Impact de l’activité photosynthétique des micro algues benthiques sur la diagenèse précoce et

les flux à l’interface eau-sédiment:Une approche par modélisation à haute

résolution.Sébastien Hochard

Encadrants: Christel Pinazo et Olivier Pringault

Sommaire

1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

2

3Introduction

Fortes interactions entre le sédiment et la colonne d’eaudans les Écosystèmes peu profonds

-Sédiment = Source de nutriments pour la colonne d’eau=> soutient la production primaire pélagique (Herbert, 1999).

- Sédiment = Important taux de dénitrification => zone tampon pour eutrophisation (Laursen et Seitzinger, 2002).

-Sédiment = Remise en suspension=> fort échange de matière, cause possible de bloom

d’algues toxiques(MacIntyre, 2004).

4

En modélisation biogéochimique, module sédimentaire = diagenèse précoceDiagenèse précoce = processus hétérotrophes de reminéralisation de la M.O.

Introduction

Nombreux modèles diagenétiques => profondeur abyssale, plateau continental.

Zone côtière = Lumière atteint le sédimentModèle diagenétique = Vision incomplète.

Sédiments côtiers= diagenèse + production primaire ben thique

Minéralisation aérobie

Minéralisation anaérobie

Dénitrification

Soetaert et al. 1996a

5

Si PAR sédiment ≥ 1% PAR surface => Production primairebenthique

=> estuaires, lagunes (Underwood and Kromkamp, 1999) .=> Plateau continental (Janhke et al., 2000).

Principal autotrophe benthique = microphytobenthos ( MPB)

Production primaire MPB peut être ≥ 50% production primairetotale (Cahoon, 1999).

=> Contribution significative au bilan de carbonne.

MPB = modification processus diagenèse et échanges à l’ interface.

6

MPB= Important pool de M.O produite “in-situ”

=> soutient bactéries hétérotrophes (Herman et al., 2001).=> rôle important dans la chaîne trophique (Leguerrier et al., 2003).

7

MPB= production et consommation d’oxygène + assimilation de nutriments

=>modification des réactions de minéralisationsnotamment dénitrification (Lorenzen et al., 1998).

MPB= “filtre” à l’interface eau-sédiment.

=> contrôle des échanges d’oxygène et de nutriment avec la colonne d’eau(Sundbäck et al., 1991; Bartoli et al., 2003).

8

MPB= exudation de 20 à 70% du carbon récemment fixé par photosynthèse.

=>Extracellular Polymeric Substance (EPS) (Smith and Underwood, 2000).

=>source de carbonne bacétries hétérotrophes (Middelburg et al., 2000).=>biostabilisation du sédiment. (De Brouwer & Stal, 2001).

9Introduction

Fortes interactions entre le sédiment et la colonne d’eaudans les Écosystèmes peu profonds

-Sédiment = Source de nutriments pour la colonne d’eau=> soutient la production primaire néritique (Herbert, 1999).

- Sédiment = Important taux de dénitrification => zone tampon pour eutrophisation (Laursen et Seitzinger, 2002).

-Sédiment = Remise en suspension=> fort échange de matière, cause possible bloom

d’algues toxiques(MacIntyre, 2004).

⇒MPB: contrôle des flux à l’interface.

⇒MPB: modification du taux de dénitrification.

⇒MPB: modification du seuil d’érosion du sédiment.

Sommaire

1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

10

11Description du modèle

Représentation des cycles de C,N,O2 , à travers 10 variables:

- 6 particulaires:

M.O: TOC1, TOC2, EPS

MPB: C, Chl, N

- 4 dissoutes

Nutriments: NH4, NO3

Oxygène: O2

Produit de la minéralisation anaérobie: ODU

12Description du modèle

Processus:

Processus de minéralisation:

Minéralisation aérobie

Dénitrification

Minéralisation anaérobie

Processus de ré-oxydation:

Nitrification

Ré-oxydation de l’ODU.

13Description du modèle

Processus:

Processus du MPB:

Production primaire

Assimilation

Photo-acclimatation

Respiration

Exudation d’EPS

Processus du zoobenthos:

Grazing

Excrétion d’ammonium

Respiration

Production de feaces

Export

14Description du modèle

Les conditions de frontières:

-Concentration des eaux de fond en éléments dissous.

-Flux de sédimentation

-Lumière

15

Transport

Le modèle de diagenèse

∑ ×+

××+∂∂××−

∂∂−=

∂∂

∞∞ REACCwz

CD

zt

Csed φφφφ

Equation de diagenèse générale (Berner, 1980)

Dissous:

- Diffusion moléculaire

- Bio - irrigation.

- Advection

Solide:

- Bioturbation.

- Advection

Discrétisation

Prof max = 10cm

Surface = 5 couches 200 µm d’épaisseur puis augmente progressivement.

29 couches au total

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1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

16

17

MPB source de M.O labile.

San

s M

PB

Ave

c M

PB

time

z

µm

ol.l-

1

µm

ol.m

-2.h

-1µ

mol

.m-2.h

-1

µm

ol.l-

1

- Apparition d’une forte variabilité des variables et des flux à l’échelle nycthémérale.

- Effet de filtre du MPB pour les flux à l’interface

Photosynthèse MPB=>fort impact sur flux et profils d’O2

Profil NO3 fortement affectéSédiment = puits

Profil NH4-En surface+En profondeurFlux faible

18

time

San

s M

PB

Ave

c M

PB

zµ

mol

.m-2.h

-1µ

mol

.m-2.h

-1

µm

ol.l -1.s-1

µm

ol.l -1.s-1

- Ecore une forte variabilité à l’échelle nycthémérale pour les processus diagenètique.

- Modification de l’importance relative et de l’intensité des voie de minéralisation.

Augmentation de la minéralisation aérobieMPB = +M.O

Baisse de la dénitrification

MPB= -NO3

Augmentation de la minéralisation anoxiqueMPB= +M.O

Baisse de la nitrification

MPB= -NH4

19

MPB => Maximum en surface puis diminue

Seule une fraction du MPB participe à la production primaire=> Nécessité d’une discrétisation spatiale fine (<1mm)

20

Etat nutritionnel du MPB contrôle les flux d’azote à l’interface via l’uptake.

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1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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Profils d’oxygène in-situ

22

Profils d'oxygène modèle

-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1

00 100 200 300 400 500

dark

light

Données thèse Evans 2005

Florida bay:

milieu oligotrophe

sub-tropical

peu profond (moyenne= 1m)

23

Comparaison des profils d'ammonium

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

00 500 1000 1500

nh4 in-situ

nh4 modèle

24

Profils de nitrate et d’oxygène in-situ

Dark Light

Profils de nitrate modèle

-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1

0

0 0,5 1 1,5 2

dark

light

Lorenzen et al., 1998

25

Comparaison des flux d'oxygène

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

Comparaison des flux d'ammonium

-40

-20

0

20

40

60

80

Comparaison de la dénitrification

-70

-60

-50-40

-30

-20

-10

010

20

30

In-situ

Modèle

Comparaison des flux de nitrate

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

dark

dark dark

dark

light light

light light

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1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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Mesure in-situ: Profils d’oxygène in-situ

Flux d'oxygène in situ

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

O2 dark O2 light

28

Modèle:

29

30

Modèle:

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1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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Calcul de la production primaire à midi à partir de s flux d’oxygène:

Production nette = (flux d’oxygène jour)*quotient photosynthétiqueProduction brute = Production nette + Respiration (=0.1* Production brute)

⇒Production nette = 6810 µmolC.m -2.h-1

⇒Production brute = 7566 µmolC.m -2.h-1

Production primaire à midi calculée par le modèle :

⇒Production nette = 10253 µmolC.m -2.h-1

⇒Production brute = 11500 µmolC.m -2.h-1

OR FLUX D’OXYGENE MODELE = FLUX D’OXYGENE IN-SITU

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3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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NUIT:

-Pas de lumière pour la photosynthèse

- Respiration => diminution pénétration O2 (Revsbechet al., 1981)

- Nitrification limitée par disponibilité O2 => diminution Dn (Kemp et al., 2000)

-Faible uptake du MPB, augmentation de Dw (An et Joyce, 2001)

-Faible uptake du MPB, NH4 diffuse hors du sédiment (Sundbäck et al., 2004)

Dn = dénitrification couplée à la nitrification

Dw= dénitrification avec NO3 issu de la colonne d’eau.

35

JOUR:

-Lumière disponible pour la photosynthèse

- Production O2 => augmentation pénétration O2 (Revsbech et al., 1981)

- Nitrification stimulée par production O2 => augmentation Dn (Dalsgaard, 2003)

-Fort uptake du MPB, diminution de Dw (An et Joyce, 2001)

-Fort uptake du MPB, faible flux de NH4, voir sédiment = puit NH4(Sundbäck et al., 2004)

Dn = dénitrification couplée à la nitrification

Dw= dénitrification avec NO3 issu de la colonne d’eau.

36

Ecosystème oligotrophe:

NO3 colonne d’eau faible

Dn > Dw

Dtot Jour > Dtot nuit

Ecosystème eutrophe:

NO3 colonne d’eau élevé

Dn < Dw

Dtot Jour < Dtot nuit

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4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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Sédiment = source de nutriments pour phyto

Sédiment = perte définitive d’azote via la dénitrification.

Sédiment = faible source de nutriments pour phyto

Assimilation azote par MPB >> dénitrification

MPB = piège l’azote sous forme de biomasse.

Echange biomasse > Echange DIN

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MPB

PHYTO

NECTON

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1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.

3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.

4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.

4.1.1 Exemple de l’oxygène.

4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.

4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.

4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.

5. Conclusions et prospectives.

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Conclusions:

- Reproduit qualitativement et quantitative le jeu de données de Florida bay.

- Processus et variables non mesurés à Florida bay=> qualitativement en accord avec la litterature.

- Imprécisions pour certains paramètres.

- De nombreux processus ne sont pas pris en compte.

Perspectives:

- Article en cours de rédaction.

- Mesures en Nouvelle-Calédonie.

- Continuer à développer le modèle.

- Couplage avec le modèle Eco3M – Lagon.