Fonctions écosystémiques des poissons des récifs coralliens

Fish-mediated functions on coral reefs.

• Auteur / Autrice : Nina Schiettekatte
• Direction : Valériano Parravicini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement marin
• Date : Soutenance le 30/06/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École pratique des hautes études (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches insulaires et observatoire de l’environnement (Moorea, Polynésie française ; Perpignan) - Centre de recherches insulaires et observatoire de l'environnement / CRIOBE
• Partenaire(s) de recherche : Ecole Pratique des Hautes Etudes : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Manel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria DORNELAS, Sean CONNOLLY, Isabelle M. Cöté, Sébastien Villeger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria DORNELAS, Sean CONNOLLY

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie

Biologie

Mots clés libres

Recyclage des nutriments

Écologie

Poissons des récifs corallien

Écologie fonctionnelle

Modèle bioénergetique

Fonctions écosystémiques

Nutrient cycling

Ecology

Coral reef fishes

Functional ecology

Bioenergetic models

Ecosystem functions

Résumé

La conservation du fonctionnement des récifs coralliens est un défi pour le 21ème siècle. Comme les poissons représentent une proportion élevée de la biomasse des consommateurs dans les récifs coralliens, ils régissent une grande partie du stockage et des flux de nutriments et d'énergie, c'est-à-dire les fonctions. Dans le contexte de l'impact grandissant de l'homme, il est urgent de mieux comprendre les fonctions assurées par les poissons. Cependant, nous manquons de données et de méthodes pour les quantifier de manière précises, et les évaluations du fonctionnement des récifs coralliens sont souvent basées sur des proxies, tels que la biomasse. Lors de cette thèse, j'ai développé des méthodes pour mieux quantifier les fonctions assurées par les poissons afin de identifier les déterminants et les vulnérabilités de ces multiples fonctions. Tout d'abord, j'ai développé un nouveau modèle individuel basé sur la bioénergétique et la théorie du bilan de matière pour estimer les flux de carbone, de l'azote et de phosphore dans la croissance, l'excrétion, et la respiration de chaque individu. La principale nouveauté de cette approche est l'intégration de la limitation en azote et en phosphore en plus de la limitation en carbone plus traditionnellement utilisée. De plus, j'ai développé le package R “fishflux” afin de faciliter l'utilisation du modèle. Deuxièmement, j'ai quantifié des fonctions à l'échelle des communautés pour les récifs du monde entier. Dans ce but, j'ai d'abord prédit les guildes trophiques ainsi que tous les paramètres nécessaires pour appliquer mon modèle bioénergétique aux espèces de poissons récifaux à l'échelle mondiale. Ensuite, j'ai quantifié cinq fonctions - l'excrétion d'azote et de phosphore, la production de biomasse, l'herbivorie et la piscivorie - assurées par les communautés de poissons récifaux. J'ai ainsi mis en évidence des compromis critiques entre les fonctions induites par des structures communautaires divergentes, de sorte qu'aucun récif ne peut maximiser son fonctionnement de manière complète. En outre, les fonctions sont localement dominées par peu d'espèces clés, mais à l'échelle mondiale, l'identité des espèces clés varie fortement. Ces résultats soulignent la nécessité d'une approche nuancée de la conservation des récifs coralliens, basée sur plusieurs fonctions clés et pas seulement sur l'effet de la biomasse. Troisièmement, contrairement à l'excrétion de nutriments dissous, l'égestion de matière organique par les poissons est peu étudiée. Pour combler ce manque, j'ai quantifié la qualité et la quantité des fèces de poissons et comparé les flux de nutriments via l'excrétion et l'égestion pour 51 espèces de poissons récifaux à Mo'orea, en Polynésie française. Cette analyse met en avant une assimilation faible des éléments nutritifs par ces espèces. Par conséquent, les fèces peuvent avoir une valeur nutritive élevée, ce qui laisse supposer un rôle trophique non négligeable de la coprophagie. De plus, la comparaison des taux d'excrétion et d'égestion démontre l'importance méconnue des fèces de poissons comme vecteur de nutriments au sein des récifs coralliens. Finalement, les taux métaboliques des organismes impactent les flux d'éléments dans les écosystèmes. Cependant, le taux métabolique des poissons dans la nature est encore peu documenté. J'ai donc proposé une nouvelle approche pour estimer les taux métaboliques sur le terrain en intégrant la respirométrie et les systèmes stéréo-vidéo in situ. J'ai démontré le potentiel de cette approche pour sept espèces de poissons. Etant une technique non-destructive, cette approche améliore donc notre capacité à estimer les fonctions assurées par les poissons. En conclusion, cette thèse contribue à une meilleure compréhension des fonctions assurées par les poissons dans les récifs coralliens et permettra de quantifier les impacts des activités anthropiques sur le fonctionnement des récifs coralliens afin d'améliorer la conservation de ces écosystèmes.

Preserving coral reef functioning is a critical challenge of the 21st century. As fishes represent a high proportion of consumer biomass on coral reefs, they govern a large part of the storage and flux of nutrients and energy - functions. In light of ongoing global anthropogenic threats to fish communities, it is urgent to increase our understanding on functions mediated by fishes. However, the data and tools to appropriately quantify them are sparse, and assessments of ecosystem functioning in coral reefs are largely based on proxies such as biomass. Therefore, in this thesis, I aim to develop methods to better quantify fish-mediated functions to ultimately disentangle the drivers and vulnerabilities of multiple functions.First, focusing on the individual level I developed a novel framework relying on bioenergetics and mass balance theory to estimate how fishes partition carbon, nitrogen, and phosphorus into main fish functions/processes such as growth, excretion, respiration, excretion and egestion. The main novelty is that the approach takes into account the potential of nitrogen and phosphorus limitation alongside the more traditionally used carbon limitation, which is particularly useful for fishes feeding on low-nutrient diets. Additionally, the model framework is accompanied by an R package called 'fishflux' to increase the applicability.Second, I scaled up the quantification of functions to the community level for reefs worldwide. To do so, I first predicted trophic guilds and all parameters needed to apply the bioenergetic model to global reef fish species using a combination of empirical data and phylogenetic regression models. Then, I quantified five key functions—nitrogen and phosphorus cycling, biomass production, herbivory, and piscivory—mediated by reef fish communities across the world's tropical oceans. This quantification demonstrates that functions exhibit critical trade-offs driven by diverging community structures, such that no reef can holistically maximize functioning. Further, functions are locally dominated by few species, but worldwide, the identity of dominant species varies greatly. These findings highlight the need for a nuanced approach to coral reef conservation that considers variable processes beyond the effect of standing stock biomass.Third, while the important role of fish excretion has been increasingly studied in recent years, fish egestion has received little attention even though it may play an important trophic role through coprophagy. Therefore, I estimated the quality and quantity of fish feces, and compared the nutrient flow in excretion and egestion for 51 coral reef fish species in Mo'orea, French Polynesia. This analysis sheds light on a remarkably low assimilation of carbon, nitrogen, and phosphorus in coral reef fishes. As a result, feces can have relatively high nutritional value, hinting on a relevant role of coprophagy. Further, modeled rates of egestion and excretion demonstrate the unrecognized importance of fish feces as a vector of nutrients in coral reef communities.Lastly, organismal metabolic rates are the basis of energy and nutrient fluxes through ecosystems. However, the metabolic demand of fishes in the wild is poorly documented. I therefore introduce a novel approach to estimating field metabolic rates by combining laboratory-based respirometry and field-based stereo-video systems, and demonstrate the approach with a case study of seven reef fish species. As a non-destructive, widely applicable technique, this approach can improve our ability to estimate elemental fluxes mediated by fishes.In conclusion, this thesis contributes to a better understanding of fish-driven functions on coral reefs and will help quantifying the functional impacts of human stressors to improve conservation of coral reefs.