Vers une réévaluation des facteurs limitant la production biologique dans les cours d’eau de tête de bassin versant : nutriments, acides gras ou qualité du carbone détritique ?

Towards a reassessment of factors limiting biological production in headwaters streams : nutrients, fatty acids or detrital carbon quality ?

• Auteur / Autrice : Clément Crenier
• Direction : François Guérold, Michaël Danger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Eric Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Desvilettes, Virginie Baldy, Elisabeth M. Gross
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Desvilettes, Virginie Baldy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nutriments

Productivité primaire (biologie)

Acides gras insaturés

Écologie des cours d'eau

Écologie fonctionnelle

Mots clés libres

Écologie fonctionnelle

Stœchiométrie écologique

Acides gras polyinsaturés

Producteurs primaires

Macroinvertébrés déchiqueteurs

Décomposition

Functional ecology

Ecological stoichiometry

Polyunsaturated fatty acids

Primary producers

Shredders macroinvertebrates

Leaf litter breakdown

Résumé

Les cours d’eau de tête de bassin versant, malgré leurs tailles réduites, jouent des rôles importants pour le fonctionnement des milieux situés en aval, et rendent de nombreux services écologiques. Depuis l’émergence du River Continuum Concept, le fonctionnement de ces cours d’eau est considéré comme reposant principalement sur les apports allochtones de matière organique détritique par opposition aux écosystèmes aval de plus grande taille dans lesquels la production primaire autochtone est considérée comme prépondérante. Bien que les détritus soient, par définition, des ressources de moindre qualité pour leurs consommateurs que les végétaux vivants, le rôle des facteurs qui limitent la production biologique et les processus fonctionnels dans ces écosystèmes détritiques reste encore peu exploré. Par exemple la carence en éléments minéraux essentiels (notamment en azote et en phosphore) dans les détritus peut limiter le développement des organismes vivants dans les cours d’eau. De ce fait, la disponibilité en éléments minéraux dans la colonne d’eau, en stimulant la croissance, l’activité des décomposeurs et la qualité élémentaire des ressources par le processus d’immobilisation microbienne, pourrait contrôler pour partie les processus écologiques en jeu dans ces écosystèmes. En étudiant in situ la réponse des communautés microbiennes aux nutriments le long d’un gradient d’occupation des sols, nos travaux ont mis en évidence un effet positif des éléments dissous (N et P) sur la décomposition des litières et les activités enzymatiques des décomposeurs, et ce même pour les niveaux en nutriments les plus élevés du gradient, pour lesquels des effets inverses étaient attendus. Indépendamment, dans des cours d’eau anciennement soumis à de forts dépôts acidifiants, nous avons pu observer une récupération du processus de décomposition des litières. Néanmoins, cette restauration s’accompagnant d’un appauvrissement marqué en N, des perturbations du fonctionnement de ces cours d’eau pourrait se manifester à terme. Le rôle de la production primaire dans les cours d’eau de tête de bassin versant a ensuite été questionné. En effet, bien qu’étant mineur quantitativement, l’apport de carbone de forte qualité pourrait jouer un rôle non négligeable sur le fonctionnement des cours d’eau de tête de bassin versant. En particulier, l’importance et le rôle des apports en acides gras polyinsaturés (AGPI) via les biofilms phototrophes ont été questionnés. En se basant sur un suivi de terrain sur 15 cours d’eau des Vosges le long d’un gradient d’acidification, nos recherches ont tout d’abord pu mettre en évidence la présence de biofilms diatomiques riches en AGPI, malgré le caractère très forestier de ces cours d’eau. Dans un second temps, une expérience en conditions contrôlées a permis d’observer le rôle positif des apports, mêmes faibles, de ressources diatomiques sur la croissance et la survie du crustacé amphipode Gammarus fossarum. Sans cet apport, ces organismes se sont avérés incapables de maintenir leurs niveaux internes d’AGPI, suggérant qu’une consommation de producteurs primaires autochtones était indispensable à ces organismes détritivores. Nos résultats ont ainsi pu mettre en évidence les rôles fondamentaux que peuvent jouer la disponibilité en éléments dissous (N et P) et la qualité du carbone dans les ressources sur la production biologique et sur le processus de décomposition des litières dans les cours d’eau de tête de bassin versant. Ces résultats appellent désormais à investiguer plus profondément les interactions entre ces deux facteurs limitants, et à comprendre dans quels contextes l’un des facteurs pourrait suppléer l’autre. En particulier, il sera intéressant de rechercher comment diverses perturbations anthropiques (xénobiotiques, réchauffement climatique etc…) pourraient affecter l’intensité ou la nature de ces limitations

Despite their reduced sizes, headwater streams play important roles in the functioning of downstream ecosystems and provide numerous ecological services. Since the River Continuum Concept, the functioning of these streams has been considered as mainly relying on allochthonous supplies of detrital organic matter for their functioning, in contrast with downstream ecosystems of larger size where primary production is considered to be predominant. Despite that detritus represent, by definition, a resource of lower quality for its consumers than living plants, the nature of the factors limiting the biological production and functional processes in these detrital ecosystems remains sparsely explored. First, the lack of essential elements (in particular nitrogen and phosphorus) in detritus could be a major constraint for the development of living organisms in streams. As a result, the availability of mineral elements in the water column, by stimulating the growth and activity of decomposers, but also by increasing the elemental quality of resources through microbial immobilization, could control ecological processes in a higher extent than previously believed in these ecosystems. By studying in situ, the response of microorganisms to nutrients availability along a land-use gradient, our results have shown a positive effect of the dissolved elements (N and P) on the decomposition of leaf litters and the enzymatic activities of the decomposers, even for the highest nutrient levels of the gradient, for which adverse effects were expected. Independently, in streams formerly subjected to acidification, we observed a recovery of the process of leaf litter decomposition. Nevertheless, this recovery was accompanied by a marked N reduction in the ecosystem, huge changes in stream functioning might be expected in the medium to long term. The role of autochthonous primary production was then questioned. Indeed, while being quantitatively minor, this contribution of high quality carbon may play a significant role in the functioning of headwater streams. In particular, the importance and role of polyunsaturated fatty acid (PUFA) intakes via phototrophic biofilms was questioned. Based on a field survey of 15 rivers in the Vosges Mountains along an acidification gradient, our results first showed the presence of diatomic biofilms rich in PUFA, despite these streams are clearly in a forested context. In a second step, an experimentation carried out under controlled conditions permitted to observe the positive role of diatomic resources, even in low concentrations, on the growth and survival of the crustacean amphipod Gammarus fossarum. Without this input, these organisms were unable to maintain their internal levels of PUFAs, suggesting that the consumption of autochthonous primary producers might be essential for these detritivore organisms. All our results permit to highlight the fundamental roles that can be played by the availability of dissolved elements (N and P) and the carbon quality of the resources on the biological production and on leaf litter decomposition in headwater streams. These results stress the need for more profound investigation of the interactions between these two limiting factors, and for understanding in which contexts one factor could supplement the other. In particular, it will be interesting to investigate to what extent various anthropogenic disturbances (xenobiotics, global warming, etc...) could affect the intensity or the nature of these limitations