Impact des hypoxies sur la mobilité des nutriments et ETMM présents dans les sédiments des lagunes méditerranéennes

Impact of hypoxia on the fate of nutrients and metals in Mediterranean lagoon sediments

• Auteur / Autrice : Julie Regis
• Direction : Isabelle Techer, Sylvain Rigaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biogéochimie
• Date : Soutenance le 08/03/2024
• Etablissement(s) : Nîmes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Risques et Société (Nîmes ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CHROME (Nîmes) - Détection, évaluation, gestion des risques CHROniques et éMErgents (CHROME) / Université de Nîmes
• Jury : Président / Présidente : Lionel Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Coynel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rutger De Wit, Edouard Metzger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méditerranée (mer)

Eutrophisation -- Lutte contre

Sédiments lacustres

Thau, Étang de (France)

Berre, Étang de (Bouches-du-Rhône)

Anoxie

Écologie des lagunes

Mots clés libres

Lagune Méditerranéennes

Processus biogéochimiques

Hypoxie

Flux benthiques

Etmm

Sédiment

Mediterranean lagoons

Biogeochemical processes

Hypoxia

Benthic flux

Trace metals

Sediment

Résumé

La concentration en oxygène dans la colonne d’eau est le principal facteur de contrôle de l’ensemble des réactions biogéochimiques dans les sédiments de surface et les transferts à l’interface eau-sédiment (IES) des nutriments, métaux et métalloïdes (ETMM). Trois lagunes de la façade méditerranéenne française (Berre, Thau et Prévost) font parties des zones côtières eutrophisées et impactées par des épisodes d’hypoxie dans le monde et ont de fortes accumulations de nutriments et d’ETMM dans les sédiments. Elles sont aussi caractérisées par des habitats benthiques différents incluant pour certaines la présence de macrophytes, dont le rôle de régulateur de flux de nutriments à l’IES a été démontré. Cette thèse vise à mieux comprendre l’impact des désoxygénations sur la mobilité des nutriments et ETMM contenus dans les sédiments des lagunes méditerranéennes, en présence de différents habitats benthiques représentant leur gradient d’eutrophisation. Les résultats montrent que la lagune de Berre est le site le plus impacté par des épisodes de désoxygénation de longue durée (1 semaine) et saisonniers, la lagune du Prévost présente de grandes variations nycthémérales passant de l’hypoxie à l’hyperoxie en moins de 12 h en saison estivale, et le site de la lagune de Thau semble le plus résilient vis à vis des problématiques de désoxygénation qui restent épisodiques. En conditions estivales, les profils de concentrations des sédiments et eaux porales indiquent des enrichissements en nutriments et en sulfures dans les substrats des habitats benthiques des lagunes aux statuts d’eutrophisation les plus avancés (Berre et Prévost) et également en présence de macroalgues (Prévost et Thau). Ces enrichissements sont issus d’une forte minéralisation de la matière organique et les conditions plus réductrices dans ces habitats fixent les ETMM (As, Sb, Cd, Pb, Zn, Ni, Cu, Co, Hgtot) à la phase solide du sédiment. La comparaison aux seuils environnementaux disponibles permet d’identifier les habitats de la lagune de Berre fortement a risque vis à vis du soutien de l’eutrophisation, de la remobilisation des ETMM à l’IES et du risque écotoxicologique. L’acquisition de gradients de concentration en oxygène dissous, au sein de la couche limite benthique (BBL) à haute résolution temporelle, a permis d’identifier la forte demande en oxygène des sédiments de la lagune de Berre et les désoxygénations nocturnes issues de la présence des macroalgues opportunistes sur la lagune du Prévost. L’acquisition ponctuelle, de gradients de concentration, illustre des exports de nutriments du sédiment vers la colonne d’eau plus intenses en conditions anoxiques et euxiniques ainsi que des exports de Mn, Fe, As, Co en conditions hypoxiques. A l’inverse, les gradients en conditions euxiniques indiquent des situations de piégeage d’ETMM (Mn, Fe, Cu, Mo) avec les phases sulfurées du sédiment. En parallèle, les expérimentations in situ et ex situ d’incubation en conditions de désoxygénation "forcées" pour les différents habitats benthiques présents dans ces trois sites, ont permis d’obtenir des flux à l’IES qui suivent également cette tendance. Une intensification des flux en nutriments suivant la désoxygénation a été mesurée dans les habitats sédiment nu impacté par la désoxygénation (Berre) et pour les habitats comportant des macroalgues pérennes (Thau) et opportunistes (Prévost). Pour ces mêmes habitats les exports d’ETMM (Mn, Fe, As, Co, V ,Mo) les plus intenses ont été mesurés en conditions hypoxiques et anoxiques et à l’inverse, des diminution et inversion des flux en conditions euxiniques. Cette approche comparative et expérimentale de terrain apporte le point de vue intégratif de la biogéochimie sur la qualité chimique des sédiments de ces milieux lagunaires en cours de re-oligotrophisation. Permettant de contextualiser leur grande variabilité temporelle et spatiale ainsi que leur vulnérabilité face aux changements climatiques.

Studies carried out in recent years have shown that oxygen concentration in the water column is the main factor controlling all biogeochemical reactions in surface sediment, as well as controlling transfers of nutrients, trace elements (TE) at the sediment water interface (SWI). Three lagoons on France’s Mediterranean coast (Berre, Thau and Prévost) are among the world’s most eutrophied coastal zones impacted by hypoxia episodes, with high accumulations of nutrients, metals and metalloids in their sediment. They are also characterized by different benthic habitats, some of which include macrophytes, which have been shown to regulate nutrient flux at IES. This thesis project aims to better understand the impact of deoxygenation phenomena on the mobility of nutrients and TE present in Mediterranean lagoon sediment, in the presence of different benthic habitats representing their eutrophication gradient. The results show that the Berre lagoon is the site most impacted by long-lasting (1 week) and seasonal episodes of deoxygenation; the Prévost lagoon exhibits wide nycthemeral variations, going from hypoxia to hyperoxia in less than 12 h during the summer season; the Thau lagoon site seems the most resilient about deoxygenation. Under summer conditions, sediment and porewater concentrationprofiles show enrichments in nutrients and sulfides in the substrates of benthic habitats in lagoons with the most advanced eutrophication status (Berre and Prévost), and also in the presence of macroalgae (Prévost and Thau). These enrichments are the result of strong organic matter mineralization, and the more reducing conditions in these habitats binding the TE (As, Sb, Cd, Pb, Zn, Ni, Cu, Co, Hgtot) to the solid phase of the sediment. Comparison with available environmental thresholds enables us to identify habitats in the Berre lagoon that are highly at risk in terms of eutrophication support, remobilization of TE at SWI and ecotoxicological risk. The acquisition of dissolved oxygen concentration gradients within the benthic boundary layer (BBL) at high temporal resolution has enabled us to identify the high oxygen demand of sediment in the Berre lagoon and the nighttime deoxygenations resulting from the presence of opportunistic macroalgae in the Prévost lagoon. The punctual acquisition of concentration gradients illustrates nutrient exports from the sediment to the water column that are more intense under anoxic and euxinic conditions, and exports ofMn, Fe, As, Co under hypoxic conditions. However, concentration gradients under euxinic conditions indicate the trapping of TE (Mn, Fe, Cu,Mo) with the sulfide phases of the sediment. In addition, in situ and ex situ incubation experiments under "forced" deoxygenation conditions for the various benthic habitats present at these three sites yielded SWI fluxes that also followed this trend. Nutrient fluxes were shown to intensify following deoxygenation in eutrophied bare sediment habitats affected by deoxygenation (Berre) and specifically in habitats containing opportunistic (Prévost) and perennial (Thau) macroalgae. For these same habitats, the most intense exports of TE (Mn, Fe, As, Co, V , Mo) were measured under hypoxic and anoxic conditions, while fluxes decreased or reversed under euxinic conditions. This comparative and experimental field approach brings an integrative biogeochemical perspective on the chemical quality of sediment in lagoon environments undergoing re-oligotrophication. It provides a context for their great temporal variability, as well as their vulnerability to climate change.