Etude expérimentale de la dégradation de la matière organique sous différents scénarios de turbulences instationnaires

Experimental study of the degradation of organic matter in different scenarios unsteady turbulence

• Auteur / Autrice : Sabrina Lucas
• Direction : Katell Guizien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie Biologique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nématodes

Procaryotes

Oxygène

Résumé

Dans les environnements côtiers, les écoulements turbulents instationnaires tels que les vagues, la houle et la marée sont fréquents et vont modifier l’épaisseur de la couche limite diffusive qui contrôle les flux d’oxygène à l’interface eau-sédiment. L’oxygène joue un rôle primordial dans les processus de minéralisation et d’oxydation de la matière organique dans les sédiments superficiels. Un système expérimental à grille oscillante a été développé dans le but d’étudier ces processus sous hydrodynamique contrôlée. Ce mésocosme permet de (1) contrôler le flux diffusif à l’interface eau-sédiment de 36 carottes de sédiments avec l’oscillation de la grille, produisant une turbulence purement diffusive ; (2) simuler des dynamiques d’épaisseur de la couche limite diffusive à différentes échelles de temps en contrôlant facilement l’intensité de la turbulence et (3) étudier la dynamique transitoire de l’oxygène à haute fréquence au cours d’expériences de dégradation de la matière organique avec des épaisseurs de couche limite diffusive instationnaire. Deux expériences de dégradation de la matière organique ont été réalisées avec des scénarios hydrodynamiques différents: une expérience (enrichissement protéique) simulant une mortalité de consommateurs dans un système fermé de type lagunaire avec une réoxygénation progressive par des turbulences courtes et une autre expérience (enrichissement glucidique) simulant un apport végétal d’origine terrestre dans un système ouvert tel qu’une zone côtière soumise à la houle, avec 4 périodes journalières de forte houle. Durant ces expériences, la dynamique de l’oxygène, de la matière organique et des variables biotiques (microfaune et méiofaune) ont été mesurés. Ces expériences ont permis d’étudier expérimentalement la dynamique de la matière organique et des populations sous différentes dynamiques transitoires de l’oxygène pour compléter les modèles de diagénèse précoce sous des écoulements instationnaires. D’une expérience à l’autre, la demande sédimentaire totale en oxygène a évolué en fonction du temps, de la profondeur et de l’oxygène disponible. Les affinités globales et spécifiques à l’oxygène montrent que la demande sédimentaire totale en oxygène reflète la dynamique des communautés microbiennes aérobies dans l’expérience avec enrichissement glucidique. Ainsi, ce mésocosme à grille oscillante est un outil prometteur pour étudier le couplage entre la dynamique des communautés microbiennes et les fluctuations hydrodynamiques, qui peuvent se produire dans les eaux côtières avec des périodes et intensités différentes (marées, vagues, seiches. . . ).

In shallow environments, frequent unsteady flows such as tides, waves or wind-driven currents modulate the diffusive boundary layer thickness that controls the exchange of electron acceptors for mineralization and oxidation processes in surficial sediment. An oscillating grid mesocosm was developed in order to study organic matter degradation under controlled unsteady turbulence. The ability of this oscillating grid mesocosm is to (1) produce homogenous control of diffusive flux at sediment-water interface of 36 sediment cores with an oscillating grid ; (2) simulate diffusive boundary layer thickness dynamics at different time scales by easy control of turbulence intensity and (3) study transient oxygen dynamics along organic matter mineralization under unsteady diffusive boundary layer thickness. Two experiments of organic matter degradation were investigated under different hydro- dynamics : firstly, an experiment (protein enrichment) simulating a mortaly of consumers in a closed system (i. E. Lagoon) with a progressive sediment reoxygenation by short turbulences and secondly, an experiment (carbohydrates enrichment) simulating a terrestrial vegetal input in an open system under waves (i. E. Coastal zone), with 4 daily periods of high turbulence. During these experiments, oxygen, organic matter and biotic (microfauna and meiofauna) dynamics were measured. Moreover, these experiments were investigated to study experimentally organic matter and microbial population dynamics under different oxygen transients to complete early diagenesis model under unsteady flows. For each experiment, total sedimentary oxygen demande was oscillated with time, depth and oxygen supply. Oxygen global affinity and oxygen specific affinity were calculated and show that sedimentary oxygen demand reflects aerobic microbial community dynamics in carbohydrates enrichment experiment. To conclude, oscillating grid mesocosm is a promising tool to carry out benchmark expe- riments to investigate the coupling between microbial community dynamics and hydrodynamic fluctuations, which occurs in coastal waters with different periods and intensities (tides, waves, seiches)