Effets à long terme des changements globaux sur les communautés micro-perforantes au sein de coraux massifs de l'océan indien ouest

Effects of global changes on microbioeroding communities living in massive corals from the Western Indian Ocean over long term

• Auteur / Autrice : Diego Alaguarda
• Direction : Aline Tribollet, Julien Brajard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joanna Kolasinski, Sakina-Dorothée Ayata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Montagna, Max Wisshak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Changements climatiques

Acidification des océans

Effets du climat

Récifs coralliens

Indien, Océan (ouest)

Écologie des récifs coralliens

Mots clés libres

Communautés microperforantes

Changement de communautés

Machine learning

Changements Globaux

Coraux massifs

Océan Indian Ouest

Microbioeroding communities

Community shift

Machine learning

Global changes

Massive corals

Western Indian Ocean

Résumé

Les récifs coralliens sont de plus en plus menacés par les changements globaux qui affectent à la fois les processus d’accrétion et d’érosion. Parmi ces processus, la bioérosion récifale est un processus de dégradation naturelle majeur résultant de l’action de divers organismes sur et dans les substrats carbonatés. Depuis peu, une attention particulière est portée sur la meilleure compréhension des rôles joués par les microflores bioérodantes (ou perforantes) comprenant des cyanobactéries, microalgues et fungi, dans le fonctionnement des récifs coralliens, et notamment le bilan carbonaté du fait de leur rôle important dans la dissolution récifale des carbonates morts à court terme (jour, mois, année). La présente thèse avait donc pour objectif principal d’étudier les effets de certains facteurs environnementaux, dont le réchauffement et l’acidification des océans à long terme (décennie) sur à la fois la composition, la distribution et l’abondance de communautés microperforantes récifales. Etant donné que des expériences à long terme avec des coraux morts sont peu envisageables, plusieurs carottes coralliennes issues de deux genres coralliens massifs (Diploastrea sp. et Porites sp.) à croissance lente, ont été collectés le long du Canal du Mozambique et en particulier à Mayotte, permettant de couvrir les dernières décennies (30 à 50 ans). Ces coraux massifs sont connus pour être de véritables bioarchives géologiques largement colonisées par les microflores perforantes qui, en dissolvant le CaCO3, créent des galeries. Pour étudier la dynamique des microflores perforantes dans les deux genres coralliens ciblés, deux méthodes innovantes ont été développées: le machine learning pour analyser rapidement et précisément des milliers d’images de galeries microperforantes prises au Microscope Électronique à Balayage (MEB) le long de trois transects verticaux parallèle à l’axe principal de croissance du corail, et l’étude de biomarqueurs lipidiques le long d’une carotte corallienne (Diploastrea sp.). La méthode du machine learning basée sur un model CNN a d’abord été développée sur le corail Diploastrea sp. avec une précision de 93%, puis adaptée au Porites sp. en modifiant notamment un hyperparamètre (précision de 95%). L’approche géochimique a consisté à tenter d’identifier des marqueurs lipidiques spécifiques de la microalgue Ostreobium sp. et du corail Diploastrea sp. au cours des dernières décennies. Les résultats ont montré que l’abondance des galeries microperforantes est 3 à 4 fois plus importante dans le corail Diploastrea sp. que dans le Porites sp. et qu’elle a diminué quelque soit le genre corallien, au cours des dernières décennies. Chez Diploastrea sp., la diminutation est de 90% en 54 ans et est couplée à un changement très important dans la composition des communautés entre 1985-1986. La densité (bulk) du Diploastrea sp. a également chuté de manière significative les 5 dernières décennies. Des régressions logistiques ont montré que la température, la vitesse des vents, le pH interne du corail, plus ou moins couplés, sont correlés à l’abondance des traces microperforantes. L’approche géochimique a également mis en évidence la diminution importante d’un biomarqueur lipidique, les amides, au cours des dernières décennies. Bien qu’il soit difficile d’attribuer les amides à un taxon ou une espèce en particulier présente dans le squelette corallien, j’émets l’hypothèse que potentiellement ces dernières pourrait refléter la présence de communautés microperforantes. Pour confirmer ou infirmer les tendances observées, il est nécessaire d’étudier un plus large nombre de carottes coralliennes sur un temps plus long. En outre, d’autres facteurs pourraient être étudiés pour mieux comprendre la diminution de l’abondance des communautés microperforantes et son implication dans la santé et la résilience des coraux, tels que les métaux traces ou d’autres variables du système des carbonates.

Coral reefs are increasingly threatened by global changes as they affect both accretion and erosion processes. Among these processes, reef bioerosion is a major natural process of degradation resulting from the action of various organisms on and in carbonate substrates. Recently, a particular attention has been given to the roles played by bioeroding (or perforating) microflora, which include cyanobacteria, microalgae, and fungi, in the functioning of coral reefs, especially in the carbonate budget, because of their important role in the dissolution of dead carbonates over short term (day, month, year). The thesis's main objective was thus to study the effects of global change factors such as ocean warming and acidification, on the composition, distribution, and abundance of reef microbioeroding communities over long term. Since long-term experiments with dead corals are difficult to carry out, several coral cores from two slow-growing massive coral genera (Diploastrea sp. and Porites sp.) were collected along the Mozambique Channel, particularly in Mayotte. Those cores covered the last decades (30 to 50 years). Such massive corals are known to be natural geological archives largely colonized by microbioeroding communities which leave traces while dissolving CaCO3. To study the dynamics of microbioeroding communities in the two targeted coral genera, two innovative methods were developed: a machine learning approach to quickly and accurately analyze thousands of Scanning Electron Microscope pictures of microbioeroding traces along three vertical transects parallel to the main coral growth axis, and a lipid biomarkers approach along a coral core of Diploastrea sp.. The machine learning method based on a CNN model was first developed on the coral Diploastrea sp. with an accuracy of 93%. It was then adapted to Porites sp. by modifying a hyperparameter (95% accuracy). The geochemical approach tried identifying specific lipid markers of the boring microalga Ostreobium sp. and the coral Diploastrea sp. during the last decades. The results showed that the abundance of microbioeroding traces is 3 to 4 times higher in the coral Diploastrea sp. than in Porites sp and has decreased in both coral genera over the last decades. In Diploastrea sp., the decrease was 90% over the last 54 years and was coupled with a very important change in community composition between 1985-1986. The density (bulk) of Diploastrea sp. has also dropped significantly over the last 5 decades. Logistic regressions showed that temperature, wind speed, and internal pH of the coral, more or less coupled, are correlated to the abundance of microbioeroding traces. The geochemical approach also highlighted a significant decrease of a lipid biomarker group, the amides, over the last decades. Although it is difficult to attribute amides to a specific taxon or species in the coral skeleton, I hypothesize that they could potentially reflect the presence of microbioeroding communities. To confirm or refute the observed trends, there is a need to study more coral cores, from different areas, and over a longer period. In addition, other factors should be studied to understand better the decrease in the abundance of microbioeroding communities and its implication in coral health and resilience, such as trace metals and other variables of the carbonate system.