Phytoplankton blooms initiation in coastal zones : the role temperature and biological interactions
Initiation des efflorescences phytoplanctoniques en zone côtière : le rôle de la température et des interactions biologiques
Résumé
In temperate marine ecosystems, the major part of the annual primary production is generated in spring during rapid phytoplankton biomass accumulation periods, called ‘blooms’, supporting the diversity and the functioning of these ecosystems. Several physical, chemical and biological mechanisms triggering the bloom initiation were evocated for these ecosystems. However, for shallow coastal zones, under the influence of complex environmental forcing factors, mechanisms triggering blooms are not well known. The objective of the present thesis was to identify and classify the forcing factors contributing to the bloom initiation in these zones, especially the role of physical and chemical forcing factors and biological interactions in the microbial network, but also to understand the consequences of the temperature elevation on this functioning in the global warming context.In this frame, a monitoring with a dual approach was carried out in Thau lagoon: a high frequency (15 min) in situ monitoring of hydrological , meteorological and biological parameters; and a weekly monitoring of the abundance of the microbial community (virus, bacteria, phytoplankton, heterotrophic flagellates and ciliates), and its diversity, with a particular look at phytoplankton. These monitoring were carried out from winter to spring in two consecutive years, 2015 and 2016. Besides these monitoring, an in situ mesocosm experiment was carried out during the 2018 spring to simulate the temperature elevation according to the global warming scenario, in the presence and the absence of mesozooplankton. The objective of this experiment was to identify the direct effect of warming and the indirect effect of the zooplankton on the phytoplankton dynamic, the pigment composition and succession, during the pre-bloom, bloom and post-bloom periods. A correlation network analysis between 110 various groups/taxa/species highlighted the major interactions characterizing the microbial interaction network during the bloom and the non-bloom periods and the differences between these two years. During the bloom periods, intraguild phytoplankton competition and mutualism between phytoplankton and heterotrophic bacteria dominated the microbial food web. This suggested an energy transfer based on both bacterial and phytoplanktonic biomass, through the microzooplankton predation. During the non-bloom periods, interaction between ciliates and heterotrophic bacteria (bacterivory) dominated, suggesting an energy transfer mainly based on bacterial biomass. Besides, the high frequency monitoring highlighted the predominant role of the water temperature increase, especially during the early spring, in the initiation of the phytoplankton blooms. The combination between the phytoplankton metabolism stimulated by the temperature increase and the low grazing pressure triggered the phytoplankton biomass accumulation starting the blooms. Furthermore, 2016 year, with the warmer winter recorded in France (Meteofrance), was characterized by a weaker phytoplankton biomass accumulation during the early spring, a dominance of the small phytoplankton at the expanse of diatoms, and a dominance of interactions between small size microorganisms. The mesocosm experiment confirmed the role of the temperature elevation on the bloom amplitude reduction (diminution of 50% of the chlorophyll a concentration) and the promotion of small phytoplankton such as small green algae and dinoflagellates, at the expanse of diatoms. This amplitude and composition modification of phytoplankton blooms was mainly due to the indirect effect of the zooplankton grazing increase under warming. Furthermore, the results underlined that it was microzooplankton which mainly controlled the phytoplankton dynamic and biomass and the mesozooplankton was mainly accomplished the role of the secondary consumer in this system.
Dans les écosystèmes marins des zones tempérées, la majeure partie de la production primaire annuelle est générée au printemps lors de phénomènes d’accumulation rapide de biomasse phytoplanctonique, appelés efflorescences, supportant la diversité et le fonctionnement de ces systèmes. Plusieurs mécanismes physico-chimiques et biologiques expliquant l’initiation des efflorescences phytoplanctoniques sont évoqués pour ces écosystèmes. En revanche pour les zones côtières peu profondes sous influence de forçages complexes, les mécanismes à la base de ce phénomène restent encore mal connus. L’objectif de cette thèse était donc d’identifier les facteurs contribuant à l’initiation des efflorescences phytoplanctoniques dans ces zones, notamment le rôle des forçages physico-chimiques et des interactions biologiques au sein du réseau microbien, mais également de tenter de comprendre les conséquences de l’élévation de la température sur ce fonctionnement dans le contexte du réchauffement climatique. Dans cette optique, un suivi à deux approches a été réalisé dans la lagune de Thau : un suivi in situ à haute fréquence (15 min) des paramètres hydrologiques, météorologiques et biologiques ; et un suivi hebdomadaire de l’abondance et la diversité de la communauté microbienne de l’hiver au printemps sur deux années consécutives, 2015 et 2016. En plus de ces suivis, une expérimentation en mésocosmes in situ a été réalisée au printemps 2018, simulant l’élévation de la température selon le scénario du réchauffement climatique attendu dans le futur, et en présence et absence du mésozooplancton afin d’identifier les effets directs du réchauffement et ceux indirects dus au zooplancton sur la dynamique, la composition pigmentaire et la succession du phytoplancton, avant, pendant et après une efflorescence phytoplanctonique. Une analyse basée sur les réseaux de corrélations entre 110 différents groupes/taxon/espèces observés a permis de mettre en évidence les interactions majeures au sein du réseau planctonique microbien. Pendant les périodes d’efflorescences les interactions de compétition intraguilde au sein du phytoplancton dominaient, tout comme les interactions mutualistes entre le phytoplancton et les bactéries hétérotrophes, suggérant un transfert de l’énergie basée à la fois sur la biomasse phytoplanctonique et bactérienne effectué par la prédation du microzooplancton. Pendant les épisodes sans efflorescence, les interactions entre les ciliés et les bactéries (bactérivorie) dominaient, suggérant un transfert de l’énergie basée essentiellement sur la biomasse bactérienne. Dans le même temps, les résultats obtenus par le suivi à haute fréquence ont permis de mettre en évidence le rôle prépondérant de l’augmentation de la température de l’eau, notamment à la sortie de l’hiver, dans l’initiation des efflorescences phytoplanctoniques. La combinaison entre le métabolisme du phytoplancton stimulé par l’augmentation de la température et la faible pression de broutage, permettrait l’accumulation de la biomasse phytoplanctonique à l’origine des efflorescences phytoplanctoniques. De plus, l’année 2016, avec l’hiver le plus chaud jamais enregistré, était caractérisée par une plus faible accumulation de la biomasse phytoplanctonique, une dominance du phytoplancton de plus petite taille au détriment des diatomées, et une dominance des interactions entre microorganismes de petite taille. Les résultats de l’expérimentation en mésocosmes in situ ont confirmé l’effet de l’élévation de la température dans la réduction de l’amplitude des efflorescences et de la favorisation du petit phytoplancton comme les petites algues vertes ainsi que des dinoflagellés au détriment des diatomées. De plus, ils ont permis de mettre en évidence que cette modification de l’amplitude et de la composition des efflorescences était principalement liée à un effet indirect sur le phytoplancton due à l’augmentation de la pression de broutage exercée par le zooplancton.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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