The effects of wind-induced mixing on the structure and functioning of shallow freshwater lakes in a context of global change.
Rôles du brassage dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques peu profonds dans un contexte de réchauffement climatique.
Résumé
The wind plays a key role in the structure and functioning of lakes. Water column mixing is involved in the competition between different species of phytoplankton with different vertical positioning strategies. For example, buoyant cyanobacteria are generally favored by low mixing conditions, while sinking diatoms and green algae depend on mixing to be suspended in the photic zone. In addition, in shallow lakes, wind-induced mixing is usually sufficient to cause sediment resuspension. This leads to an increase in turbidity which can directly impact the algal growth and productivity. Resuspension can also induce the release of phosphorus previously stored in sediments. This internal loading via resuspension can boost algal production and growth. The first goal of this thesis was to model the competition between the buoyant cyanobacterium Microcystis aeruginosa and a sinking green algae under different mixing conditions: from quasi-stagnant to storm-like events. Hundreds of simulations were carried out in different conditions of mixing, phosphorus concentration and water temperatures in order to establish the conditions necessary for the dominance of one species on the other. In the second part of this thesis, we explored the potential impacts of mixing on the pelagic food web. The vast majority of previous studies on mixing in shallow lakes are in situ studies focused on phytoplankton. In the summer 2012, we used 15m3 mesocosms equipped with wave-makers and followed during nine weeks the dynamics of physical and chemical variables and the dynamic of phytoplankton, zooplankton, bacteria and viruses under two mixing conditions: whole column mixing with sediment resuspension and superficial mixing without resuspension. The following year, the same experiment was conducted but this time crossed with a warming treatment. Both experiments gave similar results in regards to mixing. We observed a significant effect of mixing on phytoplankton with an increase in chlorophyll content and an increase in productivity. The response of zooplankton to mixing depended on the subgroup. In our experiments, only copepods responded negatively to mixing with a potential cascade effect on the rotifer population while bosminas remained unaffected throughout the experiments. The 2012 experience also suggests an increase in bacterial lysis activity by virus in mixed enclosures. In 2013, no effect of water warming (+1°C) was observed on the measured variables, however, additional analysis are still underway to confirm or infirm these results.
Le vent joue un rôle clé dans la structure et le fonctionnement des lacs. Le brassage de la colonne d’eau est notamment impliqué dans la compétition entre les différentes espèces de phytoplancton dont les stratégies de positionnement vertical varient largement entre groupes. Par exemple, les cyanobactéries sont globalement favorisées par des conditions de brassage faible grâce à des mécanismes physiologiques de flottaison leur permettant de se maintenir à une profondeur désirée, alors que les diatomées et les algues vertes qui n’ont pas de système de flottaison dépendent d’un brassage important pour être suspendues dans la zone euphotique. Dans les lacs peu profonds, le brassage généré par le vent est généralement suffisant pour entrainer la resuspension des sédiments. Ceci a pour conséquence directe une augmentation de la turbidité qui peut directement impacter la croissance et la productivité algale. La seconde conséquence est la libération de phosphore précédemment stocké dans les sédiments. La pollution et l’usage d’engrais ont provoqué un important import de phosphore dans les lacs qui sont pour la plupart dans un état d’eutrophisation. Dans un premier temps, cette thèse a eu pour objectif de modéliser la compétition entre une cyanobactérie et une algue verte dans une colonne d’eau de lac peu profond prenant en compte la possibilité de resuspension des sédiments et de phosphore. Différents niveaux de brassage ont été testés : de quasi-stagnant à tempête. Des centaines de simulation ont été réalisées dans différentes conditions de brassage, d’eutrophisation (de oligo- à hypereutrophe) et de réchauffement climatique (actuel et +2°C) permettant d’établir des domaines de conditions de dominance d’une espèce ou de l’autre. Dans une seconde partie, la thèse a eu pour objectif d’explorer les impacts potentiels du brassage sur l’ensemble du réseau trophique pélagique. En effet, la grande majorité des études portant sur le brassage sont des études in situ focalisées sur le phytoplancton. Dans le cas présent, nous avons utilisé des mésocosmes de 15m3 équipés de batteurs à vagues dont les amplitudes, fréquences et longueurs d’ondes sont modifiables. Une première expérience en 2012 a eu pour objet de suivre durant 9 semaines la dynamique des variables physico-chimiques standards et des communautés de phytoplancton, zooplancton, bactéries et virus dans deux modalités de brassage : brassage superficiel et brassage de l’ensemble de la colonne d’eau avec resuspension des sédiments. L’année suivante, la même expérience a été conduite mais cette fois-ci couplée à un traitement de réchauffement appliqué grâce à des bâches de polyéthylène transparentes posées sur les mésocosmes. Ces deux expériences montrent un effet important du brassage sur le phytoplancton avec une augmentation du contenu en chlorophyll a et une augmentation de la productivité. Au niveau du zooplancton, la réponse dépend du sous-groupe. Dans nos expériences, uniquement les copépodes ont répondu négativement au régime de brassage avec un potentiel effet cascade sur la population de rotifers. L’expérience de 2012 suggère également un renforcement de l’activité de lyse bactérienne par les virus dans des conditions de brassage important. En 2013, aucun effet du réchauffement de l’eau de 1°C n’a été observé sur les variables mesurées. Des analyses supplémentaires en cours devraient permettre de compléter les informations obtenues et de vérifier l’absence d’effet du réchauffement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)