Production, transport and transformation of particulate matter in the first kilometer of the oceans : impact of oxygen minimum zones

Production, transport et transformation de la matière particulaire dans le premier kilomètre des océans : impact des zones à minimum d'oxygène

• Auteur / Autrice : François Roullier
• Direction : Gaby Gorsky, Lars Stemmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries

Phytoplancton

Prospection biogéochimique

Biogéochimie

Mots clés libres

Pompe biologique

Export de carbone

Flux de matière

Transport particulaire

Omz

Tara

Particules

Résumé

Dans le système de la pompe biologique océanique, l'incorporation et la séquestration du carbone d'origine atmosphérique dans les sédiments marins résultent de la fixation en surface de ce carbone, suivie de son transit dans la colonne d'eau sous forme de particules carbonées. Dans la zone euphotique (0-200m), la photosynthèse par le phytoplancton joue le rôle primordial de fixateur du carbone atmosphérique dans des particules organiques consommées ensuite par les autres organismes marins hétérotrophes. La matière organique particulaire produite directement à partir du phytoplancton (comme les agrégats) ou indirectement par les organismes (par exemple les pelotes fécales) représentent le principal vecteur d'export du carbone vers l'océan profond. Dans ce contexte, l'efficacité de la pompe biologique est alors fonction de la vitesse de sédimentation des particules et finalement seules les particules dont la taille et la masse sont suffisantes parviennent jusqu'au sédiment. Ces considérations ont ainsi permis d'établir que les particules d'une taille > 500µm connues dans la littérature scientifique sous le terme de "neige marine" contribuaient significativement à l'export en profondeur. Au cours de l'expédition TARA, l'utilisation du Profileur de Vision Marine (PVM) nous a permis d'établir la distribution en taille du compartiment particulaire (> 100µm) depuis la surface jusqu'à 1500m de profondeur dans plus de 150 stations échantillonnées dans les océans majeurs. A l'aide de cette base de données, couplée aux données environnementales (physiques et biogéochimiques), nous avons cherché à évaluer l'intensité du flux particulaire (dérivé de la distribution en taille des particules) et à déterminer les processus biotiques et abiotiques modulant cet export. Dans la première partie de ce travail, une classification réalisée à partir des profils verticaux de flux a permis de mettre en évidence l'importance de la production de surface et la contribution des différentes communautés de phytoplancton (micro-, nano- et pico-phytoplancton) à l'établissement du flux particulaire sous la couche de surface, mais aussi le rôle des processus de transformation dans différentes régions océaniques dans l'atténuation du flux en profondeur. En dehors des régions à dominante oligotrophe où la quantité de matériel particulaire en surface reste extrêmement faible, nous avons constaté que l'atténuation du flux la plus faible correspondait aux "Zones à Minimum d'Oxygène" (OMZ). La deuxième partie de ce travail de thèse s'articule donc autour de l'étude des OMZ afin de comprendre les processus impliqués dans la dynamique du transfert vertical des particules. Sur la base de mesures biogéochimiques réalisées à partir de l'ensemble des capteurs (optique et imagerie), nous avons pu observer que les faibles valeurs d'atténuation de flux (k = 0,35 +/- 0,26) dans l'OMZ étaient en fait le résultat d'une réaugmentation profonde de 5 à 15% de celui-ci. Nous discutons cette réaugmentation comme étant une conséquence de l'activité des communautés mésopélagiques de zooplancton vivant sous la couche suboxique des OMZ (oxycline inférieure) tout en proposant aussi un rôle potentiel des microorganismes anaérobiques sur la dégradation et la modification de la matière organique particulaire en sédimentation dans le coeur de l'OMZ. Enfin, la dernière partie de ce travail se focalise sur la plus intense OMZ, celle de la Mer d'Arabie (Océan Indien). A l'aide d'un modèle de transport Lagrangien, nous avons évalué la possibilité d'un transport particulaire advectif depuis la côte (Golfe Persique) vers le large qui aurait pu contribuer à alimenter en matière organique la couche suboxique de l'OMZ.

In the biological pump system, incorporation and sequestration of atmospheric carbon into marine sediment result of carbon fixation at ocean surface, followed by its sinking through the water column in the form of particulate carbon. In the euphotic zone (0-200m), phytoplankton photosynthesis allows carbon fixation into organic particles that are consumed by other heterotrophic organisms. Particulate organic carbon produced directly by phytoplankton (as aggregated particles) or indirectly by organisms (for example as faecal pellets) represent the main vector of carbon export to deep ocean. In this context, efficiency of the biological pump is a function of the settling speed of a particle and only those particles with sufficient mass and size reach the sediment. These considerations permit us to conclude that particles with a diameter greater than 500µm, known as "marine snow", contribute significantly to deep export. During the TARA expedition, the use of a UVP (Underwater Vision Profiler) allowed to establish the size distribution of particles (> 100µm) from the ocean surface to 1500m depth, with more than 150 sampling stations across 3 major oceans. With this database completed by environmental variables, we tried to evaluate intensity of particulate flux and identify biotic and abiotic processes influencing this export. In the first part of this work, a clustering based on flux profiles showed the importance of surface production and contribution of each phytoplanktonic community (pico-, nano- and microphytoplankton) to particulate flux under surface, but also the role of transformation processes in different oceanic regions to flux attenuation. Except in oligotrophic regions where surface particulate stock is very low, we observed that the weakest flux attenuation k = 0,35 +/- 0,26) corresponded to the "Oxygen Minimum Zones" (OMZ). The second part of this work is related to OMZ in order to understand which processes are involved in the dynamics of particulate vertical transfer. On the base of biogeochemical measurements taken by optical and image sensors, we could observe that weak attenuation values in OMZ were in fact the result of a deep increase of 5 to 15% of flux. We discuss this increase as a consequence of zooplankton mesopelagic communities activity living at the lower oxycline of the suboxic layer, but we also proposed a potential influence of anaerobic microorganisms on degradation and modification of the settling organic matter in the suboxic core. The last section of this work focuses on the most intense OMZ, located in the Arabian Sea (Indian Ocean). We used a Lagrangian particle model to evaluate the possibility of advective particulate transport from coastal area (Persian Gulf) to the open ocean, which could supply the OMZ suboxic layer with organic.