La biocalcification dans l'océan actuel à travers l'organisme modèle Emiliania huxleyi - Université Pierre et Marie Curie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

The biocalcification in the current ocean through the model organism Emiliania huxleyi

La biocalcification dans l'océan actuel à travers l'organisme modèle Emiliania huxleyi

Résumé

CaCO3 (Calcium Carbonate) is a reservoir of oceanic carbon reacting rapidly and intensely to climate change. Knowledge of the amount of CaCO3 formed annually in illuminated waters is fundamental to understanding the ocean's regulatory role with CO2. CaCO3 precipitation in the current ocean, although oversaturated on the surface through the carbonate system, cannot be spontaneous; it necessarily involves the intervention of marine life through the very complex and relatively unknown process of biocalcification.The biocalcification and balance of CaCO3 on a global scale, is in this study approached through one of the youngest coccolithophorids (only 200,000 years old) and probably the most abundant in the current ocean: Emiliniania huxleyi. This coccolithophorid, easy to cultivate and visualized by “ocean color” satellites thanks to the reflectance power of the coccoliths released from the cell, allows a global approach.Where, how and why E. huxleyi forms large blooms only in certain regions and during the summer, when it is ubiquitous (present everywhere in the ocean)?Starting from the cell scale and moving towards the ecosystem scale and the global scale, this study proposes a life strategy for E. huxleyi and the "ecological niche of visible blooms" by satellites. This proposal is based on that of ecological niche, and on the analysis of relationships between various parameters (physical and chemical) and the physiology of formation and loss of both POC (Particulate Organic Carbon) and PIC (or CaCO3) . These relationships are the result of new laboratory experiments and a synthesis of the literature. The niche of visible blooms is validated on a global scale using SeaWiFs satellite data (1997 to 2003) and oceanographic data (temperature, salinity, nutrients, WOCE 2001).A new strategy of laboratory experiments (low volume batch) under fully controlled conditions is implemented in order to adapt both to the constraints of axenic cultures of living cells and also to modifications of the fine and ultra-clean chemistry of metals. For this is developed a new analytical method allowing the determination of the speciation of metals in small volumes (15 mL) and semi-automatically. Cultures of E. huxleyi (North Atlantic strain) under controlled conditions, as close as possible to natural conditions, were followed for a period of time to cover the phases of formation, peak and decline of an E bloom. huxleyi (40 days). These laboratory experiments simulate the role that additions of two chemical elements, iron and nitrates, could produce on a bloom. They allow, for E. huxleyi, to test positively two hypotheses: • The intensity of the iron additions determines the intensity of the visible bloom. However, this control is mainly due to the feedback effect of the alga on the bioavailability and on the complexing capacity of organic ligands complexing iron. • Nitrates can be both the growth-limiting element and control the formation of the inorganic reservoir (CaCO3 and the number of coccoliths attached and detached).Additions of iron would not necessarily produce blooms and these would be more intense when cells grew under stress conditions (low iron). Thus the effect on E. huxleyi of fertilization by Patagonian dust in iron-depleted waters (total dissolved iron Fed <0.6 nM) from the South Atlantic would be more effective than that of Saharan dust arriving at the surface of the waters. rich in iron (Fed> 0.6 nM) from the Mediterranean or North Atlantic. This E strategy. huxleyi vis-à-vis iron invites us to reconsider the positive role of artificial fertilization vis-à-vis greater ocean pumping of anthropogenic CO2.NO3 of 2 µM would be highly limiting both for growth and for the production of PIC, but on the contrary stimulating for the production of coccoliths (attached and free). Thus visible blooms could be produced by the release of coccoliths either by detachment during the growth phase, or by the disintegration of cells following their death and therefore not necessarily associated with true blooms of cells and PIC.The distribution of visible blooms, mainly present in latitudes above 45 ° North and South, would firstly be controlled by physical conditions (Temperature <15 ° C, Salinity <35, Mixing layer decreasing by more than 200m and strong availability of light), but the appearance of the most important blooms and their intensity is always associated with a low temperature (Southern Ocean) or weak NO3 (North Atlantic). These visible blooms could therefore not represent true CaCO3 production blooms, but rather indicate their decline and cell death! (i.e. different from the classic meaning of efflorescence). The consequence would be that "ocean color" satellite images would not be able to estimate the amount of CaCO3 produced by biocalcification. True cell or CaCO3 blooms, which do not necessarily correspond to the visible bloom regions, remain to be documented in situ and knowledge of their distribution would make it possible to reassess the CaCO3 balance upward compared to the distribution of E. huxleyi provided by satellite images.What will be the future evolution of biocalcification and coccolithophorid blooms in the anthropocene ocean? This question remains open, but it requires taking into account two main nutrients: NO3 and PO4, in addition to the increase in temperature and CO2. These two nutrients, with probably antagonistic effects on CaCO3, could be the key not only to past and future variations of this major component of the carbon cycle; but also the primitive appearance (65 million years) of biocalcification in the ocean. A database (in situ, mesocosms, and batch cultures and chemostat) as well as parameters for a cell-scale quota model for E. huxleyi, resulting from this work, make it possible to take into account the precipitation of pelagic CaCO3 in current forecasts.
Le CaCO3 (Carbonate de Calcium) est un réservoir de carbone océanique réagissant rapidement et intensément aux changements climatiques. La connaissance de la quantité de CaCO3 formé annuellement dans les eaux éclairées est fondamentale pour la compréhension du rôle régulateur de l’océan vis-à-vis du CO2. La précipitation de CaCO3 dans l’océan actuel, bien que sursaturé en surface vis-à-vis du système de carbonates, ne peut pas être spontanée ; elle implique nécessairement l’intervention de la vie marine à travers le processus très complexe et relativement peu connu de biocalcification. La biocalcification et le bilan du CaCO3 à échelle globale, est dans cette étude abordée à travers un des plus jeunes coccolithophoridés (âgé de seulement 200 000 ans) et probablement des plus abondants dans l’océan actuel : Emiliniania huxleyi. Ce coccolithophoridé, facile à cultiver et visualisé par les satellites « couleur de l’océan » grâce au pouvoir de réflectance des coccolithes libérés de la cellule, permet une approche globale.Où, comment et pourquoi E. huxleyi forme de grands blooms uniquement dans certaines régions et durant l’été, alors qu’elle est ubiquiste (présente partout dans l’océan) ?Partant de l’échelle de la cellule et allant vers celle de l’écosystème et de l’échelle globale, cette étude propose une stratégie de vie pour E. huxleyi et la « niche écologiques des blooms visibles » par satellites. Cette proposition se base sur celle de niche écologique, et sur l’analyse de relations entre divers paramètres (physiques et chimiques) et la physiologie de formation et de perte à la fois du POC (Carbone Organique Particulaire) et du PIC (ou CaCO3). Ces relations sont issues de nouvelles expériences en laboratoire et d’une synthèse de la littérature. La niche des blooms visibles est validée à échelle globale à partir de données satellitales SeaWiFs (1997 à 2003) et de données océanographiques (température, salinité, nutriments, WOCE 2001).Une nouvelle stratégie des expériences en laboratoire (batch de faible volume) en conditions entièrement contrôlées est mise en place afin de s’adapter à la fois aux contraintes de cultures axéniques de cellules vivantes et aussi de modifications de la chimie fine et ultra-prope des métaux. Pour cela est développée une nouvelle méthode analytique permettant la détermination de la spéciation de métaux dans de petits volumes (15 mL) et de façon semi-automatique. Des cultures d’E. huxleyi (souche de l’Atlantique Nord) en conditions contrôlées, le plus proche possible de conditions naturelles, ont été suivies pour une durée permettant de couvrir les phases de formation, d’apogée et de déclin d’un bloom d’E. huxleyi (40 jours). Ces expériences en laboratoire simulent le rôle que des ajouts de deux éléments chimiques : le fer et les nitrates, pourrait produire sur un bloom. Elles permettent, pour E. huxleyi, de tester de manière positive deux hypothèses : • L’intensité des ajouts de fer détermine l’intensité du bloom visible. Cependant, ce contrôle serait dû principalement à l’effet de rétroaction de l’algue sur la biodisponibilité et sur la capacité de complexation des ligands organiques complexant le fer. • Les nitrates peuvent être à la fois l’élément limitant de la croissance et contrôler la formation du réservoir inorganique (CaCO3 et le nombre de coccolithes attachés et détachés).Des ajouts de fer ne produiraient pas nécessairement de blooms et ceux-ci seraient plus intenses lorsque les cellules grandissent dans des conditions de stress (faible fer). Ainsi l’effet sur E. huxleyi d’une fertilisation par les poussières patagoniennes dans les eaux appauvries en fer (fer dissous total Fed <0.6 nM) de l’Atlantique Sud serait plus efficace que celui des poussières Sahariennes arrivant à la surface des eaux riches en fer (Fed >0.6 nM) de Méditerranée ou d’Atlantique Nord. Cette stratégie d’E. huxleyi vis-à-vis du fer invite à revoir le rôle positif de fertilisations artificielles vis-à-vis d’un plus grand pompage par l’océan du CO2 anthropique. Des NO3 de 2 µM seraient fortement limitant à la fois pour la croissance et pour la production de PIC mais au contraire stimulant pour la production de coccolithes (attachés et libres). Ainsi les blooms visibles pourraient être produits par la libération de coccolithes soit par détachement durant la phase de croissance, soit par la désagrégation des cellules suite à leur mort et donc pas nécessairement associés à de véritables blooms de cellules et de PIC. La distribution des blooms visibles, majoritairement présent dans les latitudes supérieures à 45° Nord et Sud, serait contrôlée tout d’abord par les conditions physiques (Température<15°C, Salinité<35, Couche de Mélange diminuant de plus de 200m et forte disponibilité de la lumière), mais l’apparition des blooms les plus importants et leur intensité est toujours associées à une température faible (Océan Austral) ou des NO3 faibles (Atlantique Nord). Ces blooms visibles pourraient donc ne pas représenter de véritables blooms de production de CaCO3, mais indiqueraient plutôt leur déclin et la mort de cellules ! (i.e. différent du sens classique d’efflorescences). La conséquence serait que les images satellitales « couleur de l’océan » ne permettraient pas d’estimer la quantité de CaCO3 fabriqué par biocalcification. Les véritables blooms de cellules ou de CaCO3, ne correspondant pas nécessairement aux régions de blooms visibles, restent à être documentés in situ et la connaissance de leur distribution permettrait de réévaluer le bilan de CaCO3 à la hausse par rapport à la distribution d’E. huxleyi fournie par les images satellitales. Quelle sera l’évolution future de la biocalcification et des blooms de coccolithophoridés dans l’océan anthropocène ? Cette question reste ouverte, mais elle impose la prise en compte de deux principaux nutriments : NO3 et PO4, en plus de l’augmentation de la température et du CO2. Ces deux nutriments, avec des effets probablement antagonistes sur le CaCO3, pourraient être la clé non seulement des variations passées et futures de cette composante majeure du cycle du carbone ; mais également de l’apparition primitive (65 millions d’années) de la biocalcification dans l’océan. Une base de données (in situ, mésocosmes, et cultures en batch et chemostat) ainsi que des paramétrisations pour un modèle en quota à échelle cellulaire pour E. huxleyi, issues de ce travail, permettent de prendre en compte la précipitation du CaCO3 pélagique dans les prévisions actuelles.
Fichier principal
Vignette du fichier
These_LEVU_200512.pdf (3.65 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...

Dates et versions

tel-02413831 , version 1 (16-12-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02413831 , version 1

Citer

Briac Le Vu. La biocalcification dans l'océan actuel à travers l'organisme modèle Emiliania huxleyi : Quand la mer devient blanche. Océanographie. Université Paris VI - Pierre et Marie Curie, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02413831⟩
110 Consultations
199 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More