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Félicitations à Audrey Gimenez (CYBELE) qui a soutenu sa thèse le 10 juillet 2018

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Sur le sujet suivant : « Etude des interactions entre diazotrophie, disponibilité nutritive et production planctonique dans l’océan de surface du Pacifique tropical Sud-Ouest par une approche combinant observation et modélisation »

Directeur de thèse : Melika Baklouti, Professeur des Universités, AMU
Co directeur : Thierry Moutin, Professeur des Universités, AMU



Résumé
Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet OUTPACE visant à caractériser les eaux du Pacifique tropical Sud-Ouest (WTSP) en termes de stocks et flux biogéochimiques, et de diversité biologique des diazotrophes le long d’un transect longitudinal Ouest-Est partant de l’archipel Mélanésien jusqu’à l’Ouest de la gyre du Pacifique Sud. Il est le fruit de la combinaison étroite de deux approches, l’une expérimentale et l’autre basée sur la modélisation, dans le but d’étudier le rôle de la diazotrophie dans la dynamique planctonique et les cycles biogéochimiques des eaux de surface du Pacifique tropical Sud-Ouest. Les analyses de plusieurs grandeurs mesurées lors de la campagne, et notamment la production primaire (PP) et du temps de turnover du phosphate inorganique dissous (DIP), ont permis d’observer un gradient Ouest-Est de productivité et de disponibilité nutritive, étroitement lié à la variabilité spatiale des taux de fixation de N$_2$. Les eaux de l’archipel Mélanésien présentaient des taux de PP et de fixation de N$_2$ élevés, de faibles concentrations en DIP, et des concentrations en fer élevées alors que les eaux de la gyre étaient caractérisées par de très faibles concentrations en fer, de fortes concentrations en DIP et de très faibles taux de PP et de fixation de N$_2$. L’utilisation d’un modèle biogéochimique mécaniste (implémenté dans la plateforme Eco3M) incluant explicitement deux compartiments de diazotrophes, couplé à un modèle physique 1D vertical, a permis de mettre en évidence le fait que l’absence/présence de diazotrophie permettait d’expliquer le contraste observé entre les régions de l’Ouest de l’archipel Mélanésien (WMA) et de l’Ouest de la gyre du Pacifique Sud (WGY). Une analyse post traitement des sorties du modèle a notamment permis de suivre le devenir de l’azote fixé par les diazotrophes dans tout l’écosystème, indiquant que les organismes non diazotrophes bénéficiaient de cet apport d’azote nouveau, et que la production planctonique de surface dépendait significativement de l’activité des diazotrophes dans le WTSP. Les résultats expérimentaux et de modélisation ont également montré que les forts taux de fixation de N$_2$ observés dans le WTSP étaient dus à un décalage entre les profondeurs de la nitracline et de la phosphacline, décalage potentiellement expliqué par une reminéralisation préférentielle du phosphate de la matière organique. Ce décalage permettant ainsi la remontée d’eaux ayant des conditions nutritives propices au développement des fixateurs d’azote au moment du mélange hivernal, i.e. pauvres en azote et riches en phosphate. Les résultats ont finalement montré que les différences de taux de fixation de N$_2$ observées entre les régions WMA et WGY étaient dues à la différence de disponibilité en fer, qui était très faible dans la région WGY, et importante dans la région WMA, probablement en lien avec l’activité importante de sources hydrothermales peu profondes dans la région. La production planctonique est ainsi limitée par le fer dans la gyre, qui limite l’apport d’azote nouveau par les diazotrophes dans le système. A l’Ouest du WTSP, le fer est plus disponible, et la faible disponibilité en azote est compensée par l’activité des diazotrophes qui stimule la production planctonique et la pompe biologique du carbone. Dans cette région, l’apport d’azote dans l’océan par la fixation d’azote est ultimement limité par la disponibilité en phosphate.

Mots clés : Diazotrophie – Production planctonique – Pacifique tropical sud-ouest – modélisation – disponibilité nutritive – Pompe biologique de carbone

Study of interactions between diazotrophy, nutrient availability and planktonic production in the Western tropical Pacific ocean by an approach combining observation and modeling

Abstract
This work is part of the OUTPACE project which aimed to characterize the western tropical south Pacific (WTSP) in terms of biogeochemical stocks and fluxes and biological diversity of diazotrophs along a West-East longitudinal transect from the Melanesian archipelago to the west of the South Pacific Gyre. This work combines an experimental with a modeling approach in order to study the role of diazotrophy in the planktonic dynamics and biogeochemical cycles of the WTSP surface waters. The values measured during the campaign, iespecially those of primary production (PP) and dissolved inorganic phosphate (DIP) turnover time, revealed a West-East gradient of productivity and nutrient availability, closely related to the spatial variability of N$_2$ fixation rates. High values of PP and N$_2$ fixation rates, low DIP concentrations, and high iron concentrations were measured in the waters of the Melanesian Archipelago, whereas the waters of the Gyre were characterized by very low iron concentrations, strong DIP concentrations and very low levels of PP and N$_2$ fixation. The use of a mechanistic biogeochemical model (implemented in the Eco3M platform) explicitly including two compartments of diazotrophs and coupled with a vertical 1D physical model, allowed to highlight the fact that the absence / presence of diazotrophy could explain the contrast between the western regions of the Melanesian Archipelago (WMA) and the west of the south Pacific gyre (WGY). A post-treatment analysis of the model outputs allowed monitoring the fate of nitrogen fixed by diazotrophs throughout the ecosystem, indicating that non-diazotrophic organisms benefited from this new nitrogen supply, and that the surface planktonic production depended significantly on diazotroph activity in the WTSP. Experimental and modeling results also showed that the high N$_2$ fixation rates observed in the WTSP were due to a shift between the depths of nitracline and phosphacline, a shift potentially explained by a preferential phosphate remineralization of the organic matter. This shift thus provides favorable surface waters for the development of nitrogen fixers after the winter mixing, i.e. with low nitrogen and high phosphate concentrations. The results finally showed that the differences in N$_2$ fixation rates observed between the WMA and WGY regions were due to the difference in iron availability, which was very low in the WGY region, and important in the WMA region, probably related with the significant activity of shallow hydrothermal vents in the area. Planktonic production is thus limited by iron in the gyre, which limits the supply of new nitrogen by the diazotrophs in the system. In the west of the WTSP, iron is more abundant, and the low availability of nitrogen is offset by the activity of diazotrophs which stimulates plankton production and the carbon biological pump. In this area, the nitrogen supply to the ocean through nitrogen fixation is ultimately limited by the availability of phosphate.

Key words : Diazotrophy – Planktonic production – Western tropical South Pacific – Modeling – Nutrient availability – Carbon biological pump