Projet Seine-Aval 6 PHARESEE « Productivité microphytobenthique des HAbitats intertidaux en lien avec la dynamique sédimentaire, biogéochimique et les ingénieurs d'écosystème de la faune benthique : implication pour des enjeux de modélisation et de REhabilitation des vasières de la SEine Estuarienne »

L'estuaire de la Seine est soumis à divers stress anthropiques et hydro-climatiques. Cet écosystème côtier perd son caractère estuarien à cause d'aménagements qui ont eu comme conséquence de voir disparaître de vastes surfaces de vasières intertidales. Ces habitats fonctionnels jouent un rôle majeur dans le fonctionnement écologique des estuaires, car ils abritent des communautés méio- et macro-benthiques très diversifiées et représentent la principale zone d’alimentation de nombreux vertébrés dont certains d’intérêt écologique ou commercial majeur (e.g. poissons, oiseaux). La dynamique des vasières intertidales est fortement influencée par les processus hydro-sédimentaires estuariens, étant tantôt source, tantôt puits de sédiment. Elles constituent ainsi un élément essentiel des cycles biogéochimiques se déroulant au sein des estuaires. Les caractéristiques morphologiques et biogéochimiques de ces zones vont directement influencer les échanges de matière et d’énergie qui s’y déroulent. Il est donc impératif d'avoir une approche pluridisciplinaire pour comprendre leur fonctionnement. Le projet PHARE-SEE avait pour objectif (i) de mieux comprendre le rôle des bioturbateurs et leur effet sur le microphytobenthos, les paramètres hydrosédimentaires et biogéochimiques dans les vasières de l’estuaire de Seine et (ii) de développer un modèle de production primaire microphytobenthique couplant l’ensemble des paramètres susmentionnés. Le premier objectif du projet a été réalisé en couplant expériences sur le terrain et en laboratoire. Ainsi, des expériences d’exclusion/ensemencement de faune ont été menées sur la vasière Nord, à l’aval de l’estuaire de Seine, et sur 2 faciès sédimentaires contrastés, avec un suivi de la dynamique saisonnière du microphytobenthos et de l’ensemble des paramètres biogéochimiques et hydrosédimentaires. De plus, des expériences en laboratoire ont été réalisées, avec une évaluation des flux diffusifs de nutriments à 2 saisons contrastées (hiver/été) en fonction du mélange sablo-vaseux et de l’intensité de la bioturbation par la macrofaune benthique dominante de la vasière (le ver Hediste diversicolor et le bivalve Scrobicularia plana). Les expériences de terrain ont montré que l’effet saisonnier était plus prononcé que celui des bioturbateurs sur l’ensemble des paramètres biogéochimiques dans le sédiment (matière organique sédimentaire, processus et biomasse microbiens). Contrairement à la matière organique sédimentaire, principalement d’origine terrigène, la matière organique dissoute présente dans les eaux interstitielles, majoritairement d’origine autochtone, est réactive et influencée par l’activité des bioturbateurs. Ces derniers ont une influence prononcée sur l’érodabilité, avec un rôle biostabilisateur efficace pour Hediste diversicolor en été comme en hiver et un rôle déstabilisateur pour Scrobicularia plana exclusivement en été. Malgré des processus de consommations primaires très élevés et des pertes par érosion, le niveau de production primaire microphytobenthique reste par ailleurs très important sur la vasière. Les analyses réalisées ont également révélé le rôle majeur du microphytobenthos dans le réseau trophique pour H. diversicolor, S. plana et la méiofaune (analyses isotopes stables, collaboration projet SA6 SENTINELLES). Les expériences en mésocosme, complémentaires de celles réalisées sur le terrain, ont montré que l’activité de bioturbation des deux ingénieurs d’écosystème diffère quelle que soit la saison. Ainsi, le processus de transport d’eau et des composés dissous (bioirrigation) domine chez H. diversicolor, alors que l’activité de S. plana est dominée par le remaniement sédimentaire. Les flux biogéochimiques à l’interface eau-sédiment sont principalement influencés par la bioirrigation. Enfin, il a été observé que S. plana consomme très activement les biofilms microphytobenthiques et limite fortement leur capacité de développement, alors que la biomasse microphytobenthique n’est pas affectée par les activités de Hediste. Cela démontre que la consommation herbivore est totalement compensée par des effets positifs liés probablement à la bioirrigation, activée de manière générale plus de 40 fois par Hediste. Dans un second temps, ce projet proposait de modéliser la production primaire microphytobenthique en relation avec la dynamique sédimentaire et les processus biogéochimiques. Les données acquises via expériences en laboratoire et sur le terrain ont servi à développer ce modèle. Ainsi, le modèle MARS3D en version Cross-shore 2DV a été implémenté sur la vasière intertidale étudiée avec une très bonne qualité des simulations des processus hydrosédimentaires et des variations altimétriques. L’intégration de l’effet de la bioturbation et de la régulation de l’érodabilité des sédiments a permis d’améliorer encore la qualité des simulations. Un modèle de diffusion thermique a été intégré, testé et amélioré en termes d’interaction avec la composition sédimentaire. Le modèle biogéochimique BLOOM a été intégré également dans le modèle MARS3D avec une dynamique biogéochimique saisonnière bien représentée. Le modèle prend en compte le rôle des bioturbateurs sur les flux diffusifs, mais une perspective d’amélioration doit être envisagée pour mieux reproduire les flux à l’interface eau-sédiment et l’assimilation du NH4 + par le microphytobenthos en surface. Enfin, le modèle de la production primaire microphytobenthique a été implémenté dans le code MARS3D et fournit des simulations de la dynamique spatio-temporelle des biomasses microphytobenthiques intéressantes, même si les flux sont encore sous-estimés dans le modèle et les interactions avec la faune doivent encore être améliorées. Au final, les très nombreuses données issues du projet PHARESEE et le modèle associé serviront à comprendre et relier les nombreux facteurs influençant le fonctionnement des vasières et leurs rôles écosystémiques essentiels – rôle physique, de régulation sur les cycles biogéochimiques et rôle de productivité biologique et soutien au réseau trophique. Des travaux de synthèse ont été engagés en particulier pour tenter d’expliquer le haut niveau de productivité actuel du système en lien avec la bonne santé des espèces sentinelles (ingénieurs d’écosystèmes) de la macrofaune benthique

Study of microphytobenthos dynamics in temperate intertidal mudflats by using physical-biological coupled modelling and remote sensing data analysis

The high primary production (PP) of intertidal mudflats at temperate latitudes is mostly supported by microphytobenthos (MPB), which support both benthic and pelagic food webs. In the present thesis, we use a physical-biological coupled model to investigate the spatial and temporal variability of MPB dynamics on a large temperate intertidal mudflat of the French Atlantic coast. The model explicitly simulates the MPB biomass and the grazer (Peringia ulvae) biomass and density. The outputs provide key findings on MPB dynamics. In winter-spring, optimal light and mud surface temperature (MST) conditions for MPB growth lead to a MPB spring bloom. Light is the most limiting driver over the year. However, a high MST limits the MPB growth 40% of the time during summer. The photoinhibition of MPB photosynthesis can potentially superimpose on thermoinhibition in spring-summer. Grazing and resuspension of MPB biomass also shape the dynamics of the MPB biomass. Bioturbation by P. ulvae contributes to a chronic export of MPB biomass from the sediment to the water column in spring-summer. Waves contribute to the MPB resuspension through massive resuspension events in winter, spring and fall. 50% of the annual MPB PP is exported to the water column through chronic and massive resuspension events. We also developed a new method that combine remote sensing data with outputs of the physical-biological coupled model into a single algorithm that can predict PP from satellite data. In addition to bring new insights on the MPB dynamics, this work proposes new numerical tools to monitor and predict MPB PP and its fate in coastal waters in a context of climate change.La production primaire (PP) élevée des vasières intertidales aux latitudes tempérées est principalement assurée par le microphytobenthos (MPB), qui soutient les réseaux trophiques benthiques et pélagiques. Dans cette thèse, nous utilisons un modèle couplé physique-biologie pour étudier la variabilité spatio-temporelle de la dynamique du MPB sur une vasière intertidale de la côte Atlantique française. Le modèle simule explicitement la biomasse du MPB et du brouteur Peringia ulvae. Les résultats fournissent des conclusions clés sur la dynamique du MPB. À l’hiver et au printemps, une lumière et une température de surface de la vase (TSV) optimales pour la croissance du MPB donnent lieu à une efflorescence printanière du MPB. La lumière est le facteur le plus limitant annuellement. Cependant, la TSV limite la croissance du MPB 40 % du temps en été. La photoinhibition pourrait se superposer à la thermoinhibition au printemps et en été. Le broutage et la remise en suspension (RES) du MPB façonnent également la dynamique du MPB. La bioturbation par P. ulvae contribue à une RES chronique du MPB du sédiment vers la colonne d’eau au printemps et en été. Les vagues contribuent à la RES du MPB par le biais d’événements de RES massive en hiver, au printemps et en automne. 50 % de la PP annuelle du MPB est exporté vers la colonne d’eau par le biais de RES chroniques et massives. Nous avons également développé une méthode qui combine les données de télédétection et les résultats du modèle couplé physique-biologique en un algorithme capable de prédire la PP à partir de données satellitales. En plus d’apporter de nouvelles perspectives sur la dynamique du MPB, ce travail propose de nouveaux outils numériques pour surveiller et prédire la PP du MPB et son devenir dans les eaux côtières dans un contexte de changement climatique

Diagnosis of planktonic trophic network dynamics with sharp qualitative changes

Trophic interaction networks are notoriously difficult to understand and to diagnose (i.e., to identify contrasted network functioning regimes). Such ecological networks have many direct and indirect connections between species, and these connections are not static but often vary over time. These topological changes, as opposed to a dynamic on a static (frozen) network, can be triggered by natural forcings (e.g., seasons) and/or by human influences (e.g., nutrient or pollution inputs). Aquatic trophic networks are especially dynamic and versatile, thus suggesting new approaches for identifying network structures and functioning in a comprehensive manner. In this study, a qualitative model was devised for this purpose. Applying discrete-event models from theoretical computer science, a mechanistic and qualitative model was developed that allowed computation of the exhaustive dynamics of a given trophic network and its environment. Once the model definition is assumed, it provides all possible trajectories of the network from a chosen initial state. In a rigorous and analytical approach, for the first time, we validated the model on one theoretical and two observed trajectories recorded at freshwater stations in the La Rochelle region (Western France). The model appears to be easy to build and intuitive, and it provides additional relevant trajectories to the expert community. We hope this formal approach will open a new avenue in identifying and predicting trophic (and non-trophic) ecological networks

Potential impact of photoinhibition on microphytobenthic primary production on a large intertidal mudflat

Microphytobenthos (MPB) are a key primary producer of intertidal mudflats. MPB face strong variability in incident irradiance during low tides. Despite photoprotection and photoacclimation, such variations can translate into photoinhibition of MPB cells. This study explores the effect of photoinhibition on MPB primary production (PP) over a large and productive temperate mudflat (Brouage mudflat, NW France). We used a regional and high-resolution tri-dimensional hydrodynamic model coupled to a MPB model with or without photoinhibition. Photoinhibition leads to a 20% (-0.79 t C) decrease of the simulated MPB PP over the entire mudflat. As the upper shore is exposed to light more frequently and longer than the lower shore, the decrease of MPB PP is higher on the upper shore (-29%) than on the lower shore (-5%). With the highest photosynthetically active radiation cumulated over the mudflat, the decrease of MPB PP due to photoinhibition is the highest during spring and spring tides (-22% and -23%, respectively). The model suggests MPB photoinhibition is sensitive to the photoacclimation status of MPB cells through the light saturation parameter. This first modeling attempt to account for MPB photoinhibition is highly constrained by our current theoretical knowledge and limitations on the MPB growth physiology, but it suggests that this process can have a substantial impact on the MPB PP. As such, assessing the MPB photosynthetic response to the highly variable environmental conditions that prevail in large and productive intertidal mudflats is a real challenge for quantifying MPB PP from a synoptic to inter-annual time scale. Plain Language Summary Benthic micro-algae or microphytobenthos (MPB) inhabiting the surficial sediment sustain the high biological production of intertidal mudflats. MPB achieve photosynthesis by aggregating into a dense biofilm at the mud surface during daytime low tides. As MPB can be exposed to short-term variations and high light levels, they change their short-term physiology and position within the sediment to protect themselves. However, such strategies can be outbalanced by a too long stressful light exposure. In this study, we explore with a numerical model the impact of photoinhibition on MPB primary production (PP) over a large and very productive mudflat (NW France). The model suggests that photoinhibition can strongly impact MPB PP. With photoinhibition, the yearly PP decreases by 20 % over the whole mudflat. The model suggests MPB PP is sensitive to the photoacclimation status of MPB cells, i.e. their light use efficiency at a given light level. This first modeling attempt to account for MPB photoinhibition is highly constrained by our current theoretical knowledge and limitations on the MPB growth physiology, but it suggests that this process can have a substantial impact on the MPB PP

Mapping the Intertidal Microphytobenthos Gross Primary Production, Part II: Merging Remote Sensing and Physical-Biological Coupled Modeling

Microphytobenthos (MPB) at the sediment surface of intertidal mudflats are known to show a high spatial and temporal variability in response to the biotic and abiotic conditions prevailing at the mud surface. It makes long-term and large-scale monitoring of MPB Gross Primary Production (GPP) difficult to set up. In this study, we developed the first 3D physical-biological coupled model (MARS-3D) that explicitly simulates GPP of intertidal MPB at the mudflat scale, and we compared the outputs with in situ and space remote sensing MPB GPP data. We discuss the sources of discrepancies between the modeling and the remote sensing approach in the light of future developments to be done. For instance, the remote sensing algorithm provides a very synoptic view of the mudflat GPP. It is well-suited to achieve diagnostic estimates of MPB GPP at the synoptic spatial and temporal scale. By contrast, the MARS-3D model provides a more dynamic representation of the MPB activity and prognostic estimates of MPB GPP over the mudflat. It is very relevant to resolve the seasonal and inter-annual dynamics of MPB. Getting comparable GPP estimates derived from the remote sensing algorithm and 3D physical-biological coupled model will further require a better convergence in terms of equations structure, biological constants parameterization, and source data used (i.e., vegetation index vs. chlorophyll a). Setting a common parameterization in both the numerical model and remote sensing algorithm might be challenging in a perspective of mapping MPB PP over large mudflats from a synoptic to inter-annual time scale, but it could open the door to a new way of quantifying MPB GPP over large intertidal mudflats

PHYSIOLOGICAL QUALITY OF RICE IN THE FUNCTION OF SELENIUM DOSES

Objetivou-se com este trabalho avaliar o efeito da aplicação de doses de selênio elementar e selenito na germinação de sementes de genótipos de arroz. O experimento foi conduzido em delineamento experimental inteiramente casualizado, com quatro repetições. Os tratamentos foram dispostos em um esquema fatorial 2x5x2, sendo dois genótipos de arroz (BRS – Primavera e BRSMG – Conai), cinco doses de selênio (0,0; 0,2; 0,4; 0,6 e 0,8 g. L-1 em água), aplicados em duas formas de Se (selenito de sódio – Na2SeO3 e selênio elementar – Se0). Os testes utilizados foram o padrão de germinação e envelhecimento acelerado. As contagens foram realizadas ao quinto e décimo quarto dia, avaliando a porcentagem de plântulas normais, anormais, sementes não germinadas, comprimento de raiz e parte aérea. Os dados foram transformados em raiz quadrada e submetidos à análise de variância utilizando o teste Scott Knott ao nível de 5% de probabilidade. Foi realizada análise de regressão. Verificou-se maior efeito fitotóxico do selenito, pois ocorreu redução na germinação e desenvolvimento das plântulas, notando-se a inviabilidade das fontes de selênio quando aplicadas via semente

On biotic and abiotic drivers of the microphytobenthos seasonal cycle in a temperate intertidal mudflat: a modelling study

Microphytobenthos (MPB) from intertidal mudflats are key primary producers at the land–ocean interface. MPB can be more productive than phytoplankton and sustain both benthic and pelagic higher trophic levels. The objective of this study is to assess the contribution of light, mud temperature, and gastropod Peringia ulvae grazing pressure in shaping the seasonal MPB dynamics on the Brouage mudflat (NW France). We use a physical–biological coupled model applied to the sediment first centimetre for the year 2008. The simulated data compare to observations, including time-coincident remotely sensed and in situ data. The model suggests an MPB annual cycle characterised by a main spring bloom, a biomass depression in summer, and a moderate fall bloom. In early spring, simulated photosynthetic rates are high due to mud surface temperature (MST) values close to the MPB temperature optimum for photosynthesis and because increasing solar irradiance triggers the onset of the MPB spring bloom. Simulated peaks of high P. ulvae grazing (11 days during which ingestion rates exceed the primary production rate) mostly contribute to the decline of the MPB bloom along with the temperature limitation for MPB growth. In late spring–summer, the MPB biomass depression is due to the combined effect of thermo-inhibition and a moderate but sustained grazing pressure. The model ability to infer biotic and abiotic mechanisms driving the seasonal MPB dynamics could open the door to a new assessment of the export flux of biogenic matter from the coast to the open ocean and, more generally, of the contribution of productive intertidal biofilms to the coastal carbon cycle

EnABLES: European infrastructure powering the Internet of Things

The mission of EnABLES is to open up key research infrastructure in the Internet of Things (IoT) to all European researchers, from both academia and industry. Six research Institutes together with 5 knowledge hubs are providing access to researchers to enable them to create ‘self-sustaining’ energy solutions to ‘power the internet of things’ based on energy harvesting, storage, micro-power management and system integration activities. This paper provides an overview of the reasons why EnABLES is needed, particularly for enabling researchers address key challenges such as extending battery life of wireless IoT edge devices, and, where possible, eliminating the need for battery replacement. The ultimate goal of EnABLES is to create a ‘starting community’ to foster collaborations to address these challenges and opportunities & accelerate technology development. The 2 primary approaches used in EnABLES are outlined:- (i) A transnational access (TA) and virtual access (VA) program open to all external stakeholders to do free-of-charge feasibility studies leveraging from the facilities and expertise of EnABLES partners. (ii) Joint Research Activities (JRAs) between partners. (Some examples of JRA activities are outlined at high level). Simulations and data libraries are retained in an open access repository with an emphasis on creating standardized and interoperable parts and understanding their system level behaviour. EnABLES also fosters internal collaboration between partners (JRAs) guided by needs and opportunities. A key goal of the project is to create standardised and interoperable libraries of parts & simulation tools for optimising system level performance