Cette thèse a été préparé dans l’UMR MARBEC

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Composition du jury

• Emma ROCHELLE-NEWALL, Rapportrice, Directrice de recherche, IRD
• Arnaud HUGUET, Rapporteur, Directeur de recherche, CNRS
• Melika BAKLOUTI, Examinatrice, Présidente du jury, Professeure, AMU
• Eva ORTEGA-RETUERTA, Examinatrice, Chargée de recherche, CNRS
• Xavier MARI, Directeur de thèse, Directeur de recherche, IRD
• Marc TEDETTI, Co-directeur de thèse, Directeur de recherche, IRD
• Cam Tu VU, Invitée, Maître de conférences, USTH

Résumé

“Cette thèse visait à approfondir les connaissances sur la distribution, les flux et la réactivité biologique et chimique du Black Carbon dissous (DBC), en lien avec la matière organique dissoute (DOM), en milieu côtier. Des campagnes de terrain ont été menées dans la baie de Marseille (1 campagne), l’estuaire de la Van Uc (2 campagnes) et le bras principal du delta du fleuve Rouge au Vietnam (3 campagnes). En laboratoire, les propriétés optiques de solutions de DOM_BC ont été comparées à celles de la DOM marine et terrestre. Les réactivités biologique et chimique de la DOM_BC et du DBC ont été évaluées via une expérience de biodégradation impliquant des procaryotes hétérotrophes marins et des expériences de quenching de fluorescence avec des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs).

Dans la baie de Marseille, la concentration moyenne de DBC était de 15.0 ± 5.1 μg C L⁻¹, avec des valeurs élevées près des voies de navigation, reflétant l’influence du trafic maritime. Dans l’estuaire de la Van Uc, la concentration moyenne de DBC était de 27.9 ± 12.7 μg C L⁻¹, et maximale en novembre, après la saison des pluies. Plusieurs sources locales ont été identifiées, et les concentrations de DBC diminuaient de la rivière vers l’estuaire, reflétant l’impact de la phototransformation pendant le transport vers l’océan. Dans le fleuve Rouge, les concentrations de DBC variaient de 29.0 ± 10.2 μg C L⁻¹ en mars à 65.6 ± 12.4 μg C L⁻¹ en septembre. Les concentrations de DBC décroissantes de la ville d’Hanoï vers l’estuaire en juin étaient cohérentes avec l’apport majoritaire du fleuve à l’estuaire. À l’inverse, les concentrations de DBC croissantes vers l’estuaire en mars et septembre semblaient attribuables à des phénomènes d’intrusions d’eau souterraine autour de Hanoï, diluant le DBC en amont en saison sèche, et aux relargages de plus grandes quantités de DBC lessivées par les pluies et transportées par patchs le long du fleuve en septembre. Nous avons estimé que le delta du fleuve Rouge serait responsable d’environ 0.14 % des flux mondiaux de DBC vers l’océan.

L’étude des propriétés optiques de la DOM_BC a permis de proposer un indice de fluorescence, le COX, pertinent pour détecter les produits de combustion en milieu marin. L’expérience de biodégradation a montré une diminution du DBC de 27 à 45 % en 3 mois, selon l’origine du BC, accompagnée d’une baisse de la teneur en DOM_BC (DOC, PAHs, FDOM). La biodisponibilité du DBC était influencée par l’origine, l’oxydation du BC et la dynamique des communautés procaryotes. Les coefficients de partage entre la DOM_BC et les PAHs (phénanthrène et benzo[a]pyrène), mesurés par quenching de fluorescence, étaient de 18 et 265 × 10³ L kg C⁻¹, soit supérieurs à ceux de la DOM naturelle.

Ce travail e thèse a permi de confirmer le DBC comme une composante non réfractaire de la DOM côtière et océanique. Des analyses moléculaires complémentaires, comme par FT-ICR-MS, clarifieraient les sources et approfondiraient nos connaissances sur la modification du DBC par les processus biotiques et abiotiques.”

Lien zoom : https://univ-amu-fr.zoom.us/j/81164757165?pwd=Roq3hNGMEaWg4xzbxdIskVbcdci51Z.1

À l’occasion de ses 40 ans et dans le cadre du plan France2030, l’IFREMER a réaffirmé, auprès de ses partenaires, son engagement en faveur de la connaissance des océans et de l’accès aux grands fonds marins, centré en Méditerranée autour de cinq axes stratégiques pour l’avenir.

Ce fut également l’occasion de marquer les 40 ans du sous-marin habité Nautile, véritable fleuron de la flotte océanographique française opérée par l’Ifremer et sa filiale d’armement GENAVIR, dont la mission a été prolongée jusqu’en 2035 !

Valérie Michotey, Directrice du MIO, a participé à cet évenement.

En savoir plus

Le colloque a débuté par une allocution du Professeur Pai-Chi Li, président de l’AIT, soulignant l’importance de cette rencontre pour évaluer les travaux sur la pollution atmosphérique dans la région du Grand Mékong. Cette thématique de recherche est au cœur des activités du consortium SOOT-SEA, qui regroupe des experts internationaux engagés dans la lutte contre la pollution de l’air. En effet, l’atelier régional réunissait des membres d’institutions françaises (Institut des géosciences de l’environnement (IGE)), thaïlandaises (Programme de management et d’ingénierie environnementale (EEM) et Centre pour les liens entre qualité de l’air, santé, écosystèmes et climat (AQNC) de l’AIT, Centre de recherche en sciences de l’environnement de l’Université de Chiang Mai (ESRC-CMU)), vietnamiennes (Faculté d’ingénierie et de technologie de l’Université nationale du Vietnam (VNU-UET), Faculté des sciences de l’Université nationale du Vietnam d’Hô-Chi-Minh-Ville (VNUHCM-US)) et laotiennes (Centre d’excellence en environnement de l’Université nationale du Laos (NUoL-CoEE)).

L’une des discussions majeures du colloque a porté sur les perspectives de collaboration dans le cadre du projet SEACAI (Integrated approaches to climate mitigation and air quality improvement in Southeast Asia, Approches intégrées pour l’atténuation du changement climatique et l’amélioration de la qualité de l’air en Asie du Sud-Est), une initiative régionale conjointe développée par l’IRD et la GIZ. Ce projet vise à adopter des approches intégrées pour l’atténuation du changement climatique tout en améliorant la qualité de l’air en Asie du Sud-Est.

Outre le renforcement des partenariats scientifiques, ce colloque a également permis de faire le point sur les avancées des études en cours et d’explorer de nouvelles stratégies collaboratives pour répondre aux défis environnementaux complexes de la région. Le succès de cette rencontre témoigne de la dynamique scientifique autour des enjeux environnementaux partagés par les pays de la région du Grand Mékong, et de la volonté commune de développer des solutions durables pour préserver l’environnement et la santé publique.

Contacts : Marc Tedetti, chercheur IRD à l’Institut méditerranéen d’océanologie (MIO) et coordinateur de l’IRN SOOT-SEA

                      Gaëlle Uzu, chercheuse IRD à l’Institut des géosciences de l’environnement (IGE) et coordinatrice de l’IRN SOOT-SEA

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Le point commun des échouages d’algues vertes en Bretagne et de sargasses dans les Caraïbes ? Une abondance d’azote dont les algues vont pouvoir tirer parti, à travers des mécanismes différents. S’il est difficile d’empêcher les proliférations de sargasses, on peut agir à la source pour affamer les algues vertes.

Récurrents et hélas trop prévisibles chaque été, des échouages d’algues brunes (sargasses) ont encore été massifs dans les îles antillaises en 2024. À 6 000 km de là, les baies bretonnes étaient de nouveau couvertes de leur épais manteau d’algues vertes.

Dans ces territoires, l’odeur nauséabonde d’hydrogène sulfuré qui émane de la décomposition de ces algues est devenue insupportable, et a même conduit à fermer l’accès à des plages autrefois paradisiaques. L’accumulation d’algues en décomposition va également appauvrir le milieu en oxygène et conduire à un appauvrissement de la biodiversité, voire à des épisodes de mortalité massive des écosystèmes.

Cependant, des recherches récentes révèlent que l’origine de ces proliférations est paradoxalement différente entre les eaux tempérées, saturées en nitrates, et les eaux tropicales très pauvres en nutriments et qui sont riches en organismes fixant l’azote atmosphérique.

Des mécanismes bien établis

Les mécanismes qui déclenchent les marées vertes bretonnes sont bien établis depuis plus d’une vingtaine d’années, grâce aux travaux de toutes les équipes mobilisées par l’Ifremer dans les années 1990.

Ces algues bénéficient de la présence en excès de nitrates dans les eaux côtières. Opportunistes, elles ont une capacité à pousser beaucoup plus vite que les autres espèces d’algues dès que les conditions de lumière et de courants sont réunies.

En effet, les cours d’eaux, même de débit modeste, apportent de l’azote issu des fuites de la fertilisation en excès des terres par des engrais minéraux et des déjections animales. Puis des bactéries anaérobies (qui peuvent se développer en l’absence d’oxygène) vont poursuivre la dégradation de la matière organique, générant des émanations gazeuses à l’odeur d’œuf pourri, et notamment de l’hydrogène sulfuré, un gaz mortel à haute dose pour les humains et les animaux terrestres.

Dans l’Atlantique tropical, paradoxalement, les bactéries jouent un rôle primordial dans la prolifération des algues brunes sargasses. Lorsque l’on s’éloigne des côtes, l’océan s’appauvrit en azote dissous. Pour se développer, les algues brunes doivent tirer parti de toutes les ressources disponibles, qu’elles viennent des animaux (poissons, crustacés, hydraires, vers, etc.) mais aussi des micro-organismes capables de fixer l’azote de l’air, que l’on retrouve dans ces écosystèmes à la dérive.

Des résultats très récents indiquent que ces symbioses microbiennes sont essentielles pour maintenir la croissance des sargasses au large, et qu’elles contribuent bien plus que les grands fleuves à fournir en azote les proliférations de sargasses.

Sans azote, la croissance des algues reste limitée

Comprendre les conditions de prolifération des algues est crucial, car cela permet à la fois d’élaborer des stratégies pour limiter les impacts environnementaux et sanitaires et de mieux gérer les accumulations d’algues sur les plages.

• Dans les systèmes naturels, l’azote est l’élément minéral qui limite le plus souvent la croissance des algues.
• Le phosphore est le deuxième nutriment limitant le plus courant, mais il est à présent stocké massivement dans les sédiments côtiers.

Les mécanismes par lesquels l’azote influence la croissance des algues sont multiples. En effet, l’azote peut exister sous plusieurs formes : deux formes inorganiques, le nitrate et l’ammonium, et une forme organique, l’urée. Les algues peuvent ainsi croître en mobilisant plusieurs sources d’azote différentes.

Par exemple, grâce à des apports extérieurs en nitrates via l’eau fluviale des bassins versants, des transferts d’eau via des mécanismes de stratification thermique ou encore par des remontées d’eaux froides profondes riches en nutriments (qu’on appelle « upwellings »). Les algues peuvent aussi « recycler » l’azote de l’ammonium et de l’urée produits par les invertébrés et les poissons de l’écosystème.

Enfin, certaines bactéries associées aux algues, les diazotrophes, sont capables de fixer l’azote de l’air pour le transformer en ammoniac, qui est ensuite transformé en acides aminés utilisables par les algues.

Des proliférations encore mystérieuses

Historiquement, on retrouve traditionnellement les sargasses dans la mer des Sargasses, zone de l’océan Atlantique où se concentrent ces algues. Mais depuis 2011, on les retrouve aussi entre l’Afrique de l’Ouest, les Caraïbes et le Brésil. On appelle cette zone la GASB, la Great Atlantic Sargassum Belt, la grande ceinture atlantique des sargasses, longue de quelque 8 000 km.

En 2023, une équipe américaine a rapporté que la capacité de nutrition minérale des sargasses résidant dans la GASB devait différer par rapport à celles de la mer des Sargasses, puisqu’on y retrouvait une teneur en azote et en arsenic plus élevée, cette dernière étant inversement corrélée à l’abondance du phosphore.

Les sources des nutriments qui alimentent le GASB ne sont pas encore très claires. La teneur en azote (et notamment sa composition isotopique) et en phosphore de ces sargasses peut être utilisée pour savoir si ces nutriments sont d’origine atmosphérique, océanique ou fluviale.

De fait, les résultats des projets de recherche Origins et FORESEA, menés entre 2019 et 2023 avec le soutien de l’ADEME et de l’ANR, ont permis d’écarter l’hypothèse d’un effet des trois plus grands fleuves de la planète, l’Amazone, le Congo et l’Orénoque, qui ne sont donc pas les principaux responsables de ces proliférations de sargasses.

Des détections par satellite ont ainsi montré que seulement 10 % de la biomasse annuelle totale de sargasses se retrouvait dans des régions sous l’influence des panaches fluviaux de l’Amazone, alors que le fleuve représente 20 % du volume d’eau douce déversé dans tous les océans du monde.

Les causes à l’origine de ces proliférations restent donc encore à préciser. Mais l’hypothèse d’une source bactérienne est de plus en plus crédible.

Les bactéries, clés de voûte de l’écosystème des sargasses

Les bactéries et autres microbes associés aux organismes vivants forment un biofilm spécifique à la surface de ces organismes. C’est aussi le cas pour les sargasses. Des scientifiques de l’institut océanographique de Marseille (MIO) se sont intéressés à la diversité génétique de ce biofilm et des microbes des eaux environnantes.

Certaines bactéries, en particulier, forment d’excellents traceurs biologiques pour détecter le passage des radeaux de sargasses dans l’Atlantique. C’est le cas des diazotrophes, ces bactéries capables de fixer l’azote de l’air, qui étaient prédominantes aussi bien dans le biofilm des sargasses du GASB que dans celles de la mer des sargasses.

L’analyse de la diversité et des gènes d’assimilation de l’azote des communautés de bactéries a également révélé, pour la première fois, la prédominance de bactéries appartenant au phylum Proteobacteria. Alors que les diazotrophes de type Cyanobacteria sont bien plus abondantes dans le plancton océanique.

L’analyse du rapport isotopique de l’azote, enfin, soutient l’hypothèse d’une origine atmosphérique de l’azote consommé par les sargasses du GASB. Les diazotrophes, ces bactéries fixatrices d’azote, semblent bien en cause dans la prolifération de ces algues brunes dans les zones tropicales.

Les marées vertes et brunes menacent surtout pour les littoraux

Les sargasses, tout comme les algues vertes, ne représentent aucun danger tant qu’elles sont en mer. Les radeaux de sargasses sont même considérés par les pêcheurs comme d’excellentes « nurseries, car elles permettent d’attirer de plus gros poissons venant se nourrir sous ces radeaux flottants.

C’est lorsque les algues arrivent sur nos côtes, piégées par la mangrove ou s’échouant sur le sable, qu’elles menacent la biodiversité. En effet, la dégradation des algues produit de l’hydrogène sulfuré qui n’est pas seulement nuisible aux humains, mais aussi à une bonne partie des écosystèmes.

La respiration nocturne de ces algues et leur décomposition par des microbes consomme aussi beaucoup d’oxygène, ce qui conduit souvent à des zones plus ou moins étendues d’anoxie, c’est-à-dire une privation d’oxygène pour tous les organismes dont la respiration est essentielle.

Des épisodes de mortalité accrue chez les poissons ont été décrits dans les Caraïbes, de même que des effets des échouages sur la reproduction des tortues marines ou sur la santé des coraux.

Les conséquences sur la biodiversité s’étendent aussi aux écosystèmes des plages, comme l’ont montré les travaux de Nolwenn Quillien et Jacques Grall sur les plages bretonnes impactées par les marées vertes.

Apprendre à vivre avec les sargasses…

Dans les faits, même si les apports des bassins versants et autres sources d’origine anthropique peuvent être contrôlables, il apparaît impossible de limiter les proliférations de sargasses en réduisant leurs apports en azote. Chaque hiver, ce phénomène se réalimente grâce aux stocks de sargasses dispersés par les cyclones automnaux, qui dérivent de la mer des Sargasses à l’Atlantique tropical chaque année. C’est ce mécanisme qui va conditionner les sites d’échouage, en fonction des conditions météorologiques et des courants.

Thierry Thibaut, un chercheur du MIO coordinateur du projet ANR-ORIGINS, résume :

« La GASB un écosystème naturel bien établi, sans rivage. On ne pourra pas empêcher ni leur prolifération ni leurs échouages. Désormais, il faut apprendre à vivre avec ».

Les échouages, inévitables, doivent donc être anticipés, soit à l’aide de dispositifs de surveillance depuis l’espace, soit depuis la mer ou les airs. Le plus grand défi est, bien sûr, logistique : comment intervenir rapidement sur les radeaux de sargasses détectés en zone côtière, ou pour limiter les impacts écologiques des échouages avant que les sargasses n’entrent en putréfaction ?

Plusieurs projets de recherche, dans différentes régions des Caraïbes et en Afrique de l’Ouest, se coordonnent pour faire aboutir des solutions qui doivent aussi permettre de valoriser cette biomasse pour les économies locales.

… Mais la possibilité d’agir contre les marées vertes

En Bretagne et dans de nombreux sites de marées vertes, toutefois, on peut agir pour limiter les apports d’azote des bassins versants. Les études pilotées par Luc Aquilina de l’Université de Rennes ont montré qu’en quelques années à peine, on peut voir les effets vertueux de la réduction des fuites d’azote dans les aquifères pour limiter le développement des algues vertes.

Ces travaux de modélisation nous montrent aussi que pour continuer à améliorer la qualité des eaux de nos rivières et lutter contre l’eutrophisation des zones côtières, il est indispensable de continuer à réduire les fuites de nitrates vers le milieu souterrain.

Pour le court terme, toutes les solutions capables de réduire ces proliférations doivent être explorées, y compris les récoltes précoces ou la culture d’autres algues en compétition avec les algues vertes, par exemple dans les bassins conchylicoles impactés par l’eutrophisation.