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In the Western Tropical South Pacific (WTSP) Ocean, a hotspot of dinitrogen fixation has been identified. The survival of diazotrophs depends, among others, on the availability of dissolved iron (DFe) largely originating, as recently revealed, from shallow hydrothermal sources located along the Tonga-Kermadec arc that fertilize the Lau Basin with this element. On the opposite, these fluids, released directly close to the photic layer, can introduce numerous trace metals at concentrations that can be toxic to surface communities. Here, we performed an innovative 9-day experiment in 300 L reactors onboard the TONGA expedition, to examine the effects of hydrothermal fluids on natural plankton communities in the WTSP Ocean. Different volumes of fluids were mixed with non-hydrothermally influenced surface waters (mixing ratio from 0 to 14.5%) and the response of the communities was studied by monitoring numerous stocks and fluxes (phytoplankton biomass, community composition, net community production, N2 fixation, thiol production, organic carbon and metal concentrations in exported material). Despite an initial toxic effect of hydrothermal fluids on phytoplankton communities, these inputs led to higher net community production and N2 fixation rates, as well as elevated export of organic matter relative to control. This fertilizing effect was achieved through detoxification of the environment, rich in potentially toxic elements (e.g., Cu, Cd, Hg), likely by resistant Synechococcus ecotypes able to produce strong binding ligands, especially thiols (thioacetamide-like and glutathione-like compounds). The striking increase of thiols quickly after fluid addition likely detoxified the environment, rendering it more favorable for phytoplankton growth. Indeed, phytoplankton groups stressed by the addition of fluids were then able to recover important growth rates, probably favored by the supply of numerous fertilizing trace metals (notably Fe) from hydrothermal fluids and new nitrogen provided by N2 fixation. These experimental results are in good agreement with in-situ observations, proving the causal link between the supply of hydrothermal fluids emitted at shallow depth into the surface layer and the intense biological productivity largely supported by diazotrophs in the WTSP Ocean. This study highlights the importance of considering shallow hydrothermal systems for a better understanding of the biological carbon pump.

Seagrass is expected to benefit from increased carbon availability under future ocean acidification. This hypothesis has been little tested by in situ manipulation. To test for ocean acidification effects on seagrass meadows under controlled CO2/pH conditions, we used a Free Ocean Carbon Dioxide Enrichment (FOCE) system which allows for the manipulation of pH as continuous offset from ambient. It was deployed in a Posidonia oceanica meadow at 11 m depth in the Northwestern Mediterranean Sea. It consisted of two benthic enclosures, an experimental and a control unit both 1.7 m3, and an additional reference plot in the ambient environment (2 m2) to account for structural artifacts. The meadow was monitored from April to November 2014. The pH of the experimental enclosure was lowered by 0.26 pH units for the second half of the 8-month study. The greatest magnitude of change in P. oceanica leaf biometrics, photosynthesis, and leaf growth accompanied seasonal changes recorded in the environment and values were similar between the two enclosures. Leaf thickness may change in response to lower pH but this requires further testing. Results are congruent with other short-term and natural studies that have investigated the response of P. oceanica over a wide range of pH. They suggest any benefit from ocean acidification, over the next century (at a pH of ∼ 7.7 on the total scale), on Posidonia physiology and growth may be minimal and difficult to detect without increased replication or longer experimental duration. The limited stimulation, which did not surpass any enclosure or seasonal effect, casts doubts on speculations that elevated CO2 would confer resistance to thermal stress and increase the buffering capacity of meadows.

Depuis le début de la période industrielle, les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration atmosphérique en CO2. Une partie de ce CO2 s’accumule dans l’atmosphère, entraînant une augmentation de l’effet de serre naturel et de la température à la surface du globe. Ce processus est plus connu sous le terme réchauffement climatique ou global. De plus, environ 25 % du CO2 produit sont absorbés par les océans. La dissolution du CO2 dans l’eau de mer, entraîne une augmentation de la concentration en protons et en ions bicarbonates (HCO3-) et une diminution de la concentration en ions carbonates (CO32-). Il en résulte une diminution du pH et du taux de saturation de l’eau de mer vis-à-vis du carbonate de calcium. L’ensemble de ces processus est appelé acidification des océans (AO). Le pH des eaux de surface océaniques a déjà diminué de 0,1 unité depuis le début de l’ère industrielle. Ce phénomène devrait s’intensifier au cours du siècle. Selon les prévisions moyennes d’émissions futures de gaz à effet de serre de l’IPCC, la température moyenne des eaux de surface devrait augmenter de 2 à 4 °C et son pH devrait diminuer de 0,3 à 0,4 unité d’ici 2100. Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études ont mis en évidence l’impact négatif de l’AO sur les organismes marins. Les premières études ont été menées principalement en milieu artificiel et ont mis en évidence des conséquences majeures sur la physiologie des organismes, principalement au niveau individuel. Cependant, les dernières études menées dans le domaine ont souligné l'importance de mettre en place des expériences à long terme, à l'échelle de l'écosystème, et dans des conditions plus proches du milieu naturel. Ce type d’étude permet de prendre en compte les interactions écosystémiques et les processus d’acclimatation afin de mieux prévoir les effets directs mais aussi indirects de la diminution du pH dans les océans. L’existence des récifs coralliens tropicaux dépend de la vitesse de formation du socle récifal qui les façonnent (principalement via la calcification des coraux hermatypiques) qui doit rester supérieure à sa (bio)érosion. D’une part, plusieurs études ont montré que le taux de calcification des coraux hermatypiques diminue lorsque la pCO2 augmente. D’autre part, les oursins sont d’importants bioérodeurs des récifs et contribuent donc à la perte de masse calcaire récifale. Cependant, les oursins empêchent également, par leur broutage, le recouvrement des coraux par les algues favorisées par l’AO. Dès lors l’effet de l’élévation de la pCO2 sur les oursins et leur capacité bioérosive peut être déterminant pour l'avenir des récifs coralliens tropicaux au cours du siècle, particulièrement ceux où la densité de ces bioérodeurs est importante. Une telle prédiction est d’autant plus complexe si l’on prend en compte la possible acclimatation des différents acteurs à long terme. Dès lors, le but du présent travail fut d'évaluer l'effet à long terme de l’élévation de la pCO2 prévue en 2100 sur la physiologie et l’activité érosive d’un oursin clé de certains récifs coralliens, Echinometra mathaei, dans un dispositif artificiel reproduisant l’écosystème corallien. La première étape a été la mise en place un outil expérimental permettant de maintenir à long terme un écosystème de récifs coralliens simplifié en condition contrôle et au pH prévu en 2100 tout en maintenant les autres paramètres physico-chimiques identiques et proches du milieu naturel (y compris dans leurs variations journalières). Le système mis en place est composé de scléractiniaires hermatypiques comme constructeurs de récif, d’oursins (E. mathaei) comme bioérodeurs et brouteurs et un substrat calcaire de récif avec ses communautés d’algues, bactéries, archae, champignons et méiofaune. Les variations journalières de pH et de température reproduisent celles mesurées in situ dans le site de La Saline, Ile de La Réunion, d’où proviennent une partie des organismes. Le pH moyen des aquariums contrôles a été maintenu avec succès à une moyenne de 8,09 ± 0,04, celui des aquariums à pCO2 élevée à 7,63 ± 0,02. L’alcalinité totale du système a pu être maintenue entre 2350 et 2450 µmol.kg-1. L’impact de l’AO prévue en 2100 (pH 7,7) sur la physiologie d’E. mathaei été étudié à court terme (sept semaines). La principale source de nourriture des oursins fut la communauté algale se développant sur le substrat, comme en conditions naturelles. Cette étude a permis de mettre en évidence, à court terme, la capacité de résistance de cet oursin à une AO modérée. En effet, la croissance et le métabolisme ne furent pas affectés significativement. Ces observations ont été associées au maintien de la balance acide-base du fluide extracellulaire, le liquide cœlomique, par accumulation de bicarbonates dans celui-ci. Une même expérience a ensuite été réalisée à long terme. La diminution du pH a été induite progressivement durant six mois jusqu'à atteindre un pH moyen de 7,65 qui fut ensuite maintenu à cette valeur pendant sept mois supplémentaires. La capacité de régulation de la balance acide-base du liquide cœlomique et la résistance d’E. mathaei à l’AO a été confirmée à long terme. Tant la croissance que le métabolisme et les propriétés mécaniques du squelette ne furent pas affectés. Cette résistance apparaît liée aux capacités de régulation acide-base d’E. mathaei, un trait apparemment d’origine génétique. Cette résistance pourrait également dépendre de la quantité et de la qualité de la nourriture disponible (calcaire ou non). Il est suggéré que les ions bicarbonates impliqués dans la régulation acide-base proviendraient en partie de la nourriture. Parallèlement à ces mesures physiologiques, l’activité érosive d’E. mathaei a été mesurée. Les résultats indiquent que le taux de bioérosion triple en conditions acidifiées (pH 7,65). Cette augmentation serait liée à l’augmentation de l'activité de broutage des oursins et à la dissolution biologique du substrat, les propriétés mécaniques des dents des oursins et du squelette des coraux ne semblant pas affectés significativement. Nous suggérons que cette activité érosive accrue pourrait avoir un impact sur l'équilibre dynamique entre bioerosion et bioaccrétion des coraux et pourrait déterminer l'avenir des récifs coralliens où E. mathaei est le principal bioérodeur. Il faut toutefois noter que l’activité érosive de cet oursin est liée à une consommation accrue des macro-algues en compétition avec les coraux et algues corallines, favorisant ainsi ces derniers. Les résultats obtenus, associés à ceux provenant de la littérature, indiquent que les changements globaux pourraient provoquer un changement profond des écosystèmes coralliens tropicaux. En effet, l’ensemble des bioérodeurs principaux étudiés jusqu’à présent semblent résistants aux changements climatiques globaux et montrent une augmentation de leur activité érosive. Dans le cas des récifs ayant déjà à l’heure actuelle une faible calcification nette, l’augmentation de la bioérosion pourrait mener à l’érosion nette et à la réduction puis à la disparition du récif. La prédiction du devenir des récifs coralliens tropicaux à l’échelle planétaire doit toutefois prendre en compte de nombreux paramètres :acclimatation, résistance/sensibilité et interactions des différents acteurs des récifs. D’autres études comparables à celles menées dans le présent travail devraient être mises en place afin de tester ces différents facteurs. Les données obtenues pourraient dès lors être utilisées dans la construction d’un modèle mécanistique permettant de mettre en place localement des mesures de conservation du récif, en complément de l’indispensable réduction massive de l’émission de CO2 atmosphérique à l’échelle mondiale., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/published