Dynamique de la matière organique dissoute et particulaire le long du continuum terre-mer de l'estuaire de la Seine (France)

Dynamics of dissolved and particulate organic matter along the land-sea continuum of the Seine Estuary (France)

• Auteur / Autrice : Zhe-Xuan Zhang
• Direction : Arnaud Huguet, Edith Parlanti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biogéoscience
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Anniet Laverman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Lestel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Grossi, Piotr Kowalczuk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biogéochimie

Spectroscopie de fluorescence

Marqueurs biologiques

Seine (France)

Estuaires -- France

Matière organique particulaire

Matière organique dissoute

Mots clés libres

Matière organique

Estuaire de Seine

Biomarqueurs lipidiques

Spectroscopie de fluorescence

Dynamique

Algorithmes d’apprentissage automatique

Organic matter

Seine Estuary

Lipid biomarkers

Fluorescence spectroscopy

Dynamics

Machine learning algorithms

Résumé

Les estuaires sont des zones critiques d'un point de vue écologique, économique et biogéochimique, qui jouent un rôle important dans la régulation de la Matière Organique Dissoute (MOD) et de la Matière Organique Particulaire (MOP). À ce jour, la MOD et la MOP ont le plus souvent été étudiées séparément dans les estuaires, ce qui freine la compréhension de leur dynamique globale et du fonctionnement biogéochimique estuarien associé. L'objectif de cette thèse était de déterminer les sources, les transformations et le devenir de la MOP et de la MOD dans l’estuaire de Seine (Nord-Ouest de la France). Dans ce but, les variations spatio-temporelles de leurs caractéristiques ont été étudiées à partir d'échantillons d'eau (n=383) collectés le long du continuum terre-mer de cet estuaire lors de 24 campagnes de prélèvements de juin 2019 à novembre 2022. Dans un premier temps, la dynamique de la MOP a été étudiée à l’échelle globale et moléculaire, via des analyses élémentaires et isotopiques et celles de biomarqueurs lipidiques. Un nouveau marqueur moléculaire (Riverine IndeX, RIX) basé sur des lipides membranaires d’origine bactérienne a ainsi été développé pour tracer les apports de MO provenant de la rivière en amont de l’estuaire. La MOP est un mélange de molécules d'origines variées (terrestre, algale/microbienne, anthropique), avec des dynamiques distinctes le long de l'estuaire de Seine. Cela montre que les transformations complexes auxquelles la MOP est soumise sont étroitement liées à sa composition. De plus, les propriétés de la MOD ont été étudiées en combinant les techniques optiques (absorbance UV-visible et matrice d'excitation-émission de fluorescence) à des algorithmes d’apprentissage automatique non supervisé et supervisé. Cela a conduit à l'élaboration d'un modèle démêlant la complexité de la MOD et révélant des caractéristiques spécifiques de cette dernière dans différentes zones de l'estuaire de Seine, avec des niveaux de masse moléculaire, d'aromaticité et de matière autochtone variables. De telles signatures de MOD ne sont pas identifiées efficacement en utilisant les approches traditionnelles. Enfin, ce travail de thèse a montré que les dynamiques de la MOD et de la MOP sont découplées le long du continuum terre-mer de Seine et que l’estuaire contrôle les processus de transport et transformation des constituants variés de la matière organique, qui sont liés, notamment, aux conditions hydroclimatiques et aux modes d'occupation des sols.

Estuaries are critical zones from ecological, economical, and biogeochemical points of view and play an important role in regulating Dissolved Organic Matter (DOM) and Particulate Organic Matter (POM). To date, estuarine DOM and POM were mostly studied separately, hampering our understanding of their overall dynamics and associated estuarine biogeochemical functioning. The aim of this PhD thesis was to determine the sources, transformations and fate of estuarine POM and DOM in the Seine Estuary (North Western France). To this aim, the spatiotemporal variations of POM and DOM characteristics were determined using water samples (n=383) collected along the land-sea continuum of this estuary during 24 sampling campaigns from June 2019 to November 2022. First, the POM dynamics was investigated at the bulk and molecular scales, through elemental and isotopic analyses as well as lipid biomarkers. A novel molecular proxy (Riverine IndeX, RIX) based on bacterial membrane lipids was developed to trace the riverine POM inputs into estuaries. POM is a mixture of molecules from different sources (terrestrial, algal/microbial, anthropogenic), which showed distinct dynamics along the Seine estuary, highlighting that the complex transformations to which POM is subjected is closely dependent on its composition. Furthermore, DOM properties were investigated by optical techniques (UV–Visible absorbance and Excitation-Emission Matrix fluorescence spectroscopy) coupled with unsupervised and supervised machine learning. This led to the development of a model disentangling the complexity of DOM and capturing specific characteristics of the latter in different zones of the Seine Estuary, with varying levels of molecular weight, aromaticity, and autochthonous material. Such DOM signatures are not effectively identified using traditional approaches. Finally, this PhD work shows that DOM and POM dynamics are decoupled along the Seine land-sea continuum and that the estuary controls the transport and transformation of various constituents of organic matter, which are linked, in particular, to hydroclimatic conditions and land use.