Couplage benthos-pelagos en marais littoraux de Charente-Maritime : contribution du compartiment sédimentaire à la capacité épuratrice des eaux de surface

Benthos-pelagos coupling in the Charente-Maritime coastal marshes : contribution of the sedimentary compartment to the purification capacity of the surface water

• Auteur / Autrice : Raphaël Moncelon
• Direction : Christine Dupuy, Edouard Metzger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie de l'environnement, des populations, écologie
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Littoral, Environnement et Sociétés (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Anniet Laverman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Dupuy, Edouard Metzger, Anniet Laverman, Pierre Anschutz, Jean-François Carrias, Hélène Masclaux, Francis Orvain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Anschutz, Jean-François Carrias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments marins

Nutriments

Phytoplancton

Effets des nitrates

Marais littoraux

Mots clés libres

Marais

Phytoplancton

Nutriments

Biogéochimie

Diagenèse précoce

Épuration

Nitrates

Fer

Phosphates

Marshes

Phytoplankton

Nutrients

Biogeochemistry

Early diagenesis

Purification

Nitrates

Iron

Phosphates

Résumé

La position des marais de Charente-Maritime au sein du continuum terre-mer leur confère de véritables enjeux, à la fois économique, social et écologique (tant en zone continentale que côtière). Ils sont inclus dans un territoire à urbanisation croissante, où les activités agricoles (cultures céréalières, élevage) y sont largement implantées. De ce fait, ces marais sont soumis à des pollutions ponctuelles et diffuses induites par ces activités, et particulièrement aux apports de fertilisants azotés comme les nitrates. L’originalité de ces travaux de thèse réside en l’exploration de la capacité des marais à épurer les nutriments à travers les processus biogéochimiques des compartiments pélagique et sédimentaire en se focalisant sur la rétroaction de chaque compartiment (colonne d’eau et sédiment) sur leurs dynamiques biogéochimiques respectives. Ce couplage benthos-pelagos a été exploré via le suivi continu des paramètres physico-chimiques de l’eau, du phytoplancton et ses éventuels prédateurs, par la géochimie du sédiment par des approches classiques de carottage et analyse des phases solides et mobiles, et par des approches submillimétriques de profilage vertical et de cartographie à travers l’interface eau-sédiment. Cette approche a été intégrée au sein du continuum terre-mer en appliquant ce couplage à différentes typologies de marais, où la salinité et les pressions anthropiques y sont contrastées. Ces travaux mettent en évidence l’impact du sédiment en tant que source de nutriments essentiels pour la colonne d’eau. Le phosphate libéré diagénétiquement a agi comme déclencheur des blooms phytoplanctoniques en marais doux et responsable de bouleversement dans les équilibres pélagiques de limitation en nutriments en marais salés. Cette remobilisation a été mise en lien étroit avec les processus de dissolution par respiration bactérienne des oxydes métalliques sédimentaires, tant en milieu doux que salé. L’intensité de la remobilisation du fer et par conséquent du phosphore sédimentaire a elle-même été contrôlée par les apports en nitrates et leur épuisement à travers la dénitrification au sein de la colonne d’eau et dans le sédiment. Les apports de nitrates hivernaux et printaniers, ont été attribués aux fortes pressions agricoles dans les bassins versants. Le fort couplage entre les cycles de l’azote et du fer génère un phénomène contre intuitif d’inhibition de l’eutrophisation par un excès de nutriment. La pollution diffuse en nitrates témoigne de l’influence de tels bassins versants anthropisés sur les systèmes aquatiques y étant plus ou moins adjacents. Enfin, bien que davantage considérés en milieu marin, ces travaux de thèse soulèvent l’importance du microphytobenthos et des processus de sulfatoréduction, en marais doux, pour la compréhension de la mobilisation sédimentaire de nutriments et du couplage benthos-pelagos en général. L’approche écologique et biogéochimique combinée témoigne de l’importance de traiter les compartiments sédimentaire et aquatique en tant qu’unicum pour la compréhension de la dynamique des nutriments dans ce genre de systèmes. Cette approche permet d’aborder la notion d’épuration directe (compartiments sédimentaire et pélagique comme puits de nutriments) et indirecte (sédiment source de nutriments pour le phytoplancton), en plaçant le sédiment comme contributeur significatif à l’épuration du milieu. Considérer le couplage benthos-pelagos devient donc indispensable pour une gestion optimisée des marais anthropisés visant à limiter les risques d’eutrophisation au sein mais également en aval de ces systèmes (zone côtière).

The position of the Charente-Maritime marshes within the land-sea continuum gives them real economic, social and ecological stakes (both in continental and coastal areas). They are included in an increasing urbanisation area, where agricultural activities (cereal crops, livestock) are largely established. As a result, these marshes are subject to point and non-point (diffuse) pollution sources, and particularly to nitrogenous fertiliser inputs such as nitrates. The originality of this thesis lies in the exploration of the marshes capacity to purify nutrients through biogeochemical processes in the pelagic and sedimentary compartments and in the importance of the feedback of each compartment (water column and sediment) on their respective biogeochemical dynamics. This benthos-pelagos coupling has been explored through the continuous monitoring of physico-chemical parameters of the water, phytoplankton and its possible predators, sediment geochemistry through classical approaches of coring and analysis of solid and mobile phases, and through sub-millimeter approaches of vertical profiling and mapping through the water-sediment interface. This approach was integrated within the land-sea continuum by applying this coupling to different types of marshes with contrasted salinities and anthropic pressures. This work highlights the impact of sediment as a source of essential nutrients for the water column. Diagenetically released phosphate acted as a trigger for phytoplankton blooms in freshwater marshes and was responsible for disrupting the pelagic nutrient limitation equilibrium in salt marshes. This remobilization has been closely linked to the dissolution processes by bacterial respiration of sedimentary metal oxides, both in fresh and salt water environments. The intensity of iron remobilization and consequently of sedimentary phosphorus was itself controlled by nitrate inputs and their depletion through denitrification within the water column and in the sediment. These nitrate winter and spring inputs were attributed to the strong agricultural pressures in the watersheds. The strong coupling between the nitrogen and iron cycles thus generates a counter-intuitive phenomenon of inhibition of eutrophication by an excess of nutrients. Diffuse nitrate pollution shows the influence of such anthropized catchment on the more or less adjacent aquatic systems. Although more considered on the marine environment, this thesis work finally raises the importance of microphytobenthos and sulphate reduction processes, particularly in freshwater marshes, for the understanding of nutrient mobilisation in the sediment and benthos-pelagos coupling in general. The combined ecological and biogeochemical approach demonstrates the importance of treating the sedimentary and aquatic compartment as a unicum for understanding nutrient dynamics in such systems. This approach allows to address the direct (sedimentary and pelagic compartments as nutrient sinks) and indirect (sediment as a source of nutrients for phytoplankton) purification function, thus positioning the sediment as a significant contributor to environmental purification. Considering benthos-pelagos coupling is therefore becoming essential for optimized management of anthropized marshes in order to limit the risks of eutrophication both within and downstream from these systems (coastal zone).