Evolution et Adaptation des Coccolithophores aux Changements Environnementaux Récents en Méditerranée

Evolution and Adaptaion of Coccolithophores to Recent Environmental Changes in the Mediterranean

• Auteur / Autrice : Majd Habib
• Direction : Luc Beaufort
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Océanographie
• Date : Inscription en doctorat le 02/01/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEREGE - Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Adaptation

Evolution

Mediterranee

Mediterranean

Evoluiton

Adaptation

Résumé

Les concentrations actuelles de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique dépassent tout niveau mesuré depuis les 800 000 dernières années, période couverte par les carottes glacières (IPCC, 2013). Provenant essentiellement de la combustion de combustibles fossiles, le CO2 atmosphérique a augmenté d'environ 278 ppm en 1750 à plus que 400 ppm en 2017 (www.co2.earth). Actuellement, une quantité de CO2 équivalente à environ 25% des émissions anthropiques totales de CO2 dans l'atmosphère s'accumule dans l'océan (Mikaloff-Fletcher et al., 2006 ; Le Quéré et al., 2010). Les changements chimiques dans l'eau de mer, résultants de l'augmentation des concentrations de CO2 atmosphérique, comprennent l'élévation des concentrations de dioxyde de carbone dissous (ou aqueux), des ions hydrogènes (H+), des ions bicarbonates (HCO3-), et la diminution des concentrations des ions carbonates (CO32-) et du pH. La diminution de ceux-ci cause le phénomène connu par 'acidification' de l'eau de mer (Broecker et Clark, 2001; Caldeira et Wickett, 2003). Cette acidification menace les organismes marins qui utilisent des ions carbonates pour construire leurs coquilles et leurs squelettes, comme les coraux, les foraminifères et les coccolithophores (IPCC, 2007; Doney et al., 2009). Les coccolithophores sont des espèces phytoplanctoniques, responsables d'une grande partie de la production de carbonates océaniques modernes (Beaufort et al., 2011). Ils jouent un rôle primordiale dans la séquestration du CO2 atmosphérique dans le fond marin, et donc dans la diminution du taux de CO2 atmosphérique. Plusieurs études ont montré que les coccolithophores réagissent déjà et continueront probablement à réagir à la hausse de CO2 dans l'atmosphère, ce qui a des implications importantes pour sur la biogéochimie de la mer et du climat en futur (Iglesias-Rodriguez et al., 2008 ; Doney et al., 2009 ; Monteiro et al., 2016). Son isolement relatif des advections des océans, à cause de sa situation géographique au milieu des continents, fait de la Mer Méditerranée un site très vulnérable aux changements induits par l'activité anthropique. Plusieurs changements ont été décelés au cours de ces dernières décennies : 1- une baisse de la pluviométrie au Nord du bassin Occidental (Béthoux et Gentili, 1994) et sur l'ensemble du bassin méditerranéen (Norrant et Douguedroit, 2006 ; GIEC, 2007), 2- une augmentation des périodes de sécheresse se traduisant par une fréquence élevée des jours au cours desquels la température dépasserait 30 ºC (Giannakopoulos et al., 2005), 3- une hausse du niveau de la mer qui, selon quelques études (PNUE/PAM/Plan Bleu, 2008), pourrait être de l'ordre de 35 cm d'ici la fin du siècle, 4-Une invasion de toutes ces masses d'eau par le CO2 anthropique (Hassoun et al., 2015), et 5- Une acidification importante de ces eaux (Rivaro et al., 2010 ; Touratier et Goyet, 2009 ; 2011 ; Hassoun et al., 2015). En addition, la température et la salinité de ces eaux profondes augmentent continuellement (Béthoux et al., 1999; Béthoux et Gentili, 1999) et un réchauffement des eaux côtières en Méditerranée Nord-Occidentale (Salat et Pascual 2002 ; Romano et Lugrezi 2007) et Sud-Orientale (Abboud-Abi Saab et al., 2004) est bien enregistré. Toutes les modifications mentionnées ci-dessus, influencent les écosystèmes marins de la Mer Méditerranée, surtout les producteurs primaires, base de la chaîne alimentaire trophique marine. En particulier, les coccolithophores seront le premier groupe à réagir aux changements biogéochimiques, ex. l'acidification de la mer. Les coccolithophores composent un groupe d'algues unicellulaires abondant dans le milieu pélagique. Ce sont les principaux producteurs de carbonate pélagique par la production de leurs petites plaques calcaires que l'on nomme coccolithes. Celle-ci se retrouvent préservées et très abondantes dans les fonds marins. Dans le groupe actuellement dominant, les Noelarhabdaceae, la masse des coccolithes est très sensible à la composition chimique de l'eau de mer. Par exemple, l'acidification actuelle de l'océan impacte fortement leur production au point que certaines espèces disparaissent des zones les plus chaudes actuellement. Le sujet de thèse propose d'une part d'étudier à partir de collecte de coccolithophores vivants la relation en méditerranée entre la calcification dans ce groupe avec les données environnementales. Il est nécessaire de comprendre comment les populations phytoplanctoniques calcifiantes, réagissent aux modifications biogéochmiques reliées à des phénomènes globaux (ex. changement climatique), ainsi qu'aux pressions locales (ex. pollution). De même il est important de pouvoir quantifier comment le changement du système de carbonates dans cette mer affecte le processus de calcification, ainsi que la rapidité de l'adaptation des coccolithophores en Méditerranée s'adaptent à un milieu environnemental changeant. Quel est l'état actuel de ces espèces clés dans les zones méditerranéennes sous-étudiées, surtout dans le bassin Levantin-Est Méditerranée ? Cette thèse a donc comme objectifs de répondre aux questions mentionnés ci-dessus dans le cadre d'un travail doctoral en co-direction entre le CNRS libanais (Centre National des Sciences Marines) et le CEREGE (Université Aix-Marseille- CNRS- IRD, INRA, Collège de France). Durant cette thèse, le candidat devra être impliqué un travail multidisciplinaire, en échantillonnant des paramètres hydrographiques, chimiques, et biologiques de plusieurs stations localisées dans plusieurs bassins méditerranéens (minimum deux : le bassin Levantin : eaux libanaises, et le bassin nord-ouest méditerranéen : eaux françaises). Ensuite, l'étudiant va étudier les corrélations entre les différents paramètres environnementaux et les coccolithophores, en se concentrant la diversité et l'abondance de ces espèces. Une analyse profonde en utilisant des microscopes électroniques et des analyses génétiques pourra être conduite par le candidat afin d'évaluer les effets potentiels des changements biochimiques, surtout de l'acidification et du changement climatique, sur les coccolithes, de mieux comparer les résultats obtenus des différentes zones géographiques, ainsi que pour des études paléontologiques. La morphologie et le degré de calcification des espèces dominantes sera étudiée grâce à de nouvelles techniques d'analyse d'images, de reconnaisse automatique par réseaux de neurones et de microscopie optique polarisée.

Current concentrations of atmospheric carbon dioxide (CO2) exceed any measured level since the last 800 000 years, which is a period covered by ice cores (IPCC, 2013). Principally stemming from combustion of fossil fuels, atmospheric CO2 increased nearly by 278 ppm in 1750 to over 400 ppm in 2017 (www.co2.earth). These days, an amount of CO2 equaling nearly 25 % of total anthropogenic emissions of CO2 in the atmosphere accumulates in the ocean (Mikaloff – Fletcher and al., 2006; Le Quéré and al. 2010). Chemical changes in the sea water, stemming from the increase of concentrations of atmospheric CO2, include the rise of dissolved carbon dioxide concentrations (or aqueous) of hydrogen ions (H+), bicarbonate ions ( HCO3-) and the drop of concentrations of carbonates ions (CO32-) and pH. The drop of these brings about the phenomena known as “acidification” of sea water (Broecker and Clark, 2001; Caldeira and Wickett, 2003 ). That acidification threatens the sea organisms that use carbonate ions to build their shells and skeletons, such as corals, foraminifera and coccolithophores ( IPCC, 2007, Doney and al, 2009). Coccolithophores are phytoplanktonic species that are behind the major part of the production of modern oceanic carbonates (Beaufort and al, 2011). They play a foremost part in the atmospheric CO2 sequestration in the seabed and, therefore, in the drop of atmospheric CO2 rate. Numerous studies indicated that coccolithophores already react and possibly keep on reacting to the rise of CO2 in the atmosphere, which has significant implications on biogeochemistry of the sea and the future climate (Iglesias-Rodriguez and al., 2008; Doney and al., 2009; Monteiro and al., 2016). Its relative isolation of oceans advections due to its geographic location in the middle of continents, makes the Mediterranean sea a site very vulnerable to changes brought about by anthropogenic activity. Several changes have been detected throughout these last decades: 1- A drop of rainfall in the northern part of the western basin (Béthoux and Gentili, 1994) and in the Mediterranean sea basin as a whole ( Norrant and Douguedroit, 2006; GIEC, 2007). 2- An increase of drought periods resulting in a high frequency of days in which temperature exceeds 30oC (Giannakopoulos and al., 2005). 3- A rise in the sea level that, according to some studies (PNUE/PAM/ BLUE PLAN, 2008), may be about 35 cm by the end the century. 4- Invasion of all these water bodies by anthropogenic CO2 (Hassoun and al., 2015). 5- A significant acidification of these waters (Rivaro and al., 2010; Touratier and Goyet, 2009; 2011; Hassoun and al., 2015). Besides, temperature and salinity of these deep waters rise increasingly (Béthoux and al., 1999; Béthoux and Gentili, 1999) and a warming of coastal waters in north-western Mediterranean (Salat and Pascual 2002; Romani ad Lugrezi 2007) and south-eastern (Abboud- Abi Saab and al., 2004) is well recorded. All modifications mentioned above, impact the sea ecosystems of the Mediterranean sea, especially primary producers, basis of the marine trophic food chain. Above all, coccolithophores shall be the first group to react to biogeochemistry changes, ex. acidification of the sea. Coccolithophores make up a group of single-celled sea-weeds that are plentiful in the pelagic environment. Main producers of pelagic carbonate by the production of their small limestone slabs, are called coccoliths. The latter are well preserved and very plentiful in the seabed. In the currently dominant group, Noelarhabdaceae, coccoliths bodies are very sensitive to chemical composition of the sea water. For instance, the current acidification of the ocean strongly impacts their production to the extent that some species vanish from the currently hottest areas. Subject of thesis suggests, on one hand, to study from the collection of living coccolithophores, the relationship, in the Mediterranean, between calcification in that group along with environmental data. It would be needed to apprehend how calcifying phytoplanktonic populations react to biogeochemical changes connected to global phenomena (ex. climate change) and to local pressures as well (ex. Pollution). Further, it would be important to be able to measure how the change of the carbonates system in this sea impacts the calcification process, as the speedy adaptation of coccolithophores in the Mediterranean adapt to a changing environmental sector. What is the current state of these main species in the understudied Mediterranean areas, especially in the Eastern-Levantine Mediterranean basin ? So, the current thesis aims at answering questions mentioned above within the framework of a PhD work under the co-direction of Lebanese CNRS (National Center of Marine Sciences) and CEREGE ( Aix-Marseille University CNRS-IRD, INRA, College de France). Throughout these thesis, the candidate shall be involved in a multidisciplinary work, by sampling hydrographic, chemical and biological parameters of numerous stations located in several Mediterranean basins (two minimum : Levantine basin : Lebanese waters, and the North-West Mediterranean basin : French waters). Thereafter, the student shall study the correlations between different environmental parameters and coccolithophores, while focusing on diversity and plentiful species. An in-depth analysis, by using electronic microscopes and genetic analysis, may be carried out by the candidate, in order to assess potential effects of biochemical changes, especially of acidification and climate change, on coccoliths, and to better compare results achieved from many geographical areas, as well as for paleontological studies. Morphology and calcification degree of dominant species shall be studied thanks to new techniques of images analysis, of automatic acknowledge through neural networks and polarized optical microscopy.