Thème “Systèmes Littoraux et Marins”
Ce thème rassemble des projets de recherche conduits sur les sites angevin et nantais du LPG. Les activités scientifiques de ce thème sont organisées en 3 sous-thèmes : Fonctionnement et dynamique des environnements côtiers et littoraux, Paléo-océanographie et calibration de proxies, et Développements méthodologiques et approches expérimentales.
Fonctionnement et dynamique des environnements côtiers et littoraux
A l’interface terre-mer, la frange littorale est sujette à un équilibre fragile entretenu par des interactions spatiales et temporelles entre les contraintes hydrodynamiques, biologiques et anthropiques. Le compartiment sédimentaire y est un réacteur particulièrement efficace de transformation des particules. Le rôle du vivant, dans l’intensité des processus biogéochimiques et donc dans leur transfert dans ce compartiment est fondamental. Le focus de ce sous-thème est donc de mieux comprendre l’impact des perturbations liées à l’activité humaine sur le compartiment benthique et l’interaction des foraminifères avec leur milieu pour le développement d’indices biotiques de la qualité des écosystèmes.
1.1 Perturbations anthropiques et changements climatiques
Dans ce sous-thème, nous nous intéressons à comprendre l’impact des activités anthropiques sur le fonctionnement des écosystèmes côtiers et littoraux. En effet, ces environnements sont particulièrement concernés par des perturbations anthropiques comme l’eutrophisation qui peut générer des situations de désoxygénation. Ces phénomènes peuvent être dus ou amplifiés par les changements climatiques globaux. Ils peuvent également subir des pressions physiques telles que la remise en suspension des sédiments par la pêche au chalut ou les dépôts de sédiments importants. Dans ce contexte, nos travaux de recherche incluent des analyses de communautés des foraminifères benthiques couplées à la géochimie et à la sédimentologie.
A titre d’exemple, dans le cadre de plusieurs projets de recherche, nous essayons de mieux comprendre le rôle du sédiment comme puits d’oxygène et source de nutriments (hérités historiquement) dans des types d’environnements aussi divers que les estuaires (avec un focus particulier sur l’estuaire de la Loire, site atelier du thème SLIM), les mangroves, les fjords et les marais rétro-littoraux de zones tempérées. Également dans le contexte des changements climatiques, nous étudions les effets d’apports sédimentaires massifs dans les fjords arctiques, dus au dégel des glaciers continentaux, sur les habitats et les réseaux trophiques d’organismes benthiques ainsi que les flux géochimiques. En Méditerranée, nous étudions la réponse du compartiment benthique à la perturbation sédimentaire induite par le chalutage et le clapage (dépôt massif de sédiments dragués).
1.2 Interactions foraminifères-cycles biogéochimiques
La résistance et la résilience des foraminifères benthiques aux changements environnementaux ont orienté nos recherches vers les métabolismes alternatifs à la respiration aérobie (dénitrification, kleptoplastidie). L’objectif de nos recherches est par exemple d’estimer la contribution des foraminifères aux cycles biogéochimiques de l’azote et du carbone. D’autre part, nous travaillons sur l’acidification induite par certaines bactéries filamenteuses (cable bacteria) qui pourrait entrainer une dissolution des organismes calcifiants, impactant ainsi le cycle du calcium.
1.3 Ecologie des foraminifères côtiers
L’étude à haute résolution à la fois des micro-organismes et de la géochimie d’environnements côtiers nous permet de mieux appréhender les caractéristiques écologiques des différentes espèces de foraminifères, e.g. leur dynamique des populations, leurs métabolismes, leur position dans le réseau trophique, leur régime trophique, leur adaptation aux conditions extrêmes.
Afin d’acquérir une meilleure connaissance de leur écologie, plusieurs angles de recherche sont développés. Par exemple, un suivi saisonnier sur le moyen terme (>10 ans) a débuté en 2016 dans la Baie de Bourgneuf pour étudier la dynamique des populations de foraminifères (diversité et densité) en lien avec la dynamique géochimique. Pour permettre le traitement de large quantité d’échantillons, nous travaillons sur la reconnaissance automatisée des espèces grâce à l’intelligence artificielle. Ces analyses sont également couplées à des études moléculaires, notamment des analyses d’ADN environnemental. Le tout est complété par des analyses régulières de barcoding d’ADN des foraminifères, qui permettent de détecter des espèces cryptiques (même morphologie mais génétiquement différentes) ne partageant pas toujours la même écologie et d’estimer le taux d’endémisme d’espèces morphologiques jugées cosmopolites.
Finalement, pour mieux évaluer la place des foraminifères dans les réseaux trophiques côtiers, des études in situ sont réalisées, intégrant la position des foraminifères dans le sédiment, la caractérisation du microbiome (bactérien et eucaryote) des foraminifères par métabarcoding et l’analyse de leur ultrastructure cellulaire par microscopie électronique. Une approche isotopique sur la cellule est également en développement.
1.4 Bio-indication en milieux côtiers et littoraux
Les connaissances fines de l’écologie des foraminifères benthiques dans des milieux côtiers très variés (par exemple les vasières intertidales, les estuaires, les fjords, la limite du plateau continental) nous permettent d’affiner l’utilisation des foraminifères comme bio-indicateurs de la qualité des écosystèmes marins. Pour cela, nous développons et testons des indices biotiques notamment basés sur la sensibilité des espèces à des pressions anthropiques. Différents sites ateliers (estuaires atlantiques, côte méditerranéenne) permettent d’appréhender des pressions variées telles que l’eutrophisation, la désoxygénation, les perturbations physiques ou chimiques du milieu.
Paléo-océanographie, Paléoclimatologie et calibration de proxies
Les recherches de ce sous-thème se focalisent particulièrement sur le développement de proxies paléo-océanographiques et leur application dans les reconstitutions des changements environnementaux passés, au cours du Pléistocène. Le but principal est de reconstituer et de quantifier la variabilité naturelle du climat. L’enjeu de ces recherches est d’établir les processus de forçage de changements climatiques passés. Nous développons une approche multiproxies intégrant différents organismes fossiles qui sécrètent des coquilles carbonatées (foraminifères, coraux, bivalves) et des approches analytiques variées (e.g. LA-ICPMS, microscope électronique à balayage).
Les reconstitutions paléo-océanographiques et paléoclimatiques sont intégrées dans des bases de données nationales et internationales qui sont ensuite utilisées pour tester les résultats de simulations obtenues à partir de modèles couplés Océan-Atmosphère. Les reconstructions de la variabilité de la circulation océanique et des propriétés physico-chimiques de la colonne d’eau des périodes passées permettent de mieux caractériser des forçages externes et internes de notre système climatique.
2.1 Quantification des changements océaniques passés
Les reconstitutions paléo-océanographiques se basent sur la composition géochimique de la coquille d’organismes calcifiants qui enregistrent les conditions physico-chimiques du milieu dans lequel ils ont été sécrétés. Pour cela, nos travaux développent des calibrations de proxies sur des faunes actuelles in situ. Les interactions entre les chercheurs du thème permettent d’affiner la compréhension des multiples paramètres environnementaux et biologiques qui contrôlent la composition géochimique de leurs tests carbonatés (e.g. physiologie des organismes, dynamique de population, variabilité environnementale). Pour les foraminifères benthiques, le laboratoire réalise également le développement et la calibration de ces proxies en conditions contrôlées grâce à des expériences en laboratoire sur le site d’Angers. Le but de ces proxies géochimiques (composition élémentaire et isotopique) est de reconstituer les conditions environnementales passées telles que la température et la salinité du milieu, son oxygénation ou le système des carbonates.
2.2 Reconstruction du climat et de l’environnement océanique passés
Les questions scientifiques auxquelles nous nous intéressons dans ce sous-thème s’articulent autour de plusieurs régions clés : l’Océan Atlantique Nord et Sud, l’Océan Arctique, la mer Méditerranée, le Pacifique tropical de l’ouest et l’Océan Indien. Les questions que nous abordons sont :
– Quelles sont les téléconnexions climatiques entre les bassins océaniques pendant l’Holocène ?
– Comment améliorer les reconstitutions de la circulation océanique passée, en particulier les masses d’eaux intermédiaires atlantiques ?
– Quelle a été l’évolution des zones à oxygène minimum dans le passé en réponse au forçage climatique et au couplage océan-atmosphère ?
– Quelle a été la variabilité climatique à l’échelle interannuelle dans les zones tropicales ? Exemple des reconstructions paléo ENSO et paléo-mousson.
– Quel est le lien entre circulation océanique globale (AMOC), la Indonesian Throughflow (ITF) et la variabilité haute fréquence du climat?
Pour aborder ces recherches, nous utilisons des outils basés sur la paléo-écologie d’espèces fossiles, telles que les foraminifères, les bivalves ou les coraux, ainsi que sur les proxies géochimiques mesurés sur les coquilles carbonatées de ces organismes. Dernièrement, nous essayons de développer l’utilisation de l’ADN environnemental ancien pour reconstituer l’évolution de la biodiversité passée.
Grâce à des collaborations bien établies entre naturalistes et modélisateurs, nous cherchons à visualiser les changements climatiques sur une grande échelle spatiale et tester la capacité des modèles à bien représenter ces changements et leurs rétroactions.
L’expertise des chercheurs du sous-thème est également sollicitée dans le cadre de travaux gouvernementaux sur l’impact du changement climatique en Méditerranée par exemple.
Développements méthodologiques et approches expérimentales
Les questions scientifiques abordées dans le thème nécessitent une très haute technicité et de l’innovation pour les approches analytiques et méthodologiques. Ce sous-thème transversal fédère les compétences en développement méthodologique des chercheurs du LPG pour répondre à plusieurs questions scientifiques exposées dans les sous-thèmes précédents.
3.1 Développement de méthodes expérimentales
Afin de pouvoir étudier l’influence de conditions environnementales telles que la désoxygénation, l’acidification ou les perturbations physiques et chimiques du milieu, nous développons des systèmes expérimentaux permettant de contrôler de manière précise les conditions physico-chimiques du milieu. Par exemple, nous avons mis en place des microcosmes permettant le maintien et le contrôle automatisé de la concentration en O2 ou CO2 dans l’eau de nos expériences pour tester simultanément l’effet de 4 concentrations différentes.
3.2 Imagerie haute résolution spatiale (microhabitats et microenvironnements)
Le savoir-faire sur les techniques gels DET-2D couplées à la colorimétrie hyperspectrale a permis de déconvoluer avec succès toute une série de colorations pour la caractérisation chimique des eaux porales de milieux côtiers (fer, phosphates, nitrites, nitrates, ammonium, manganèse, sidérophores et pH).
Un autre axe en développement est le couplage des techniques de DET-2D avec les techniques de cartographie du solide sur sédiment enrésiné. L’objectif est de coupler les informations sédimentaires, les informations de position de vie des organismes notamment les foraminifères, la chimie du solide et du dissous. Pour cela, les chercheurs développent également des méthodes d’analyses automatisées de carottes enrésinées utilisant l’intelligence artificielle.
3.3 Imagerie lidar et hyperspectrale aéroportée
L’outil hyperspectral a permis de développer une méthode pour la cartographie des biomasses de microphytobenthos dans les vasières intertidales. Autour de cette méthodologie, une collaboration nationale est née pour la réalisation de cartes de la productivité primaire sur les vasières de toutes les côtes françaises à travers l’élaboration d’une chaîne d’observation à toutes les échelles.
3.4 Modélisation des flux géochimiques, transferts d’échelle
Le défi des développements de ce sous-thème réside dans la transposition des processus caractérisés à petite échelle à l’ensemble des milieux. Par exemple, l’objectif est d’appliquer et de coupler les méthodes de modélisation de flux géochimiques des nutriments en 2 dimensions à la dynamique du microphytobenthos cartographié avec l’outil hyperspectral pour comprendre le rôle des vasières intertidales comme lieu de transit des nutriments hérités de la période industrielle dans l’estuaire de la Loire.
Pépites du thème “Systèmes Littoraux et marins” : Mojtahid 2023 (1), Mojtahid 2023 (2), Howa 2023, Depuydt 2023, Le Houedec 2023 (1), Le Houedec (2), Fentimen 2023, Metzger 2023 (1), Metzger 2023 (2), Barras 2023, Guilhermic 2023, Fouet & Daviray 2024, Metzger 2024 (1), Metzger 2024 (2), Bardhadi 2024, Fouet 2024, Daviray 2024, Fentimen 2024