancton dans les régions océaniques peu soumises aux apports continentaux, comme la zone centrale de la mer Ligure (Schmidt et al., 1992). Pour estimer ce temps de résidence, on suivra l’évolution du ²³⁴Th dans la couche de surface (0-100 m) à courte échelle de temps (4 jours), au regard de la période du ²³⁴Th. L’évolution du flux particulaire sera également appréciée (1) au cours de la sédimentation dans la couche d’eau intermédiaire (100-500 m; profils de ^234/228Th) pour quantifier les éventuels phénomènes de minéralisation (Benitez-Nelson et al., 2001) et (2) dans les pièges à sédiments dérivants. La combinaison des flux de ²³⁴Th particulaire avec les mesures de COP issues des pièges permettra d’estimer les flux et le taux d’exportation du COP (Buesseler, 1998); ces estimations permettront par ailleurs d’estimer l’efficacité de collecte des pièges dérivants.

Le PVM fournira la distribution des particules en suspension (0.1-50 mm) dans la colonne d’eau 0-1000 m; les données acquises pour chaque image (1 image/8 cm) sont le nombre de particules, leur longueur, largeur, périmètre, surface et diamètre sphérique équivalent. L'engin, équipé d'un turbidimètre, fournit aussi la distribution des petites particules détritiques (< 50 :m).

Le site principal d’observations sera équipé d’une ligne fixe de 2 pièges, à 200 et 1000 m de profondeur (ligne dont est équipée en permanence le site DYFAMED). Pendant une grande partie de la campagne, le pas d’échantillonnage sera de 24 h, ce qui permettra de suivre la variation journalière du flux vertical particulaire, en termes de poids sec, carbone et d’azote. La possibilité de mesurer des flux particulaires à une troisième profondeur (probablement 500 m) pour augmenter la résolution verticale et mieux cerner le devenir de la matière exportée sera considérée.

Durant chaque cycle de 48 heures, nous utiliserons une ligne de 2 pièges dérivants avec un pas de temps de 4 h, avec un piège sous la couche euphotique (200 m) et un autre vers 500 m (la profondeur exacte reste à déterminer). Le contenu de ses pièges sera utilisé pour les mesures de flux en carbone et azote, des dosages des pigments phytoplanctoniques, des marqueurs lipidiques, des protéines, des processus bactériologiques et du Thorium.

Dans le cadre du projet PECHE, nous disposons actuellement de deux modèles 1-D couplés physique-biologie qui ont été appliqués à la zone d'étude. Le modèle de Chifflet  et al. (2001) a été appliqué aux données de la campagne DYNAPROC. Les modèles "classiques" de couche de mélange océanique en énergie cinétique turbulente (e.g. Klein & Coste, 1984; Gaspar et al., 1990) permettent de simuler l’effet “direct” du vent, c’est-à-dire l’approfondissement de la couche de mélange et les transports verticaux impulsionnels de sels nutritifs vers les couches superficielles. Dans le modèle de Chifflet et al., une paramétrisation de la vitesse verticale liée au pompage d’Ekman a été introduite afin de rendre compte des phénomènes d’advection verticale, tels que ceux observés pendant la campagne DYNAPROC. De ce point de vue, ce modèle est donc bien adapté pour une application à une série de données acquises à courte échelle de temps.

Le deuxième modèle (Lacroix, 1998; Lacroix & Nival, 1998) a été appliqué à l'étude de la variabilité saisonnière et interannuelle de l'écosystème pélagique en deux zones situées de part et d'autre du courant Liguro-Provençal (un site côtier et un site au large correspondant à la station DYFAMED). La paramétrisation de la dynamique de la couche de mélange en fonction des flux atmosphériques est particulièrement performante dans ce modèle qui est une version 1D du modèle multi-niveaux à fermeture turbulente du GHER.

Les modèles de réseaux trophiques couplés à ces deux modèles distinguent plusieurs formes d'azote dissous (dont nitrate et ammonium) et plusieurs catégories ou classes de taille pour le phytoplancton, les hétérotrophes et les détritus.

Notre objectif est d'appliquer un de ces deux modèles à la série de données pluridisciplinaires qui sera acquise pendant DYNAPROC 2 puis d'extrapoler la simulation à l'échelle annuelle. La première étape consistera à comparer les deux modèles, à en déterminer leurs points forts et à développer, si nécessaire, un code qui prenne en compte  ces points forts au niveau de la paramétrisation des processus physiques. Une application à la période de transition automnale sera faite avant la campagne pour guider plus précisément la stratégie d'échantillonnage. Les étapes suivantes concerneront surtout la paramétrisation du réseau trophique (choix des variables, prise en compte des silicates et du phosphate, augmentation de complexité pour les hétérotrophes) avant que le modèle couplé ne soit appliqué aux données de la campagne puis à une échelle de temps plus grande.

Des contacts seront pris au cours de l’année 2002 avec les autres modélisateurs qui ont appliqué des modèles dans cette zone (e.g. Lévy et al., 1998).

En ce qui concerne le processus de minéralisation, les contacts pris avec Franck Touratier (CEFREM, Université de Perpignan) confirme l’intérêt de notre approche dans la modélisation du processus de croissance des bactéries sur les substrats organiques marins. Bien que ce chercheur ne puisse s’investir dans ce projet, nous entretiendrons des contacts avec cette équipe pour débattre de notre approche expérimentale et de ses applications en modélisation.

- Réunion de concertation pour la planification des campagnes et la mise en place des collaborations : septembre/octobre 2002

- Processus hétérotrophes. Campagnes PROPECHE

            - acquisition de données in situ : fin mars/début avril et juillet 2003

            - analyse des résultats : 2003-2004

- Réunion générale : septembre/octobre 2003

            bilan des campagnes PROPECHE; planification de DYNAPROC 2

- Réponses du système aux perturbations impulsionnelles en période de transition estivale. Campagne DYNAPROC 2

            - acquisition de données in situ : septembre-octobre 2004

            - analyse des résultats : fin 2004-2006

- Modélisation 1-D couplé physique-biologie appliquée au processus à petite échelle de temps : 2e semestre 2003-2005

- Publications, participation à des congrès (pour l'ensemble des données du PROJET) : 2004-2006

- Réunions générales des participants (état d'avancement des analyses, confrontations des données pluridisciplinaires, synthèse) : 2005 et 2006

* Gestion et mise à disposition des données

            La gestion des données pluridisciplinaires des différentes campagnes se fera en deux étapes :

- Mise à la disposition de la communauté PECHE des fichiers de données sur un serveur FTP commun. Cette mise à disposition devra être faite le plus tôt possible après les campagnes, même si les données ne sont pas encore entièrement validées. Ceci implique évidemment de faire part au générateur des données de l’usage qui en est fait et des résultats obtenus, et de proposer une co-signature d’article si les données constituent une contribution importante au travail.

- Intégration des données à la banque de JGOFS-France/PROOF qui est gérée à Villefranche (et comme cela a été fait pour DYNAPROC). Ces données seront à la disposition générale deux ans après leur acquisition.

   Les études envisagées dans le projet PECHE peuvent être décrites par les caractéristiques principales suivantes :

- processus hétérotrophes (de la bactérie au macrozooplancton),

- couches euphotique et aphotique (0-1000 m),

- dynamique du système à courte échelle de temps en réponse à des événements impulsionnels,

- période de transition saisonnière.

Elles compléteront les études prévues sur la même zone dans le cadre du projet MELISSA (PROOF; C. Migon) qui concerne essentiellement l’interface océan/atmosphère et la couche euphotique, et le contrôle de la production phytoplanctonique par les facteurs chimiques, tels que phosphore et fer.

            Le projet PECHE bénéficiera également d’autres résultats obtenus antérieurement à courte échelle de temps dans la même zone : (1) campagne PROSOPE au cours de laquelle la dynamique de la production primaire a été étudiée pendant une semaine à l’automne (septembre 1999), et surtout (2) campagne DYNAPROC (mai 1995) réalisée pendant un mois lors de la période de post-floraison printanière, qui a aussi permis d’acquérir l’expérience du travail pluridisciplinaire à cette échelle de temps.

            Un projet américain, proposé par C. Lee, S. Wakeham et R. Armstrong en collaboration avec S.W. Fowler et J. C. Miquel et qui vient d’être accepté par la NSF, a entre autres objectifs de tester le rôle de la protection minérale de la matière organique dans le processus de sa minéralisation dans la colonne d’eau, en profondeur en particulier. Ce projet se déroulera également en Méditerranée et au site DYFAMED. Nous sommes en contact avec C. Lee qui travaille sur les activités ecto-enzymatiques. C. Lee connaît le travail du LMM par l’intermédiaire du séjour de C. Tamburini dans son laboratoire et parce qu’elle a évalué la demande d’action de recherche thématique PNEC (Hydrolyse) coordonnée par M. Goutx depuis juin 2001. Par ailleurs, des contacts avec S. Wakeham ont été pris en ce qui concerne la biogéochimie des lipides. Les contacts avec ce groupe sont donc maintenant bien établis.

* Proposition d'arbitres

- Prof. Miguel ALCARAZ

Dept. Biologia Marina i Oceanografia

Institut de Ciencies del Mar

CMIMA, CSIC

Passeig Marítim de la Barceloneta, 37-49

08003 BARCELONA

Espagne

e-mail : miquel@icm.csic.es

- Dr. Roger HARRIS

Plymouth Marine Laboratory

Prospect Place

PLYMOUTH PL1 3DH

Angleterre

e-mail : r.harris@pml.ac.uk

- Prof. Venugopalan ITTEKKOT,

Institute of Biogeochemisry and Marine Chemistry

University of Hamburg

Bundesstrasse 55

20146 HAMBURG

Allemagne

e-mail : ittekkot@geowiss.uni-hamburg.de

- Marc TROUSSELIER

Laboratoire d’Hydrobiologie Marine

UMR CNRS 5556

Université Montpellier-II

34095 MONTPELLIER cedex 05

e-mail : troussel@hydrobio.univ-montp2.fr

- Prof. Bruno ZAKARDJIAN

Institut des Sciences de la Mer de Rimouski

310 allée des Ursulines

Rimouski, Québec

G5L 3A1 CANADA

e-mail : Bruno_Zakardjian@uqar.uquebec.ca