Fonctionnement biogéochimique actuel et passé de l'écosystème benthique de la Vasière Ouest Gironde (Golfe de Gascogne) : processus de reminéralisation, recyclage et stockage du C et des éléments associés (O2, N, Mn, Fe, P, S)

par Nicolas Dubosq

Projet de thèse en Biogéochimie et écosystèmes

Sous la direction de Sabine Schmidt.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences et Environnements , en partenariat avec Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux (laboratoire) et de ECOBIOC - ÉCOlogie et BIOgéochimie des systèmes Côtiers (equipe de recherche) depuis le 25-09-2019 .


  • Résumé

    La description du devenir du flux de carbone (C) qui transite du continent vers l'océan (i.e., 170-200 Tg.an-1) est un élément indispensable à la modélisation du compartiment marin des grands cycles biogéochimiques actuels, lesquels jouent un rôle majeur dans la régulation du climat de notre planète. La reminéralisation de la matière organique (MO) continentale plus ‘réfractaire' est présumée moins importante que celle de la MO marine plus ‘réactive'. Pourtant les bilans récents estiment que plus de la moitié du flux de C continental (i.e. de 55 à 80%) est reminéralisée sur les marges continentales, la fraction restante étant préservée dans les sédiments, notamment dans les zones de dépôts privilégiées que représentent les vasières côtières où elle est ensuite soumise à des réactions de dégradation plus lentes. Ce flux de C continental varie dans l'espace et le temps, sous l'influence cumulée des apports des grands fleuves et de l'hydrodynamisme du milieu récepteur, mais représente environ un tiers de la MO enfouie dans les sédiments. Au-delà de ces chiffres, les mécanismes gouvernant la préservation du C dans les sédiments restent néanmoins encore largement méconnus et peu quantifiés. Cette connaissance est d'autant plus importante que ces vasières sont des zones économiquement importantes pour leurs ressources halieutiques. De plus, une modification de la fréquence et de l'intensité des crues des grands fleuves et des tempêtes est attendue avec le changement global de notre planète, ce qui semble se confirmer ces dernières années par les observations faites sur la façade atlantique. La compréhension des processus non-stationnaires intervenant dans ces vasières côtières et leurs conséquences à court et moyen terme sur leur fonctionnement biogéochimique et écologique constitue un objectif essentiel pour la communauté internationale des biogéochimistes marins et un enjeu majeur pour la gestion des ressources halieutiques. Dans ce contexte, la Vasière Ouest Gironde présente un grand intérêt car elle est localisée en face de l'embouchure de l'estuaire de la Gironde dans le Golfe de Gascogne, un milieu océanique extrêmement énergétique. Historiquement, elle a été principalement étudiée d'un point de vue sédimentaire. Les rares études (bio)géochimiques disponibles n'ont porté que sur un nombre de stations et de paramètres très limités. La Vasière Ouest Gironde apparait comme une structure principalement alimentée en particules par la Gironde, aux contours fluctuant et séparée en trois grandes entités : (1) une zone proximale composée de sédiments fins anciens surmontés de dépôts sédimentaires sableux transitoires; (2) une zone interne avec des apports continentaux plus faibles et une sédimentation plus régulière (dépôt-centre), et (3) une zone plus éloignée de l'embouchure caractérisée par une sédimentation moderne effective mais faible et entrecoupée d'épisodes d'érosion en période de fort hydrodynamisme, ainsi que par une forte bioturbation dont l'intensité augmente le long du gradient NE-SO. La nature non-stationnaire et complexe des processus diagénétiques qui contrôlent très probablement la structure et le fonctionnement écologique de cette vasière, et son éloignement de la côte malgré son intérêt économique (pêches de la sole et de la langoustine), peuvent expliquer notre mauvaise connaissance de son fonctionnement biogéochimique et de son rôle dans le transfert du C et des éléments associés (O2, N, Mn, Fe, P, S) du continent vers l'océan plus profond. Pour ce faire, le travail s'appuiera sur les données acquises lors d'un total de 9 campagnes saisonnières en mer réalisées entre 2016 et 2020 sous différentes conditions de débit de la Gironde, dont 4 campagnes seront réalisées au cours des 2 premières années de la thèse. Les stations échantillonnées sont situées sur deux gradients côte-large : NE-SW et NW-SE. Le prélèvement de 3 carottes longues de type Kullenberg (zone proximale, dépôt-centre et zone distale) permettra de préciser l'évolution de la structure et le fonctionnement de la vasière au cours des deux derniers millénaires. Les paramètres mesurés à chacune de ces stations concernent : (1) les paramètres physiographiques (profondeur, distance de la côte), (2) les propriétés de la colonne d'eau (température, salinité, oxygène dissous, fluorescence comme indicateur de la production primaire pélagique, turbidité, lumière), (3) les caractéristiques physiques sédimentaires (radiographie X, granulométrie, porosité, perméabilité, surface spécifique), (4) les paramètres permettant de caractériser et quantifier les processus de reminéralisation de la matière organique et des processus diagénétiques associés à l'aide : (4a) des flux diffusifs O2 (micro-profils O2 mesurés in-situ avec un profileur de microélectrodes O2 et pH et modélisation) et flux totaux de O2 et de sels nutritifs (NO3-, NH4+, PO43-, Sid) mesurés par incubations de carottes de sédiments en conditions in-situ, (4b) des profils verticaux du pH et des fractions particulaires/dissoutes et/ou oxydées/réduites des composés redox (NO3-, NH4+, PO43-, Sid, Mn et Fe dissous, sulfates, sulfures, TCO2, DOC, TDN, CH4, Mn Fe et P réactifs, AVS et pyrite) impliqués dans les processus de diagenèse précoce (5) les principaux descripteurs des fractions totales (carbone organique CO, azote total N, acides aminés totaux, delta13C, delta15N) et labiles (chlorophylles et phéophytines a, b et c ; acides aminés disponibles) de la matière organique sédimentaire. Le doctorant interagira également étroitement avec B. Lamarque (thèse MNESR, Nov 2017- Nov 2020) qui est en charge de l'étude des caractéristiques des différentes composantes de la faune benthique et de son activité de bioturbation par quantification des traces d'activités biologiques dans la Vasière Ouest Gironde en relation avec les variables environnementales. Le doctorant disposera aussi des informations relatives à l'utilisation des radioéléments pour quantifier le remaniement sédimentaire, les événements de dépôt récent ainsi que les taux de sédimentation (mesures des profils de 7Be, 234Th et 210Pb et modélisation ; S. Schmidt). Les axes d'interprétation/valorisation envisagés incluent donc : (1) la description des patrons spatio-temporels des variables/processus de reminéralisation listés ci-dessus et leur mise en relation avec les flux particulaires issus de l'estuaire de la Gironde ainsi que l'hydrodynamisme local, (2) l'estimation des taux de piégeage ou de recyclage du C et des éléments associés (O2, N, Mn, Fe, P, S) dans les sédiments de la Vasière Ouest Gironde, et (3) la comparaison des systèmes Gironde et Rhône (déjà étudié par l'équipe proposante) qui diffèrent par la saisonnalité plus ou moins marquée des apports continentaux et l'intensité de l'hydrodynamisme dans la zone Sylvain Rigaud (Université de Nîmes) est associé à la supervison de cette thèse en tant que co-encadrant. ________________________________

  • Titre traduit

    Present and past biogeochemical functioning of the benthic ecosystem of the West Gironde Mud Patch (Bay of Biscay): remineralisation, recycling and burial processes of C and associated elements (O2, N, Mn, Fe, P, S)


  • Résumé

    The description of the fate of the carbon (C) flux from the watershed to the ocean (i.e., 170-200 Tg.an-1) is an essential element to model the marine compartment of the present-day biogeochemical cycles, which play a major role in the control of the climate of our planet. Remineralization of the more ' refractory ' continental organic matter (OM) is assumed to be less important than that of the more 'reactive' marine OM. However recent budget showed more than half of the continental C input (i.e. from 55 to 80%) is remineralized on the continental margins, the remaining fraction being preserved in the sediments, especially in peculiar deposit centers, as the coastal mudflats where it is then subjected to slower degradation reactions. This flux of continental C varies in space and time, under the cumulative influence of the inputs of the large rivers and the hydrodynamics of the receiving environment, but represents about one third of the MO buried in the sediments. The mechanisms that govern the preservation of C in sediments remain still largely unknown and poorly quantified. This knowledge is particularly important as these mudflats are economically important areas for their fishery resources. In addition, changes in the frequency and intensity of fluvial floods and storms are expected in the next decades due to the global change, which seems to be confirmed by recent observations along the Atlantic coast. The understanding of the non-stationary processes in these coastal mudflats and their short-and medium-term consequences on their biogeochemical and ecological functioning is an essential objective for the international biogeochemist community, and a major issue for the management of fisheries resources. In this context, the West Gironde Mud Patch is of great interest: it is located off the Gironde estuary in the Bay of Biscay, an extremely energetic coastal environment. Historically, it has been mainly studied from a sedimentary point of view. The rare (bio)geochemical studies have only focused on a very limited number of stations and parameters. The West Gironde Mud Patch appears as a structure mainly fueled by particles from the Gironde, with fluctuating borders, and separated into three main sectors: (1) a proximal zone composed of old fine sediments surmounted by sandy deposits; (2) an internal zone with lower continental inputs and more regular sedimentation (deposit center), and (3) a distal area characterized by a weak sedimentation, irregular episodes of erosion during periods of high hydrodynamics, and a strong bioturbation with an increasing intensity along the NE-SW gradient. The transient and complex nature of diagenetic processes that likely control the structure and the ecological functioning of this mudflat, and its distance from the coast despite its economic interest (sole and lobster), can explain our too low understanding of its biogeochemical functioning and its role in the transfer of C and associated elements (O2, N, Mn, Fe, P, S) from the continent to the deeper ocean. The proposed work will consist in studying the transient biogeochemical processes that control the sequestration or the recycling of C and associated elements (O2, N, Mn, Fe, P, S) in the West Gironde Mud Patch which currently corresponds to a preferential deposit center of particles from the Gironde estuary. The objective is to characterize the biogeochemical functioning of the benthic habitat, not only from the seasonal to interannual scale, but also over a multi-decadal period. The work will be based on the data acquired during a total of 9 seasonal offshore campaigns carried out between 2016 and 2020 under different flow conditions of the Gironde, 4 campaigns will be carried out during the first 2 years of the thesis. The sampled stations are located on two cross-shore gradients: NE-SW and NW-SE. The additional sampling of 3 long Kullenberg cores in the proximal, central and distal zones will help to describe the evolution of the structure and the functioning of the mudflat over the last two millennia. The measured parameters at each stations will be : (1) the physiographic parameters (depth, distance from the coast), (2) the properties of the water column (temperature, salinity, dissolved oxygen, fluorescence as an indicator of pelagic primary production, turbidity, light), (3) physical sedimentary characteristics (X-ray, particle grain size, porosity, permeability, specific surface area), (4) the parameters required to characterize and quantify the remineralization processes of the OM and the associated diagenetic processes based on: (4a) O2 diffusive fluxes (in-situ measurements of O2 and pH microprofiles using an autonomous microelectrode profiler and modeling) and total O2 and nutrient fluxes (NO3-, NH4 +, PO43-, Sid) measured by incubation of sediment cores under in situ conditions, (4b) vertical profiles of pH and particulate/dissolved and/or oxidized/reduced fractions of redox compounds (NO3-, NH4 +, PO43-, Sid, dissolved Mn and Fe, sulfates, sulphides, ∑CO2, DOC, TDN, CH4, Mn Fe and P reagents, AVS and pyrite) involved in early diagenetic processes (5) the main descriptors of the total (organic carbon, total nitrogen, totally hydrolyzable amino acids,delta13C, delta15N) and labile (Chlorophylls and Pheophytins a, b and c; enzymatically hydrolyzable amino acids ) fractions of sedimentary organics. The student will also interact closely with B. Lamarque (MNESR thesis, Nov 2017-Nov 2020) who is in charge of the study of the characteristics of the different components of the benthic fauna and its activity of bioturbation by quantification of traces of biological activities in the West Gironde Mud Patch in relation to environmental variables. The student will also have information on the use of radioelements to quantify sediment reworking, recent depositional events and sedimentation rates (measurements of 7Be, 234Th, 210Pb profiles and modelling; S. Schmidt). The interpretations will include: (1) the description of the spatiotemporal patterns of remineralization variables/processes and their linking to the particulate fluxes from the estuary of the Gironde and the local hydrodynamics, (2) the estimation of the burial or recycling rates of C and associated elements (O2, N, Mn, Fe, P, S) in the sediments of the West Gironde Mud Patch , and (3) the comparison of the Gironde and Rhône systems (previously studied by the proposing team) that differ in the seasonality of continental inputs and the intensity of hydrodynamics in the receiving area (Mediterranean Sea). Sylvain Rigaud from the University of Nîmes will be associated with the direction of this doctorate thesis as co-supervisor.