Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Pompe à carbone biologique“

Cet article présente les résultats d'une étude sur le traitement par filtration sur charbon actif biologique (CAB), utilisé en usine de production d'eau potable en second étage de filtration, en aval d'une étape d'ozonation. L'objectif principal de cette étude était de caractériser la matière organique bioéliminée au cours de la filtration sur charbon actif afin d'obtenir une meilleure compréhension de l'abattement du carbone organique dissous (COD) et de la demande en chlore par ce procédé. Le carbone organique dissous biodégradable (CODB) éliminé au cours de ce traitement peut être corrélé à l'abattement de la demande en chlore et ce CODB présente une réactivité au chlore supérieure à celle du carbone organique réfractaire. Le couplage de techniques d'ultrafiltration au suivi des différentes fractions en cours d'incubation en batch pendant 35 jours avec un inoculum de bactéries indigènes libres, permet de préciser la nature des molécules susceptibles d'être bioéliminées et d'appréhender leur impact sur la demande en chlore de l'eau issue du traitement biologique. La nature de la matière organique présente dans l'eau en amont des filtres varie considérablement au cours de l'année; ainsi, en été, une augmentation importante de la fraction de molécules de haute masse molaire (> 10000 daltons) est observée. La filtration biologique n'affecte pas de manière significative la répartition des différentes tailles de molécules et de petites molécules (< 1000 dallons) peuvent être difficiles à bioéliminer sur un filtre biologique.

Dans le cadre de la rénovation de l'usine d'Ivry sur Seine qui assure l'alimentatiop en eau potable de la ville de Paris avec un débit nominal de 300 000 m3/j, une nouvelle chaîne originale de traitement a été mise en œuvre. L'originalité de cette chaîne de traitement tient au fait que l'épuration par biodégradation a été prise en compte au niveau de toutes les étapes de traitement. Cette chaîne est divisée en quatre parties : préozonation - coagulation sut filtre - filtration biologique lente sur sable et affinage par ozonation filtration sur charbon actif en grains puis désinfection finale au chlore. Nous avons testé sur pilote l'efficacité de cette nouvelle filière pour l'élimination du carbone organique dissous biodégradable ainsi que l'influence de la préozonation pour l'efficacité de la filtration biologique. Les résultats montrent des performances remarquables de la filtration biologique lente concernant l'élimination du carbone organique biodégradable. L'ozone améliore les performances de la filtration lente, et nous avons observé un taux de traitement optimal correspondant à 0,12 mg 03/mg COT. Des corrélations ont été effectuées avec les paramètres globaux de dosage de la matière organique. Elles montrent que le carbone biodégradable issu des filtres biologiques est de nature différente de l'influent et nous estimons qu'il est nécessaire de privilégier une étape d'affinage final par des procédés d'adsorption sur charbon.

Les systèmes agricoles basés sur des matériaux à haute énergie d'entrée (matières fossiles) tels que les engrais chimiques et les pesticides peuvent endommager les propriétés du sol et finiront par réduire la productivité du sol à l'avenir. On pense que les systèmes agricoles alternatifs qui utilisent une faible énergie d'entrée (faible apport d'énergie) peuvent maintenir la fertilité des sols et la durabilité environnementale tout en maintenant ou en augmentant la productivité des sols. Les systèmes d'agriculture biologique privilégient l'utilisation de matières organiques et le recyclage des déchets. Cette recherche révèle comment des changements ont eu lieu dans les propriétés physiques et chimiques des sols qui ont pratiqué plusieurs fois des systèmes d'agriculture biologique. L'étude utilise une méthode d'échantillonnage sur les terres des agriculteurs qui a été étudiée pour traiter les systèmes d'agriculture biologique et non biologique. Deux échantillons de sol ont été prélevés à 2 endroits différents pour représenter les systèmes d'agriculture biologique et 4 échantillons de sol ont été prélevés à 4 endroits différents représentant des systèmes d'agriculture non biologique. L'échantillonnage du sol a été effectué à une profondeur de 20 cm. Les résultats ont montré des différences significatives dans les propriétés chimiques du sol (CEC, pH H2O, P disponible, K disponible, N total, teneur en carbone, acide humique et fulfat) entre le sol avec des systèmes agricoles biologiques et inorganiques qui ont montré de meilleures valeurs dans le système agricole biologique

Cet article présente les résultats d'une étude, réalisée en usine de production d'eau potable, de la filtration biologique sur charbon actif en grains (CAG) utilisée en seconde filtration à la suite d'une étape d'ozonation. Les buts de cette étude étaient d'étudier la cinétique de colonisation bactérienne des filtres à CAG, d'analyser la qualité de l'eau en sortie de filtres durant la phase de colonisation biologique et de comparer le fonctionnement à l'équilibre biologique de deux filtres à temps de contact « eau-CAG » différents. Les résultats des mesures de biomasse bactérienne fixée, effectuées par une méthode de respiration potentielle de glucose, montrent qu'un volume d'eau filtrée de 30 - 50 103 m3/m2 de filtre est nécessaire pour coloniser le CAG. A ce moment, le biomasse fixée est d'environ 7 µgC/mf de CAG. La comparaison de la qualité de l'eau, en terme de carbone organique dissous biodégradable (CODB), entre l'entrée et la sortie du filtre étudié montre que durant la colonisation le processus de biodégradation, lié à l'installation d'une biomasse bactérienne suffisante, prend donc progressivement le pas sur le processus d'adsorption dominant au départ, mais qui diminue rapidement. La comparaison de filtres, fonctionnant dans des conditions différentes de hauteur de CAG et de vitesse de filtration, montre l'importance du paramètre temps de contact sur l'efficacité de la filtration biologique sur CAG. De ce point de vue, des temps de contact de 10 à 15 minutes offrent une bonne efficacité de la filtration avec un abattement de CODB pouvant dépasser 80 %.

Face aux nombreux défis sociétaux à relever (environnement, sécurité alimentaire, santé), différentes formes d’agriculture sont envisagées. Agriculture biologique, agriculture de conservation des sols et maintenant agriculture régénératrice sont trois récits fondateurs se référant à l’agroécologie. Toutefois, l’agriculture régénératrice, nouvelle arrivée en France, reste ambiguë. Nous proposons un cadre d’analyse des formes d’agriculture en termes d’impacts et de services, que nous mobilisons pour comparer l’agriculture régénératrice à celles auxquelles elle se réfère et qui sont bien documentées dans la littérature scientifique. Cette analyse permet d’éclairer des points critiques de l’agriculture régénératrice tels que la question des pesticides et du niveau de séquestration du carbone dans les sols. Ensuite, nous identifions les atouts, faiblesses, opportunités et menaces pour le changement d’échelle de cette agriculture. Nous montrons qu’un atout majeur de l’agriculture régénératrice est de reposer sur un récit mettant en avant un principe, la « régénération » des biens communs (sols, eau, air, biodiversité), qui peut entraîner l’adhésion d’une diversité d’acteurs. Cependant, la mobilisation des acquis de l’agroécologie, en tant que science, pratique et mouvement, pourrait aider à préciser son contenu, encore flou, de façon à ce que ses promesses se traduisent en de réels progrès et ne soient pas exclusivement centrés sur le carbone.

Dans cet article, nous présentons des travaux mettant en évidence les capacités de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines au sein des milieux poreux de textures différentes. Une étude comparative du développement de la biomasse couplé aux mécanismes généraux de transferts gazeux à travers deux réacteurs biologiques est menée. Des lits d’infiltration percolation sont simulés par des colonnes garnies de sables d’origine et de structures différentes. Ils sont alimentés périodiquement via un automate de commande avec un influent d’une charge de 525 mgDCO/l et de 54 mgNK/l. Les résultats obtenus établissent le fait qu’un développement équilibré de la biomasse incluant les phases de croissance et de régression est intrinsèquement lié à la nature physique du matériau support. A l’aide des carottes prélevées sur les massifs filtrants et des sondes d’oxymétrie introduites à différentes hauteurs des lits d’infiltration, nous montrons que la répartition verticale du biofilm dans les colonnes ainsi que l’oxygénation des milieux poreux lors des périodes de repos sont également corrélées à la structure des supports pourtant de diamètres moyens similaires. L’efficacité de traitement biologique du carbone est supérieure pour un sable d’origine alluvionnaire comparativement à un sable concassé ; la tendance s’inversant significativement lorsqu’il s’agit de la diminution de l’azote.

La stabilité biologique de l'eau potable dans un réseau est à l'heure actuelle un souci majeur pour tout responsable du traitement et de la distribution de l'eau. Les nouvelles filières de traitement introduisant l'ozonation ont induit la formation de molécules biodégradables. La filtration sur Charbon Actif en Grains (CAG) après l'étape d'ozonation a permis d'améliorer la qualité de l'eau. Toutefois, est apparue plus clairement la notion de risque de prolifération bactérienne sur réseau. Le Carbone Organique Dissous Biodégradable (CODB) représentant ces composés devient alors un paramètre indispensable à contrôler. L'objectif de notre étude est de caractériser sur un réseau réel les facteurs influençant la stabilité biologique de l'eau dans les réseaux; notamment ceux limitant (le désinfectant bactériostatique) ou favorisant (le CODB) le développement bactérien. Le réseau étudié, situé dans l'ouest de la France en Bretagne, totalise 50 km de conduites. Il est alimenté par une station traitant une eau de retenue selon une filière classique comportant une ozonation suivie d'une filtration sur CAG. Le temps de transit maximal de l'eau est proche de 8 jours. Nos résultats complètent et confirment ceux de CAPELLIER et al. (1992) instigateurs de notre étude, indiquant que ce réseau est le siège d'une vie biologique active. La cinétique de trois critères de qualité: le désinfectant, le CODB et la flore bactérienne, a été étudiée en fonction du temps de transit, ce qui a permis de tirer les conclusions suivantes: - la consommation du désinfectant est totale après 100 h de transit; - particulièrement pendant les saisons les plus chaudes, le CODB est consommé après un pic observé en début de réseau; - la flore bactérienne en suspension, revivifiable sur gélose et totale, croît pendant 100 à 150 h de transit, après quoi elle tend à se stabiliser, voire décroître. Une relation entre le CODB et la flore bactérienne en suspension n'a pu être établie sur ce réseau pour les périodes étudiées. Par contre, les bactéries libres et le désinfectant résiduel semblent bien liés. Les influences de la saison et du temps de transit ont pu être démontrées. Néanmoins, d'autres paramètres de l'eau ou des facteurs comme la structure du réseau et l'hydraulique du système ont probablement une influence non négligeable sur l'évolution de la qualité de l'eau et donc sur nos résultats.

La pompe à carbone biologique (PCB) joue un rôle central dans le cycle global du carbone océanique, en transportant le carbone de la surface vers les profondeurs et en le séquestrant pendant de longues périodes. Ce travail vise à analyser deux acteurs clés de la PCB : le zooplancton et les particules. Pour cela, nous utilisons les données d'imagerie in situ de l'Underwater Vision Profiler (UVP5) pour étudier deux axes principaux : 1) la distribution globale de la biomasse du zooplancton et 2) l'exportation de carbone dans le contexte d'une efflorescence printanière dans l'Atlantique Nord. À l'aide de l'UVP5 et de l'apprentissage automatique par le biais de modèles d'habitat utilisant des arbres de régression boostés, nous étudions la distribution mondiale de la biomasse du zooplancton et ses implications écologiques. Les résultats montrent des valeurs maximales de biomasse autour de 60°N et 55°S et des valeurs minimales au niveau des gyres océaniques, avec une biomasse globale dominée par les crustacés et les rhizaires. En utilisant des techniques d'apprentissage automatique sur des données globalement homogènes, cette étude fournit des informations sur la distribution de 19 grands groupes de zooplancton (1-50 mm de diamètre sphérique équivalent). Ce premier protocole permet d'estimer la biomasse du zooplancton et la composition de la communauté à l'échelle globale à partir d'observations d'imagerie in situ d'organismes individuels. Dans le contexte unique de la campagne EXPORTS 2021, nous analysons les données UVP5 obtenues par le déploiement de trois instruments dans un tourbillon à forte rétention. Après avoir regroupé les 1 720 914 images à l'aide de Morphocluster, un logiciel de classification semi-autonome, nous nous intéressons aux caractéristiques des particules marines, en étudiant leur morphologie à travers un cadre oblique qui suit un panache de particules entre la surface et 800 m. Les résultats montrent que, contrairement aux attentes, les agrégats deviennent de manière inattendue plus grands, plus denses, plus circulaires et plus complexes avec la profondeur. En revanche, l'évolution des pelottes fécales est plus hétérogène et façonnée par l'activité du zooplancton. Ces résultats remettent en question les attentes antérieures et appellent à une réévaluation de notre vision des agrégats et des pelottes fécales. Nous avons également étudié la dynamique des concentrations et des flux de carbone à l'aide d'un cadre 1D plus traditionnel dans lequel nous explorons les trois éléments clés de l'estimation des flux à partir d'imagerie in situ en comparant les estimations de l'UVP5 et des pièges à sédiments: la gamme de tailles couvertes, la vitesse de sédimentation et le contenu en carbone. Selon la littérature, les pièges à sédiments à flottabilité neutre (NBST) et les pièges attachés à la surface (STT) couvrent généralement une gamme de tailles allant de 10 µm à environ 2 mm. Dans notre étude, nous avons constaté qu'en élargissant la gamme de tailles de l'UVP5 à 10 µm et en la limitant à 2 mm, une comparaison plus consistante peut être faite entre le flux issu de l'UVP5 et celui des pièges à sédiments (obtenus par des collègues). Toutefois, il reste une contribution importante du flux au-dessus de ce seuil de taille qui nécessite une étude plus approfondie de ses implications par l'utilisation d'approches complémentaires telles que des pièges à sédiments avec des ouvertures plus grandes. Ce manuscrit ne fait pas seulement progresser nos connaissances, mais il aborde également des défis critiques dans l'estimation de la biomasse du zooplancton et de la dynamique des particules pendant les événements d'export. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles voies pour la recherche future sur la PCB et approfondissent notre compréhension des écosystèmes marins
The biological carbon pump (BCP) plays a central role in the global ocean carbon cycle, transporting carbon from the surface to the deep ocean and sequestering it for long periods. This work aims to analyse two key players of the BCP: zooplankton and particles. To this end, we use in situ imaging data from the Underwater Vision Profiler (UVP5) to investigate two primary axes: 1) the global distribution of zooplankton biomass and 2) carbon export in the context of a North Atlantic spring bloom. Our objectives includes a quantification of global zooplankton biomass, enhancing our comprehension of the BCP via morphological analysis of particles, and assessing and comparing the gravitational flux of detrital particles during a the North Atlantic spring bloom using high-resolution UVP5 data. With the help of UVP5 imagery and machine learning through habitat models using boosted regression trees, we investigate the global distribution of zooplankton biomass and its ecological implications. The results show maximum zooplankton biomass values around 60°N and 55°S and minimum values within the oceanic gyres, with a global biomass dominated by crustaceans and rhizarians. By employing machine learning techniques on globally homogeneous data, this study provides taxonomical insights into the distribution of 19 large zooplankton groups (1-50 mm equivalent spherical diameter). This first protocol estimates global, spatially resolved zooplankton biomass and community composition from in situ imaging observations of individual organisms. In addition, within the unique context of the EXPORTS 2021 campaign, we analyse UVP5 data obtained by deploying three instruments in a highly retentive eddy. After clustering the 1,720,914 images using Morphocluster, a semi-autonomous classification software, we delve into the characteristics of the marine particles, studying their morphology through an oblique framework that follows a plume of detrital particles between the surface and 800 m depth. The results of the plume following approach show that, contrary to expectations, aggregates become unexpectedly larger, denser, more circular and more complex with depth. In contrast, the evolution of fecal pellets is more heterogeneous and shaped by zooplankton activity. Such results challenge previous expectations and may require a reassessment of our view of sinking aggregates and fecal pellets. We also studied concentration and carbon flux dynamics using a more traditional 1D framework where we explore the three key elements in flux estimation from in situ imaging data by comparing UVP5 and sediment trap flux estimates: size range covered, sinking rate and carbon content. According to the current literature, neutrally buoyant sediment traps (NBST) and surface-tethered traps (STT) usually cover a size range from 10 µm to approximately 2 mm. In our study, we have found that by expanding the UVP size range to 10 µm and limiting it to 2 mm, a more consistent comparison can be made between UVP5-generated flux and sediment trap fluxes (obtained by colleagues). However, it is worth noting that there remains a large flux contribution above this size threshold, necessitating further investigation of its implications through the use of complementary approaches such as the use of sediment traps with larger openings. This manuscript not only advances our knowledge, but also addresses critical challenges in estimating zooplankton biomass and particle dynamics during export events. The findings of this study open up new avenues for future research on the biological carbon pump and deepen our understanding of marine ecosystems

La pompe à carbone biologique comprend la production primaire de matière organique dans la zone euphotique, son export vers les profondeurs et sa reminéralisation. Les acteurs les plus fréquemment cités sont les diatomées en raison de leur contribution à la production primaire et à l’export de carbone et les copépodes pour la production de pelotes fécales. Cependant, la pompe biologique est le résultat d'interactions complexes entre organismes plutôt que de leurs actions indépendantes. En outre, bien qu'il ait été montré que la distribution de taille et la composition minérale du phytoplancton en surface ont une influence significative sur l'intensité de l'export de carbone, on ne sait pas si les données méta-omiques peuvent prédire efficacement les processus de la pompe à carbone biologique. Dans cette thèse, je propose d’abord de revisiter l’étude de la pompe à carbone biologique dans l’océan oligotrophe en définissant des états biogéochimiques de l’océan sur la base de la contribution relative de la production primaire, de l’export de carbone et de l’atténuation du flux dans les stations d’échantillonnage Tara Océans. L'analyse des états en termes de composition et d'interactions microbiennes inférées à partir de données de métabarcoding a révélé que les associations plutôt que la composition microbienne semblent caractériser les états de la pompe à carbone biologique. Ensuite, en utilisant les données méta-omiques et environnementales des expéditions Tara Oceans, je propose pour la première fois de prédire ces états biogéochimiques à partir d'abondances biologiques dérivées d'ADN environnemental, dans l'objectif de fournir une liste de biomarqueurs
The biological carbon pump encompasses a series of processes including the primary production of organic matter in the surface ocean, its export to deeper waters and its remineralization. The common highlighted actors are diatoms because of their contribution to primary production and carbon export and copepods for their production of fecal pellets. However, the biological pump is the result of complex interactions among organisms rather than their independent actions. Besides, although size distribution and mineral composition of phytoplankton in surface was shown to significantly influence the strength of carbon export, it is unknown whether meta-omic data can efficiently predict the processes of the biological carbon pump. In this thesis, I first propose to revisit the study of the biological carbon pump in the oligotrophic ocean by defining biogeochemical states of the ocean based on the relative contribution of primary production, carbon export and flux attenuation in Tara Oceans sampling stations. The analysis of the states in terms of microbial composition and interactions inferred from metabarcoding data revealed that variation in associations rather than lineages presence seems to drive the states of the biological carbon pump. Then, by using meta-omics and environmental parameters from the Tara Oceans expeditions, I propose the first study trying to predict biogeochemical states from biological abundances derived from environmental DNA, with the goal of providing a list of biomarkers

Les foraminifères planctoniques (FP) sont des organismes hétérotrophes appartenant au mésozooplancton, abondants dans tous les domaines marins et communément utilisés dans les reconstitutions paléoenvironnementales. Pour quantifier la position des FP dans le cycle du carbone au sein du plancton à des échelles régionales et globales, il est nécessaire de connaitre leur production en biomasse (Corg), jusque là très peu connue car très difficilement mesurable. Dans ce travail, nous avons développé une nouvelle méthode analytique non destructive développée à partir de la méthode bicinchoninic acid (BCA), et mesuré la biomasse individuelle de 952 spécimens de 26 espèces de FP provenant de régions tempérées à subtropicales. Nos résultats indiquent que la biomasse moyenne d'un FP s'élève à 0,845 μg. Le protocole a été calibré sur l'espèce benthique Ammonia tepida, et au cours d'expériences en culture. L'analyse statistique des données ne fait ressortir aucune différence interspécifique, ni des conditions écologiques (niveau trophique, profondeur ou température). En revanche, nous avons démontré que la biomasse des FP est fortement corrélée avec la masse et la taille de leur test calcitique. Grâce à cette corrélation, les biomasses des populations de FP ont été calculées pour 1128 sites et profondeurs d'échantillonnage de l'Atlantique Nord, la mer d'Arabie, la mer Rouge, les Caraïbes, le Japon et l'Oregon. La production actuelle de biomasse par les FP a pu être estimée entre 25 et 100 Tg.C.an−1, en incluant les individus juvéniles. Le ratio carbone organique sur inorganique (Corg : Cinorg) des populations de FP entre la surface et 2500 m de profondeur semble rester constant à ~2/3, tel que montré dans la zone des Açores. Ces résultats prouvent qu'il y a un export de carbone à la fois organique et inorganique, et que les FP contribuent incontestablement à la pompe biologique de carbone. Les résultats obtenus au cours de cette thèse font des FP de potentiels outils pour quantifier la biomasse initiale de paléo-assemblages, et améliorer notre compréhension du cycle du carbone et de la pompe biologique de carbone dans le passé.

Ces travaux portent sur le rôle du fer dans le contrôle de la pompe biologique de CO2 de l'Océan Austral. Le fer est en effet un micro-nutriment essentiel à la vie et de nombreuses expériences ont montré qu'en raison de ses concentrations subnanomolaires dans la colonne d'eau océanique, il est l'un des éléments limitants de la production primaire dans diverses régions océaniques, dont l'Océan Austral. La thèse a été menée suivant deux approches complémentaires : une approche géochimique et une approche biogéochimique. La partie géochimique a pour but une meilleure compréhension du cycle géochimique du fer dans l'océan. Elle présente des mesures en fer et manganèse dissous réalisées dans le sillage des Iles Kerguelen (Bucciarelli et al. 2001), et des mesures en fer dissous et fer total soluble réalisées dans l'Océan Austral ouvert (Bassin de Crozet). Ces prélèvements ont été effectués au cours des missions océanographiques Antares 3 (sillage des Iles Kerguelen) et Antares 4 (Bassin de Crozet) dans le cadre du programme Antares (France JGOFS). Ces données ont permis d'étudier les sources et les puits de fer dans le secteur Indien de l'Océan Austral considéré. La partie biogéochimique est axée sur les effets de la limitation par le fer sur des communautés phytoplanctoniques naturelles d'une part (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), et sur des cultures monospécifiques de trois diatomées, menées en laboratoire, d'autre part. Un découplage des cycles du carbone, de l'azote et du silicium en conditions de carence en fer a été montré, et quantifié pour des concentrations en fer dans le milieu variant de conditions limitantes à des conditions non limitantes
This work concerns the role played by iron in controlling the CO2 biological pump in the Southern Ocean. Iron, indeed, is a micro-nutrient essential to life and numerous experiments have shown that its subnanomolar concentrations in the water column (co)-limited the primary production in various oceanic areas, e. G. In the Southern Ocean. The thesis is divided in two complementary parts, a geochemical part and a biogeochemical one. The geochemical part aims at a better understanding of the oceanic geochemical cycle of iron. It presents measurements of dissolved iron and manganese in the wake of the Kerguelen Islands (Bucciarelli et al. 2001) and of dissolved and total dissolvable iron in the open Southern Ocean (Crozet basin). The samplings were conducted as part of the Antares program (France JGOFS), during the Antares 3 cruise in the wake of the Kerguelen island, and during the Antares 4 cruise in the Crozet Basin. The data give insigths into the sources and sinks of iron in the Indian sector of the Southern Ocean. The biogeochemical part focuses on the effects of iron stress on natural phytoplanktonic community on one hand (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), and on laboratory monospecific cultures of three species of diatoms on the other hand. A decoupling between the cycles of silicon, carbon and nitrogen has been shown under iron stress conditions. The decoupling is quantified in a range of iron concentrations varying from iron-limiting to iron-sufficient conditions

Les cycles océaniques du carbone et des principaux nutriments sont mal connus car ils sont affectés par de nombreux puits et sources physiques, chimiques ou biologiques difficiles à estimer par des mesures directes. Une manière de mieux contraindre ces processus importants est d’utiliser l’information contenue dans des traceurs plus simples : les proxies. Le radium 228 (228Ra), émis par les plateaux continentaux, est utilisé comme proxy des flux d’eau et d’éléments minéraux de la côte vers l’océan ouvert. Il permet en particulier d’estimer les flux d’eau souterraine ou SGDs (Submarine Groundwater Discharge). Le thorium 234(234Th), insoluble, permet quant à lui de contraindre la dynamique des particules par lesquelles il est adsorbé. Il est régulièrement utilisé pour estimer la pompe biologique du carbone (PBC), c’est-à-dire le flux de carbone de la surface vers l’océan profond.Au cours de cette thèse, un modèle numérique à une résolution de 2° a été construit pour chacun de ces deux radio-isotopes, en s’appuyant sur la circulation du modèle NEMO-OPA et les champs de particules du modèle PISCES. Plusieurs paramètres inconnus des modèles ont été contraints par des observations dans le cadre d’une méthode inverse.La modélisation inverse du 228Ra a permis d’estimer les flux de 228Ra venant de 38 régions côtières. En revanche, l’estimation des SGDs est imprécise, car les SGDs sont difficiles à distinguer d’une autre source de 228Ra: la diffusion par les sédiments.La modélisation inverse du 234Th a permis d’estimer les coefficients de partage du 234Th, qui représentent l’affinité de différents types de particules pour cet isotope. Elle a aussi permis d’estimer les erreurs associées à quelques simplifications courantes dans les études de la PBC fondées sur le 234Th
The oceanic cycles of carbon and the main nutrients are poorly known since they are affected by many physical, chemical or biological sources and sinks that are difficult to estimate by direct measurements.One way to better constrain these important processes is to use the information contained in more simple tracers called "proxies". As radium 228 (228Ra) flows from the continental shelves, it is used as a proxy of water and mineral elements fluxes from the coast to the open ocean. In particular, it is often used to estimate the SGD (Submarine Groundwater Discharge). For its part, thorium 234 (234Th), an insoluble radio-isotope, is used to constrain the dynamics of the solid particles onto which it is adsorbed. The carbon flux from the surface to the deep ocean, called "biological carbon pump" (BCP), is often estimated by a 234Th-based method.During this PhD, a numerical model with a resolution of 2°, based on the circulation of the NEMO-OPA model and the particle fields of the PISCES model, was built for each of the two radioisotopes.Several unknown model parameters were constrained by observations using an inverse technique.The inverse modeling of 228Ra was used to constrain 228Ra fluxes from 38 coastal regions.However, the SGD fluxes are poorly constrained by this method, because SGD can be confused with another source of 228Ra: diffusion from sediments.The inverse modeling of 234Th produced estimates of partition coefficients, representing the affinity of different particle types for this isotope. It was also used to estimate the errors associated with some common simplifications made in 234Th-based BCP studies

L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les différents facteurs contrôlant la pompe biologique de carbone en Atlantique Nord et dans l’Océan Austral, à proximité des îles Kerguelen, en utilisant notamment deux approches: le Thorium-234 (234Th) et le baryum biogénique (Baxs).En Atlantique Nord, les flux d’export de carbone organique particulaire (POC) augmentent lorsqu’ils sont associés à des minéraux biogéniques (silice biogénique et carbonate de calcium) et lithogènes, capable de lester les particules. L’efficacité d’export, généralement plus faible que précédemment supposé (< 10%), est inversement corrélée à la production, soulignant un décalage temporel entre production et export. La plus forte efficacité de transfert, i.e. la fraction de POC atteignant 400m, est reliée à des particules lestées par du carbonate de calcium ou des minéraux lithogènes.Les flux de reminéralisation mésopélagique sont similaires ou parfois supérieurs aux flux d’exports et dépendent de l’intensité du développement phytoplanctonique, de la structure en taille, des communautés phytoplanctoniques et des processus physiques (advection verticale).Comme observé pour le POC, l’export des éléments traces est influencé par les particules lithogènes provenant des marges océaniques, mais aussi des différentes espèces phytoplanctoniques.Dans l’Océan Austral, la zone à proximité de l’île de Kerguelen est naturellement fertilisée en fer, augmentant les flux d’export de fer, d’azote et de silice biogénique. Il a été démontré que la variabilité des flux dépendait des communautés phytoplanctoniques dans la zone fertilisée
The main objective of this thesis is to improve our understanding of the different controls that affect the oceanic biological carbon pump. Particulate export and remineralization fluxes were investigated using the thorium-234 (234Th) and biogenic barium (Baxs) proxies.In the North Atlantic, the highest particulate organic carbon (POC) export fluxes were associated to biogenic (biogenic silica or calcium carbonate) and lithogenic minerals, ballasting the particles.Export efficiency was generally low (< 10%) and inversely related to primary production, highlighting a phase lag between production and export. The highest transfer efficiencies, i.e. the fraction of POC that reached 400m, were driven by sinking particles ballasted by calcite or lithogenic minerals.The regional variation of mesopelagic remineralization was attributed to changes in bloom intensity, phytoplankton cell size, community structure and physical forcing (downwelling). Carbon remineralization balanced, or even exceeded, POC export, highlighting the impact of mesopelagic remineralization on the biological pump with a near-zero, deep carbon sequestration for spring 2014.Export of trace metals appeared strongly influenced by lithogenic material advected from the margins. However, at open ocean stations not influenced by lithogenic matter, trace metal export rather depended on phytoplankton activity and biomass.A last part of this work focused on export of biogenic silica, particulate nitrogen and iron near the Kerguelen Island. This area is characterized by a natural iron-fertilization that increases export fluxes. Inside the fertilized area, flux variability is related to phytoplankton community composition

Les foraminifères planctoniques vivants (LPF) contribuent à la pompe biologique du carbone océanique en générant des flux de Corg (cytoplasme) et de Cinorg (test calcaire). Dans cette étude, la morphométrie des tests, les abondances et les compositions spécifiques des assemblages de LPF dans l'océan Indien Sud (30°S-60°S, 50°E-80°E), ont été caractérisées à partir de la collecte par filet à plancton stratifié (Multinet) sur 19 stations échantillonnées pendant trois étés consécutifs (2012- 2014). En démontrant l'efficacité d'échantillonnage du Continuous Plankton Recorder pour spatialiser les données observées en 19 stations, l’étude de la dynamique de population des LPF montre l'effet de la position des fronts sur la production des LPF. Pour mieux contraindre l'impact des LPF dans la pompe biologique du carbone des hautes latitudes, la biomasse protéique et la masse calcique de plus de 2000 foraminifères ont été mesurées. Les différences de biomasse protéique et de poids normalisé par la taille entre années, espèces et masses d'eau suggèrent que les paramètres environnementaux affectent la production de Corg et de Cinorg des LPF. Le rôle des LPF sur la pompe biologique de carbone marin dépend des conditions hydrologiques et trophiques du milieu. Le rapport Corg/Cinorg est très différent selon les espèces considérées. L'applicabilité des tests de foraminifères planctoniques comme proxy de paléopompe du carbone dans les hautes latitudes dépendrait donc de l'effet exercé par les variations des conditions écologiques, et de la composition de l’assemblage. Cette étude propose une première estimation des budgets Corg et Cinorg produits par les LPF dans l’Océan Indien Austral
Planktonic foraminifera contribute to the marine biological carbon pump by generating organic (cytoplasm) and inorganic (shell) carbon fluxes. In this study, we characterized LPF total abundances, assemblages and test morphometry (minimum diameter) along 19 stations sampled by stratified plankton net (Multinet), during three consecutive austral summers (2012-2014) in the Southern Indian Ocean (30°S-60°S, 50°E-80°E). By demonstrating the efficiency of CPR for LPF sampling, we analysed population dynamic between 19 multinet sampling stations, showing the effect of frontal position on LPF production. To better constrain the impact of those organisms in the biological carbon pump at high latitudes, we have quantified the individual protein-biomass and test calcite mass of more than 2000 LPF. Differences in size-normalized protein-biomass and in size-normalized weight between years, species, and water bodies suggest that environmental parameters affect the production of planktonic foraminifera organic and inorganic carbon to varying degrees. Consequently, planktonic foraminifera are assumed to affect the biological carbon pump, depending on ecological conditions and biological prerequisites. The applicability of planktonic foraminifera tests as proxy of the past biological carbon pump in high latitudes would hence critically depend on the effect exerted by changing in ecological conditions, and the presence of different species. This study proposes a first estimation of planktonic foraminifera Corg and Cinorg standing stock and fluxes in the Southern Indian Ocean

Le terme plancton désigne l'ensemble des organismes dérivant au grès des courants marins. On distingue le plancton végétal et principalement photosynthétique, "le phytoplancton", du plancton animal hétérotrophe, "le zooplancton". Au cours des dernières décennies, de nombreuses études ont documenté une croissance de l'abondance et de la distribution spatiale du zooplancton gélatineux à travers diverses régions. Même si le terme "gélification" des océans doit être utilisé avec beaucoup de précaution, des régions comme la mer Méditerranée montre une constante augmentation des méduses au cours de ces 40 dernières années. L'espèce Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) est considérée comme étant la méduse la plus abondante du bassin méditerranéen depuis les années 70. Du fait de leur présence massive dans cette région, il est primordial d'évaluer précisément l'impact de P. noctiluca à la fois sur les cycles biogéochimiques et sur la structuration des écosystèmes pélagiques. Pour cela, les deux processus majeurs de transfert de matière dans l'écosystème doivent être étudiés : la séquestration de carbone via la pompe biologique et le transfert de carbon au travers des réseaux trophiques. Cette thèse s'articule autour de trois axes majeurs: (i) réaliser un premier bilan de l'export de carbone organique particulaire (POCtotal) et dissous (DOC) en mer Méditerranée, (ii) construire un modèle écophysiologique de P. noctiluca pour déterminer la contribution de cette méduse à la pompe biologique, et (iii) évaluer le niveau trophique de P. noctiluca et son potentiel impact sur les niveaux trophiques inférieurs
The term “plankton” refers to all the organisms drifting in the water following the currents. Commonly, the vegetable autotrophic and mainly photosynthetic, “phytoplankton” is distinguished from the heterotrophic and animal “zooplankton”. In the last decades, many studies reported an increase in the abundances and spatial distributions of gelatinous zooplankton in many oceans. Even if the concept of “jellyfication of the oceans” needs to be used with caution, jellyfish populations show an increase in Mediterranean Sea over the last 40 years. The species Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) is considered as the most abundant jellyfish in the Mediterranean basin since the 70s. Due to its massive presence in this area, it is essential to evaluate precisely the impact of P. noctiluca on both biogeochemical cycles and pelagic ecosystem structure. Thus, the contribution of P. noctiluca to the two main factors regulating the biological carbon transfer in the oceans: carbon sequestration via the biological carbon pump and carbon transfer through trophic networks. This manuscript is divided in 3 main sections : (i) providing an initial budget of the particulate (POCtotal) and dissolved organic carbon (DOC) in the Mediterranean sea, (ii) building an ecophysiological model of P. noctiluca to estimate its contribution to the biological carbon pump, and (iii) assessing the trophic level of P. noctiluca and its potential impact on lower trophic levels

L'Océan est un acteur majeur du climat en échangeant avec l'atmosphère de grandes quantités de carbone. Le carbone atmosphérique est fixé à la surface de l’océan par le phytoplancton qui le transforme en carbone biogène, dont une partie est transportée vers l’océan profond par des mécanismes physiques et biologiques; il s’agit de la Pompe Biologique de Carbone (BCP). Une infime partie de ce carbone biogène atteindra des profondeurs suffisantes pour être séquestré durant plusieurs siècles avant qu'il ne retourne dans l'atmosphère, régulant les concentrations atmosphériques de CO2. Aujourd'hui, nous en savons assez sur la BCP pour reconnaitre son importance dans le climat, mais nos connaissances sur son fonctionnement sont limitées en raison d’un échantillonnage insuffisant des flux de carbone biogène. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé les flotteurs BioGéoChimique-Argo, plateformes d’observations conçues pour résoudre le problème du sous-échantillonnage, afin d’explorer un mécanisme majeur de la BCP qui est la pompe gravitationnelle. La pompe gravitationnelle est le transport du carbone biogène sous la forme de particules organiques (POC) qui sédimentent de la surface vers l’océan profond. Notre étude de la pompe gravitationnelle se divise en trois axes. Le premier axe consiste au développement d’une méthode pour détecter les floraisons de coccolithophoridés, groupe phytoplanctonique majeur qui a potentiellement un contrôle important sur le transport du POC en profondeur. Le deuxième axe est centré sur la variabilité saisonnière et régionale des flux de POC dans l’Océan Austral, qui est une zone sous-échantillonnée mais dans laquelle plusieurs flotteurs ont été déployés avec une trappe optique à sédiments (OST). Seuls une dizaine de flotteurs sont équipés d’OST, ce qui est faible en comparaison avec l’ensemble de la flotte BGC-Argo (i.e. plusieurs centaines de flotteurs). C’est pourquoi nous avons développé, dans le troisième axe, une méthode pour estimer le flux de POC avec les capteurs standards du programme BGC-Argo. Cette méthode a ensuite été appliquée à une centaine de flotteurs pour décrire la variabilité saisonnière du flux de POC dans de nombreuses régions océaniques. Dans ce travail de thèse, nous mettons également en évidence le lien entre la variabilité des flux et la nature des particules en surface. Par exemple, nous avons calculé des relations entre la composition de la communauté phytoplanctonique et les flux de POC à 1000m. En utilisant ces relations, nous avons ensuite utilisé les observations satellites pour extrapoler les flux de POC à de larges échelles spatiales, comme à l’ensemble de l’Océan Austral et de l’océan global
The ocean plays a key role in the climate by exchanging large quantities of carbon with the atmosphere. Atmospheric carbon is fixed at the ocean surface by phytoplankton that transforms it into biogenic carbon, part of which is transported to the deep ocean by physical and biological mechanisms; this is the Biological Carbon Pump (BCP). A tiny fraction of this biogenic carbon reaches sufficient depths to be sequestered for several centuries before it returns to the atmosphere, thus regulating concentrations of atmospheric CO2. Today, we know enough about the BCP to recognize its importance in climate, but our knowledge of its functioning is limited due to insufficient sampling of biogenic carbon fluxes. Here, we used BioGeoChimical-Argo floats, observational platforms designed to solve the undersampling problem, to explore a major mechanism of the BCP called the gravitational pump. The gravitational pump is the transport of biogenic carbon in the form of organic particles (POC) that sink from the surface into the deep ocean. Our study of the gravitational pump is divided into three axes. The first axis consisted of developing a method to detect blooms of coccolithophores, a major phytoplankton group that potentially has an important control on the transport of POC at depth. The second axis focused on the seasonal and regional variability of POC fluxes in the Southern Ocean, an undersampled area in which several floats have been deployed with an optical sediment trap (OST). Only ten floats were equipped with an OST, which is low compared to the whole BGC-Argo fleet (i.e. several hundred floats). Therefore, in the third axis, we developed a method to estimate the POC flux with the standard sensors of BGC-Argo floats. This method was then applied to hundreds of floats to describe the seasonal variability of the POC flux in many regions. In this study, we also highlighted the link between the POC flux and the nature of surface particles. For example, we calculated relationships between phytoplankton community composition and POC flux at 1000m. Using these relationships, we then used satellite observations to extrapolate POC flux to large spatial scales, such as the entire Southern Ocean and the global ocean