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Rapid mass development of native and invasive macrophytes is causing global concerns. Dense mats of macrophytes can negatively affect activities like boating, fishing, etc., and one of the measures often applied is mechanical removal. Nonetheless, they provide habitats and thereby potentially support biodiversity. The effects of dense mats of macrophytes and their removal on biodiversity remain unclear. We hypothesize that dense mats of macrophytes have a positive impact on the richness and abundance of zooplankton, phytoplankton, and macroinvertebrates. Thus, the removal of macrophytes is expected to reduce biodiversity in comparison to sites where macrophytes remain. We find that dense mats of macrophytes are overall beneficial for the three studied groups, but results are site-dependent. Different community structures inside and outside of macrophytes affect the sampling efficiency. A greater sampling effort is needed within macrophytes to reach comparable sampling coverage as in the open water. We also show that different plant types affect zooplankton to a different extent though in a similar way. The mechanical removal of macrophytes negatively affects the overall biodiversity, especially of zooplankton and macroinvertebrate assemblages. In contrast, plant removal has positive effects on the phytoplankton assemblages. Effects are most pronounced one week after removal and decline over time, and they differ among sites. This thesis highlights the importance of considering impacts on ecosystem services like the provision of habitats for biodiversity in sustainable management practices of macrophytes in the future.; Les proliférations végétales sont une source majeure de préoccupations pour les gestionnaires. Les herbiers denses de macrophytes peuvent entraver les activités humaines telles que la navigation de plaisance, la pêche, etc. Afin de limiter ces nuisances, l’arrachage mécanique est la mesure de gestion généralement utilisée. Néanmoins, ces herbiers aquatiques constituent des habitats pour la faune et un potentiel support de biodiversité. Les effets des herbiers denses de macrophytes et de leur arrachage sur la biodiversité ne sont pas clairement connus. Nous supposons que les herbiers denses de macrophytes ont un impact positif sur la richesse et l'abondance du zooplancton, du phytoplancton et des macroinvertébrés. Ainsi, notre hypothèse est que l’arrachage réduise la biodiversité dans les sites gérés. Nos résultats ont démontré que la présence des herbiers de macrophytes est favorable à la biodiversité et ce pour les trois groupes étudiés. Toutefois l’effet est site dépendant. Nous avons mis en évidence par ailleurs qu’une pression d'échantillonnage plus importante est nécessaire au sein des herbiers par comparaison avec l’eau libre. Nous avons également établi que le zooplancton est influencé par la présence de plantes mais que l’effet varie en fonction du type biologique de l’espèce de macrophyte. L' arrachage mécanique des macrophytes affecte négativement la biodiversité globale, en particulier le zooplancton et les assemblages de macroinvertébrés. En revanche, il a un effet positif sur le phytoplancton. L’impact de l’arrachage sur les communautés est plus marqué une semaine après mais diminue avec le temps. Il est également site dépendant. Cette thèse souligne l'importance de considérer les impacts de la gestion sur les services écosystémiques (rôle d’habitat) et sur la biodiversité dans le cadre du développement durable.

Because of their position at the interface between continental ecosystems, the ocean and the atmosphere, coastal ecosystems struggle with numerous pressures and are particularly sensitive to disturbances. Indeed, they are of particular importance for many biogeochemical cycles and are among the most productive zones of the planet. Thus, studying changes in coastal ecosystems through the nutrients concentrations and the phytoplankton communities structure is thought to be of primary importance and mandatory in order to understand the impact of global change onto these ecosystems. The pressures they struggle with are mainly of natural origins, but they have been modified in number and in magnitude by anthropogenic activities during the last century. Indeed, agrarian and industrial activities lead to an increase nutritive matter load to coastal ecosystems. The increase in temperature, coupled to the changes observed in wind regimes and precipitations are responsible for changes in the exchange between coastal ecosystems and the neighbouring compartment (continent, ocean, sediment, atmosphere). In order to determine global change influence on coastal ecosystem, this thesis is based on two French monitoring networks (SOMLIT, REPHY), through 29 stations sprayed over 11 ecosystems belonging to the three French coastlines. Continental discharges data as well as climate variability data were coupled to in-situ observations and considered as driver variables. The relationship between environmental drivers and coastal ecosystems was studied through a panel of both uni- and multivariate statistical analyses. The principal messages are that the French coastal ecosystems were very diverse in terms of functioning (trophic status, habitat, climate, continental discharges…) and that this diversity enabled to spatially differentiate the ecosystems. However, their temporal evolutions, studied through 3 prisms (nutrients concentrations, taxonomic and functional structures of the phytoplankton communities), enabled to group some ecosystems together, through their characteristics, depending on the considered prism. Some of them were different and showed changes opposed to the general detected scheme (e.g. towards decreasing nutrients concentrations). This highlights that the French coastal ecosystems are dynamic and complex and that although they are geographically close, they are still different, Du fait de leur position à l’interface entre les écosystèmes continentaux, les écosystèmes océaniques et l’atmosphère, les écosystèmes côtiers sont soumis à de nombreuses pressions et sont particulièrement sensibles aux perturbations. En effet, ils sont un lieu important pour de nombreux processus biogéochimiques et comptent parmi les zones les plus productives de la planète. Ainsi, étudier l’évolution des écosystèmes côtiers au travers des prismes des concentrations en nutriments et de la structure des communautés phytoplanctoniques devient intéressant et indispensable afin de comprendre l’impact du changement global sur ces écosystèmes. Les pressions qu’ils subissent sont en grande partie d’origine naturelle, mais, au cours du dernier siècle, ces dernières ont été modifiées en nombre, en intensité et en magnitude par les activités de l’homme. En effet, les pratiques agricoles et industrielles ont engendré une augmentation des apports nutritifs dans les écosystèmes côtiers. L’augmentation de la température, couplée aux perturbations des régimes des vents et des précipitations, a entrainé des modifications des échanges entre les écosystèmes côtiers et les compartiments voisins (continent, océan, sédiment, atmosphère). Afin de déterminer l’influence du changement global sur les écosystèmes côtiers, cette thèse se base sur des services d’observation français (SOMLIT, REPHY), au travers de 29 stations réparties dans 11 écosystèmes sur les 3 façades maritimes françaises. Des données d’apports continentaux et de la variation climatique locale et régionale ont été couplées aux mesures in-situ et considérées comme données forçantes. Les relations entre les forçages environnementaux et les écosystèmes côtiers ont été étudiées au travers d’un panel d’analyses statistiques univariées et multivariées.Il en ressort que les écosystèmes côtiers français présentent une grande diversité de caractéristiques (statut trophique, habitat, climat, apports continentaux…) et que cette diversité permet de différencier spatialement les écosystèmes. Cependant, leurs évolutions temporelles, étudiées au travers de 3 prismes (concentrations en nutriments, structures taxonomique et fonctionnelle des communautés phytoplanctoniques), ont permis de grouper certains écosystèmes entre eux, en fonction de leurs caractéristiques, selon l’approche considérée. Certains écosystèmes se sont démarqués en montrant des évolutions opposées au schéma général détecté (e.g. vers une diminution des concentrations en nutriments).Cela met en lumière le caractère dynamique et la complexité des écosystèmes côtiers, bien que les écosystèmes côtiers français soient situés dans une zone géographique limitée.

Methods for biomonitoring of freshwater phytoplankton are evolving rapidly with eDNA-based methods, offering great complementarity with microscopy. Metabarcoding approaches have been more commonly used over the last years, with a continuous increase in the amount of data generated. Depending on the researchers and the way they assigned barcodes to species (bioinformatic pipelines and molecular reference databases), the taxonomic assignment obtained for HTS DNA reads might vary. This is also true for traditional taxonomic studies by microscopy with regular adjustments of the classification and taxonomy. For those reasons (leading to non-homogeneous taxonomies), gap-analyses and comparisons between studies become even more challenging and the curation processes to find potential consensus names are time-consuming. Here, we present a web-based application (Phytool), developed with ShinyApp (Rstudio), that aims to make the harmonisation of taxonomy easier and in a more efficient way, using a complete and up-to-date taxonomy reference database for freshwater microalgae. Phytool allows users to homogenise and update freshwater phytoplankton taxonomical names from sequence files and data tables directly uploaded in the application. It also gathers barcodes from curated references in a user-friendly way in which it is possible to search for specific organisms. All the data provided are downloadable with the possibility to apply filters in order to select only the required taxa and fields (e.g. specific taxonomic ranks). The main goal is to make accessible to a broad range of users the connection between microscopy and molecular biology and taxonomy through different ready-to-use functions. This study estimates that only 25% of species of freshwater phytoplankton in Phytobs are associated with a barcode. We plead for an increased effort to enrich reference databases by coupling taxonomy and molecular methods. Phytool should make this crucial work more efficient. The application is available at https://caninuzzo.shinyapps.io/phytool_v1/

En réponse à un appel à manifestation d’intérêt « développement en matière de surveillance et d’évaluation de l’état des eaux et des milieux aquatiques continentaux, littoraux et marins dans le cadre des directives européennes », le projet DIPCEAU vise au développement d’un indicateur phytoplancton pour l’évaluation de l’état écologique des grands cours d’eau. Les données nouvellement acquises sur le maillon phytoplancton en grands cours d’eau sur le territoire métropolitain doivent permettre d’élaborer une 1ère version d’un indicateur d’état écologique pour 2022. L’indice sera ensuite transféré vers l’outil de calcul de l’état écologique des masses d’eau (SEEE) et sera raccordé aux travaux précédents d’intercalibration européenne. Pour ce faire, un protocole d’acquisition standardisé des données phytoplancton a été rédigé par INRAE (Laplace-Treyture et al., 2010) puis mis en œuvre au cours des années suivantes afin de disposer d’un jeu de données suffisant pour le développement d’un indicateur. A partir de 2016, ces données ont été regroupées et bancarisées par le Cerema dans une base structurée de données communes. La 1ère partie de ce rapport contient un retour sur la campagne de bancarisation des données 2019, dernièrement acquises. La partie 2 rappelle le schéma d’organisation de la base de données. Puis un bilan de la qualité et de la pertinence des données pour le développement de l’indicateur est ensuite présenté dans une 3ème partie.

Aerosols are an important source of macro- and micronutrients for the open ocean. However, only dissolved nutrients are considered bioavailable, i.e. assimilable by phytoplankton. Thus, the quantification of their solubility is essential to (i) estimate the influence of aerosol deposition on phytoplankton, and (ii) closing the biogeochemical cycles of these elements. We thus established the solubility ranges of two types of aerosols (desert or volcanic) according to the deposition mode (dry and wet), by integrating the variability depending on the aerosol origin. Thus, the macronutrient silicon found in desert dust is more soluble compared to volcanic ash (up to 0.7 % against 0.2 %), in particular via the dissolution of quartz. The micronutrient iron dissolves mainly in rainwater during wet deposition of aerosols in the ocean via the dissolution of aluminosilicates, with solubilities generally below 0.14% and 0.02%, in rainwater and seawater respectively, regardless of the type of aerosol. Thus, these results allow a re-estimation of atmospheric nutrients fluxes to the surface ocean which could ultimately be integrated into global biogeochemical models. Finally; the biological response to an atmospheric nutrient input has been determined in the Southern Indian Ocean and the nutrients have mainly benefited the diatom community, especially at the Kerguelen plateau., Les aérosols constituent une source importante de macro- et micronutriments pour l’océan hauturier. Cependant, uniquement les nutriments dissous sont considérés comme biodisponibles, c’est-à-dire assimilables par le phytoplancton. Ainsi, la quantification de leur solubilité se révèle primordiale pour (i) estimer l’influence d’un dépôt d’aérosols sur le phytoplancton, et (ii) boucler les cycles biogéochimiques de ces éléments. Dans le cadre de cette thèse, nous avons établi des gammes de solubilité de deux types d’aérosols (désertique ou volcanique) selon le mode de dépôt (sec et humide), en intégrant la variabilité en fonction de l’origine des aérosols. Ainsi, le macronutriment silicium issu des poussières désertiques est plus soluble comparé aux cendres volcaniques (jusqu’à 0.7 % contre 0.2 %), notamment via la dissolution du quartz. Le micronutriment fer se dissout majoritairement dans l’eau de pluie lors d’un dépôt humide des aérosols à l’océan via la dissolution d’aluminosilicates, avec une solubilité généralement inférieure à 0.14 % et 0.02 %, dans l’eau de pluie et eau de mer respectivement, et ce indépendamment du type d’aérosol. L’ensemble de ces résultats permet ainsi une révision des flux de nutriments atmosphériques à l’océan de surface qui pourra être in fine intégrée dans les estimations globales de modélisation biogéochimique. La réponse biologique suite à un apport de nutriments par voie atmosphérique a été déterminée dans l’Océan Indien Austral et les nutriments ont majoritairement profité à la communauté de diatomées, notamment au niveau du plateau de Kerguelen.

The main objective of this thesis is to map the regional and seasonal distribution of Deep Chlorophyll Maxima (DCM) in the global ocean, to understand the environmental parameters that control their formation and persistence, and to estimate their contribution to global primary production (PP) budgets. This approach is based on measurements from the Biogeochemical-Argo Profiling Floats (BGC-Argo). A method for the detection of DCMs and their typology (biomass or photoacclimation maxima) has been developed and applied to ~60,000 chlorophyll a fluorescence profiles and particle backscatter coefficient (respective proxies of chlorophyll a concentration [Chla], and particulate organic carbon). From this classification, the spatial and temporal occurrence of DCMs was described in 28 regions of the world ocean, allowing to refine the description of their main characteristics (i.e. depth and intensity), and to group the regions into four main types according to the similarity of their DCMs. The estimation of vertical profiles of nitrate concentration and downward irradiance then allowed to describe the main environmental configurations of the different types of regions. In a second step, the impact of mesoscale eddies was studied on the presence of DCMs and their properties by co-locating the BGC-Argo profile database with an atlas of mesoscale eddies detected by satellite altimetry. Finally, an estimate of the contribution of DCMs to global PP was estimated, as well as a regional performance analysis of two models for estimating the vertical profiles of [Chla] from satellite observations, compared to the [Chla] profiles of the BGC-Argo database.; L’objectif de cette thèse consiste à cartographier la distribution régionale et saisonnière des maxima profonds de chlorophylle a (« Deep Chlorophyll Maxima », DCM) dans l’océan global, à comprendre les paramètres environnementaux qui contrôlent leur formation et leur persistance, et à estimer leur contribution dans les bilans de production primaire (PP) à l’échelle globale. Cette approche se base sur les mesures des flotteurs profileurs Biogéochimique-Argo (BGC-Argo). Une méthode de détection des DCMs et de leur typologie ( maxima de biomasse ou de photoacclimatation) a été développée et appliquée sur ~60,000 profils de fluorescence de la chlorophylle a et du coefficient de rétrodiffusion particulaire (estimateurs respectifs de la concentration en chlorophylle a [Chla], et du carbone organique particulaire). A partir de cette classification, l’occurrence spatiale et temporelle des DCMs a été décrite dans 28 régions de l’océan mondial, permettant d’affiner la description de leurs caractéristiques, de grouper ces régions en quatre types selon leurs similarité, et d'en décrire les principales configurations environnementales (profils d'éclairement et de nitrates). Dans un second temps, l’impact des tourbillons de mésoéchelle a été étudié sur la présence des DCMs et sur leurs propriétés par la co-localisation de la base de profils BGC-Argo avec un atlas de tourbillons de mésoéchelle détectés par altimétrie satellite. Enfin une estimation de la contribution des DCMs à la PP globale a été estimée ainsi qu’une analyse de performance de deux modèles d’estimation des profils verticaux de [Chla] à partir des observations satellites en comparaison avec les mesures BGC-Argo.

Phytoplankton is the group of photosynthetic microorganisms (microalgae and cyanobacteria) living in suspension in marine and fresh waters. Through photosynthesis, phytoplankton produce large amounts of the oxygen essential for marine and terrestrial life. Marine microalgae are also promising organisms for biotechnological applications (human and animal food, biofuels). Because of their ecological and economic importance, the study of the phytoplankton responses to environmental challenged (including the ones induced by human activity and global warming) is a developing field of research. Phytoplankton activity is influenced by changes in the vertical stratification of the water column, which modulate light energy availability as well as nutrient supply to phytoplankton cells in a temperature-dependent manner. Based on light and nutrient availability, phytoplankton cells have evolved different lifestyles: autotrophy (photosynthetic activity), mixotrophy (simultaneous use of photosynthesis and respiration of exogenous carbon sources for growth) and photosymbiosis (symbiotic interactions with animal cells).In this thesis, I have studied the physiological responses of phytoplankton cells to environmental changes at the cellular and subcellular levels. To achieve this goal, I have developed a complete imaging workflow to perform quantitative morphometric analyses of entire algal cells, representatives of ecologically-successful and laboratory-model microalgal species. The protocol starts with FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) or SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy), to acquire high-resolution images. By implementing the 3D image analysis protocol, it is possible to obtained high-resolution whole cells models in three dimensions, suitable to perform quantitative analyses. Thanks to these tools, I have been able to image the adaptation of phytoplankton to various environmental conditions: i. changes in the size and morphology of plastids and mitochondria during light acclimation in diatoms, ii. changes in organelles interaction during nutrient acclimation in Nannochloropsis, iii. morphological changes occurring during photosymbiosis in Phaeocystis.Overall, this work reveals several scenarios of phytoplankton acclimation at both the cellular and subcellular levels. I have also validated the use of this protocol in plants in a study on chloroplast biogenesis during de-etiolation in Arabidopsis. of plastids., Le phytoplancton est le groupe de micro-organismes photosynthétiques (microalgues et cyanobactéries) vivant en suspension dans les eaux marines et douces. Grâce à la photosynthèse, le phytoplancton produit de grandes quantités d'oxygène indispensable à la vie marine et terrestre. Les microalgues marines sont également des organismes prometteurs pour les applications biotechnologiques (alimentation humaine et animale, biocarburants). En raison de leur importance écologique et économique, l'étude des réponses du phytoplancton aux défis environnementaux (y compris ceux induits par l'activité humaine et le réchauffement climatique) est un domaine de recherche en plein développement. L'activité du phytoplancton est influencée par les changements dans la stratification verticale de la colonne d'eau qui module, en fonction de la température, la disponibilité de l'énergie lumineuse ainsi que l'apport de nutriments aux cellules du phytoplancton. En raison de la disponibilité de la lumière et des nutriments, les cellules du phytoplancton ont évolué vers différents modes de vie : autotrophie (activité photosynthétique), mixotrophie (utilisation simultanée de la photosynthèse et de l’utilisation ? de sources de carbone extérieures pour la croissance) et photosymbiose (interactions symbiotiques avec des cellules animales).Dans cette thèse, j'ai étudié les réponses physiologiques des cellules du phytoplancton aux changements environnementaux au niveau cellulaire et sous-cellulaire. Pour atteindre cet objectif, j'ai mis au point un processus d'imagerie complet permettant d'effectuer des analyses morphométriques quantitatives de cellules entières d'algues représentatives à la fois d'espèces à succès écologique et de modèles de laboratoire. Le protocole commence avec l’acquisition de séries d’images hautes résolutions soit par FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) ou SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy). Le protocole d'analyse d'images 3D développé dans ce travail permet d'obtenir des modèles tridimensionnels à haute résolution de cellules entières permettant la réalisation d'analyses quantitatives. Grâce à ces outils, j'ai pu imager l'adaptation du phytoplancton à diverses conditions environnementales révélant ainsi : 1) le changement de taille et de morphologie des plastes et des mitochondries lors de l'acclimatation à la lumière dans les diatomées, 2) le changement dans l'interaction des organites chez Nannochloropsis lors de l'acclimatation aux nutriments, 3) les changements morphologiques qui surviennent lors de la photosymbiose dans l’algue Phaeocystis.Ces travaux révèlent plusieurs scénarios d'acclimatation du phytoplancton au niveau cellulaire et subcellulaire. J'ai également pu valider l'utilisation de ce protocole chez les plantes dans une étude sur la biogenèse des chloroplastes lors de la dé-étiolation des cotylédons d’Arabidopsis.

Phytoplancton and bacterioplankton are essential functional groups at the basis of microbial food web, producing carbon biomass, which is then transferred by predators toward higher trophic levels. Phytoplankton and bacterioplankton are naturally subject to environmental forcings, such as the warming of surface waters related to climate change. As temperature is a determining factor in metabolic processes, its increase can affect plankton, whether at the individual or community level.The main objective of this thesis lie within this context to determine the effects of the increase in temperature on the physiological and ecological traits of phytoplankton and bacterioplankton, such as their growth rate and grazing mortality rate. This thesis also aims to determine how the increase in temperature affect the balance of biomass produced and transferred into the food web. As warming of the marine waters may be a concomitant with the acidification process, the response of phytoplankton and bacterial communities under individual or both perturbations, were also investigated.In order to achieve this objective, this thesis is based on an experimental approach using in situ mesocosms. One advantage of this approach is to be able to study from a holistic point of view the responses of planktonic communities in conditions close to natural environment, while being able to induce one or several perturbations. This thesis presents the results of three mesocosms experiments carried out in Thau lagoon in 2012 and 2018 in spring and fall. For each of these experiments, warmed treatment was realized by increasing the water temperature of the mesocosms by 3 ° C, simulating a warming scenario of the Mediterranean in 2100 (IPCC, 2014). The growth and grazing rates on phytoplankton and bacteria groups, analyzed through flow cytometry were estimated at several occasions during the three experiments, using the dilution method. Phytoplankton and bacterial carbon biomass production and transfer were then estimated from both rates to evaluate the balance in carbon biomass under warming. During the experiment in 2012, acidification was also simulated in the mesocosms, by increasing the partial pressure of CO2 (pCO2) in the water by 400 ppm (i.e. a final pressure of 700-800 ppm) and decreasing pH by 0.3 units.The results of this thesis revealed that the increase in temperature stimulated the metabolism of most phytoplankton and bacteria groups, by increasing their growth rates. However, decrease in these growth rates were also reported occasionally for both phytoplankton and bacteria, suggesting that warming could induced stronger competitions for the assimilation of nutrients, thus explaining the decrease in growth rates of certain functional groups. Investigating grazing rates also demonstrated that warming increased grazing mortality of phytoplankton and bacteria, potentially by stimulating their respective predators metabolism. However, these grazing rates were occasionally lower, which could be explained by potential trophic cascades, induced or intensified by a change in the interactions with predators from higher trophic level under warming. This thesis also highlighted that, phytoplankton and bacteria responses in terms of growth and grazing mortality rates were similar under either individually or combined increased temperature and pCO2, suggesting similar response mechanisms under multiple stressors.In general, this thesis underlines the interest of the in situ mesocosm approach to investigate, through a holistic vision, natural plankton assemblages, and their responses to environmental forcings. It also highlights that increase in the temperature induced directs positives effects on planktonic organisms metabolisms, increasing their growth rates, and it also induced indirect effects implying biological interactions and resulting in lower rates.; Le phytoplankton et le bactérioplancton sont des groupes fonctionnels majeurs à la base des réseaux trophiques microbiens, produisant de la biomasse de carbone qui est ensuite transférée par les prédateurs vers des niveaux trophiques supérieurs. Le phytoplancton et le bactérioplancton sont naturellement soumis à des forçages environnementaux, tels que le réchauffement des eaux de surface dû au changement climatique. La température étant un facteur déterminant des processus métaboliques, son augmentation peut impacter les organismes planctoniques que ce soit à l’échelle des individus ou des communautés.L’objectif général de cette thèse s’inscrit dans ce contexte, visant à déterminer les effets de l’augmentation de la température sur les traits physiologiques et écologiques du phytoplancton et du bactérioplancton, tels que leurs taux de croissance et leurs taux de mortalité par prédation. Cet objectif vise également à déterminer si l’augmentation de la température modifie le bilan de biomasse produite et transférée dans le réseau trophique. Le réchauffement des eaux marines pouvant être un concomitant avec le phénomène d’acidification, les réponses des communautés phytoplanctoniques et bactériennes face à ces perturbations combinées ou non ont aussi été étudiées.Pour atteindre cet objectif, les travaux de cette thèse se basent sur une approche expérimentale en mésocosmes in situ. Cette thèse s’appuie sur trois expériences en mésocosmes in situ réalisées dans la lagune de Thau en 2012 et 2018 pendant des périodes printanières et automnales. Pour chacune de ces expériences, une augmentation de la température de l’eau des mésocosmes de 3°C a été réalisée, simulant un scenario de réchauffement de la Méditerranée en 2100 (GIEC, 2014). Les taux de croissance et de mortalité par prédation de groupes phytoplanctoniques et bactériens analysés par cytométrie en flux ont été estimés à plusieurs reprises lors des trois expériences, grâce à la méthode de dilution. Dans le cadre de l’expérience réalisée en 2012, une simulation du phénomène d’acidification a également été réalisée, via l’augmentation de la pression partielle de CO2 (pCO2) de l’eau de 400 ppm et la diminution du pH de 0,3 unité.Ces travaux de thèse ont mis en évidence que l’augmentation de la température stimulait le métabolisme de la plupart des groupes phytoplanctoniques et bactériens, en augmentant leur taux de croissance. Cependant une diminution de ces taux de croissance a aussi été reportée pour certains groupes aussi bien phytoplanctoniques que bactériens, ce qui suggère que la température pourrait induire des compétitions pour l’assimilation de nutriments, diminuant occasionnellement les taux de croissances planctoniques. Les analyses des taux de prédation ont également démontré que le réchauffement augmentait la mortalité par prédation du phytoplancton et des bactéries, potentiellement via une stimulation du métabolisme de leurs prédateurs respectifs. Cependant, des taux de prédation plus faibles ont aussi été reporté, ce qui s’expliquerait par de potentielles cascades trophiques, induites ou intensifiées par un changement des interactions entre prédateurs de haut niveaux trophiques, sous l’effet du réchauffement. Les travaux de cette thèse, mettent également en lumière que l’augmentation de la température, induisait des effets similaires sur les taux de croissance et de prédation du phytoplancton et des bactéries lorsqu’elle était combinée ou non à l’augmentation de la pCO2, suggérant l’intervention de mécanismes de réponse semblables face à des stress multiples.Cette thèse met en évidence que l’augmentation de la température induit des effets positifs directs sur le métabolisme des organismes planctoniques, augmentant les taux de croissance et de mortalité par prédation du phytoplancton et des bactéries, mais elle induit aussi des effets indirects impliquant des interactions biologiques et résultant en une diminution de ces taux.

Automatic observing high frequency (HF) systems should allow a better understanding of the environment dynamic (and phytoplankton) in response to natural and anthropogenic pressures, as well as direct and indirect effects of phytoplankton blooms, leading to ecosystem dysfunctions. Improving knowledges is important in order to propose indicators consistent with the aims of the European directives and regional seas conventions. While low frequency (LF) data are widely used, processing HF data is a difficult task, due to their complexity (heavy, non linear, missing, etc...). In this context, the aim of this thesis is to propose an open source numeric system that should be able to (i) define multi-scale efflorescence functioning patterns from multivariate and multi-source data, (ii) have a forecasting and warning system, (iii) adapt in near real time the sampling strategies for the Observation, Monitoring and Research needs. Therefore, this thesis was divided in different steps. First of all, a study of the different available databases on each study sites allows defining a multi-criteria study strategy. Then, a new non-supervised clustering method, enabling environmental states labelling, was developed : the Multi-Level Spectral Clustering. The detection of environmental states allows the classification and comparison of blooms controlling factors and the identification of functioning patterns. This multi-criteria method, applied to data from the instrumented station MAREL-Carnot, leads to the biogeochemical and taxonomic description of recursive and extreme events. Moreover, it detects temporally structured relational patterns (pressures and responses) and highlights successive patterns of influencing factors, and communities. These states provide a learning base allowing the development of a learning model, through supervised classification methods, in order to analyze and predict these states. Thus, a semi-supervised approach, coupling a multi-level spectral clustering (unsupervised) and a classification method (supervised) is proposed. A comparison of the responses from the supervised classification model to other databases (MAREL-Iroise and MesuRho) is presented. Furthermore, this method is applied to the prediction of meteorological events, based on reanalyzes (ERA5 predictions) and a spatialized case sutdy (CGFS oceanographic campaign). It demonstrates clusters consistent with the expertise and opens up to a variety of applications., Les systèmes automatisés de mesures à haute fréquence (HF) déployés dans des écosystèmes contrastés sont censés permettre une meilleure compréhension de la dynamique de l'environnement (et du phytoplancton) en réponse aux pressions d'origine naturelle et anthropiques, ainsi que les effets directs et indirects des proliférations du phytoplancton nuisible pouvant conduire à des dysfonctionnements des écosystèmes. La compréhension de cette dynamique est également importante afin de proposer des indicateurs conformes aux objectifs des directives européennes et des conventions des mers régionales. Alors que les données basses fréquences (BF) continuent de livrer leurs secrets, la complexité des données HF (bases volumineuses, convexes, avec des données manquantes,...) rend leur exploitation difficile. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de développer un système numérique Open Source basé sur plusieurs méthodes du Machine Learning. Ce système doit permettre (i) de définir des schémas de fonctionnement des efflorescences multi-sources et multi-échelles à partir de données multivariées, (ii) de disposer d'un système de prédiction et d'alerte, (iii) de pouvoir adapter en temps (quasi) réel les stratégies d'échantillonnage pour les besoins de l'Observation, de la Surveillance et de la Recherche. La mise en évidence d'états environnementaux favorables ou pas aux efflorescences algales permet de hiérarchiser les facteurs de contrôle et d'identifier des schémas de fonctionnements. Ainsi, cette thèse a été conduite en différentes phases. Tout d'abord, une étude exploratoire des différentes variables, sources et échelles de données et des sites d'études a permis de définit les spécificités de chaque environnement et d'appliquer une stratégie d'étude multicritères. Ensuite, une nouvelle méthode de classification adaptée aux problématiques écologiques et HF est développée : la Classification Spectrale Multi-Niveaux. Cette approche appliquée aux données de la station MAREL-Carnot (IR ILICO, SNO COAST-HF) a permis la description (au niveau biogéochimique et taxonomique) d'événements récurrents mais aussi extrêmes, dont la période peut être infra-hebdomadaire ou même horaire. En plus de la caractérisation par état, cette approche multicritères identifie des schémas relationnels (états pressions et réponses). Ainsi, elle met en évidence des schémas de succession des facteurs d'influences, et des communautés. Enfin, une comparaison des réponses du modèle de classification à d'autres bases de données (MAREL-Iroise et MesuRho) est présentée. Pour aller plus loin, la méthodologie proposée est étendue à la prédiction d'événements météorologiques à partir de réanalyses (prévisions ERA5) et à un cas d'étude spatialisé (campagne océanographique CGFS). Elle démontre des classes cohérentes avec les expertises et s'ouvre ainsi vers une variété d'applications.

In coastal ecosystems, phytoplankton composition, distribution and dynamics are strongly influenced by spatial and temporal variations of hydrological structures and biogeochemical parameters, consequences of natural and anthropogenic pressures. Reference monitoring, due to its low spatial and temporal resolution, may fail to detect key events as the initiation and end of phytoplankton outbursts or harmful algal blooms (HABs). By increasing the spatial and/or temporal resolution as well as completing taxonomical counting by investigating the phytoplankton whole size spectra, the use of automated sensors may allow contributing to a better understanding of the distribution and dynamics of this major player in biogeochemichal cycles, at the basis of most foof webs. This thesis consists in studying the characteristics of phytoplankton functional groups defined from their optical properties at the single-cell level, in relation to spatio-temporal variability encountered in contrasting marginal seas, applying the pulse shape-recording automated flow cytometry. This functional classification reflects the diversity of particles according to morphological and physiological properties. First of all, the distribution of phytoplankton groups and their traits where explored in the Western and Central English Channel during the summer period. Most groups formed patches of abundance and biomass near the Ushant front and were structured at the sub-mesoscale. Secondly, phytoplankton functional groups dynamics was characterized in the Eastern English Channel and Southern North Sea during the development period of diatoms and Phaeocystis globosa spring groups, by calculating LCBD and SCBD, wich allowed the observation of spatial segregation between phytoplankton groups. Their distribution was explained by the niche parameters (marginality and tolerance). Finally, the vertical distribution of phytoplankton functional groups in a salinity gradient was addressed in the Baltic Sea, in relation to the biogeochemical properties of the water masses and the characteristics of each PFGs. The variations of the traits are thus stand out as the best predictors of the horizontal and vertical distribution of phytoplankton groups with the respect to niche parameters and spatial descriptors (dispersion, physical and biological parameters). The functional approach, derived from phytoplankton optical properties addressed by automated flow cytometry, coupled to the niche analysis, make it possible to better explain and predict community responses to environmental gradients, such responses being detected in parallel by diversity indices. This work benefited from the support of local (MARCO State-Region Plan Contract), national (CNRS-MTES convention) and international European H2020 JERICO-NEXT projects.; Au sein des écosystèmes côtiers, la composition, la distribution et la dynamique phytoplanctoniques sont influencées par les variations spatio-temporelles des structures hydrologiques et des para mètres biogéochimiques, sous les pressions naturelles et anthropiques. Les suivis de référence, de par leur faible résolution spatiale et temporelle, peuvent manquer des événements-clés comme l'initiation ou la fin des efflorescences ou nuisibles (du type Harmful Algal Blooms). Pour permettre leur détection et mieux comprendre la distribution et la dynamique de ce compartiment à la base des réseaux trophiques et acteur majeur des cycles biogéochimiques, l'utilisation d'approches automatisées à haute fréquence permet de compléter les approches taxonomiques par la caractérisation fonctionnelle de l'ensemble du spectre de taille du phytoplancton. Cette thèse est consacrée à l'étude des caractéristiques morphologiques et physiologiques des groupes fonctionnels phytoplanctoniques définis à partir de leurs propriétés optiques à l'échelle de l'individu, rencontrés dans des mers épi-et intracontinentales contrastées en utilisant la cytométrie en flux automatisée de type "pulse-shape-recording". Tout d'abord, la distribution des groupes phytoplanctoniques et de leurs traits ont été explorés en Manche occidentale et centrale lors de la transition été-automne, ce qui a permis de mettre en évidence la formation de patches d'abondance et de biomasse à proximité du front d'Ouessant et une structuration à sub-mésoéchelle. En deuxième lieu, la dynamique des groupes fonctionnels phytoplanctoniques en Manche orientale et sud Mer du Nord a été étudiée pendant la période de développement des blooms printaniers de diatomées et de Phaeocystis globosa, avec l'utilisation de la LCBD et de la SCBD permettant l'observation de ségrégation spatiale entre groupes phytoplanctoniques dont leur distribution est expliquées par les paramètres de niche (marginalité et tolérance). Enfin, l'étude des paramètres conditionnant la distribution spatiale verticale le long d'un gradient de salinité en Mer Baltique a été abordée pendant la période estivale, en relation avec les propriétés biogéochimiques des masses d'eaux, qui a permis d'identifier les caractéristiques des groupes phytoplanctoniques participant à la distribution des groupes phytoplanctoniques. Les variations des traits ressortent comme étant les meilleurs prédicteurs de la distribution horizontale et verticale vis-à-vis des paramètres de niche et des descripteurs spatiaux (dispersion, paramètres physiques et biologiques). L'approche par traits fonctionnels, dérivés des mesures optiques à haute résolution, couplée à l'analyse de niche permettent d'avancer dans la compréhension des réponses des communautés aux gradients environnementaux, elles-mêmes détectées par les mesures d'indices de diversité. Ce travail a bénéficié de l'appui des projets régionaux (CPER MARCO), nationaux (convention MTES-CNRS) et européens (JERICO-NEXT).

The present study was conducted at 4 sampling sites of Lake Tanganyika and was intending to identify and estimate the spatial abundance of phytoplankton in relation to physico-chemical attributes. The species composition analysis of the samples has listed 115 species of phytoplanktons belonging to 7families from all sampling sites. The relative diversity index of families has indicated that Bacillariophyceae is the most dominant family in comparison to others families with 50 species (43.4%) followed by the family Chlorophyceae with 31 species (27%). The family Cyanophyceae was found very scarce with 3species (2.6%). Regarding quantitative data, the results of species richness and the Cumulative abundance of the sampling sites showed that phytoplankton species and density were variable among stations. Rumonge site holds first position with 115species which was the maximum of all species identified comprising 3450 individuals per liter followed by Kajaga site with 107species comprising 2482individuals per liter, then Mvugo site with 101species containing 1506individuals per liter and in the last position was Nyamugari site with 86 species comprising1031individuals per liter. Furthermore the results of Canonical Correlation Analysis (CCorA) between the environmental parameters and phytoplankton composition at sampling sites have shown that the abundance and proliferation of some phytoplankton species are negatively or positively affected by the physico-chemical parameters concentration because, some physico-chemical variables were found either inhibitors or accelerators for phytoplankton species growth.

This thesis presents a novel approach to analyze and observe the phytoplankton community structure at global and regional scale using satellite data (Ocean colour and Sea surface temperature) and in-situ observations. The approach is based on neural network classification methods, such as Self-Organizing Maps (SOM) trained on a large global database composed of satellite observations collocated with in-situ measurements. First, we developed a method to estimate secondary phytoplankton pigments from satellite measurements in the global ocean. Then we focused our studies on the Mediterranean Sea. Phytoplankton groups (PFTs) were identified from the secondary pigments estimated in the first phase. We then characterized seven bio-regions by clustering annual cycles MLD obtained from Argo floats, SST and Chla by using an advanced SOM. At last, these bio-regions were characterized in terms of PFTs. The methods developed in this thesis allowed us to estimate uncertainties on secondary pigments and PFTs. The applicability of these methods are broad and can be used to investigate other oceanic areas., Cette thèse présente une approche novatrice d’analyse et d’observation de la structure de la communauté de phytoplancton à l'échelle mondiale et régionale à l'aide de données satellitaires (couleur de l‘océan et température de surface) et d'observations in-situ. L'approche est basée sur des méthodes neuronales de classification, telles que les cartes auto-organisatrices (SOM) calibrées sur une grande base de données globale formée de mesures satellitaires collocalisées avec des mesures in-situ. Nous avons d’abord développé une méthode d’estimation des pigments phytoplanctoniques secondaires appliquée à l’océan global à partir de mesures satellitaires. Ensuite nous avons réalisé une étude fine de la Méditerranée où les groupes phytoplanctoniques (PFTs) ont été identifiés. En se servant des mesures de profondeur de la couche de mélange (MLD) fournies par les flotteurs ARGO, de la température de surface de la mer (SST) et de la concentration en chlorophylle-a (Chla) satellitaire, nous avons déterminé sept bio-régions basées sur le cycle annuel de ces variables en utilisant une SOM modifiée. Enfin ces bio-régions ont été caractérisées en termes de PFTs. Les méthodes utilisées nous ont permis d’évaluer les incertitudes sur les pigments et sur les PFTs. L’ensemble des méthodes proposées dans la thèse permettent d’effectuer des études similaires dans d’autres régions.

This thesis presents a novel approach to analyze and observe the phytoplankton community structure at global and regional scale using satellite data (Ocean colour and Sea surface temperature) and in-situ observations. The approach is based on neural network classification methods, such as Self-Organizing Maps (SOM) trained on a large global database composed of satellite observations collocated with in-situ measurements. First, we developed a method to estimate secondary phytoplankton pigments from satellite measurements in the global ocean. Then we focused our studies on the Mediterranean Sea. Phytoplankton groups (PFTs) were identified from the secondary pigments estimated in the first phase. We then characterized seven bio-regions by clustering annual cycles MLD obtained from Argo floats, SST and Chla by using an advanced SOM. At last, these bio-regions were characterized in terms of PFTs. The methods developed in this thesis allowed us to estimate uncertainties on secondary pigments and PFTs. The applicability of these methods are broad and can be used to investigate other oceanic areas.; Cette thèse présente une approche novatrice d’analyse et d’observation de la structure de la communauté de phytoplancton à l'échelle mondiale et régionale à l'aide de données satellitaires (couleur de l‘océan et température de surface) et d'observations in-situ. L'approche est basée sur des méthodes neuronales de classification, telles que les cartes auto-organisatrices (SOM) calibrées sur une grande base de données globale formée de mesures satellitaires collocalisées avec des mesures in-situ. Nous avons d’abord développé une méthode d’estimation des pigments phytoplanctoniques secondaires appliquée à l’océan global à partir de mesures satellitaires. Ensuite nous avons réalisé une étude fine de la Méditerranée où les groupes phytoplanctoniques (PFTs) ont été identifiés. En se servant des mesures de profondeur de la couche de mélange (MLD) fournies par les flotteurs ARGO, de la température de surface de la mer (SST) et de la concentration en chlorophylle-a (Chla) satellitaire, nous avons déterminé sept bio-régions basées sur le cycle annuel de ces variables en utilisant une SOM modifiée. Enfin ces bio-régions ont été caractérisées en termes de PFTs. Les méthodes utilisées nous ont permis d’évaluer les incertitudes sur les pigments et sur les PFTs. L’ensemble des méthodes proposées dans la thèse permettent d’effectuer des études similaires dans d’autres régions.

Microalgal and cyanobacterial resource recovery systems could significantly advance nutrient recovery from wastewater by achieving effluent nitrogen (N) and phosphorus (P) levels below the current limit of technology. The successful implementation of phytoplankton, however, requires the formulation of process models that balance fidelity and simplicity to accurately simulate dynamic performance in response to environmental conditions. This work synthesizes the range of model structures that have been leveraged for algae and cyanobacteria modeling and core model features that are required to enable reliable process modeling in the context of water resource recovery facilities. Results from an extensive literature review of over 300 published phytoplankton models are presented, with particular attention to similarities with and differences from existing strategies to model chemotrophic wastewater treatment processes (e.g., via the Activated Sludge Models, ASMs). Building on published process models, the core requirements of a model structure for algal and cyanobacterial processes are presented, including detailed recommendations for the prediction of growth (under phototrophic, heterotrophic, and mixotrophic conditions), nutrient uptake, carbon uptake and storage, and respiration., Graphical abstract Image 1, Highlights • A critical review of 324 peer-reviewed phytoplankton models was conducted. • Modeling approaches for pseudo-mechanistic processes are synthesized. • Key factors (e.g., C, P, temperature) were only included in ∼25% of models. • Core model structure for wastewater treatment is proposed to advance model utility. • Future efforts should build on existing IWA models for transparency and usability.

Under field conditions, plants need to optimize nutrient ion and water acquisition in their fluctuating environment. One of the most important variables involved in variations of ion uptake processes is temperature. It modifies the thermodynamic processes of root uptake and ion diffusion in soil throughout day⁻night and ontogenetic cycles. Yet, most models of nitrogen (N) uptake in plants are built from set values of microscopic kinetic parameters, Vm and Km, derived from a Michaelis⁻Menten (MM) interpretation of nutrient isotherms. An isotherm is a curve depicting the response of root nitrate influx to external nitrate concentrations at a given temperature. Models using the MM formalism are based on several implicit assumptions that do not always hold, such as homothetic behavior of the kinetic parameters between the different root biological scales, i.e., the epidermis cell, root segments, root axes, and the whole root system. However, in marine phytoplankton, it has been clearly demonstrated that the macroscopic behavior in the nutrient uptake of a colony cannot be confounded with the microscopic behavior of individual cells, due to the cell diffusion boundary layer. The same is also true around plant root segments. Improved N uptake models should either take into account the flexibility of the kinetic parameters of nitrate uptake at the cellular level (porter⁻diffusion approach) or use the more realistic macroscopic kinetic parameters proposed by the flow⁻force approach. Here we present recent solutions proposed in marine phytoplankton and plant nutrient uptake models to make a more flexible description of the nutrient ion uptake process. Use of the mechanistic porter⁻diffusion approach developed in marine phytoplankton introduces more flexibility in response to cell characteristics and physical processes driven by temperature (diffusion and convection). The thermodynamic flow⁻force interpretation of plant-based nutrient uptake isotherms introduces more flexibility in response to environmental cues and root aging. These two approaches could help solve many problems that modelers encounter in these two research areas.

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASARE [ADD1_IRSTEA]Systèmes aquatiques soumis à des pressions multiples; International audience; To what extent is water quality related to lake size? This was investigated through the analysis of a database concerning 250 French lakes of various types and sizes. The ecological evaluation of these lakes according to the European Water Framework Directive implied the analysis of at least four water samples during one year to determine physico-chemical parameters and phytoplankton composition. The samples were integrated over the euphotic zone and taken at a single station (where depth is maximal). Then, statistically, the question can be the following: is it possible to predict lake size from the analysis of four annual water samples? Random forest models were derived to predict lake volume, mean depth, and surface area from several hundreds of parameters. Mean depth was the most predictable lake dimension (75 % of variance explained) whereas surface area can hardly be inferred from water quality (only 12 %). The variables most related to lake depth were suspended particulate matter concentration, some elemental ratios, the diversity of phytoplankton communities and the abundance of some particular species. Moreover, simulations with the simple mechanistic model LakeMab where carried out to show how phosphorus concentration and its annual variations are influenced by lake depth and area.

pdf non compressé disponible sur demandeannehelene.reve@gmail.com; Over the past years, a large number of new approaches in the domain of ocean color have been developedto study phytoplankton ocean processes based on phytoplankton size classes and functionaltypes. One of these methods, named PHYSAT, currently allows for the qualitative identificationof five main phytoplankton groups from remote sensing measurements (Alvain et al., 2008). Thismethod established empirical relationships between in-situ dominant phytoplankton groups andspecific ocean color radiance anomalies in open ocean waters. These radiance anomalies are definedby specific shape and amplitude according to the dominant phytoplancton group in waters. Thetheoretical explanation of PHYSAT (Alvain et al., 2012) showed that radiance anomalies are inducedby a combination of inherent optical properties (absorption and backscattering coefficients,absorption of colored dissolved organic matters). This study suggested that the empiric identificationof dominant cases represents an under-exploitation of the radiance anomalies. The workpresented here adresses the potential development of the PHYSAT method toward the empiricidentification of phytoplankton assemblages. A global ocean (based on biomarker pigments data)and a regional sea’s (North Sea, based on CPR abundance data) applications are presented. Ourresults show, for the first time, the ability of PHYSAT to identify phytoplankton assemblages usingempirical relationships with radiance anomalies, beyond the identification of dominance cases only.This work was facilitated by the use of previous mathematical classification of radiance anomaliesin terms of shape and amplitude (using a self-organizing map, Ben Mustapha et al. (2014), coupledwith a new classification that take into account the phenology of radiance anomalies types.This work emphasizes the potential of PHYSAT’s radiance anomalies when using new classificationtools, and detailed in-situ databases. Future directions are listed to understand the empiricalrelationships observed in this work beyond the current theoretical knowledge.; L’identification des groupes phytoplanctoniques depuis l’espace présente un fort intérêt pour denombreux domaines de recherche en lien avec l’étude des océans. Afin de fournir des observationsattendues par la communauté scientifique, différentes approches ont été développées, et permettentd’obtenir des informations en lien avec la taille ou des groupes fonctionnels de phytoplancton depuisles mesures effectuées par des radiomètres à bord de satellites. Cette thèse a eu pour cadre le développementd’une méthode initiée en 2005, nommée PHYSAT. Cette dernière est initialement baséesur la mise en évidence de relations empiriques entre des anomalies de luminance et la présence d’ungroupe phytoplanctonique dominant. Alvain et al. (2008) ont ainsi permis l’identification de cinqgroupes phytoplanctoniques lorsqu’ils sont dominants, via la détermination empirique d’anomaliesde luminance dont les amplitudes et formes spectrales, aux longueurs d’ondes visibles des capteursde couleur de l’océan, sont spécifiques à la présence de ces groupes. Une étude théorique (Alvainet al., 2012) a, par ailleurs, permis d’apporter une première explication théorique à la présencede ces anomalies de luminance, en tenant compte des propriétés optiques inhérentes (coefficientd’absorption, de rétrodiffusion et absorption des matières dissoutes colorées). Ces résultats théoriquesformulaient l’hypothèse que l’identification des cas de dominance uniquement représentaitune sous-utilisation du potentiel d’informations porté par les anomalies de luminance. Dans cettethèse, nous avons donc évalué le potentiel de développement de la méthode PHYSAT au-delà de ladominance, vers l’identification empirique d’assemblages phytoplanctoniques. Cela a nécessité, enpremier lieu, une adaptation de la chaîne de traitement de la méthode. En effet, les anomalies deluminance étaient classées jusqu’à la dernière version (Ben Mustapha et al., 2014) uniquement àl’aide d’une carte auto-organisatrice des caractéristiques spectrales (classification mathématique).Cette approche ne prenait pas pleinement en compte les caractéristiques spatio-temporelles des anomalies.Il a donc été proposé une nouvelle approche, plus adaptée, basée sur les outils issus de laphénologie, associés à une approche innovante concernant l’analyse des données in-situ elle-même.Ensuite, le potentiel de développement de PHYSAT vers l’identification empirique des assemblagesa été évalué dans une étude globale à partir de données de pigments biomarqueurs, ainsi que dansune étude régionale en Mer du Nord, à partir des données CPR. Nos résultats montrent, pour la premièrefois, la possibilité de détecter empiriquement des cas phytoplanctoniques mixtes, au-delà dela dominance. Enfin, des pistes de recherche pour poursuivre la compréhension et le développementde PHYSAT sont proposées.

Ce rapport présente le bilan des résultats en 2017 des actions programmées dans le cadre du suivi des lagunes oligo- et méso-halines. Il concerne les diagnostics de l’eau, du phytoplancton et des macrophytes sur 7 masses d’eau : Campignol, Vendres, Bagnas, Marette, Charnier-Scamandre-Crey, La Palissade et Bolmon.

International audience; In this chapter, based on re-analysis of previous published data, we study the biomass, trophic component and size structure of the zooplankton in the Sontecomapan Lagoon, in order to better evaluate its trophic status and assess its possible incidence on food transfers, eutrophication and terminal productivity in this lagoon. Our results show very low values of zooplankton/phytoplankton ratio, compared to literature data, revealing an overall low food-transfer at the basis of the food chain. The size-structure is in average dominated by small organisms which suggests a predation impact from fish on larger organisms (calanoid copepods). This impact was particularly important during the north wind season perhaps in relation with the breeding cycles of important fish species such as Cathorops aguadulce. However, tidal inputs of large-sized coastal marine organisms (e.g. Paracalanus aculeatus, Temora turbinata and Centropages velificatus) seems to compensate this "erosion" of large zooplankton in the region close to the communication channel. Our data analyses confirm the top-down effect on zooplankton, but also show that bottom-up forces affect phytoplankton (NH4 limitation) and zooplankton (phytoplankton limitation), meanwhile the top-down control by herbivorous zooplankton on phytoplankton is very low (inf. 10% of the phytoplankton stock day).

Tropical coastal lagoon environments provide a number of ecosystem services, but are threatened by the pressure lmposed by human activities and climatic change; these systems are particularly vulnerable because of a high demographic growth. Therefore, the understanding of their ecological behavior and the characterization of lagoon health indicators have attained importance. Under thls perspective Mexican (UAM-Xl and French (UMRs MIO and MARBEC) researchers have collaborated from 2011 to 2014 as part of one action of the international exchange program ECOS/ANUIES, and chose the Sontecomapan lagoon (at the Mexican state of Veracruz) as a case study. This book provides information of the ecological behavior, water quality indicators, and details of microorganisms and plankton, which due to their short life cycles and their high reactivity to environmental conditions are good indicators of ecological changes. The equilibria of benthic and pelagic compartments and their interaction are other important elements in this shallow environment. The nature, magnitude and effects of human-related activities also have been considered in order to understand the possible evolution of the ecosystem's behavior to evaluate its capacity for resilience and gives some hints on rehabilitation actions.

Phytoplankton plays a key role in aquatic ecosytems as an oxygen producer, a CO2 trap, a primary source of food in trophic chains and as an indicator of changes in the environment. However, despite this positive importance, it can also develop into harmful algal blooms. With the aim of increasing knowledge about this group of microorganisms in Mexican aquatic ecosystems, a list of the phytoplankton species of the Sontecomapan Lagoon was made indicating those that potentially can provoke red tides. Besides, the distribution and abundance of these species was studied in two seasons, the rainy one (June, 2015) and the dry one (February, 2016) on eight sampling stations. Phytoplankton samples were collected with a Van Dorn bottle to measure environmental factors (transparency, salinity, temperature, pH and dissolved oxygen). A list with 357 species with a clear dominance of diatoms (67.8%) and dinoflagellates (20.16%) was obtained from literature review and materials derived from this study. Among them, 19.88% can potentially from red tides, and some of them are toxic. From the sample collected, 102 species of phytoplankton were recorded; 42 of them during the rainy season, 65 during the dry one and 7 présents in both. Among these species, 17 can potentially form red tides and from these, only two can be toxic for humans : Dinophysis caudata and Lyngbya majuscula. The cluster analysis of the environmental factors showed the formation of four groups in the rainy season and three in the dry season, associated to teh salinity gradients.

International audience; Sediment resuspension can provoke strong water enrichment in nutrients, contaminants, and microorganisms. Microcosm incubations were performed in triplicate for 96 h, with lagoon and offshore waters incubated either with sediment elutriate or with an artificial mixt. of contaminants issued from sediment resuspension. Sediment elutriate provoked a strong increase in microbial biomass, with little effects on the phytoplankton and bacterioplankton community structures. Among the pool of contaminants released, few were clearly identified as structuring factors of phytoplankton and bacterioplankton communities, namely simazine, Cu, Sn, Ni, and Cr. Effects were more pronounced in the offshore waters, suggesting a relative tolerance of the lagoon microbial communities to contamination. The impacts of contamination on the microbial community structure were direct or indirect, depending on the nature and the strength of the interactions between phytoplankton and bacterioplankton.

The ecological functioning of coastal ecosystems is subjected to the synergistic action of climate change and anthropogenic pressures. In Arcachon Bay, the reproductive cycle of the oyster Crassostrea gigas has changed in recent years (e.g. weak gametogenesis, spawning delay). This pattern seems to be associated with global changes in thermal and trophic conditions. The aim of this work was to characterize the spatio-temporal variability in the reproductive investment of oysters in Arcachon Bay. This variability has been investigated in relation to the origin, quantity and quality of the trophic resources. The results revealed important spatial gradients of variability in gonadal development and trophic signal in C. gigas, between inner parts of the bay influenced by river inputs (south-east and north-east) and the external part of the bay, which is influenced by oceanic inputs. Two hydrodynamic factors explained most of the observed variability: immersion time and oceanic water renewal. A comparison of C. gigas gametogenesis and the nutritional value of available food sources between the south-eastern and north-eastern parts of the bay revealed temporal variability in the composition of phytoplankton. This variability was associated with variability in the amounts of essential fatty acids, necessary for gametogenesis. Changes in energy reserves and gamete release cycle were synchronized with the seasonal nutrient variability. These results constitute a first approach in the development of a model predicting the evolution of the energetic needs of C. gigas under the global change in environmental conditions., Le fonctionnement écologique des écosystèmes côtiers est soumis à l’action synergique des changements climatiques et des pressions anthropiques. Au sein du Bassin d’Arcachon, l’huître Crassostrea gigas, montre depuis quelques années une modification du cycle reproductif (i.e. faible formation des gamètes, retard de ponte), qui semble lié aux modifications globales des conditions thermiques et trophiques du milieu. L’objectif de ce travail consiste à réaliser un état des lieux de la variabilité spatio-temporelle de l’état reproductif des huîtres dans le Bassin d’Arcachon, en lien avec l’origine, la quantité et la qualité de la ressource trophique. Les résultats obtenus ont permis de révéler d’importants gradients spatiaux de variabilité du développement gonadique et du signal trophique chez C. gigas, entre les parties internes sous influences des rivières (sud-est et nord-est), et la partie externe sous influences océaniques. Deux facteurs clés se sont révélés en partie explicatifs de cette variabilité, le temps d’immersion et le temps de renouvellement océanique. Un comparatif de la gamétogenèse et du pool nutritif entre les parties sud-est et nord-est du bassin a permis de démontrer une variabilité temporelle de la composition phytoplanctonique associée à une variabilité des apports en acides gras essentiels à la formation et la maturité des gamètes. La dynamique de la mise en réserves ainsi que le déclenchement des pontes chez C. gigas se sont révélés synchrones à la variabilité saisonnière de la quantité et la qualité du pool nutritif. Ces résultats représentent une première étape vers le développement d’un modèle prédictif des besoins énergétiques de l’espèce sous l’effet des changements globaux des conditions environnementales.

Current information on the response of phytoplankton to turbulence is linked to cell size and nutrient availability. Diatoms are considered to be favored by mixing as dissolved nutrients are more easily accessible for non-motile cells. We investigated how diatoms exploit microscale turbulence under nutrient repletion and depletion conditions. Here, we show that the chain-forming diatom Chaetoceros decipiens, continues to take up phosphorus and carbon even when silicon is depleted during turbulence. Our findings indicate that upon silica depletion, during turbulence, chain spectra of C. decipiens remained unchanged. We show here that longer chains are maintained during turbulence upon silica depletion whereas under still conditions, shorter chains are enriched. We interpret this as a sign of good physiological state leading to a delay of culture senescence. Our results show that C. decipiens senses and responds to turbulence both in nutrient repletion and depletion. This response is noteworthy due to the small size of the species. The coupling between turbulence and biological response that we depict here may have significant ecological implications. Considering the predicted increase of storms in Northern latitudes this response might modify community structure and succession. Our results partly corroborate Margalef’s mandala and provide additional explanations for that conceptualization.

International audience; Agriculture fertilizers and untreated sewage in the catchment of freshwater bodies increase their nutrient concentrations. The resulting eutrophication promotes phytoplankton blooms, in many cases of toxic cyanobacteria. Ecological models can simulate the main processes driving algal blooms. They help to understand how phytoplankton responds to different forcing. Another major use of models is as predictive tool supporting the management of water resources. Yuqiao Reservoir is the main drinking water source for Tianjin, the fifth most populated city in China. During the last decade, drinking water production has been impaired by recurrent cyanobacteria blooms. The water quality management of the reservoir, conducted by the Hai River Water Conservancy Commission, requires an early warning system in order to anticipate the cyanobacteria blooms and to adapt the treatment process. Therefore, within the framework of a French-Chinese project on Integrated Water Resources Management (IWRM) of the catchment of the Hai river, a modelling approach of cyanobacteria growth, which could be later embedded in an early warning system, was proposed. In this study, we calibrated a one-dimensional vertical, physical-ecological model aimed at forecasting cyanobacteria blooms in the Yuqiao Reservoir. We first introduce the study site and its ecological status. Then we describe the model and the input data set. The calibration and validation results are presented for water temperature and chlorophyll-a concentration at the measurement dates. The short-term forecast modelling is performed for temperature and cyanobacteria over a 5-day ahead period. Two weather scenarios are considered: one favourable for cyanobacteria and one disfavourable. Modélisation prédictive des proliférations de cyanobactéries dans le réservoir Yuqiao, Chine RÉSUMÉ.; L'agriculture et le traitement insuffisant des eaux usées dans les bassins versants de nombreux lacs et réser-voirs sont à l'origine de concentrations en nutriments élevées dans ces milieux. L'eutrophisation qui en résulte menace la qualité des ressources en eau, car elle favorise les proliférations phytoplanctoniques, notamment celles des cyanobac-téries, espèces potentiellement toxiques. La modélisation écologique permet de représenter les principaux processus qui contrôlent ces proliférations algales. Prenant en compte les interactions entre les processus, elle permet de comprendre comment le phytoplancton réagit à différents forçages. La modélisation prédictive peut être utilisée dans l'aide à la déci-sion pour la gestion des ressources en eau. Le réservoir de Yuqiao est la principale source d'eau potable pour la ville de Tianjin, cinquième ville la plus peuplée de Chine. Au cours de la dernière décennie, la production d'eau potable a été perturbée par des proliférations récurrentes de cyanobactéries. La gestion de la qualité de l'eau du réservoir est sous la responsabilité de la Commission de protection des eaux de la rivière Hai (HWCC). Afin d'anticiper l'arrivée de cyano-bactéries toxiques à l'usine d'eau potable et d'adapter le processus de traitement, un système d'alerte lui serait très utile. Aussi, dans le cadre d'un projet franco-chinois sur la gestion intégrée des ressources en eau dans le bassin versant de la rivière Hai, une approche de modélisation des proliférations de cyanobactéries destinée à être intégrée ultérieurement à un système d'alerte, a été proposée. Dans cette étude, nous avons calibré un modèle vertical unidimensionnel ther-mique-écologique, visant à prévoir l'évolution de la biomasse des cyanobactéries dans le réservoir. Nous présentons le site d'étude et son état écologique. Nous décrivons ensuite le modèle thermique-écologique et le jeu de données utilisé. Les résultats des étapes de calibration et de vérification du modèle sont présentés pour la température de l'eau et la concentration en chlorophylle-a et comparés aux mesures. La modélisation prédictive à court terme de la température de l'eau et des cyanobactéries est illustrée sur un exemple d'une période de 5 jours en été. Deux scenarios de prévision météorologique, l'un favorable au développement des cyanobactéries et l'autre défavorable sont considérés.

Climate changes induced by human activities will deeply impact natural ecosystems. Marine ecosystems, leaving in a highly variable environment, are therefore threatened. Within these communities, phytoplankton have a primordial role in the trophic web and in the regulation of climate processes. Understanding the evolution of these communities in a warming world is an issue of oceanography. Among factor affecting phytoplankton dynamics, viruses play a key role through their capacity to lyse their hosts. They are therefore controlling the phytoplankton population dynamics. It is then crucial to understand how the viruses impact will evolve in a warming ocean. In this thesis we explore the impact of temperature on these interactions with an integrative method combining laboratory experiments and mathematical modelling. We focus on the pico-eukaryote genus Micromonas. In a first study, we have characterized the temperature response of the Micromonas genus by studying 11 different strains. We have shown the primordial role of temperature on the ecology of phytoplankton. In particular, we have demonstrated that ocean temperature has played a decisive role in evolution. Thus, we have been able to predict the evolution of biodiversity in a warming ocean. In a second study we showed that temperature is a key factor in controlling the phytoplankton - virus dynamics. The temperature affects in particular the rates of infectivity loss and of virus degradation, as well as the rate of virus production. In particular, we observed a change in infection strategy. Beyond a temperature close to the optimal growth temperature, the dynamics become more complex suggesting a change in infection strategy from lytic to chronic. In a third study, we have developed a mathematical model representing these interactions. The model efficiently reproduced the observed changes as a function of temperature. Finally, we discuss the role of temperature on the involved infection processes.; Les dérèglements climatiques engendrés par l’activité anthropique vont fortement perturber les écosystèmes naturels dans un futur proche. Les écosystèmes marins, déjà soumis à la forte variabilité de leur environnement, sont donc fortement menacés. Au sein de ces communautés, le phytoplancton a un rôle primordial dans les réseaux trophiques, ainsi que pour les processus régulant le climat. Comprendre l’évolution de ces communautés dans un monde en perpétuel changement est l’un des enjeux de l’océanographie. Parmi les facteurs influençant le phytoplancton, les virus jouent un rôle primordial de par leur capacité à induire une lyse cellulaire. Ils contrôlent ainsi la dynamique phytoplanctonique. Il est donc indispensable de comprendre comment l’impact des virus sur ces communautés va évoluer dans le contexte de changement climatique. Cette thèse explore ainsi le rôle de la température dans les interactions entre le phytoplancton et les virus grâce à une approche intégrée reliant expériences en laboratoire et modélisation mathématique. Dans notre travail, nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux pico-eucaryotes du genre Micromonas. Dans une première étude, nous avons caractérisé la réponse à la température du genre Micromonas en étudiant 11 souches différentes. Nous avons montré le rôle primordial de la température sur l’écologie du phytoplancton. En particulier, nous avons démontré que la température océanique avait joué un rôle décisif dans l’évolution. Ainsi, nous avons pu prédire l’évolution de la biodiversité dans un océan en voie de réchauffement. Dans une deuxième étude nous avons montré que la température est un facteur clef dans le contrôle de la dynamique phytoplancton – virus. La température affecte notamment les taux de perte d'infectiosité et de dégradation des virus, ainsi que le taux de production de virus. En particulier, nous avons observé un changement de stratégie d’infection. Au-delà d’une température proche de la température optimale de croissance, les dynamiques deviennent plus complexes suggérant un changement de stratégie d'infection, qui passerait de lytique à chronique. Dans une troisième étude, nous avons modélisé ces interactions et avons pu reproduire les changements observés en fonction de la température. Nous avons discuté du rôle de la température sur les processus d’infection mis en jeux.

The pico-alga Ostreococcus tauri is a minimal photosynthetic eukaryote that has been implemented as model system. O. tauri is known to efficiently produce docosahexaenoic acid (DHA). We provide a comprehensive study of the glycerolipidome of O.tauri and validate this species as model for related picoeukaryotes. Ostreococcus lipids displayed unique features that combined traits from the green and the chromoalveolate lineages. The betaine-lipid diacylglyceryl-hydroxymethyl-trimethyl-β-alanine and phosphatidyldimethylpropanethiol, both hallmarks of chromalveolates, were identified as presumed extraplastidial lipids. DHA was confined to these lipids while plastidial lipids of prokaryotic type were characterized by the overwhelming presence of ωω-3 C18-polyunsaturated fatty acids (PUFA), 18:5 being restricted to galactolipids. C16:4, a FA typical of green microalgae galactolipids, was also a major component of O. tauri extraplastidial lipids while 16:4-CoA species was not detected. Triacylglycerols (TAGs) displayed the complete panel of FAs and many species exhibited combinations of FAs diagnostic for plastidial and extraplastidial lipids. Importantly, under nutrient deprivation 16:4 and ωω-3 C18 PUFAs accumulated into de novo synthesized TAGs while DHA-TAGs species remained rather stable indicating an increased contribution of FAs of plastidial origin to TAG synthesis. Nutrient deprivation further severely downregulated the conversion of 18:3 to 18:4 resulting in obvious inversion of 18:3/18:4 ratio in plastidial lipids, triacylglycerols as well as in acyl-CoAs. The fine-tuned and dynamic regulation of 18:3/18:4 ratio suggested an important physiological role of these FAs in photosynthetic membranes. Acyl position in structural and storage lipids together with acyl-CoA analysis further help to apprehend mechanisms possibly involved in glycerolipid synthesis.

International audience; Biological invasions exert multiple pervasive effects on ecosystems, potentially disrupting species interactions and global ecological processes. Our ability to successfully predict and manage the ecosystem-level impacts of biological invasions is strongly dependent on our capacity to empirically characterize complex biological interactions and their spatiotemporal dynamics. In this chapter, we argue that the comprehensive integration of multiple complementary tools within the explicit context of ecological networks is essential for providing mechanistic insight into invasion processes and their impact across organizational levels. We provide an overview of traditional (stable isotopes, populations genetics) and emerging (metabarcoding, citizen science) techniques and methods, and their practical implementation in the context of biological invasions. We also present several currently available models and machine-learning approaches that could be used for predicting novel or undocumented interactions, thus allowing a more robust and cost-effective forecast of network and ecosystem stability. Finally, we discuss the importance of methodological advancements on the emergence of scientific and societal challenges for investigating local and global species histories with several skill sets.

International audience; Lakes provide many ecosystem services such as drinking-water supply and recreation. Restoration measures are needed in case of severe impairments by human activities. Eutrophication is the major cause of lake alteration. It is due to intensive agriculture or input of sewage and is characterized by high nutrient concentrations. The main consequences of eutrophication are high primary production, low water transparency and hypolimnic anoxia. Effective restoration requires the reduction of nutrient input to the lakes and precise objectives in terms of quantitative water quality targets have to be set. Physico-chemical standards are often derived statistically from the distribution of parameters among sites. However, such standards lack ecological relevance because they are not linked to the response of biological elements. Ecological community thresholds are zones in the gradients of environmental parameters where variations in species abundance are enhanced relative to the rest of the gradient. They may provide more meaningful restoration targets. In this study, the method of gradient forest was used to detect community thresholds from a database of about 200 hundreds French lakes and reservoirs. The analysis was performed on phytoplankton, macrophytes and fish data, separately. Community thresholds derived from the three biological groups are compared with a focus on two parameters: total phosphorus concentration and water transparency. Some thresholds are similar among groups revealing possible important ecological thresholds, whereas others are specific of a particular group. A framework is proposed to use these thresholds in combination with estimated reference conditions to determine site-specific water quality restoration targets.

Mutations are the main source of diversity on which selection acts to allow species to adapt. Studies of the effect of mutations on survival and estimation of spontaneous mutation rates are essential to better understand evolution. Using mutation accumulation experimental approach, we investigated the issues of mutation effects and mutation rate in five models of green algae (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus Prasinos, Micromonas pusilla, and Picochlorum RCC4223). It highlighted a decline in fitness over time because of deleterious mutations, and a significant genotype-environment interaction on the fitness effect of mutations. The mutation rate varies at inter-specific and intra-genomic scales, with two main results: a raise of the mutation rate in non-coding regions in accordance with trancriptional-coupled repair, and an increase of the mutation rate with an increase of the genome size in eukaryotes and the GC content deviation from the equilibrium. Also, a new Picochlorum genome is provided to investigate the role of horizontal gene transfer in the Chlorophyta group.; Les mutations sont la principale source de diversité sur laquelle agit la sélection pour permettre aux espèces de s'adapter. Les études de l'effet des mutations sur la survie et du taux de mutation sont donc essentielles pour mieux comprendre l'évolution. Par une approche d'expérience d'accumulation de mutations, nous étudions ces deux questions chez cinq modèles d'algues vertes (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus prasinos, Micromonas pusilla, et Picochlorum RCC4223). Il est mis en évidence une diminution de la fitness au cours du temps en raison des mutations délétères, et une importante interaction génotype-environnement sur l'effet des mutations. Le taux de mutation varie aux échelles intra-génomique et inter-spécifique, avec deux principaux résultats: une augmentation du taux de mutation dans les régions non codantes et une augmentation du taux de mutation avec la taille du génome chez les eucaryotes et en fonction de l'écart à l'équilibre en GC du génome. Aussi, l'assemblage et l'annotation d'une picoalgue du genre Picochlorum permettent d'étudier le rôle des transferts horizontaux de gènes chez les Chlorophytes.

Fish ponds are often enriched in nutrients in order to optimize the global productivity of ponds and increase fish biomass. High levels of nutrients in fish ponds due to fish farming may cause significant eutrophication leading to a loss in pond biodiversity and to phytoplankton dominance. This shift may be characterized by a critical threshold, a tipping point, where a significant change of species richness and/or abundance occurs for some taxonomic groups. Tipping points were studied in fish ponds in the Dombes and in the Forez areas, France. (1) Firstly, tipping points were analyzed in different taxonomic groups with three different statistical methods using five different diversity indices in order to evaluate best choices in the determination of tipping points. (2) Secondly, the multi-annual changes of tipping points in relation to nutrient loads, aquatic plants, and yearly variations in weather conditions were evaluated. (3)Then, tipping points of dragonfly richness were evaluated in relation to eutrophication gradients, aquatic plant richness and coverage, and fish production. (4) Finally, the effects of the different fish pond management practices such as fertilization, supplementary feeding, liming, and a dry year without water was evaluated on fish production, species richness of aquatic plants, and eutrophication. Our results showed that there is an important variation in tipping points following the statistical methods and the diversity indices used. In all taxonomic groups, aquatic plants were the most impacted by the eutrophication in fish ponds systems. The tipping points showed a significant decrease of aquatic plant species richness and cover, linked to nutrient concentrations which drive the competition between phytoplankton and aquatic plants. Therefore, the main valuable tipping points are linked to the switch from aquatic plant dominance to phytoplankton dominance. However, tipping points could vary significantly between years, mainly due to weather conditions in spring. In addition, dragonfly species richness and abundance showed to be negatively influenced by higher degrees of eutrophication. Tipping points were shown to be very important for the fish pond managers in order to keep an equilibrium state and thus provide fewer inputs as possible. A dry disturbance the most efficient practice to obtain a high performance of the fish production system: high fish production, high aquatic plant richness and low phytoplankton biomass. To reach a good ecological state, a good option seems to drain the fish ponds for once every four to five years. Consequently, it is therefore possible to predict with tipping points, when the equilibrium state of the pond will switch to phytoplankton dominance. Tipping points were thereby determined in order to maintain high aquatic plants richness and cover to preserve high biodiversity in fish ponds and high fish production.; Les étangs piscicoles sont des milieux souvent enrichis en nutriments dans le but d’accroître la productivité global du système afin d’augmenter la biomasse de poisson. De fortes concentrations en nutriments peuvent entraîner une eutrophisation de l’étang conduisant à une perte de la biodiversité de l’étang et à une dominance du phytoplancton. Ce changement peut être caractérisé par un seuil critique, appelé point de basculement, où un changement significatif de la richesse en espèces et/ou de l’abondance survient dans plusieurs groupes taxonomiques. Les points de basculement ont été déterminés dans les étangs de la Dombes et du Forez. (1) Dans un premier temps, les points de basculement ont été déterminés dans différent groupes taxonomiques grâce à trois méthodes statistiques différentes en utilisant cinq indices de diversité, ceci afin d’évaluer les meilleures méthodes d’analyses. (2) Dans un deuxième temps, les changements pluriannuels des points de basculement ont été évalués en relation avec les concentrations en nutriments, les plantes aquatiques et les conditions météorologiques. (3). Par la suite, les points de basculements chez les Odonates ont été déterminés en relation avec des gradients d’eutrophisation du système, la richesse des plantes aquatiques et le recouvrement végétal, et la production piscicole. (4) Pour finir, le rôle des différentes pratiques piscicoles dans les étangs comme la fertilisation, l’addition de nourriture artificielle, le chaulage, et la mise en assec des étangs, a été étudié en relation avec la production piscicole, la diversité en espèces des plantes aquatiques, et l’eutrophisation du système. Nos résultats ont montré une importante variation des points de basculement suivant les différentes méthodes statistiques et les indices de diversité utilisés. Pour tous les groupes taxonomiques, les plantes aquatiques se sont révélées être les plus influencées par l’eutrophisation dans les étangs piscicoles. Les points de basculement ont montré une importante diminution de la diversité en espèces des plantes aquatiques et du recouvrement végétal, liés aux concentrations en nutriments qui dirige la compétition entre les producteurs primaires, à savoir le phytoplancton et les plantes aquatiques. Les points de basculement sont donc liés directement aux deux équilibres stables de dominance des plantes aquatiques ou du phytoplancton. Toutefois, les points de basculements peuvent varier significativement suivant les années, principalement due aux conditions météorologiques qui surviennent au printemps. De plus, la diversité en espèces et l’abondance des Odonates ont montré être négativement influencés par une trop forte eutrophisation du système. Les points de basculement sont très importants pour les gestionnaires des étangs qui pourront ainsi gérer leurs étangs de manière à garder un milieu équilibré et ainsi apporter le moins d’intrants possibles. Nos résultats ont ainsi montré qu’une mise en assec est la pratique permettant d’optimiser au mieux le système : productivité piscicole élevée, richesse des plantes aquatiques élevée et faible concentration de chlorophylle α. Ainsi, pour atteindre un bon état écologique de l’étang, une mise en assec des étangs doit s’effectuer toutes les quatre à cinq ans. Par conséquent, il est ainsi possible de prédire grâce aux points de basculement, le moment où l’état d’équilibre de l’étang va basculer vers une dominance phytoplanctonique. Des points de basculement ont ainsi été déterminés dans le but de maintenir une forte diversité de plantes aquatiques et un fort recouvrement végétal, pour préserver une forte biodiversité des étangs et une bonne productivité piscicole.

Fish ponds are often enriched in nutrients in order to optimize the global productivity of ponds and increase fish biomass. High levels of nutrients in fish ponds due to fish farming may cause significant eutrophication leading to a loss in pond biodiversity and to phytoplankton dominance. This shift may be characterized by a critical threshold, a tipping point, where a significant change of species richness and/or abundance occurs for some taxonomic groups. Tipping points were studied in fish ponds in the Dombes and in the Forez areas, France. (1) Firstly, tipping points were analyzed in different taxonomic groups with three different statistical methods using five different diversity indices in order to evaluate best choices in the determination of tipping points. (2) Secondly, the multi-annual changes of tipping points in relation to nutrient loads, aquatic plants, and yearly variations in weather conditions were evaluated. (3)Then, tipping points of dragonfly richness were evaluated in relation to eutrophication gradients, aquatic plant richness and coverage, and fish production. (4) Finally, the effects of the different fish pond management practices such as fertilization, supplementary feeding, liming, and a dry year without water was evaluated on fish production, species richness of aquatic plants, and eutrophication. Our results showed that there is an important variation in tipping points following the statistical methods and the diversity indices used. In all taxonomic groups, aquatic plants were the most impacted by the eutrophication in fish ponds systems. The tipping points showed a significant decrease of aquatic plant species richness and cover, linked to nutrient concentrations which drive the competition between phytoplankton and aquatic plants. Therefore, the main valuable tipping points are linked to the switch from aquatic plant dominance to phytoplankton dominance. However, tipping points could vary significantly between years, mainly due to weather conditions in spring. In addition, dragonfly species richness and abundance showed to be negatively influenced by higher degrees of eutrophication. Tipping points were shown to be very important for the fish pond managers in order to keep an equilibrium state and thus provide fewer inputs as possible. A dry disturbance the most efficient practice to obtain a high performance of the fish production system: high fish production, high aquatic plant richness and low phytoplankton biomass. To reach a good ecological state, a good option seems to drain the fish ponds for once every four to five years. Consequently, it is therefore possible to predict with tipping points, when the equilibrium state of the pond will switch to phytoplankton dominance. Tipping points were thereby determined in order to maintain high aquatic plants richness and cover to preserve high biodiversity in fish ponds and high fish production.; Les étangs piscicoles sont des milieux souvent enrichis en nutriments dans le but d’accroître la productivité global du système afin d’augmenter la biomasse de poisson. De fortes concentrations en nutriments peuvent entraîner une eutrophisation de l’étang conduisant à une perte de la biodiversité de l’étang et à une dominance du phytoplancton. Ce changement peut être caractérisé par un seuil critique, appelé point de basculement, où un changement significatif de la richesse en espèces et/ou de l’abondance survient dans plusieurs groupes taxonomiques. Les points de basculement ont été déterminés dans les étangs de la Dombes et du Forez. (1) Dans un premier temps, les points de basculement ont été déterminés dans différent groupes taxonomiques grâce à trois méthodes statistiques différentes en utilisant cinq indices de diversité, ceci afin d’évaluer les meilleures méthodes d’analyses. (2) Dans un deuxième temps, les changements pluriannuels des points de basculement ont été évalués en relation avec les concentrations en nutriments, les plantes aquatiques et les conditions météorologiques. (3). Par la suite, les points de basculements chez les Odonates ont été déterminés en relation avec des gradients d’eutrophisation du système, la richesse des plantes aquatiques et le recouvrement végétal, et la production piscicole. (4) Pour finir, le rôle des différentes pratiques piscicoles dans les étangs comme la fertilisation, l’addition de nourriture artificielle, le chaulage, et la mise en assec des étangs, a été étudié en relation avec la production piscicole, la diversité en espèces des plantes aquatiques, et l’eutrophisation du système. Nos résultats ont montré une importante variation des points de basculement suivant les différentes méthodes statistiques et les indices de diversité utilisés. Pour tous les groupes taxonomiques, les plantes aquatiques se sont révélées être les plus influencées par l’eutrophisation dans les étangs piscicoles. Les points de basculement ont montré une importante diminution de la diversité en espèces des plantes aquatiques et du recouvrement végétal, liés aux concentrations en nutriments qui dirige la compétition entre les producteurs primaires, à savoir le phytoplancton et les plantes aquatiques. Les points de basculement sont donc liés directement aux deux équilibres stables de dominance des plantes aquatiques ou du phytoplancton. Toutefois, les points de basculements peuvent varier significativement suivant les années, principalement due aux conditions météorologiques qui surviennent au printemps. De plus, la diversité en espèces et l’abondance des Odonates ont montré être négativement influencés par une trop forte eutrophisation du système. Les points de basculement sont très importants pour les gestionnaires des étangs qui pourront ainsi gérer leurs étangs de manière à garder un milieu équilibré et ainsi apporter le moins d’intrants possibles. Nos résultats ont ainsi montré qu’une mise en assec est la pratique permettant d’optimiser au mieux le système : productivité piscicole élevée, richesse des plantes aquatiques élevée et faible concentration de chlorophylle α. Ainsi, pour atteindre un bon état écologique de l’étang, une mise en assec des étangs doit s’effectuer toutes les quatre à cinq ans. Par conséquent, il est ainsi possible de prédire grâce aux points de basculement, le moment où l’état d’équilibre de l’étang va basculer vers une dominance phytoplanctonique. Des points de basculement ont ainsi été déterminés dans le but de maintenir une forte diversité de plantes aquatiques et un fort recouvrement végétal, pour préserver une forte biodiversité des étangs et une bonne productivité piscicole.

Unicellular photosynthetic organisms forming the phytoplankton are the basis of primary production. Because these organisms cannot regulate their inner temperature, the medium temperature strongly constrains their growth. Understanding the impact of this factor is topical in a global change context. In this PhD thesis we have investigated how phytoplankton adapts to temperature. By analyzing the growth rate as a function of temperature for hundreds of species we highlighted the characteristics that can be accurately described by a mathematical model. We have identied the links between the cardinal temperatures as well as their thermodynamical fundament using the mechanistic Hinshelwood model. We then challenged the Eppley hypothesis `hotter is faster' for 5 phylogenetic phytoplankton groups and determined the evolutionary limits for each of them. We have also studied the adaptation mechanisms associated to long term temperature variations by developing an evolutionary model using the adaptive dynamics theory allowing to predict the evolutionary outcome of species adaptation to a simple temperature cycle. Our results have been compared to a selection experiment carried out in a controlled device on Tisochrysis lutea. Our method has been extended to predict the adaptation of a strain to periodic temperature profiles and study phytoplankton adaptation at the global ocean scale. In situ data of sea surface temperature have been used as a forcing variable and have permitted to show that the elevation of temperature will be critical for several species in particular for those living in areas where the annual temperature fluctuation is high such as the Mediterranean Sea., Les organismes unicellulaires photosynthétiques formant le phytoplancton sont la base de la production primaire marine. Ne pouvant pas réguler leur température ce facteur physique contraint fortement leur croissance. L'étude de son impact est d'une actualité brûlante dans un contexte de changement climatique. Dans cette thèse, nous nous sommes efforcés de comprendre comment le phytoplancton s'acclimate à la température. En analysant la réponse du taux de croissance à la température de centaines d'espèces nous avons mis en évidence les liens existant entre températures cardinales ainsi que leurs fondements thermodynamiques grâce au modèle mécaniste de Hinshelwood. Nous avons testé l'hypothèse de Eppley plus chaud implique plus rapide pour 5 groupes phylogénétiques de phytoplancton et défini leurs limites évolutives intrinsèques. Nous avons examiné les mécanismes d'adaptation induits à long terme par des variations de température et construit un modèle évolutif en utilisant la théorie de la dynamique adaptative afin de prévoir l'issue évolutive de l'adaptation d’une espèce à un cycle de température simple. Nos résultats ont été confrontés à une expérience de sélection réalisée en laboratoire sur Tisochrysis lutea. Notre méthode a été étendue pour prédire l'adaptation d'une souche soumise à un profil de température périodique et étudier l'adaptation thermique du phytoplancton à l'échelle de l'océan mondial. Des données in situ de température de surface de l'océan ont permis de forcer le modèle et de montrer qu'une augmentation de température sera critique pour certains groupes dans les zones où l’amplitude thermique annuelle est grande, comme par exemple la mer Méditerranée.

Phytoplankton diversity depends on physical, chemical and biological local conditions. Moreover, physical transport could also impact the distribution of autotrophic organisms/species within phytoplankton communities. Therefore, phytoplanktonic assemblages exhibit significant spatial (bioregionalization) and temporal (successions) variability in terms of species diversity as well as productivity. Coastal regions are particularly contrasted area with sharp environmental gradients underlying strong heterogeneity in phytoplankton communities' composition. In this context, the Iroise Sea presents a seasonal, highly productive, tidal front, which separates two distinctregimes. Eastside, continental shelf waters are regularly mixed by tidal currents while offshore waters remain stratified throughout the whole summer period.Thus, the Iroise Sea may be an opportune region to study the processes linking the frontal structure dynamic and its impact on phytoplanktonic diversity.This thesis aims, more specifically, at characterizing phytoplankton communities in the Iroise Sea interms of both functional and phenotypic diversity over a seasonal cycle in general and during the summer at the frontal interface in particular. This work is based on a 3D numerical modeling approach using a physical/biogeochemical coupled model. As a first part of this thesis, the implementation of a regional configuration for the Iroise Sea has been conducted, including the technical coupling between the hydrodynamical model (ROMS-AGRIF) and the phytoplankton diversity model (DARWIN). This work was the first necessary step to simulate and study the Iroise sea phytoplanktonic diversity.Our results show a pronounced seasonal cycle of the phytoplankton functional composition, driven by the surface mixed layer depth that influenced light and nutrients' availabilty. Indeed, during winter, the biomass is dominated by picoplankton in the Iroise Sea. Then, as water column becomes stratified offshore, in April, a characteristic phytoplankton bloom occurs with a larger contribution of microphytoplancton (mainly diatoms). During summer, the nutrient-replete coastal well-mixed area remains highly productive and dominated by diatoms while surface stratified offshore waters (where phytoplankton growth is nutrient-limited) show higher coexistence between phytoplankton functional types.We also examined the phytoplankton phenotypic diversity simulated within the frontal region in relation with the surrounding areas in September (summer conditions). The results highlight a diversity maximum located at the surface slightly westward from the biomass maximum of the front. This diversity maximum is suggested to be the result of the upward transport of typical phenotypes from the offshore Deep Chlorophyll Maximum (DCM) toward the Surface at the west warm side of the front. Indeed, picoplanktonic phenotypes growing in the DCM coexist, in this diversity maximum, with those from the surface oligotrophic waters and ubiquitous ones growing in the eastside mixed coastal waters.Finally, the effect of tidal spring/neap tide cycle has been investigated and shows, for the first time, how this cycle impacts the phytoplankton biomass and the phenotypic community composition within the coastal well-mixed, homogeneous system. Indeed, the neap-tide conditions of reduced vertical mixing and stabilization lead to an increase in total phytoplankton biomass associated with the rapid development of fast-growing, opportunistic, diatoms species and a decrease in phenotypic diversity., Les facteurs environnementaux (physiques, chimiques et biologiques) influencent la composition des communautés de phytoplancton marin. D'autre part, le transport dynamique peut lui aussi impacter l'abondance relative des organismes au sein de ces communautés. Par conséquent, les biomasses phytoplanctoniques, ainsi que la nature des organismes qui les composent, présentent une importante variabilité à la fois sur le plan spatial (biorégionalisation) et sur le plan temporel (successions). Les régions côtières sont des zones particulièrement contrastées dans lesquelles les gradients environnementaux sont généralement marqués. Ainsi, la mer d'Iroise se caractérise par la présence d'un front de marée saisonnier (front d'Ouessant), particulièrement productif, qui sépare deux régimes distincts. A l'Est du front, les eaux du plateau continental sont régulièrement rendues homogènes par la présence de forts courants de marée alors que la zone du large est soumise à un cycle saisonnier marqué par une stratification verticale estivale. Il s'agit donc d'une région propice à l'étude plus générale des mécanismes d'interaction entre les structures frontales et la diversité phytoplanctonique.L'objet plus spécifique de cette thèse est de caractériser, à l'aide de la modélisation 3D, la nature et la diversité du phytoplancton en mer d'Iroise, à la fois en termes de groupes fonctionnels puis de diversité phénotypique, au cours d'un cycle saisonnier en général et plus particulièrement lors de la période estivale au niveau de la zone frontale.Les premiers résultats obtenus ont montré que la composition en groupes fonctionnels du phytoplancton présente un cycle saisonnier marqué, principalement influencé par la profondeur de la couche de mélange. Durant l'hiver, le picoplancton domine partout dans la zone d'étude. La stratification, qui s'installe à partir du mois d'Avril entraîne par la suite un bloom phytoplanctonique dominé par le microphytoplancton (principalement des diatomées). La période estivale correspond ensuite à la mise en place d'une bio-régionalisation des conditions environnementales en mer d'Iroise avec (i) la zone côtière mélangée qui reste fortement productive et dominée par les diatomées et (ii) la zone offshore, dans laquelle la croissance autotrophe est limitée par les nutriments en surface, ce qui favorise la coexistence entre microphytoplancton et picophytoplancton.Une seconde étude a porté sur la composition de la communauté phytoplanctonique en termes de diversité phénotypique pendant le mois de septembre. Les résultats mettent en évidence une zone de forte diversité en surface, légèrement décalée vers l'Ouest par rapport à la zone frontale (dans laquelle la biomasse est maximale). Au niveau de ce maximum de diversité, l'importance des échanges verticaux (upwelling et mélange) du côté chaud (stratifié) du front a été mise en évidence. Ainsi, un mélange entre des phénotypes ubiquistes présents dans la zone mélangée à l'Est du front et du picoplancton, issu à la fois du maximum de chlorophylle de subsurface et de la surface oligotrophe à l'ouest, est observé dans le maximum de diversité.Finalement, une dernière étude portant sur l'effet du cycle de marée vives eaux/ mortes eauxa permis de comprendre, et ce pour la première fois, les processus qui expliquent l'impact de ce cycle sur la modification de la biomasse phytoplanctonique et sur la composition de la communautéen terme de diversité phénotypique dans le système côtier homogène. Les résultats montrent une augmentation de la biomasse totale ainsi que de la proportion de diatomées et une diminution de la diversité lors des périodes de stratification associées aux mortes eaux.

Located at the interface between marine and continental systems, coastal lagoons are among the most diverse and productive ecosystems. These semi-enclosed ecosystems are very vulnerable to nutrient enrichment. In the Languedoc-Roussillon region, anthropogenic pressures have profoundly damaged the coastal lagoons, especially those belonging to the Palavasian complex close to Montpellier. The latter lagoons have been affected by high nutrient loadings from the sewage treatment plant of the Montpellier agglomeration. This resulted in a trophic gradient among the eight lagoons in the complex, from mesotrophy to hypertrophy, with altered primary producer communities by favoring the predominance of the phytoplankton compartment.The phytoplankton responds very fast to environmental variability. The high specific and functional diversity of the phytoplankton carries information regarding the different ecological processes and ecosystem functioning. Hence, phytoplankton has been widely used as an efficient indicator of aquatic ecosystems functioning.In December 2005, the effluents responsible of the eutrophication of the Palavasian lagoons were diverted into the Mediterranean Sea. This measure resulted in a reduction of the inorganic phosphorous and nitrogen loadings to the lagoons from 70 to 83 %, respectively, and initiated a process of ecological restoration. This thesis aimed to improve the understanding of the restoration process of Mediterranean coastal lagoons by studying phytoplankton communities’ trajectories.The analysis of a database comprising fourteen years of observations from 2000 to 2013 established that the restoration of coastal lagoons gave rise to an improvement of the water quality, linked to a drastic reduction of phytoplankton biomass. The time series showed a sharp drop of the Diatoms (3-5 µm), which before the diversion had been particularly enhanced by the nutrient inputs from the effluents. The analysis of phytoplankton trajectories since the nutrient inputs reduction showed a modification of phytoplankton community composition characterized by an increase of the abundances of Green algae and Dinophytes. This modification reflects the change of the origin and the form of available nutrients caused by the re-oligotrophication. It especially emphasizes the importance of benthic fluxes of phosphate and ammonium, for which Green algae are the most competitive. In addition, the benthic stocks of organic matter may represent a resource for mixotrophic species. Picophytoplankton, which was exclusively dominant in the Palavasian lagoons before the diversion, is now temporarily replaced by nano- and microphytoplankton during seasonal blooms. This is related to their specific strategies to acquire and use nutrients. The seasonal variability of taxonomic and functional phytoplankton diversity (cell size, trophic regime, growth) of two lagoons from the Palavasian complex with contrasted trophic status was studied in more detail, and compared to that of an oligotrophic lagoon. This study showed some particularities of the phytoplankton communities to fit to distinct ecosystem functioning, which can be linked to the degradation caused by eutrophication. The restoration is still unfinished today. The phytoplankton biomass increases since 2012 in response to suitable climatic conditions. The phytoplankton of the Palavasian lagoons still quickly responds to a nutrient pulse, highlighting the lagoon vulnerability to an anthropogenic nutrient input.; A l’interface entre les milieux marins et continentaux, les lagunes côtières sont des écosystèmes très diversifiés et figurent parmi les milieux les plus productifs. Leur confinement les rend particulièrement vulnérables aux apports nutritifs qu’elles tendent à concentrer. En Languedoc-Roussillon, les lagunes ont été profondément dégradées par les pressions anthropiques, en particulier le complexe des étangs palavasiens qui a souffert d’un enrichissement nutritif intensif provenant des effluents de la station de traitement des eaux de l’agglomération montpelliéraine. Cet enrichissement a engendré un gradient d’eutrophisation dans ces huit lagunes, de la méso- à l’hypertrophie, altérant profondément la structure des producteurs primaires vers une dominance du compartiment phytoplanctonique.Le phytoplancton témoigne d’une réponse rapide à la variabilité environnementale, et son importante diversité spécifique et fonctionnelle reflète une grande diversité de processus écologiques et de fonctionnement écosystémiques. Grâce à ces caractéristiques, ce compartiment a été largement utilisé comme un indicateur du fonctionnement des écosystèmes aquatiques.Depuis décembre 2005, les effluents responsables de l’eutrophisation des lagunes palavasiennes ont été déviés en mer Méditerranée. Cette mesure a réduit de 70 à 83 % les apports en phosphore et azote inorganiques aux lagunes, initiant un processus de restauration écologique. Cette thèse vise à mieux comprendre les processus de restauration des lagunes méditerranéennes au travers de l’étude des trajectoires d’évolution des communautés phytoplanctoniques.L’analyse de 14 ans de données de 2000 à 2013 a permis de montrer que la restauration des lagunes a entrainé une amélioration de la qualité de l’eau principalement liée à la réduction drastique de la biomasse phytoplanctonique. Cette réduction a illustré la chute des abondances de Diatomées (3-5 µm), qui étaient particulièrement favorisées par les apports nutritifs diffus provenant des effluents. L’analyse des trajectoires des communautés phytoplanctoniques depuis la réduction des apports a mis en évidence une modification de leur composition exprimée par une hausse des abondances des Algues vertes et des Dinophytes. Cette modification reflète le changement de l’origine et de la forme des nutriments disponibles induit par la re-oligotrophisation. Elle traduit l’importance des flux d’ammonium et de phosphates sédimentaires dans les lagunes en voie de restauration, pour lesquels les Algues vertes sont très compétitives, et l’importance des stocks de matière organique favorisant les espèces mixotrophes. Le picophytoplancton qui dominait exclusivement les communautés est aujourd’hui transitoirement remplacé par le nano- et le microphytoplancton au cours des efflorescences saisonnières. La variabilité saisonnière de la diversité taxonomique et fonctionnelle (taille cellulaire, régime trophique, croissance) des communautés phytoplanctoniques de deux lagunes du complexe des étangs palavasiens aux niveaux trophiques contrastés a été approfondie, et comparée à celle d’une lagune oligotrophe. Cette analyse a mis en évidence des particularités des communautés, témoignant de fonctionnements écologiques distincts principalement liés à la dégradation des lagunes par l’eutrophisation. Les résultats de cette thèse indiquent que les processus de restauration restent inachevés. La biomasse phytoplanctonique tend à ré-augmenter depuis 2012 en réponse à des conditions climatiques favorables. Le phytoplancton des lagunes palavasiennes réponds toujours fortement à un pulse nutritif, illustrant la vulnérabilité de ces lagunes vis-à-vis de l’enrichissement d’origine anthropique.

Diatoms are a fundamental microalgal phylum that thrives in turbulent environments. Despite several experimental and numerical studies, if and how diatoms may profit from turbulence is still an open question. One of the leading arguments is that turbulence favours nutrient uptake. Morphological features, such as the absence of flagella, the presence of a rigid exoskeleton and the micrometre size would support the possible passive but beneficial role of turbulence on diatoms. We demonstrate that in fact diatoms actively respond to turbulence in non-limiting nutrient conditions. TURBOGEN, a prototypic instrument to generate natural levels of microscale turbulence, was used to expose diatoms to the mechanical stimulus. Differential expression analyses, coupled with microscopy inspections, enabled us to study the morphological and transcriptional response of Chaetoceros decipiens to turbulence. Our target species responds to turbulence by activating energy storage pathways like fatty acid biosynthesis and by modifying its cell chain spectrum. Two other ecologically important species were examined and the occurrence of a morphological response was confirmed. These results challenge the view of phytoplankton as unsophisticated passive organisms.

As part of the implementation of an Ocean thermal energy conversion (OTEC) pilot plant planned off the Caribbean coast of Martinique by 2020, this thesis aims to assess the potential impacts of deep seawater discharge at the surface on the phytoplankton. The offshore pilot plant NEMO, designed by DCNS and implemented by Akuo Energy anticipates production of approximately 10 MW. The cold and nutrient-rich waters that are pumped in the bottom and discharged at the surface by the heat engine with a flow of roughly 100 000 m3 h-1 should enrich surface waters of the study site, which are particularly poor in nitrate and phosphate. Two campaigns of field measurements in two contrasting seasons (the dry season in November 2013 and the wet season in June 2014) have allowed the description of different physical and biogeochemical parameters that may induce changes in the phytoplankton community. Marked seasonal variability in stratification and biogeochemical parameters occurred, with strong oceanic influences (advection of waters from the Amazon and Orinoco) and atmospheric influences (African dust) potentially enriching the surface layer in nutrients and trace metals during the wet season. In situ microcosms were designed to simulate the discharge of bottom waters into the surface layer under different scenarios. Surface water collected at the chlorophyll maximum(45 m, where the phytoplankton is the most abundant), and at the base of the euphotic layer (80 m, where the phytoplankton is present, but in very low abundance) was enriched with either a weak (2%) or strong (10%) input of bottom waters (1100 m), and incubated for 6 days. Primary production was estimated in both the natural environment, and in the microcosms. These experiments have shown that high input (10%) stimulates the development of micro-phytoplankton, especially diatoms, to the detriment of Prochlorococcus. The response of diatoms could be linked to the input of nitrate and phosphate by the deep seawater.Primary production would be dependent on the composition of the phytoplankton assemblage rather than on the intensity of deep water discharge. Finally, thermal disturbances linked to the discharge of cold water at the surface were assessed using a numerical model (ROMS), which considered the thermal impact threshold of -3°C as recommended by the World Bank Group, and -0.3 °C, corresponding to a 2% dilution with deep water. Even at the lowest threshold (-0.3 °C), the area impacted in the first 150 m of the water column was too low to be detected by the simulation, regardless of the discharge depth. The thermal impact of cold water should therefore be negligible and limited to an area of less than 3 km2. This work provides the first critical step in understanding how bottom water discharge may impact the ecosystem in the longer-term., Dans le cadre de l’implantation d’une centrale pilote à énergie thermique des mers (ETM) prévue au large des côtes caribéennes de la Martinique d’ici 2020, ces travaux de thèse visent à évaluer les impacts potentiels de la décharge d’eau profonde en surface sur le phytoplancton. La centrale pilote offshore NEMO conçue par DCNS et mise en oeuvre par Akuo Energy prévoit une production d’environ 10 MW. Les eaux froides et riches en nutriments pompées au fond et rejetées en surface par la centrale ETM avec un débit d’environ 100 000 m3.h-1 devraient enrichir les eaux de surface du site d’étude, particulièrement pauvres en nitrate et phosphate. Deux campagnes de mesures sur le terrain à deux saisons contrastées (saison humide en juin 2014 et saison sèche en novembre 2013) ont permis d’apporter une description des différents paramètres physiques et biogéochimiques susceptibles d’induire une modification de la communauté phytoplanctonique. Une variabilité saisonnière marquée de la stratification et des paramètres biogéochimiques a été mise en évidence avec en saison humide une forte influence océanique (advection d’eaux originaires de l’Amazone et de l’Orénoque) et atmosphérique (brumes des sables) enrichissant potentiellement la couche de surface en nutriments et en métaux traces. Des microcosmes in situ ont été développés afin de simuler le rejet d’eau de fond dans la couche de surface sous différents scénarios. De l’eau de surface prélevée dans le maximum de chlorophylle (45 m, où le phytoplancton est le plus abondant) et à la base de la couche euphotique (80 m, où le phytoplancton est présent en très faible abondance) a été enrichie avec un faible (2%) ou fort apport (10%) d’eau de fond (1100 m) et mise à incuber in situ pendant 6 jours. La production primaire a également été estimée dans le milieu naturel et dans les microcosmes. Ces expérimentations ont mis en évidence qu’un fort apport (10%) stimule le développement du micro-phytoplancton, des diatomées en particulier, au détriment des Prochlorococcus, tandis qu’un apport de 2% ne modifie que faiblement la communauté. La réponse des diatomées pourrait être liée à l’apport en nitrate et phosphate par les eaux profondes. La production primaire serait quant-à-elle dépendante de l’assemblage phytoplanctonique en présence, plutôt que de l’intensité de l’apport d’eau profonde. Enfin, les perturbations thermiques liées au rejet d’eau froide de fond ont été évaluées à partir du modèle numérique ROMS. Les seuils d’impact thermique de -3°C préconisés par la World Group Bank et de -0,3°C correspondant à 2% de dilution d’eau profonde ont été considérés. Même au seuil le plus bas (-0,3°C), la surface impactée sur les premiers 150 m de la colonne d’eau était trop faible pour être détectable par la simulation, quelle que soit la profondeur du rejet. L’impact thermique lié au rejet d’eau froide devrait donc être négligeable, et elle serait limitée à moins de 3 km2. Ces travaux constituent la première étape indispensable dans la compréhension de ce que pourrait être l’impact de ce rejet sur l’écosystème à plus long terme.

The phytoplankton are essential for the oceanic trophic webs and for biogeochemical cycles on Earth. However, uncertainties remain about the environmental factors influencing its seasonality, and its growing efficiency. The main objective of this thesis is to characterize the responses of the phytoplankton to the interannual variability of the environmental factors, in the Mediterranean Sea. More precisely, we aim to assess the influence of the environmental factors on phytoplankton seasonality. The interannual variability of the phytoplankton annual cycles are analyzed in the Mediterranean Sea, thus highlighting the regions associated with annual cycle variability, like the ones where deep-water formation events occur recurrently. One of these regions is the North-Western Mediterranean Sea. A multiplatform approach based on in situ observations is implemented to analyze the spatial and temporal variability of the phytoplankton seasonality in this particular region. The influences of mixed layer depth and the light availability on phytoplankton seasonality are assessed. An intense deepening of the mixed layer (related to the deep convection) increases the magnitude of the phytoplankton spring bloom. Moreover, the strong deepening of mixed layer seems to induce favorable conditions for an important accumulation of micro-phytoplankton (composed of diatoms mainly). In turn, the phytoplankton production rate increases, mostly, the primary production rate of diatoms. Finally, at the scale of the North-Western Mediterranean Sea, the shift in the phytoplankton community structure and in production induces an increase of the organic carbon stock produced during spring., Le phytoplancton est un élément primordial dans les réseaux trophiques marins et il est un acteur principal dans les cycles biogéochimiques de la planète. Cependant, des incertitudes subsistent autour des facteurs environnementaux influençant sa saisonnalité ainsi que sa capacité à se développer. L’objectif majeur de cette thèse est d’étudier la réponse du phytoplancton à la variabilité interannuelle des facteurs environnementaux en Mer Méditerranée. Plus précisément, il s’agit de déterminer l’influence de ces derniers sur la saisonnalité du phytoplancton.Dans un premier temps, la variabilité interannuelle des cycles annuels de biomasses phytoplanctoniques observables en Méditerranée a été analysée. Certaines régions, tel que les zones de formation d’eau dense, présentent une variabilité interannuelle importante. L’une des régions les plus variables est la zone de formation d’eau dense en Méditerranée Nord-Occidentale. Une approche multi-outils basée sur des observations a été mise en place pour l’étude des variations spatiale et temporelle de la saisonnalité du phytoplancton dans cette région. Le rôle crucial du mélange vertical et de la disponibilité en lumière sur la saisonnalité du phytoplancton a été évalué. Il est démontré qu’une couche de mélange profonde pendant l’hiver augmente l’intensité du bloom phytoplanctonique printanier, due à une présence plus importante dans la communauté phytoplanctonique de micro-phytoplancton. En conséquence, le taux de production primaire printanier augmente. Enfin, ces modifications de la communauté phytoplanctonique et de la production provoquent une augmentation du stock de carbone organique produit au printemps.

International audience; In aquatic ecosystems, the identification of ecological thresholds may be useful for managers as it can help to diagnose ecosystem health and to identify key levers to enable the success of preservation and restoration measures. A recent statistical method, gradient forest, based on random forests, was used to detect thresholds of phytoplankton community change in lakes along different environmental gradients. It performs exploratory analyses of multivariate biological and environmental data to estimate the location and importance of community thresholds along gradients. The method was applied to a data set of 224 French lakes which were characterized by 29 environmental variables and the mean abundances of 196 phytoplankton species. Results showed the high importance of geographic variables for the prediction of species abundances at the scale of the study. A second analysis was performed on a subset of lakes defined by geographic thresholds and presenting a higher biological homogeneity. Community thresholds were identified for the most important physico-chemical variables including water transparency, total phosphorus, ammonia, nitrates, and dissolved organic carbon. Gradient forest appeared as a powerful method at a first exploratory step, to detect ecological thresholds at large spatial scale. The thresholds that were identified here must be reinforced by the separate analysis of other aquatic communities and may be used then to set protective environmental standards after consideration of natural variability among lakes.

International audience; We reviewed 219 papers and built an inventory of 532 items of ecological evidence on multiple stressor impacts in rivers, lakes, transitional and coastal waters, as well as groundwaters. Our review revealed that, despite the existence of a huge conceptual knowledge base in aquatic ecology, few studies actually provide quantitative evidence on multi-stress effects. Nutrient stress was involved in 71% to 98% of multi-stress situations in the three types of surface water environments, and in 42% of those in groundwaters. However, their impact manifested differently along the groundwater-river-lake-transitional-coastal continuum, mainly determined by the different hydro-morphological features of these ecosystems. The reviewed papers addressed two-stressor combinations most frequently (42%), corresponding with the actual status-quo of pressures acting on European surface waters as reported by the Member States in the WISE WFD Database (EEA, 2015). Across all biological groups analysed, higher explanatory power of the stress-effect models was discernible for lakes under multi-stressor compared to single stressor conditions, but generally lower for coastal and transitional waters. Across all aquatic environments, the explanatory power of stress-effect models for fish increased when multi-stressor conditions were taken into account in the analysis, qualifying this organism group as a useful indicator of multi-stress effects. In contrast, the explanatory power of models using benthic flora decreased under conditions of multiple stress

International audience; We reviewed 219 papers and built an inventory of 532 items of ecological evidence on multiple stressor impacts in rivers, lakes, transitional and coastal waters, as well as groundwaters. Our review revealed that, despite the existence of a huge conceptual knowledge base in aquatic ecology, few studies actually provide quantitative evidence on multi-stress effects. Nutrient stress was involved in 71% to 98% of multi-stress situations in the three types of surface water environments, and in 42% of those in groundwaters. However, their impact manifested differently along the groundwater-river-lake-transitional-coastal continuum, mainly determined by the different hydro-morphological features of these ecosystems. The reviewed papers addressed two-stressor combinations most frequently (42%), corresponding with the actual status-quo of pressures acting on European surface waters as reported by the Member States in the WISE WFD Database (EEA, 2015). Across all biological groups analysed, higher explanatory power of the stress-effect models was discernible for lakes under multi-stressor compared to single stressor conditions, but generally lower for coastal and transitional waters. Across all aquatic environments, the explanatory power of stress-effect models for fish increased when multi-stressor conditions were taken into account in the analysis, qualifying this organism group as a useful indicator of multi-stress effects. In contrast, the explanatory power of models using benthic flora decreased under conditions of multiple stress

The ion influx isotherms obtained by measuring unidirectional influx across root membranes with radioactive or stable tracers are mostly interpreted by enzyme-substrate-like modeling. However, recent analyses from ion transporter mutants clearly demonstrate the inadequacy of the conventional interpretation of ion isotherms. Many genetically distinct carriers are involved in the root catalytic function. Parameters Vmax and Km deduced from this interpretation cannot therefore be regarded as microscopic parameters of a single transporter, but are instead macroscopic parameters (V[Formula: see text] and K[Formula: see text], apparent maximum velocity and affinity constant) that depend on weighted activities of multiple transporters along the root. The flow-force interpretation based on the thermodynamic principle of irreversible processes is an alternative macroscopic modeling approach for ion influx isotherms in which macroscopic parameters Lj (overall conductance of the root system for the substrate j) and πj (thermodynamic parameter when Jj = 0) have a straightforward meaning with respect to the biological sample studied. They characterize the efficiency of the entire root catalytic structure without deducing molecular characteristics. Here we present the basic principles of this theory and how its use can be tested and improved by changing root pre- and post-wash procedures before influx measurements in order to come as close as possible to equilibrium conditions. In addition, the constant values of Vm and Km in the Michaelis-Menten (MM) formalism of enzyme-substrate interpretation do not reflect variations in response to temperature, nutrient status or nutrient regimes. The linear formalism of the flow-force approach, which integrates temperature effect on nutrient uptake, could usefully replace MM formalism in the 1-3-dimension models of plants and phytoplankton. This formalism offers a simplification of parametrization to help find more realistic analytical expressions and numerical solution for root nutrient uptake.

The coastal ocean represents an important component of the global carbon cycle however its participation to the overall carbon flux is currently not well constrained. Information on DOC stock and its variability in the coastel ocean is however still very scarce and its represents a strong limitation to our current understanding of the exact role of these ecosystems in the oceanic carbon cycle. In this context, the general aims of this study was to get more insights on dissolved organic carbon dynamics in the coastal ocean through the optical properties of dissolved organic matter (CDOM) that present the advantage to be easily measured from in situ or satellite observations. In practice, in situ data gathered during several sampling cruises conducted in three constrasted continental margins (Eastern Channel, French Guiana, Vietnam) have allowed : (i) the characterization of the strong regional discrepancies in the CDOM-DOC relationships between the three coastal sites investigated, (ii) the possible use of a generalized parameterization to retrieve DOC concentrations from CDOM optical properties (estimated in situ or from ocean color remote sensing)over a large range of coastal sites dominated by terrestrial imput of DOM. A further objective of this work was to investigate the impact on DOM dynamics of the phytoplankton bloom event of Phaeocystis.globosa known to affect the coastal waters of the eastern English Channel during the spring period. In practice, this DOM production was investigated during a 45 days mesocom experiment coupled to field survey data (2012-1014) leading to the identification of an optical marker of this marine CDOM production (i.e. S320-412). We further demonstrated that this optical parameter provides useful information to enhance our ability to retrieve DIC 1 from CDOM optical properties in a context of an algal bloom event., A l'heure actuelle le rôle des zones côtières dans le cycle global du carbone est encore relativement mal documenté. Ceci est lié à la forte hétérogénéité et au fort dynamisme de ces zones au sein desquelles de nombreux processus physiques et biologiques interagissent sur les stocks et les flux de carbone. Le carbone organique dissous (DOC) est un élément essentiel à la compréhension du cycle du carbone océanique, notamment dans les zones côtières où il peut représenter jusqu'à 90% du carbone organique total. Compte tenu des nombreuses incertitudes qui résident encore sur la dynamique de cette matière carbonée, l'objectif général de cette thèse visait à améliorer les connaissances sur la distribution du DOC au niveau de ces interfaces "continent/océan" en s'appuyant sur les propriétés optiques de la fraction colorée de ce DOC, la matière organique dissoute (CDOM). Pour cela, des échantillonnages ont été réalisés entre 2010 et 2015 dans trois sites côtiers fortement contrastés (Manche orientale, Guyane Française, Vietnam) et ont permis de : (i) caractériser la dynamique de la CDOM et du DOC et d'identifier une forte hétérogénéité de la relation entre ces deux paramètres au sein de ces sites côtiers aux caractéristiques contrastés, (ii) de proposer une relation novatrice applicable à la télédétection "couleur de l'eau" permettant de dériver les concentrations en DOC à partir des propriétés optiques de la CDOM potentiellement généralisable dans des sites côtiers dominés par les apports terrigènes. Dans un second temps, des études en milieu contrôle (45 jours) couplées à un suivi de terrain (2012-2014) ont été effectuées afin de caractériser spécifiquement la cinétique et l'impact d'une production biologique de matière organique dissoute sur les relations entre CDOM et DOC. Elles ont permis d'identifier un marquage optique (i.e. S320-412) de cette production autochtone de MOD lors de l'efflorescence printanière de Phaeocystis.globosa caractéristique des eaux côtières de la Manche et de proposer une approche pour estimer les contenus en DOC depuis les propriétés optiques du CDOM dans de telles situations de production marine de matière organique dissoute.

Harmful and / or toxic phytoplankton blooms impact for a long time marine ecosystems worldwide. These massive developments have an adverse effect on ecosystems and their exploitation. The lagoons of the region Languedoc-Roussillon are affected for decades. In addition to recurring health risks from Dinophysis (DSP toxins) and Alexandrium (PSP toxins), Vulcanodinium rugosum was identified in 2011 in the lagoon Ingril. This new species product pinnatoxins (neurotoxins). Through this thesis work, the biology of this new species (life cycle, growth condition, toxin production), its shellfish contamination capacity and geographic distribution in neighboring lagoons were studied on cultures in the laboratory and via environmental monitoring. The results of this study have demonstrated its thermophilic and euryhaline features (optimum salinity and temperature of 25°C and 40 respectively) and its growth ranges between 20 and 30°C. Its ability to grow on an organic nitrogen source (urea) has been showed in vitro. Its expansion in other lagoons of Languedoc-Roussillon, was confirmed by the contamination of the mussels by the pinnatoxin G. The survival of this organism in the digestive tract of mussels and oysters proves that the transfer of shellfish is potentially a source of contamination of new ecosystems not yet affected by this toxic species. The life cycle of V. rugosum has not been fully described because the resistance cyst has not been formally identified. Temporary cysts appear as very important stages to be considered because of their ability to divide and their strong presence on macrophytes. These temporary forms of resistance may be a significant source of contamination of shellfish in the lagoon of the Ingril even when the vegetative cells of V. rugosum are weakly present in the water column. Because of the low densities of V. rugosum in situ and the difficulty of its identification on morphological criteria, the monitoring within the REPHY protocol remains difficult. Thus the use of passive sampling systems (Spatt) made with resins which adsorb toxins dissolved in water would make possible the early detection of toxins associated with these emerging benthic species. This study highlights the growth of an emerging thermophilic species that might with others and thanks to climate change provide important health and economic problems in vulnerable lagoon ecosystems of the Mediterranean., Les efflorescences phytoplanctoniques nuisibles et/ou toxiques impactent depuis très longtemps les écosystèmes marins du monde entier. Ces développements massifs ont un effet néfaste sur les écosystèmes et leur exploitation. Les lagunes du Languedoc-Roussillon sont touchées depuis plusieurs décennies. En plus des risques sanitaires récurrents dus aux genres Dinophysis (toxines DSP) et Alexandrium (toxines PSP), Vulcanodinium rugosum a été identifiée en 2011 dans la lagune d’Ingril. Cette nouvelle espèce est productrice de pinnatoxines (neurotoxines). A travers ces travaux de thèse, la biologie de cette nouvelle espèce (cycle de vie, condition de croissance, production de toxines), ses capacités de contamination des mollusques et sa distribution géographique dans les lagunes limitrophes ont été étudiées sur des cultures au laboratoire et via des suivis environnementaux. Les résultats de cette étude ont mis en évidence le caractère thermophile et euryhalin de cette microalgue (croissance optimale à 25°C et à une salinité de 40 ) avec des plages de croissance comprises entre 20 et 30°C. Sa capacité à croître sur une source azotée organique (urée) a été observée in vitro. Son expansion à des lagunes du Languedoc-Roussillon autre que l’étang d’Ingril, a été confirmée par la mise en évidence de la contamination des moules par la pinnatoxine G. La survie de ce dinoflagellé dans le tractus digestif des moules et des huîtres prouve que le transfert de coquillages est une source de contamination potentielle des écosystèmes non impactés par cette espèce toxique. Le cycle de vie de V. rugosum n’a pu être élucidé que partiellement, le kyste de résistance n’ayant pas été identifié formellement. Les kystes temporaires apparaissent comme des stades très importants à prendre en considération en raison de leur capacité à se diviser et de leur forte présence sur les macrophytes. Ces formes temporaires de resistance peuvent constituer une source de contamination non négligeable des mollusques dans la lagune de l’Ingril même lorsque les cellules végétatives de V. rugosum sont peu présentes dans la colonne d’eau. En raison des faibles densités de V. rugosum in situ et la difficulté de son identification sur des critères morphologique, sa surveillance dans le cadre du REPHY demeure difficile. Ainsi l’utilisation de systèmes d’échantillonnage passifs (SPATT) constitués de résines qui adsorbent les toxines dissoutes dans l’eau permettrait la détection précoce des toxines associées à ces espèces benthiques émergentes. Cette étude met en évidence la prolifération d’une espèce émergente thermophile qui pourrait avec d’autres et à la faveur de changements climatiques constituer des problèmes sanitaires et économiques importants dans les écosystèmes lagunaires vulnérables de la Méditerranée.

This PhD work focuses on the parameterization of the vertical distribution of phytoplankton biomass and community structure in the global open ocean. First we have developed a neural network-based method for the calibration of the fluorescence in chlorophyll a concentration [Chl] associated with the total phytoplankton biomass and with three phytoplankton size classes. This method, (FLAVOR for Fluorescence to Algal communities Vertical distribution in the Oceanic Realm), was trained and validated using a database of ~900 concomitant fluorescence and HPLC-determined pigment profiles. A global database comprising ~49 000 fluorescence profiles was assembled and calibrated with FLAVOR. The resulting database represents a first step towards a global three-dimensional view of phytoplankton biomass and community composition. Second, two neural networks (SOCA for Satellite Ocean Color and Argo data to infer vertical distribution of bio-optical properties) were developed to infer the vertical distribution of two bio-optical proxies of the phytoplankton biomass, [Chl] and the particulate backscattering coefficient, using as input satellite-derived products matched up with a hydrological Argo profile. The SOCA methods were trained and validated using a global database of ~5 000 profiles of bio-optical and hydrological properties collected from Bio-Argo floats with concomitant satellite products. The database used to develop FLAVOR and SOCA originates from various oceanic regions largely representative of the global ocean, making the methods applicable to most oceanic waters. Finally, we proposed a study dedicated to the North Atlantic where the tools developed in this thesis are used in conjunction with a bio-optical primary production model. This allows us to characterize the seasonal cycle of the vertical distribution of the phytoplankton biomass and primary production in various bio-regions of the North Atlantic., Les travaux présentés dans cette thèse concernent la paramétrisation de la distribution verticale de la biomasse et de la structure des communautés phytoplanctoniques dans l’océan global. Nous avons d’abord développé une méthode neuronale de calibration de la fluorescence en concentration en chlorophylle a ([Chl]) associée à la biomasse phytoplanctonique totale et à trois classes de taille de phytoplancton. Cette méthode, FLAVOR, a été entrainée et validée à l’aide une base de données de ~900 profils de fluorescence et de pigments mesurés pat HPLC. Une base de données globale de ~49000 profils de fluorescence a ensuite été assemblée et calibrée en termes de biomasse chlorophyllienne et composition du phytoplancton. Ce travail représente une première étape vers une vision tridimensionnelle de la biomasse phytoplanctonique. Nous avons ensuite développé deux réseaux de neurones (SOCA) pour estimer la distribution verticale de deux paramètres bio-optiques, [Chl] et le coefficient de rétrodiffusion. Ces réseaux de neurones requièrent comme données d’entrée des données satellites de couleur de l’eau co-localisées avec un profil hydrologique collecté par un flotteur Argo. Ils ont été entrainés et validés avec une base de données globale composée de ~5 000 profils de propriétés bio-optiques et hydrologiques acquises par des flotteurs Bio-Argo. Les bases de données utilisées pour développer les méthodes FLAVOR et SOCA proviennent de régions océaniques représentatives de l’océan global, permettant ainsi l’application de ces méthodes à la majorité des eaux océaniques. Finalement, nous avons mené une étude focalisée sur l’Atlantique Nord qui exploite les outils développés. Les champs tridimensionnels de biomasse obtenus, couplés à un modèle bio-optique de production primaire, permettent d’étudier les cycles saisonniers de la distribution verticale de la biomasse phytoplanctonique et de la production primaire dans différentes bio-régions de l’Atlantique Nord.

The Barents Sea has a particularly rich ecosystem. This is an Arctic region subject to intense climate changes. The drastic decrease in sea ice cover is the most visible effect. What are the impacts of these climatic changes on the hydrology and phytoplankton? In order to answer these questions, this thesis relies on the creation of an extensive historical database of physical and bio-geochemical parameters. A 3D bio-geochemical model with an Arctic specific ecosystem is used when observations are lacking. At least, remote sensing data provides valuable time series of Ice concentration, Chlorophyll-a... The Polar Front, separating the Atlantic Water coming from the Nordic Sea from the Arctic Water, is the principal feature of the Barents Sea region. Its position is known west of 35°E, but we showed that the polar front splits into two branches in the East part of the Barents Sea: the "Southern Front" and the "Northern Front". They enclose the winter locally formed Barents Sea Water. An “Atlantification”, illustrating a doubling of the Atlantic Water volume, has been evidenced and goes along with a North-eastward shift of the fronts. These hydrological and sea ice changes have a significant impact on the phytoplankton development. The two blooms of the Barents Sea occur further North and East with a 40% total anual biomass increase for the last two decades. This study suggests that the winter sea ice conditions and the frontal structure are the key mechanisms driving the inter-annual phytoplankton variability.; La mer de Barents possède un écosystème particulièrement riche. Elle est affectée par le changement climatique actuel, comme le reste de l'Arctique. L'effet le plus visible et le plus connu est la réduction spectaculaire de la banquise. On examine dans cette thèse les répercussions de ces changements sur l'hydrologie et le phytoplancton en mer de Barents. Pour cela, on s'appuie sur la création d'une base de données historiques comprenant les paramètres hydrologiques et bio-géochimiques. Un modèle 3D bio-géochimique spécifique à l'écosystème arctique est aussi utilisé quand les observations sont manquantes. Enfin, les données satellites fournissent des séries temporelles de concentration de glace, de Chlorophyle-a...La mer de Barents est caractérisée par un front polaire séparant les eaux atlantiques issues des mers Nordiques des eaux arctiques dont la position est connue à l'ouest de 35°E. Nous avons pu montrer que ce front se sépare en deux branches dans l'Est du bassin: le front du Nord et le front du Sud. Ces fronts enferment les eaux de la mer de Barents qui se forment en hiver. Un doublement du volume des eaux atlantiques (une " Atlantification " de la mer de Barents), a aussi été mise en évidence. Elle accompagne un déplacement des fronts Nord et Sud vers le Nord-est. Le volume des eaux de la mer de Barents reste inchangé.Ces changements, affectant l'hydrologie et la glace de Mer, ont un impact significatif sur le phytoplancton. Les deux efflorescences qui le caractérisent ont lieu plus au Nord et à l'Est. La biomasse totale annuelle a augmenté de 40% lors des deux dernières décennies. Ce travail montre que les conditions de glace de mer et la structure frontale sont les paramètres clefs dirigeant la variabilitéinter-annuelle du phytoplancton.

hal-01150611; International audience; Wind waves are responsible for some of the spatio-temporal gradients observed in the biotic and abiotic variables in large shallow lakes. However, their effects on the phytoplankton community composition are still largely unexplored especially in freshwater systems such as lakes. In this paper, using field observations and mesocosm bioassay experiments, we investigated the impact of turbulence generated by wind waves on the phytoplankton community composition (especially on harmful cyanobacteria) in Lake Taihu, a large, shallow eutrophic lake in China. The composition of the phytoplankton community varied with the intensity of wind waves in the different areas of the lake. During summer, when wind waves were strong in the central lake, diatoms and green algae seemed to dominate while harmful cyanobacteria dominated in the weakly influenced Meiliang Bay. Turbulence bioassays also showed that diatoms and green algae were favoured by turbulent mixing. The critical time for the shift of the phytoplankton community composition was approximately 10 days under turbulent conditions. However, short-term (6 days) turbulence is rather beneficial for the dominance of cyanobacteria. This study suggests that the duration of wind events and their associated hydrodynamics are key factors to understanding the temporal and spatial changes of phytoplankton communities.

International audience; A key goal in understanding the ocean's biogeochemical state is estimation of rates of change of critical tracers, particularly components of the planktonic ecosystem. Unfortunately, because ship survey data are not synoptic, it is difficult to obtain spatially resolved estimates of the rates of change of tracers sampled in a moving fluid. Here we present a pseudo-Lagrangian transformation to remap data from under-way surveys to a pseudo-synoptic view. The method utilizes geostrophic velocities to back advect and relocate sampling positions, removing advection aliasing. This algorithm produces a map of true relative sampling locations, and allows for determination of the relative locations of observations acquired along streamlines, as well as a corrected view of the tracer's spatial gradients. We then use a forward advection scheme to estimate the tracer's relative change along streamlines, and use these to calculate spatially resolved, net specific rates of change. Application of this technique to Chlorophyll-a (Chl-a) fluorescence data around an ocean front is presented. We obtain 156 individual estimates of Chl-a fluorescence net specific rate of change, covering similar to 1200 km(2). After incorporating a diffusion-like model to estimate error, the method shows that the majority of observations (64%) were significantly negative. This pseudo-Lagrangian approach generates more accurate spatial maps than raw survey data, and allows spatially resolved estimates of net rates of tracer change. Such estimates can be used as a rate budget constraint that, in conjunction with standard rate measurements, will better determine biogeochemical fluxes.

Phytoplankton micro-organisms play a key role in marine ecosystems as main primary producers, being responsible for most of carbon uptake, but also due to their fast division rates which allow them to effectively react to environmental changes and which make them potentially good bio-indicators. Most previous studies have based their observations on low frequency sampling, only considering one fraction of phytoplankton communities, resulting in a significant loss of information on the dynamics of phytoplankton abundance and diversity. This thesis was carried out in the frame of the European cross-border DYMAPHY project, which main objective was to improve the understanding and the evaluation of the quality of marine waters in the English Channel and the North Sea, through the study of the whole phytoplankton compartment and related environmental parameters. A high frequency and/or high resolution approach, through the use of semi-automated flow cytometry, allowed us to reduce this loss of information and to better characterize the phytoplankton spatial and temporal variability in coastal water of the eastern English Channel.Three approaches were applied, leading to the ollowing results : (i) A high frequency study, performing one analysis every 10 minutes, which revealed a strong phytoplankton variability at the regional scale, with community assemblages that were not governed by hydrology ; (ii) A seasonal monitoring of the whole phytoplankton size-spectrum, which revealed the seasonal successions and the main factors governing them : nutrient concentrations and the daily light level which structured the transition of most phytoplankton groups ; (iii) A three-year follow-up at a coastal station, which made it possible to relate the traits-based characterization of each functional phytoplankton group to the environmental conditions, in order to better understand phytoplankton community assembly in response to environmental variability. The results have revealed a functional differentiation mainly due to the use of resources and the growth strategies, both of them driven by a resource gradient. This study confirms the importance of the "mass ration hypothesis", which predicts that the dominant life traits of the most abundant species, would be the main driver of the key ecosystem processes.; Le compartiment phytoplanctonique joue un rôle prépondérant dans les écosystèmes marins de par sa position comme principal producteur primaire et fixateur de carbone, mais aussi en raison de sa capacité de multiplication élevée, qui lui permet de réagir rapidement aux changements environnementaux et d'en faire un potentiel bio indicateur. La plupart des études antérieures ne se sont basées que sur des observations réalisées à basse fréquence, ou bien ne ciblant qu'une partie des groupes/espèces phytoplanctoniques entraînant une perte importante d'information sur la variabilité d'abondance et composition du phytoplancton. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet européen transfrontalier DYMAPHY dont l'objectif principal visait à améliorer les connaissances et l'évaluation de la qualité des eaux marines de la Manche et de la Mer du Nord, à travers l'étude de l'ensemble du compartiment phytoplanctonique et ses paramètres complémentaires. Dans ce contexte, une approche à haute fréquence et/ou haute résolution spatiale, via l'utilisation de la cytométrie en flux semi-automatisée, a permis de mieux caractériser la variabilité spatiale et temporelle du phytoplancton en Manche Orientale. Pour cela on a utilisé 3 approches complémentaires dont les résultats principaux obtenus lors de ce travail de thèse sont les suivants : (i) une étude à haute fréquence, avec une analyse cytométrique toutes les 10 minutes, qui a permis de révéler une forte variabilité spatiale du phytoplancton, à une échelle régionale (Manche Orientale), dont l'assemblage communautaire n'était pas déterminé par l'hydrologie ; (ii) un suivi saisonnier de l'ensemble du spectre de taille des cellules phytoplanctoniques le long d'un gradient côte-large proche du détroit du Pas de Calais, qui a révélé, au-delà d'une certaine hétérogénéité spatiale, une forte variabilité temporelle permettant de définir les successions saisonnières et les principaux facteurs les régissant, à savoir la luminosité et la concentration en sels nutritifs ; (iii) un suivi de 3 ans sur un point fixe en eaux côtières, qui a permis de mettre en relation les traits de vie des groupes phytoplanctoniques avec l'environnement, afin de comprendre comment les communautés phytoplanctoniques s'assemblent en réponse à la variabilité environnementale. Les résultats ont montré une différenciation fonctionnelle liée à l'utilisation des ressources et des stratégies de croissance, associées à un gradient de ressources. Cette étude confirme notamment l'importance de "l'hypothèse du ratio de masse", qui prédit que les traits de vie de l'espèce la plus abondante au sein d'une communauté, seraient le moteur des processus les plus importants au sein d'un écosystème.