Algal pigment patterns in different watermasses of the Atlantic sector of the Southern Ocean during fall 1987

During the autumn of 1987 a survey was carried out in the Atlantic sector of the Southern Ocean in order to study phytoplankton community structure in relation to hydrological features. The positions of the boundary zones, determined by means of hydrological and chemical properties (especially silicic acid) match with previous studies. The phytoplankton community structure was studied by means of algal pigment fingerprints. A cluster analysis of the main phytoplankton pigments revealed the presence of four distinctive phytoplankton communities in the area. In three cluster groups phytoflagellate pigments of different taxonomical groups were found which showed different relative abundance between the cluster groups. In between the Polar Front Zone and the Weddell Scotia Confluence a fourth group was found which was rich in diatoms as compared to the other cluster groups. High concentrations of the fucoxanthin related 19'-hexanoyloxyfucoxanthin indicated the relative importance of Prymnesiophyceae during fall in this area. The relative contribution of each taxonomical group to total phytoplankton biomass was estimated by using specific pigment ratios. This calculation showed that in this time of the year phytoflagellate biomass (especially Prymnesiophytes) surpasses diatom biomass

The Southern Ocean silica cycle

International audienceThe Southern Ocean is a major opal sink and plays a key role in the silica cycle of the world ocean. So far however, a complete cycle of silicon in the Southern Ocean has not been published. On one hand, Southern Ocean surface waters receive considerable amounts of silicic acid (dissolved silica, DSi) from the rest of the world ocean through the upwelling of the Circumpolar Deep Water, fed by contributions of deep waters of the Atlantic, Indian, and Pacific Oceans. On the other hand, the Southern Ocean exports a considerable flux of the silicic acid that is not used by diatoms in surface waters through the northward pathways of the Sub-Antarctic Mode Water, of the Antarctic Intermediate Water, and of the Antarctic Bottom Water. Thus the Southern Ocean is a source of DSi for the rest of the world ocean. Here we show that the Southern Ocean is a net importer of DSi: because there is no significant external input of DSi, the flux of DSi imported through the Circumpolar Deep Water pathway compensates the sink flux of biogenic silica in sediments

Spéciation du fer en milieu océanique, interactions avec le phytoplancton

Toutes les fertilisations en fer (Fe) dans les zones HNLC (High Nutrient-Low Chlorophyll) ont montré le rôle crucial de cet élément dans la production primaire et la structure de la communauté planctonique. Cependant, l étude de son cycle biogéochimique est difficile en raison de ses faibles concentrations dans l océan ouvert et de sa spéciation complexe. De nombreuses inconnues persistent, notamment sur la prédominance relative de ses sources et sur la fraction bioassimilable. Les objectifs de cette thèse étaient d améliorer notre connaissance sur le cycle biogéochimique du Fe dans l océan, dans le but de répondre à deux questions: (1) Quelles sont les sources, la distribution et la spéciation physique du Fe en milieu océanique dans des zones ayant des apports contrastés en Fe ? et (2) Quelles sont les interactions entre sa spéciation et l activité biologique? Au cours de deux études en milieu naturel (KEOPS et BONUS-GoodHope), la spéciation physique du Fe a été mesurée. Le fer total dissolvable (échantillons non filtrés) s est révélé être un bon traceur des sources lithogéniques. Ces études ont montré que les distributions de Fe soluble et colloïdal étaient liées à l activité biologique et à la force des ligands organiques. Des expériences en laboratoire couplant ajouts d eau de pluie, mesures de la spéciation du Fe et activité biologique ont également été réalisées, en présence d une diatomée océanique, dans le cadre du projet BOA. Deux hypothèses quant à la biodisponibilité du Fe ont été formulées : une assimilation du Fe colloïdal ou du Fe soluble suivi d un transfert rapide entre fraction colloïdale et soluble.All iron (Fe) fertilizations in HNLC areas (High Nutrient-Low Chlorophyll) highlighted the crucial role of this element in primary production and planktonic community structure. However, the study of its biogeochemical cycle is difficult, due to the low Fe concentrations in the Open Ocean and to its complex speciation. Many unknowns persist, in particular on the relative predominance of its sources to the oceans and on the bioavailability of the different fractions. The objectives of this PhD were to improve our knowledge on the biogeochemical cycle of Fe in seawater, in order to answer to these questions: (1) What are the sources, distribution and physical speciation of Fe in seawater, in areas characterized by contrasted Fe supplies? And (2) What are the interactions between its speciation and the biological activity? A field approach was used in order to better determine and quantify Fe sources to the ocean. Fe physical speciation was measured during two cruises, KEOPS and BONUS-GoodHope. Total dissolvable Fe was shown to be a good proxy for lithogenic inputs. Those studies showed that the soluble and colloidal Fe distributions are linked to biological activity and to the strength of organic ligands. In order to better constrain the question of Fe bioavailabllity, laboratory experiments were conducted in the framework of the BOA project, coupling rainwater, Fe speciation and biological activity, in the presence of an oceanic diatom. Two hypothesis concerning Fe bioavailability were formulated: an assimilation of colloidal fraction or an assimilation of soluble fraction followed by a rapid exchange between the two fractions.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocPLOUZANE-Bibl.La Pérouse (290195209) / SudocSudocFranceF

Réponses du phytoplancton marin aux apports nutritifs (étude expérimentale et appliquée)

Les coccolithophoridés et les diatomées sont deux groupes fonctionnels du phytoplancton qui jouent un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques de l océan mondial. Cette thèse a pour but d étudier leurs réponses aux apports nutritifs dans l océan, avec une focalisation particulière sur les métaux traces et le cycle du silicium. Dans une première partie est considérée la coévolution du phytoplancton marin et de l état redox de l océan, en conjonction avec la disponibilité des principaux métaux traces au cours des principales ères géologiques. Les réactions d espèces planctoniques clefs aux apports de nutriments (sels nutritifs) et de micronutriments (métaux-traces), les caractéristiques, le rôle biogéochimique et la biogéographie globale des coccolithophoridés et diatomées sont ensuite revus. La deuxième partie présente la biogéochimie océanique du zinc (Zn), cobalt (Co) et cadmium (Cd) et leurs rôles dans la physiologie des coccolithophoridés. Des expériences in vitro ont été réalisées pour étudier les co-impacts du Zn, Co et Cd sur les taux biologiques (croissance, photosynthèse et calcification) d un coccolithophoridé type responsable de vastes blooms dans l océan mondial (Emiliania huxleyi). Ces expérimentations indiquent une limitation de la croissance d E. huxleyi par le cobalt et/ou le zinc, alors que le cadmium n a aucun effet. Le zinc et le cobalt peuvent se substituer mais la demande cellulaire de cette souche est plus élevée en Co qu en Zn. De plus la limitation par Co et Zn a des impacts physiologiques, avec une modification des rapports stoechiométriques C/N, une diminution du taux de production de carbone organique et une accumulation de calcite.For the world ocean coccolithophorids and diatoms are phytoplankton groups that play a major role in marine biogeochemistry. This thesis aims to study the impacts of micro- and macro- nutrients inputs of these key microalgae. The first part focuses on marine phytoplankton co-evolution and redox state of ocean in relation with the availability of the principal trace metals during the main geological eras. Responses of coccolithophcrids and diatoms to major nutrients and trace metals inputs, as well as their characteristics, ecology, biogeochemical role and biogeography are reviewed. The second part is firstly dedicated ta cceanic biogeochemistry of zinc (Zn), cobalt (Co) and cadmium (Cd) and its roles in coccolithophorids physiclogy. In vitro experiments were set up te study the co-impact of Zn, Cc, and Cd an the biological rates (growth, photosynthesis and calcification) of a cosmopolitan coccolithophorid that forms large blooms in world Ocean (Emiliania huxleyi). The results show the growth limitation of E. huxleyi by cobalt and zinc, whereas cadmium levels have no effect. Zinc and cobalt intersubstitute but the cellular requirement of this strain is higher for Ce than Zn. In addition the limitation by Co and Zn have physiological impacts associated to shifts of C/N steochiometry, decrease of organic carbon production and calcite accumulation. The colimitation by Zn and Co in some oceanic regions could impact the carbon biogeochemical cycle through complex mechanisms implying the rain ratio and the ballast effect by calcite. This chapter includes a publication currently in revision.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocPLOUZANE-Bibl.La Pérouse (290195209) / SudocSudocFranceF

Production et dissolution de la silice biogène dans les systèmes marins (Mesure par spectrométrie de masse)

Cette thèse s'inscrit dans l'étude du cycle biogéochimique marin du silicium. L'objectif est de quantifier les vitesses de production et de dissolution de la silice biogène (BSiO2) dans les eaux côtières et océaniques (la rade de Brest et l'Océan Austral). Pour cela, une technique isotopique de mesure de la vitesse de dissolution (traceur : 30Si), par spectrométrie de masse, est développée. Un suivi hebdomadaire de la production et de la dissolution de BSiO2, au site SOMLIT/Brest, durant 2 ans, permet de montrer une forte variabilité saisonnière. A l'échelle annuelle, environ 50% de la silice produite dans les eaux de surface sont recyclés. Durant la période productive, la dissolution de la silice est liée à la production de BSiO2 et à la température. Comparativement aux études menées en 1981 et en 1993, un changement de dominance du microphytoplancton en rade de Brest est observé. Les dinoflagellés dominent les diatomées de la mi-août à la fin octobre 2001, et en août 2002. Deux hypothèses sont proposées pour expliquer ce basculement : contrôle par les conditions nutritives en 2001 et contrôle par le broutage en 2002. L'étude dans le secteur Indo-Pacifique de l'Océan Austral, durant l'été austral, révèle un recyclage quasi total de la silice. La vitesse spécifique de dissolution n'est pas liée à la température mais une corrélation avec le pourcentage de diatomées mortes est mise en évidence. Pour les stations riches en BSiO2 (> 100 mmol m-2), l'activité enzymatique protéolytique intégrée de la totalité des bactéries et la vitesse moyenne de dissolution sont corrélées. Dans l'Océan Austral, la synthèse des données du recyclage de la silice biogène montre que la pompe à acide silicique peut fonctionner selon 3 modes et qu'elle est plus efficace au printemps. L'existence de périodes d'export nul est à considérer dans la modélisation de la production primaire actuelle et passée.This PhD thesis is part of the study of the biogeochemical cycle of silicon. This study aims to quantify production and dissolution rates of biosilica (BSiO2) in coastal and open ocean (the bay of Brest and the Southern Ocean). For that, an isotopic method (30Si as a tracer), using mass spectrometry, is developed. A time series (2 years, weekly sampling) of production and dissolution rates of biosilica (BSiO2), at SOMLIT/Brest station, shows a high seasonal variability. Annually, 50% of the biosilica produced in surface waters of the bay of Brest are regenerated. During productive period, the dissolution is related to BSiO2 production and to temperature. Comparatively to studies conducted in 1981 and 1993, a change of microphytoplankton dominance is observed in the Bay of Brest. Dinoflagellates out-compete diatoms from mid-August to end of October 2001 and during August 2002. Two hypotheses are proposed to explain the shift: a bottom-up control in 2001 and a top-down control in 2002. Measurements performed in the Indian-Pacific sector of the Southern Ocean, during summer 2003, reveal a total recycling of biosilica. Dissolution rates were not related to temperature but to percentage of dead diatoms. A correlation between integrated enzymatic protease activity of total bacteria and mean specific dissolution rate is observed for stations with high BSiO2 (> 100 mmol m-2). In the Southern Ocean, the synthesis of data about biosilica recycling show that the silicic acid pump can run into 3 modes and is more efficient during spring. The existence of such periods without silica-export must be considered both, in present and past primary production reconstruction.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocPLOUZANE-Bibl.La Pérouse (290195209) / SudocSudocFranceF

Le concept de Redfield en océanographie (révision de son utilisation à l'aide de l'outil modélisation)

Les programmes océanographiques à différentes échelles réalisées depuis deux décennies ont mis en évidence la variabilité de la composition de la matière organique ainsi que les rapports entre éléments biogènes qui s'écartent parfois de ceux déterminés par Redfield (1934, 1958). Cette thèse propose de revisiter les travaux de Redfield et de ces successeurs à l'aide de l'outil modélisation, à travers deux questions principales : (1) les rapports de Redfield sont-ils variables et à quelles échelles ? (2) en tenant compte de la variabilité de ces rapports faut-il remettre en question notre vision du fonctionnement de l'écosystème marin ? Après une introduction sur les progrès de la biogéochimie marine, pour répondre à ces 3 questions, un modèle biogéochimique simple dans lequel la composition élémentaire de la matière organique est variable est présenté. Prenant comme point de départ le modèle de croissance phytoplanctonique de Droop (1974) , l'outil est appliqué aux stations permanentes : Bermuda Atlantic Times series (BATS) dans la mer des Bermudes (Atlantique), KERFIX dans le secteur indien de l'océan austral, et Hawaii Ocean Time Series (HOT) dans le Pacifique sub-tropical nord. La première application au système oligotrophe de BATS permet la mise en place du modèle : à l'échelle annuelle, les sorties du modèle reproduisent les profils de POC/PON observés, les écarts entre les résultats du modèle et les estimations de la production exportée à partir des pièges à particules et les méthodes chimiques sont expliqués, au niveau du cycle du silicium, la faible productivité des diatomées dans ce type de système est interprétée. Les systèmes oligotrophes de type BATS peuvent présenter une forte variabilité dans la composition de la matière organique, tant temporellement que verticalement. Dans le cas de KERFIX, le modèle biogéochimique, en tenant compte de la limitation de croissance cellulaire et permet d'identifier la combinaison de facteurs typiques du caractère High Nutrient Low Chorophyll (HNLC) de l'écosystème antarctique; les rapports élémentaires de la composition de la matière organique y sont relativement constants. La troisième application à HOT (Pacifique) permet d'expliquer la faible variabilité à l'échelle annuelle et la forte variabilité verticale de la composition de la matière organique observée dans ce type de système hyper-oligothrophe. Dans une partie synthétique, les avantages des modèles biogéochimiques à composition flexible sont présentés et discutés avant de donner réponse aux 3 questions scientifiques posées.Oceanographic programs held over the past twenty years put forward the evidence that the elemental composition of the organic matter in the ocean is much more variable than previously thought. Strong deviation from the Redfiels's proportion is to be found in the ocean. After revisiting Redfield and his successors efforts in describing the ratios of elements in the ocean using modeling tools, implication for the biogeochemical cycle are discussed. This work addresses two core questions : (1) are the ratios of elements in the ocean variable, on which scales ? (2) Knowing those variations, should we reassess our vision of the ecosystem functioning ?After a general introduction about the recent progress in biogeochemistry, a flexible composition model of the upper ocean is presented to answer those questions. Starting with the Droop (1974) cell quota production model, our tool is applied to the Bermuda Atlantic Times Series (BATS) in the Sargasso sea (Atlantic), to the KERFIX station in the indian sector of the Southern Ocean and to the Hawaii Time Series (HOT) in the subtropical Pacific. The first application in the oligotrophic system BATS is used as a model validation study. On the annual scale, model outputs simulate the observed POC/PON profiles, and the difference between model fluxes and export fluxes from sediment traps and chemical methods is explained. In this typical oligotrophe region, elemental composition of the organic matter is highly variable spatially and temporally. The second application at the KERFIX station, simulating low iron concentration, light limitation and grazing pressure effect on primary production, leads to the typical HNLC system of the southern ocean in a more realistic way. The elemental ratio in these conditions only shows a small variability. The third application for the HOT system (pacific ocean) only shows vertical variations of the organic matter elemental ratios with no seasonal variability. The last part of the manuscrit goes back on the advantage of the flexible composition biogeochemical model and expose the result and variability of the elemental in order to answer the questions raised during this work.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocPLOUZANE-Bibl.La Pérouse (290195209) / SudocSudocFranceF

Rôle du fer dans le contrôle de la pompe biologique de CO2 de l'océan austral

Ces travaux portent sur le rôle du fer dans le contrôle de la pompe biologique de CO2 de l'Océan Austral. Le fer est en effet un micro-nutriment essentiel à la vie et de nombreuses expériences ont montré qu'en raison de ses concentrations subnanomolaires dans la colonne d'eau océanique, il est l'un des éléments limitants de la production primaire dans diverses régions océaniques, dont l'Océan Austral. La thèse a été menée suivant deux approches complémentaires : une approche géochimique et une approche biogéochimique. La partie géochimique a pour but une meilleure compréhension du cycle géochimique du fer dans l'océan. Elle présente des mesures en fer et manganèse dissous réalisées dans le sillage des Iles Kerguelen (Bucciarelli et al. 2001), et des mesures en fer dissous et fer total soluble réalisées dans l'Océan Austral ouvert (Bassin de Crozet). Ces prélèvements ont été effectués au cours des missions océanographiques Antares 3 (sillage des Iles Kerguelen) et Antares 4 (Bassin de Crozet) dans le cadre du programme Antares (France JGOFS). Ces données ont permis d'étudier les sources et les puits de fer dans le secteur Indien de l'Océan Austral considéré. La partie biogéochimique est axée sur les effets de la limitation par le fer sur des communautés phytoplanctoniques naturelles d'une part (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), et sur des cultures monospécifiques de trois diatomées, menées en laboratoire, d'autre part. Un découplage des cycles du carbone, de l'azote et du silicium en conditions de carence en fer a été montré, et quantifié pour des concentrations en fer dans le milieu variant de conditions limitantes à des conditions non limitantes.This work concerns the role played by iron in controlling the CO2 biological pump in the Southern Ocean. Iron, indeed, is a micro-nutrient essential to life and numerous experiments have shown that its subnanomolar concentrations in the water column (co)-limited the primary production in various oceanic areas, e.g. in the Southern Ocean. The thesis is divided in two complementary parts, a geochemical part and a biogeochemical one. The geochemical part aims at a better understanding of the oceanic geochemical cycle of iron. It presents measurements of dissolved iron and manganese in the wake of the Kerguelen Islands (Bucciarelli et al. 2001) and of dissolved and total dissolvable iron in the open Southern Ocean (Crozet basin). The samplings were conducted as part of the Antares program (France JGOFS), during the Antares 3 cruise in the wake of the Kerguelen island, and during the Antares 4 cruise in the Crozet Basin. The data give insigths into the sources and sinks of iron in the Indian sector of the Southern Ocean.The biogeochemical part focuses on the effects of iron stress on natural phytoplanktonic community on one hand (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), and on laboratory monospecific cultures of three species of diatoms on the other hand. A decoupling between the cycles of silicon, carbon and nitrogen has been shown under iron stress conditions. The decoupling is quantified in a range of iron concentrations varying from iron-limiting to iron-sufficient conditions.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocSudocFranceF

Caractéristiques chimiques et planctonique du golfe de Gascogne et du proche Atlantique - Campagne POLYGAS A (20 octobre - 4 novembre 1972) - Campagne PHYGAS (24 avril - 8 mai 1973)

Les principaux objectifs envisagés dans ce programme d'étude du domaine pélagique dans le Golfe de Gascogne concernent les caractéristiques chimiques trophiques (sels nutritifs), le phytoplancton, le zooplancton et le micronecton. Ces recherches se situent en aval des travaux sur les variations saisonnières des structures hydrologiques dans cette région, entrepris par les chercheurs de l'équipe physique du Centre Océanologique de Bretagne et du laboratoire d'Océanographie Physique de l'Université de Bretagne Occidentale. A chacune de nos campagnes, nous avons embarqué et travaillé conjointement avec ces chercheurs. Ces recherches se situent par contre en amont de celles concernant le domaine des pêches et les résultats constituent un élément important de l'environnement trophique des Poissons pélagiques, en particulier des grands prédateurs comme le Germon. En dehors d'une sortie d'essais du N.O. Noroît de quelques jours à la fin de l'automne 1971 et d'un certain nombre de prélèvements estivaux de zooplancton réalisés au cours des campagnes "K Thon" (Noroît, 1971) et Biogas 01 (La Perle, 1972) dont il ne sera pas fait état, nous avons essentiellement participé à deux campagnes du N.O. Jean Charcot, organisées par le COB (Campagne P° lygas A, Chef de Mission L. LAUBIER ; Campagne Phygas 32, Chef de Mission A. MADELAIN) . La première campagne "Polygas A" a eu lieu fin octobre début novembre 1972 et correspond à une situation oligotrophe avec des biomasses et des productions faibles tant au niveau du phytoplancton que du zooplancton (toutefois le nombre d'individus du macroplancton et du micronecton est relativement élevé)

Polar biogeochemistry and ecosystem feedback mechanisms in a changing environment

The following ten papers are based on presentations made in the sessions on Terrestrial systems and feedbacks on climate change (session 3) and Biogeochemical cycles in the Arctic and Antarctic (session 6). The issues addressed in these sessions all dealt with research questions identified as of highest priority in several programmes under the International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) such as GCTE, BAHC, IGAC, WOCE and JGOFS