Réponse de la calcification des coccolithophores aux facteurs de stress physiques/chimiques dans la mer de calcite et d'aragonite

Coccolithophore calcification response to physical/chemical stressors in the calcite and aragonite sea

• Auteur / Autrice : Han Wang
• Direction : Silvia Gardin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biogéoscience
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en Paléontologie - Paris
• Jury : Président / Présidente : Pierpaolo Zuddas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvia Gardin, Toby Tyrrell, Annachiara Bartolini mariotti, Luc Beaufort, Amos Winter, Jianfang Chen, Diana Ruiz pino
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Toby Tyrrell, Annachiara Bartolini mariotti

Mots clés

Mots clés libres

Coccolithophore

Calcification

Acidification

Ratio Mg/Ca

Coccolithophore

Calcification

Acidification

Mg/Ca ratio

Résumé

Cette thèse explore l'influence de divers paramètres environnementaux sur la physiologie et les processus de calcification des coccolithophores, avec un accent sur les effets des variations des rapports magnésium/calcium (Mg/Ca) dans les mers à aragonite et à calcite sur la biocalcification. Les coccolithophores, notamment Emiliania huxleyi, jouent un rôle crucial dans la production de carbonate de calcium marin (CaCO3) et le cycle global du carbone, et leur réponse aux changements environnementaux passés et futurs est essentielle pour prédire leur impact sur les écosystèmes marins. La première partie de cette étude explore l'influence des concentrations en sulfate, simulant une activité volcanique, sur la calcification d'E. huxleyi dans des environnements simulant des mers à aragonite et à calcite, caractérisés par des rapports Mg/Ca faibles et élevés respectivement. Les résultats indiquent que des concentrations accrues en sulfate réduisent la stabilité et le taux de calcification d'E. huxleyi, en particulier dans les mers à calcite. Le sulfate apparaît donc comme un facteur crucial dans la précipitation du CaCO3, interagissant avec le rapport Mg/Ca, un aspect souvent négligé dans les études antérieures. La deuxième partie de la thèse analyse les effets combinés du pH, de la température et du rapport Mg/Ca sur les réponses physiologiques d'E. huxleyi afin de mieux comprendre sa réaction à l'acidification des océans et au réchauffement climatique dans différents contextes marins. Les cultures ont été exposées à des températures allant de 15°C à 28°C, à des niveaux de pH entre 7,4 et 8,2, et à des rapports Mg/Ca variant de 0,2 à 5. Les résultats montrent qu'E. huxleyi est plus vulnérable aux changements de température et de pH dans des conditions de mers à calcite, où un pH plus faible et des températures plus élevées réduisent significativement les taux de calcification par rapport aux mers à aragonite. De plus, les analyses morphologiques révèlent une plus grande fréquence de coccolithes malformés et incomplets, en particulier à des températures plus basses et des pH plus acides, indiquant une sensibilité accrue d'E. huxleyi à l'acidification dans les mers à calcite. La dernière partie compare les données expérimentales aux enregistrements des carottes sédimentaires pour évaluer l'impact historique des changements de la chimie de l'eau de mer sur les communautés de coccolithophores. En se concentrant sur des périodes critiques comme l'Événement Anoxique Océanique du Toarcien (T-OAE), cette recherche montre que les périodes d'augmentation du sulfate et des rapports Mg/Ca élevés ont coïncidé avec une réduction des taux de calcification et une augmentation de la fréquence des coccolithes malformés. Dans l'ensemble, cette thèse fournit des perspectives nouvelles sur les interactions complexes entre le Mg/Ca, les concentrations en sulfate, la température et le pH dans la régulation de la calcification des coccolithophores. Elle met en lumière la vulnérabilité des coccolithophores aux changements environnementaux, en particulier dans les mers à calcite, et souligne le rôle sous-estimé du sulfate dans la précipitation du CaCO3. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des crises biocalcifiantes passées, telles que celles associées au T-OAE, et éclaire l'avenir potentiel des coccolithophores dans le cadre du changement climatique actuel. Les résultats sont pertinents pour prédire l'impact des modifications futures de la chimie des océans sur les processus de calcification des organismes marins et le cycle global du carbone.

This thesis investigates how environmental parameters influence the physiology and calcification processes of coccolithophores, focusing on the effects of varying magnesium/calcium (Mg/Ca) ratios in aragonite and calcite seas on biocalcification. Coccolithophores, particularly Emiliania huxleyi (E. huxleyi), are key contributors to marine calcium carbonate (CaCO3) production and play a significant role in the global carbon cycle. Understanding their response to past and future environmental changes is essential for predicting their impact on marine ecosystems and biogeochemical processes. The first section of the thesis explores the influence of sulfate concentrations, simulating volcanic activity, on the calcification of E. huxleyi under different seawater conditions. Experiments replicate both aragonite and calcite seas, characterized by low and high Mg/Ca ratios, respectively. The results show that increased sulfate concentrations reduce the stability and calcification rate of E. huxleyi, particularly under calcite sea conditions. These findings highlight sulfate as a crucial factor affecting coccolithophore calcification, interacting with Mg/Ca ratios to modulate CaCO3 precipitation—a factor that has been largely overlooked in previous research. The second part of the thesis investigates the combined effects of pH, temperature, and Mg/Ca ratios on the physiological responses of E. huxleyi to better understand its response to ocean acidification and warming under different seawater conditions. Experimental cultures were exposed to various temperatures (15°C to 28°C), pH levels (7.4 to 8.2), and Mg/Ca ratios (0.2 to 5), simulating ancient and modern oceanic environments. The findings reveal that E. huxleyi is more vulnerable to changes in temperature and pH under calcite sea conditions, where lower pH and higher temperatures result in significantly reduced calcification rates compared to aragonite seas. Additionally, morphological analyses indicate a higher occurrence of malformed and incomplete coccoliths, particularly at lower temperatures and more acidic pH levels, under calcite sea conditions. This suggests a heightened sensitivity of E. huxleyi to ocean acidification in such environments. The final section compares the experimental data with sediment core records to assess how historical changes in seawater chemistry have affected coccolithophore communities. By examining sediments from critical intervals, such as the Toarcian Oceanic Anoxic Event (T-OAE), this study provides insights into how coccolithophore calcification has responded to shifts in ocean chemistry over geological timescales. The sediment core data corroborate the experimental results, showing that periods of elevated sulfate and high Mg/Ca ratios correspond with reduced coccolithophore calcification rates and an increased prevalence of malformed coccoliths. Overall, this thesis offers new insights into the complex interactions between Mg/Ca ratios, sulfate concentrations, temperature, and pH in controlling coccolithophore calcification. It underscores the vulnerability of coccolithophores to environmental changes, particularly in calcite sea conditions, and highlights the previously underestimated role of sulfate in influencing CaCO3 precipitation. This research provides a deeper understanding of past biocalcification crises, such as those associated with the T-OAE, and sheds light on the potential future of coccolithophores in the context of ongoing climate change. The findings are relevant for predicting how future changes in ocean chemistry may impact the calcification processes of marine organisms and, by extension, the global carbon cycle.