2.2 van wambeke
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Impact potentiels des changements climatiques sur le réseau planctonique microbien marin et conséquences sur les cycles biogéochimiques. France Van Wambeke Colloque hydroécologie, EDF, 2010 Laboratoire de Microbiologie, Géochimie et Ecologie Marines, Centre d’Océanologie de Marseille, France Introduction Réseau trophique microbien réfractorisation du DOC sels nutritifs CO2 COD PHYTOPLANCTON DETRITUS DETRITUS BACTERIES MESO-ZOOPLANCTON NANOFLAGELLES CILIES transfert dans les réseaux trophiques supérieurs sédimentation Minéralisation, CO2 Introduction Pompe de solubilité, physique et biologique (Chisholm, Nature, 2000) Introduction Facteurs forçants liés au changement global Anthropogenic drivers Climatic drivers Circulation/ Stratification Extreme events Temperature/ Acidification Light change in nutrient inputs and stoichiometric ratio Biogeochemical and trophic fluxes Pollution/ Contaminants Habitats/ Fishing (programme MERMEX) Introduction Nutriments (N, P, Si Métaux traces) pCO2, T°C, radiations Qualité MO Prédation réfractorisation du DOC sels nutritifs CO2 COD PHYTOPLANCTON Minéralisation, CO2 DETRITUS DETRITUS BACTERIES MESO-ZOOPLANCTON NANOFLAGELLES CILIES transfert dans les réseaux trophiques supérieurs sédimentation ? Quelles approches ? Les moyens d’investigation Suivis à long terme in situ Modélisation couplée physique biogéochimie Forçages étudiés de façon expérimentale La taille du flacon : des espèces en culture pure aux écosystèmes complexes From « Guide to best practices for ocean acidification research and data reporting ». Edited by European commission (an initiative from EPOCA EU projet) Les moyens d’investigation (programme EPOCA) Les moyens d’investigation (programme EPOCA) Les moyens d’investigation Inconvénient des forçages étudiés de façon expérimentale Forçage abrupt : sans adaptation Forçage graduel doit être compatible avec l’expérience (pb de confinement) exemple : avec un taux de croissance moyen des bactéries de 1 j-1 un siècle représente 300 000 générations. Une prédiction de +2°C en 1 siècle, ca veut dire que chaque génération subirait un changement de 0.000007°C Problème d’évolution à long terme : évolution lente, fréquence de mutations, variations génétiques (sélection/extinction) => changements taxonomiques pCO2 et acidification Evolution temporelle du pCO2 dans l’atmosphère Séries temporelles mesurées dans l’air Reconstruction paléo-climatiques dans les bulles de carotte de glace CO2 dans l’atmosphère : ~0.04 % Gaz important pour la photosynthèse Participe à l’effet de serre Seulement 1/3 du CO2 émis reste dans l’atmosphère pCO2 et acidification Chimie du carbone inorganique CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+ HCO3- ↔ CO32- + H+ L’équilibre entre les différentes formes de DIC dépend du pH 60 % de en [CO32-] pCO2 et acidification Évolution du pH Données mesurées ALOHA-HOT (Hawaii Ocean Time-series) Dore (2009) Données modélisées Caldeira & Wickett (2003) pCO2 et acidification Impact sur la calcification biogénique • Ca2+ + CO32- ս CaCO3 • [Ca2+] à salinité constante est stable • Le taux de calcification dépend de [CO32-] qui diminue avec la diminution de pH • Reduction de la calcification Gephyrocapsa oceanica Emiliana huxleyi Emiliana huxleyi 300 ppm 780-850 ppm Calcidiscus leptoporus pCO2 et acidification Impact sur la balance calcification production primaire La balance entre les 2 processus dépendra de comment ils seront diversement atteints par le changement global (Riebesell et al. 2001) pCO2 et acidification et en dessous de la zone éclairée ? Extensions des zones de minimum d’oxygène à cause de la biologie (Oschlies et al., 2008) Basé sur hypothèse que C/N de la matière exportée et minéralisée en profondeur : 50% en volume de zone sub-oxiques en plus dans 100 ans : Pas systématiquement vérifié Modifications de la circulation océanique à grande échelle à prendre en compte (physique océanique) (Hutchins et al., 2009) pCO2 et acidification Effets sur le cycle de l’azote beaucoup de passages de stades d’oxydoréduction différents pCO2 et acidification Cycle de l’azote : fixation d’azote atmosphérique Projection : fixation de N2 Mais en parallèle dénitrification + 35-62 % en 100 ans + 50% ( des zones sub-oxiques) Prendre en compte les limitations des processus par les autres ressources ex: Métaux traces (Hutchins et al., 2009) pCO2 et acidification Cycle de l’azote : Le cas des bactéries nitrifiantes Premier étape nitrification : substrat NH3, plutôt que NH4+) (Ward, 2008). pKa (NH3/NH4+) système tampon 9.2 (Millero, 2007), Donc si pH , fraction de NH3 (de ~ 6% to~ 3% (Bange, 2008). Impact négatif du pH sur la nitrification en milieu marin Effet négatif Nitrosomonas (NH3-oxydante) Nitrobacter (NO2–-oxydante) sont aussi autotrophes (possèdent un cycle de Calvin) (Ward, 2008). Donc pCO2 peut stimuler la fixation de carbone de ces organismes Effet positif (Hutchins et al., 2009) Température Prédictions : de + 1.1 °C à + 6.4°C a la fin du 21 fonction des scénarios ème siècle en Effets directs : augmentation des vitesse des activités enzymatiques biologiques Effets indirects : augmentation de la stratification de la couche de surface océanique Température Effets directs Courbes de croissance des microorganismes psychrophiles, mésophiles et thermophiles selon la température Température Effets directs Q10 : phase ascendante : facteur d’augmentation de la vitesse pour une augmentation de 10°C Phytoplancton : 1-2 Bactéries hétérotrophes : 2-3 Dans les eaux chaudes, décalage entre Q10 respiration et Q10 production autotrophe Une faible augmentation de température favoriserait la respiration Dans les eaux froides, Q10 respiration et production autotrophe identiques (Lefèvre et al., 1994) Température Cascade trophique Bloom phytoplanctonique simulé en mésocosmes (+ 2, + 4 + 6°C) Le réchauffement en fin d’hiver/début de printemps a pour conséquence un rétrécissement de la période de décalage (de 16 à 4 jours) entre pic de production primaire et pic de production bactérienne hétérotrophe : resserrement du couplage production/dégradation changement de timing dans les successions. (Hoppe et al., 2008) Température Conséquence sur les flux biogéochimiques Flux de carbone durant un bloom printanier sous les conditions actuelles et élevées de température (de 2.5°C à entre + 2 et + 6°C) expérience en mésocosme s « in-door » de 1400 litres P production primaire, E exsudation, R respiration, S sédimentation, A agrégation. En rouge flux sensibles à une augmentation de T°C T°C R relatif à P, donc consommation net te de DIC et Partition entre photo-produits change, avec une biodisponibilite C pour l’export du DOC Conclusion : altération de l’efficacité de la pompe biologique. (Wohlers et al., 2009) Température Impact de la stratification accrue Moins de mélange vertical (couche de mélange moins profonde) Plus de stress UV Thermocline marquée, moins d’échange et apports en sels nutritifs profonds, déséquilibre stœchiométrique N/P Diminution de la ventilation des eaux profondes, Extensions des zones de minimum d’oxygène à cause de la physique (Garcia Kelling 2002) Oligotrophisation Température Effets conjugués de la T°C et de la pCO2 Le rayonnement UV Depuis 1980, de la couche d’ozone du flux d’UV-B aux pôles et aux latitudes moyennes (+ 6 à 14%) stratification thermique avec oligotrophisation des eaux de surface => Exposition plus durable et de manière plus intense des organismes et de la MOD aux UV. Nombreuses autres interactions : modifications des apports de substances humiques par les rivières, diminution des couvertures glaciaires, synergie avec les polluants, … Pénétration dans le milieu marin 305 nm 325 nm 340 nm 380 nm PAR La zone épipélagique est la plus productive des océans (Tedetti et al. 2007) (HDR F. Joux, oct 2010) Le rayonnement UV Impact du rayonnement UV solaire sur le phytoplancton, la matière organique et les bactéries hétérotrophes UVB : dommages à l’ADN UVA, VIS : réparations rayonnement solaire UVB : dommages à l’ADN UVA, VIS : réparations UVB+ UVA Respiration CO2 phytoplancton CDOM photodégradation radicaux libres composés labiles (●OH, ●R) et réfractaires blanchiment perte d’absorbance et de fluorescence bactéries hétérotrophes production (Mopper et al., 1991; Mopper & Kieber, 2002; Kieber et al., 2006) Le rayonnement UV Combinaison d’effets photo-biologiques, photo-chimiques et de transformations photochimiques sur la biologie Dissocier les effets : Incubations sous UV - soit de la MOD seule - soit de la MOD + consortium naturel - Utilisation d’écrans : noir, VIS, VIS+UVA full sun, Forte variabilité des effets (saison, consortiums, transparence, qualité MO, présence de composés réactifs de l’oxygène comme les nitrate par ex). Mécanismes de réparation la nuit : fluctuations nychtémérales Les UV agissent aussi sur la production primaire, le rendement de croissance la balance métabolique (bilan production photosynthétique – respiration) (HDR F. Joux, oct 2010) remerciements Supports de documents et présentations : M. Tédétti, LMGEM, Marseille F Joux, LOMIC, Banyuls F. Gazeau, LOV, Villefranche K. Leblanc, LOPB, Marseille Documents EPOCA European Project on Ocean Acidification (coord J-P Gattuso)
