Tesis sobre el tema "Écologie marine – Arctique, Océan"

Les copépodes dominent la biomasse du mésozooplancton des régions arctiques et subarctiques, où lumière, glace et production primaire varient fortement selon les saisons. En transformant le carbone fixé par les microalgues en réserves lipidiques pour survivre l’hiver, les Calanus spp. constituent une source d’énergie cruciale pour les poissons, oiseaux et mammifères marins. Historiquement, l’écologie des copépodes était étudiée par un comptage taxonomique après un échantillonnage par filets. Cette thèse propose un autre paradigme dans l’approche et les outils de leur étude. Une approche dite « par traits fonctionnels » est utilisée pour analyser des propriétés mesurables à l’échelle individuelle et influençant le succès écologique des organismes. Les traits fonctionnels (i.e. taille, régime trophique, migration verticale) sont partagés par plusieurs espèces et peuvent être reliés à des fonctionnalités des écosystèmes comme l’export de carbone, l’énergie disponible pour les réseaux trophiques, la résilience, etc. Comme une majorité des traits a une signature morphologique, nous les avons définis sur deux types d’images individuelles du plancton, complémentaires et couramment utilisées : des images in situ de l’Underwater Vision Profiler (UVP) et des images en couleur prises lors d’observations au stéréomicroscope. L’objectif de cette thèse est de comprendre comment les traits fonctionnels des copépodes, identifiés sur des images, peuvent être reliés aux dynamiques environnementales et au fonctionnement des écosystèmes arctiques et subarctiques. Dans le Chapitre 1, nous analysons des images in situ prises par l’UVP au moment de la fonte printanière de la banquise dans l’arctique canadien. Des variables morphologiques sont utilisées pour projeter les images dans un espace statistique, et les axes synthétisent les variations morphologiques en trois traits continus : la taille, l’opacité (qui nous renseigne sur les structures pigmentées), et la complexité du contour (indiquant probablement un taux d’activité par la visibilité des appendices). Cette analyse exploratoire a révélé des traits nouveaux, dont les variations étaient fortement corrélées à la fonte de la banquise et à l’efflorescence des algues. Plusieurs arguments indiquent que les maxima d’opacité des individus peuvent être attribués à la présence d’astaxanthine, un pigment caroténoïde rouge. Dans le Chapitre 2, une revue de la littérature a mis en évidence les conditions écologiques propices à la coloration des copépodes pour divers écosystèmes aquatiques à l’échelle globale. Nous démontrons que la pigmentation rouge peut participer au succès des individus (croissance, survie, reproduction) grâce aux propriétés antioxydantes de l’astaxanthine. Comme la pigmentation semble ajustable à de courtes échelles temporelles et avantageuse dans diverses conditions environnementales (lumière intense, basses températures et couvert de glace, ou grandes profondeurs), nous pensons qu’elle peut être considéré comme un de “couteau-suisse” de protection métabolique. Dans le Chapitre 3, une méthode de déconvolution de la couleur de l’astaxanthine a été utilisée pour produire un indice de rougeur sur des images de copépodes arctiques observés au stéréomicroscope. L’indice a été validé par comparaison avec une quantification chimique des pigments, et peut être utilisé pour des images prises dans diverses conditions grâce à une étape préalable de calibration des canaux de couleur. Cette thèse montre qu’il est possible d’extraire un maximum d’information à partir d’une image de plancton pour dégager des tendances écologiques sur de grands jeux de données, tout en gardant accès à la variabilité interindividuelle. Utiliser les traits définis ici (taille, pression de broutage, taux d’antioxydants), en combinaison avec d’autres outils, pourrait participer à la compréhension du fonctionnement des réseaux trophiques
Copepods dominate the mesozooplankton biomass of arctic and sub-srctic regions, where light, ice and primary production are highly variable according to the season. By converting carbon fixed by microalgae into lipid reserves for winter survival, Calanus spp. are a crucial source of energy for fish, birds and marine mammals. Historically, copepod ecology was studied by taxonomic counting after net sampling. This thesis proposes another paradigm in the approach and tools for their study. A so-called "functional trait approach” is used to analyze properties that are measurable at the individual scale and influence the ecological success of organisms. Functional traits (i.e. size, trophic regime, vertical migration) are shared by several species and can be related to ecosystem functionalities such as carbon export, energy available for food webs, resilience, etc. Since a majority of the traits have a morphological signature, we defined them on two types of individual plankton images, that are complementary and commonly used: in situ Underwater Vision Profiler (UVP) images and color images taken during stereomicroscope observations. The objective of this thesis is to understand how functional traits of copepods, identified in images, can be related to environmental dynamics and functioning of arctic and sub-arctic ecosystems. In Chapter 1, we analyze in situ images taken by the UVP at the time of spring melt in the Canadian arctic. Morphological variables are used to project the images into a statistical space, and the axes synthesize morphological variation into three continuous features: size, opacity (which tells us about pigmented structures), and complexity of contour (likely indicating feeding activity through appendage visibility). This exploratory analysis revealed novel traits, having variations strongly correlated with sea ice melt and algal blooms phenology. Several arguments indicate that opacity maxima in individuals can be attributed to the presence of astaxanthin, a red carotenoid pigment. In Chapter 2, a review of the literature highlighted the ecological conditions conducive to copepod coloration for various aquatic ecosystems on a global scale. We demonstrate that red pigmentation can participate in the success of individuals (growth, survival, reproduction) through the antioxidant properties of astaxanthin. Since pigmentation appears to be adjustable on short time scales and advantageous under various environmental conditions (intense light, low temperatures and ice cover, or great depths), we believe it can be considered as a "swiss army knife" of metabolic protection. In Chapter 3, an astaxanthin color deconvolution method was used to produce a redness index on stereomicroscope images of arctic copepods. The index was validated by comparison with a chemical quantification of the pigments, and can be used for images taken under various conditions thanks to a prior calibration step of the color channels. This thesis shows that it is possible to extract a maximum amount of information from a plankton image to identify ecological trends on large datasets, while keeping access to inter-individual variability. Using the traits defined here (size, grazing pressure, antioxidant levels), in combination with other tools, could participate in understanding the functioning of food webs

Des impacts du changement climatique sur les communautés de phytoplancton microbien ont déjà été reportés dans l'océan Arctique. Cependant, peu d’attention a été portée sur le microzooplancton aux rôles écologiques multiples tels que les ciliés et les dinoflagellés. Le but de cette thèse était d'améliorer les connaissances et la compréhension de l'écologie du microzooplancton, mais aussi de permettre la prédiction de leur réponse dans un Arctique en mutation. Nous avons utilisé la technique de séquençage d'amplicons à haut débit du gène 18S ARNr et de l'ARNr 18S (à partir d'ADNc) afin d’étudier le profil des communautés ainsi que leur diversité. Par la suite, nous avons testé différentes hypothèses reposant sur les variations temporelles et spatiales de ces assemblages microzooplanctoniques. Les résultats ont montré que le microzooplancton présente une forte saisonnalité dans le golfe d'Amundsen en réponse aux conditions changeantes. Des assemblages estivaux semblables ont été observés de 2003 à 2010, à l'exception de juillet 2008, après le record de minimum de glace en été 2007. Cet évènement particulier a permis de nous indiquer une sensibilité de ces espèces face aux conditions de glace. Les communautés de dinoflagellés du bassin du Canada sont régies par des processus déterministes et stochastiques qui dépendent de la variabilité de l'environnement, indiquant une sensibilité potentielle aux changements environnementaux. Nous en avons déduit que les dinoflagellés et autres taxons apparentés, ayant des rôles fonctionnels similaires, peuvent fournir une stabilité des flux alimentaires et énergétiques dans des conditions de limitation de lumière ou de nutriments, associées à l’approfondissement de nitracline. Étant donné que de nombreux ciliés et dinoflagellés sont mixotrophes, ils pourraient indirectement influencer les cycles biogéochimiques par le broutage sur les bactérivores et le petit plancton, et ainsi relier la boucle microbienne avec les niveaux trophiques supérieurs. La grande diversité et l'ubiquité des ciliés et des dinoflagellés suggèrent également une complexité dans les réseaux trophique microbiens et de nouvelles possibilités de recherche pour les océanographes.
Impacts of climate change on microbial communities in the Arctic Ocean have been mostly reported for major phytoplankton groups, with less attention to microzooplankton, such as ciliates and dinoflagellates, which have multiple ecological roles. For example, many ciliates and dinoflagellates are mixotrophic and could indirectly influence biogeochemical cycles by grazing on bacterivores and small plankton and linking the microbial loop with the higher trophic levels. The aim of this thesis was to address knowledge gaps in microzooplankton phylogeny, ecology and distribution with a goal of providing information needed to eventually predict of microzooplankton responses to the changing Arctic. We used high throughput amplicon sequencing of the 18S rRNA gene and 18S rRNA (as cDNA) to generate community and diversity profiles, which were used to test hypotheses on microzooplankton assembly across time and space. Results showed that microzooplankton exhibited strong seasonality in response to changing conditions in Amundsen Gulf. Similar summer assemblages were seen from 2003-2010 with the exception in July 2008 following the summer ice minimum record in 2007. Canada Basin dinoflagellate communities were governed by both deterministic and stochastic processes that were dependent on the variability of the environment, indicating potential sensitivity to environmental change. We inferred that dinoflagellates and other taxa with similar functional roles could provide stability to food and energy flows under conditions of light- or nutrient-limitation associated with a deepening nitracline. The high diversity and ubiquity of ciliates and dinoflagellates also suggest a complexity within microbial food webs and new research opportunities for oceanographers.

Le très abondant Boreogadus saida occupe au sein de l’écosystème marin arctique une place prépondérante, ce qui lui vaut une attention croissante des scientifiques. Arctogadus glacialis, commun dans toutes les mers arctiques, est beaucoup moins étudié. Les deux espèces et leurs jeunes stades cohabitent mais ces derniers sont pratiquement impossibles à différencier. Seuls des outils génétiques, ou une méthode utilisant la taille du noyau de l’otolithe développée dans cette thèse, peuvent distinguer les deux espèces. Ces méthodes d’identification ont permis d’étudier pour la première fois l’écologie des jeunes stades d’Arctogadus et d’estimer la proportion de cette espèce dans des échantillons de gadidés arctiques. À la lumière des observations faites en mer de Beaufort, il apparait que les jeunes Arctogadus ont une abondance environ vingt fois moindre, une taille à l’éclosion supérieure, un taux de croissance similaire, et un taux de mortalité inférieur aux jeunes Boreogadus. Pour Boreogadus, l’hypothèse selon laquelle certaines larves éclosent en hiver près des panaches des fleuves, a été testé, d’abord en comparant la saison d’éclosion dans six régions de l’océan Arctique caractérisées par différents apports d’eau douce. Conformément à cette hypothèse, l’éclosion commence en hiver dans les mers recevant de forts apports fluviaux alors que l’éclosion débute au printemps dans les régions aux apports d’eau douce limités. Les larves qui éclosent en hiver profitent d’une longue saison de croissance leur permettant d’atteindre des tailles pré-hivernales largement supérieures aux larves qui éclosent en été, ce qui favoriserait leur survie. Cette même hypothèse a ensuite été testée en comparant la composition chimique des otolithes de Boreogadus provenant de ces six régions, et les différences observées semblent appuyer l’hypothèse. Les tendances actuelles au devancement de la débâcle, au réchauffement des eaux de surface et à l’augmentation du débit des fleuves pourraient favoriser le recrutement de Boreogadus, et possiblement aussi celui d’Arctogadus. Découle de cette thèse une connaissance accrue de l’écologie de gadidés habitant un océan confronté à une pléthore de changements.
The very abundant polar cod (Boreogadus saida) plays a preponderant role in the Arctic marine ecosystem and consequently has received significant attention in recent years. The ice cod (Arctogadus glacialis), a common species in all Arctic seas, is much less studied. Both species co-occur on Arctic continental shelves and their early life stages are often found together in ichthyoplanktonic collections. However, larvae and juveniles of polar cod and ice cod are almost impossible to differentiate. Only genetic tools, or a method using the size of the otolith nucleus developed in this thesis, can distinguish the two species. These identification methods allowed to study for the first time ice cod early life stage ecology and estimate the proportion of this species in Arctic gadids samples. In light of observations made in the Beaufort Sea, it seems that young ice cod are about twenty times less abundant, hatch at a larger size, grow at the same rate, and have a mortality rate inferior to young polar cod. For polar cod, the hypothesis that some larvae hatch in winter near river plumes, was tested, first by comparing the hatching season in six regions of the Arctic characterized by different freshwater inputs. Consistent with this hypothesis, hatching starts in winter in seas receiving large river discharge while hatching starts in spring in regions with limited freshwater inputs. The larvae hatched in winter benefit from a long growth season allowing them to reach larger pre-winter size than larvae hacth in summer, a condition that likely favors their survival. This same hypothesis was further tested by comparing the otolith chemistry of polar cod juveniles from those six regions, and the differences observed seem to support the hypothesis. On-going trends of earlier ice break-up, warmer surface layer, and increased river discharge could favor polar cod, and possibly also ice cod, recruitment. Arise from this thesis an increased knowledge of the ecology of gadids living in an Ocean facing a plethora of changes.

La photohétérotrophie est la capacité d'utiliser des substrats organiques et de capturer l'énergie lumineuse. Elle est pratiquée par les bactéries phototrophes anoxygéniques aérobies (BPAA), les bactéries contenant de la protéorhodopsine (BPR) et les picocyanobactéries (Synechococcus). Les augmentations de l'export fluvial de carbone organique et de l'exposition de l'océan aux radiations solaires s'intensifient en Arctique, rendant cette région intéressante pour étudier la place des photohétérotrophes dans l'utilisation du carbone et de la lumière. Par l'utilisation de multiples approches de quantification absolue, de diversité culturale et moléculaire, notre étude est la première à caractériser à haute résolution les photohétérotrophes dans l'Océan Arctique. Les picocyanobactéries n'ont été détectées que dans l'estuaire du Mackenzie alors que BPAA et B-PR étaient présentes en mer de Beaufort. La communauté PAA était liée aux apports fluviaux contrairement à celle des B-PR principalement oligotrophe. Les distributions de ces communautés présentaient des patrons différents de celles du bactérioplancton suggérant un avantage écologique de la photohétérotrophie dans ces eaux. La communauté PAA était dominée par un clade nouveau de Betaproteobacteria et par les Rhodobacterales. Les Alphaproteobacteria, notamment des SAR11 et des clades endémiques de SAR116, dominaient la communauté de BPR. La majorité des BPR exprimait activement la PR suggérant de potentiels bénéfices. L'ensemble de nos résultats montre que la photohétérotrophie est répandue dans l'Océan Arctique et suggère que son rôle pourrait être différent en fonction des conditions environnementales rencontrées
The photoheterotrophy is the capacity to use both organic substrates and light energy. The aerobic anoxygenic phototrophic bacteria (AAPB), the proteorhodopsin-containing bacteria (PRB) and the picocyanobacteria (Synechococcus) practice it. Increases in organic carbon exported by rivers and in exposure of sea surface to solar radiations are intensifying in Arctic. Hence, this study area is particulary interesting to understand the role of these bacteria in carbon and light uses. Using multiple approaches in absolute quantification, cultural and molecular diversities, our study is the first to characterize at high resolution scale the photoheterotrophs in the Arctic Ocean. Picocyanobacteria were only detectable in the Mackenzie estuary whereas AAPB and PRB were present throughout the Beaufort Sea. AAPs were strongly linked with river inputs contrasting to PRB, principally oligotrophs. Both distributions of AAPB and PRB exhibited different patterns of those of bacterioplankton suggesting an ecological advantage of the photoheterotrophy in these waters. The AAPB community was dominated by a new Betaproteobacterial clade and Rhodobacterales. Alphaproteobacteria, especially the SAR11 group and SAR116 endemic clades, dominated the PR community. The majority of PRB groups actively expressed the PR suggesting probable benefits. Together, our data highlight the photoheterotrophy is common in Arctic Ocean and suggest that his role could be different depending on the environmental conditions encountered

La photohétérotrophie est la capacité d'utiliser des substrats organiques et de capturer l'énergie lumineuse. Elle est pratiquée par les bactéries phototrophes anoxygéniques aérobies (BPAA), les bactéries contenant de la protéorhodopsine (BPR) et les picocyanobactéries (Synechococcus). Les augmentations de l'export fluvial de carbone organique et de l'exposition de l'océan aux radiations solaires s'intensifient en Arctique, rendant cette région intéressante pour étudier la place des photohétérotrophes dans l'utilisation du carbone et de la lumière. Par l'utilisation de multiples approches de quantification absolue, de diversité culturale et moléculaire, notre étude est la première à caractériser à haute résolution les photohétérotrophes dans l'Océan Arctique. Les picocyanobactéries n'ont été détectées que dans l'estuaire du Mackenzie alors que BPAA et B-PR étaient présentes en mer de Beaufort. La communauté PAA était liée aux apports fluviaux contrairement à celle des B-PR principalement oligotrophe. Les distributions de ces communautés présentaient des patrons différents de celles du bactérioplancton suggérant un avantage écologique de la photohétérotrophie dans ces eaux. La communauté PAA était dominée par un clade nouveau de Betaproteobacteria et par les Rhodobacterales. Les Alphaproteobacteria, notamment des SAR11 et des clades endémiques de SAR116, dominaient la communauté de BPR. La majorité des BPR exprimait activement la PR suggérant de potentiels bénéfices. L'ensemble de nos résultats montre que la photohétérotrophie est répandue dans l'Océan Arctique et suggère que son rôle pourrait être différent en fonction des conditions environnementales rencontrées.

Une des sources majeures d'incertitudes à propos de nos connaissances sur les mécanismes gouvernant la croissance du phytoplancton dans les régions englacées arctiques est liée aux interactions entre banquise, lumière et phytoplancton arctique. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces interactions et de révéler les sources principales d'incertitude dans les modèles du système Terre. Je montre d'abord que la période d'eau libre arctique est majoritairement contrôlée par le cycle solaire et par les échanges thermodynamiques entre océan et atmosphère durant l'été. Selon les projections climatiques, elle devrait augmenter et se décaler vers l'automne. J'évalue ensuite le schéma de transfert radiatif du modèle d'océan, NEMO, dans la zone de banquise arctique. Je montre que le rayonnement transmis sous la banquise est aujourd'hui fortement sous-estimé, en raison notamment d'une surestimation de l'atténuation par la neige et par les premiers centimètres de l'océan couvert de banquise. Je définis, enfin, un diagnostic pour décrire le cycle saisonnier de la lumière disponible dans la zone de glace, et j'étudie son impact sur le phytoplancton simulé par le modèle biogéochimique, PISCES. Il reste néanmoins, de larges incertitudes pour comprendre la relation entre ce diagnostic et la croissance du phytoplancton
Large weaknesses remain considering our understanding of the drivers of phytoplankton growth in Arctic sea ice zone, especially due to large uncertainties in the interactions between sea ice, light and phytoplankton.The aim of this PhD thesis is to better understand these interactions and to highlight the main uncertainties considering these interactions in Earth System Models. I first show that the ice-free period is mainly led by the solar irradiance cycle and by the ocean-atmosphere thermodynamic exchanges during summer. It is consequently projected to extend into fall in the future. Then, I evaluate the radiative transfer scheme in the ocean model NEMO, in arctic sea ice zone. I show that NEMO largely underestimates the transmitted shortwave radiation in ice-covered waters, especially due to the overestimation of the snow and the first level of the ocean attenuation. I finally define a diagnostic to describe available light seasonality in the sea ice zone and I study the impact of this diagnostic on simulated phytoplankton in the bio-geochemistry model PISCES. However, large uncertainties remain in the study of the relation between this diagnostic and the phytoplankton growth. This is especially due to the non-linearity between available light and phytoplankton growth and also due to the lake of knowledge about the phytoplankton physiology

L’intensification des rejets des produits issus des dragages portuaires rochelais sur le site du Lavardin et la proximité des zones conchylicoles locales nous a incité à évaluer l'impact de ces activités sur les écosystèmes littoraux. Une série d'études de terrain et d'expérimentations in vitro ont été entreprises au cours desquelles des organismes bioindicateurs de la qualité de leur milieu ont servi de modèles: la moule commune (Mytilus Edulis) et l'huitre creuse (Crassostrea Gigas). Le rejet régulier des vases n'a pas d'influence sur la croissance des moules qui, immergées au voisinage du site de rejet, ont atteint après un an de développement une taille moyenne de 40 mm comparable à celle des individus vivant dans les zones conchylicoles voisines. Après huit mois d'immersion sur le site de rejets, les concentrations en cadmium, cuivre et zinc observées au sein des individus restent proches des valeurs enregistrées régulièrement dans les populations locales de Mytilus Edulis. Les moules situées au nord du rejet présentent des concentrations élevées en plomb sans qu'on puisse établir le rôle respectif des rejets de dragage et des apports anthropiques côtiers dans cette contamination. D’une façon générale, les sédiments pièges dans le secteur du Lavardin se sont révélés peu toxiques pour le développement embryonnaire de Crassostrea Gigas. Spatialement, on a observé un gradient décroissant d'anomalies de développement des sédiments côtiers vers ceux du large qui traduit certainement l'impact des apports anthropiques directs et non celui des rejets au Lavardin. Le suivi in situ de l'activité enzymatique de l'acetylcholinesterase sur Mytilus Edulis n'a pas mis en évidence de contamination du milieu par les pesticides, aucune inhibition suspecte de cette activité n'ayant été décelée. L’ensemble de ces observations traduit plutôt les conditions naturelles du secteur (sédimentation élevée et apports anthropiques côtiers) que l'impact direct du site d'immersion des sédiments portuaires du Lavardin.

L’oxydation photochimique de la matière organique dissoute colorée (CDOM), et la production de CO2 qui en résulte, est maintenant reconnue comme étant un processus majeur dans le cycle du carbone dans le système ocean-atmosphère. L’Océan Arctique fait parti des environnements où ce processus risque de jouer un rôle de plus en plus important dans le contexte des changements climatiques à cause de : 1) l’augmentation du CDOM d’origine terrigène transporté à l’Océan côtier en réponse à la fonte du pergélisol et à l’augmentation du débit des rivières; 2) la diminution du couvert de glace estivale permettant au rayonnement solaire de pénétrer dans la colonne d’eau; et 3) l’augmentation du rayonnement ultraviolet (UV) dans cette région. Un modèle couplé « optique-photochimique » a été utilisé pour examiner le rôle de la photooxydation dans le cycle du carbone organique de l’Océan Arctique. Pour calculer la photoproduction de CO2 (PDIC), l’éclairement spectral incident, incluant les UV, a été modélisé avec un modèle de transfert radiatif nécessitant les concentrations de glace de mer, d’ozone, d’aérosols atmosphériques et le couvert nuageux observés par satellite entre 1979 et 2004. Les rendements quantiques apparents pour calculer la PDIC ont été déterminés en laboratoire sur des échantillons provenant de la Mer de Beaufort et du Fleuve Mackenzie. La contribution du CDOM au coefficient d’absorption totale ([aCDOM/at]), un paramètre clé du modèle, a été déterminée soit à partir des mesures in situ, soit dérivée des données de la couleur de l’océan à l’aide d’un nouvel algorithme empirique. Contrairement aux méthodes semi-analytiques trouvées dans la littérature, l’algorithme empirique proposé permet de séparer, à l’échelle régionale, les coefficients d’absorption du CDOM et des particules non-algales. Cependant, l’utilisation des données de la couleur de l’océan dans les hautes latitudes est souvent compromise par la présence de glace de mer qui contamine les données. Ce problème a été abordé dans le cadre de la présente étude, et une méthode a été proposée afin de détecter et éliminer les données contaminées par la glace de mer. Enfin, il a été démontré que les valeurs de PDIC sont similaires aux taux de carbone organique provenant de la production primaire marine qui est séquestré dans les sédiments océaniques; et que l’augmentation des UV et la diminution de la glace de mer estivale au cours des 26 dernières années a conduit à une augmentation de PDIC d’environ 15%. Ces résultats indiquent que la photooxydation joue un rôle significatif dans le cycle du carbone actuel, et que la diminution de l'étendue de la glace de mer, prévue par les modèles climatiques, risque d'amplifier significativement la reminéralisation photochimique du carbone organique dissous d'origine terrigène dans l'Océan Arctique
Photochemical oxidation of colored dissolved organic matter (CDOM), and the resulting production of CO2, is now known to be a significant process in the cycling of carbon in the ocean-atmosphere system. One environment where that process may play a major role in the context of climate change is the Arctic ocean because of: 1) the increasing amount of terrestrial CDOM released by the melting permafrost and brought to coastal ocean by rivers, 2) the decreasing summer ice cover that allows more solar radiation to penetrate the water column, and 3) the continuing increase in UV radiation over that region. A coupled optical-photochemical model was used to assess the role of photooxidation in the carbon cycle of the Arctic Ocean. To calculate the photoproduction of CO2 (PDIC), the incoming spectral irradiance, including UV, was modeled with a radiative transfer model that uses satellite observations of sea ice, ozone, aerosols and cloud cover covering the 1979 to 2004 period. In situ determinations of the apparent quantum yield for the photoproduction of CO2 made in the Beaufort Sea were used for the calculations. A key parameter in the model was the contribution of CDOM to the total absorption coefficient. It was either obtained from in situ measurements or derived from Ocean Color imagery using a new empirical algorithm. Unlike most semi-analytical approaches found in the literature, the proposed empirical algorithm provides a mean to separate CDOM absorption coefficient from nonalgal particles absorption coefficient at the regional scale. The use of Ocean Color remote sensing at high latitude is, however, compromised by the presence of sea ice that contaminates the data. This problem was addressed in the present study, and a method was proposed to detect and eliminate contaminated pixels. Finally, it was shown that the level of PDIC is similar to the level of sequestered rates of organic carbon in the ocean sediments, which was produced through marine photosynthesis; and that the increase in UV and decrease in summer sea ice over the last 26 years have led to an increased in PDIC by about 15%. These results indicate that the predicted trend of ongoing contraction of sea ice cover will greatly accelerate the photomineralization of CDOM in Arctic surface waters

L’Arctique, bien que région éloignée de toutes activités anthropiques intensives, est contaminé par les polluants émis à de plus basses latitudes. En effet, les caractéristiques physico-chimiques de certains polluants leur permettent d’être transportés sur de longues distances, via les courants atmosphériques ou océaniques. Parmi eux se trouve notamment le mercure (Hg), élément trace non-essentiel naturellement émis dans l’environnement mais dont les émissions d’origine anthropiques ont fortement augmenté depuis le 19ème siècle. Ce neurotoxique engendre chez les espèces animales des troubles comportementaux, mais aussi des problèmes de reproduction et dans les cas extrêmes, la mort. Le milieu marin est particulièrement sensible à la contamination au Hg. En effet, une fois dans l’environnement marin, le Hg intègre la chaine alimentaire (sous sa forme toxique méthylée - MeHg), dans laquelle sa concentration augmente d’un niveau trophique à l’autre (processus de bioamplification) et/ou accumule au sein des organismes (processus de bioaccumulation). Ainsi, les prédateurs supérieurs longévifs tels que les oiseaux marins, en fin de chaine alimentaire, présentent les concentrations de Hg parmi les plus élevées. Ils sont largement et efficacement utilisés comme bio-indicateurs de la contamination au Hg de leur environnement. La majeure partie des connaissances actuelle sur la contamination au Hg des oiseaux marins Arctique concerne la saison de reproduction, durant laquelle les concentrations varient spatialement, avec notamment les concentrations les plus élevées trouvées en Arctique Canadien. Durant cette période, qui ne représente qu’une partie de l’année, les oiseaux se reproduisent à terre et sont donc plus facilement accessibles. Mais une fois la saison de reproduction terminée, la majorité des oiseaux marins migrent en haute mer, en dehors de l’Arctique. Une étude précédente a montré qu’une population de mergules nains (Alle alle) se reproduisant à l’Est du Groenland a des concentrations de Hg plus élevées en période de non-reproduction qu’en période de reproduction, avec des effets délétères sur la reproduction suivante. Au cours de ce travail de thèse, et grâce à une approche multi espèces et multi colonies, nous nous sommes intéressés au rôle de la migration des oiseaux marins sur leur contamination au Hg et ce à l’échelle de l’Arctique. Nos résultats montrent une saisonnalité dans la contamination au Hg, nous permettant d’étendre les résultats mis en avant pour les mergules nains à de nombreuses autres espèces d’oiseaux marins. Nous avons également trouvé que cette saisonnalité varie spatialement avec des variations saisonnières plus importantes pour les populations se reproduisant en Atlantique Ouest (Ouest du Groenland et Est du Canada). Ces résultats nous ont amenés à faire l’hypothèse que cette variation était une conséquence de la migration des oiseaux marins et de la distribution de leur zone d’hivernage. Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé les oiseaux comme bio-indicateurs de leur environnement. Pour cela, nous avons combiné des analyses de Hg avec du biologging afin de retracer l’origine spatiale de la contamination hivernale au Hg. Nos résultats montrent une augmentation des concentrations de Hg suivant un gradient est-ouest nous permettant ainsi d’étendre les résultats des précédentes études concernant la période de reproduction à l’hiver et à l’ensemble des régions marines à l’échelle de l’Atlantique Nord - Arctique. Ainsi, les résultats du présent travail de thèse nous permettent de conclure qu’au-delà de leur migration, ce sont les zones de reproduction et d’hivernages des oiseaux marins arctiques qui conditionnent leur contamination au Hg
The Arctic, even far from intensive human activities, is contaminated by pollutants emitted at Northern mid-latitudes. Because of their physico-chemical characteristics, pollutants are transported over large distances through atmospheric or oceanic currents. Among them is mercury (Hg), a naturally occurring and non-essential trace element whose emissions increased since the 19th century because of human activities. This neurotoxic negatively impacts animals’ health and induces behavioral changes, reproduction issues and in the most extreme case, death. The marine environment is particularly sensitive to Hg, which incorporates the food chain (under is toxic and methylated form – MeHg) in which its concentration increases from one trophic level to the other (e.g. biomagnification process) and accumulates within organisms (e.g. bioaccumulation process). Hence, long-lived top predators like seabirds, found at the end of the food chain usually show some of the highest contamination to Hg. They are commonly and efficiently used as bio-indicators of the health of their environment. Most of the current knowledge about Hg contamination in Arctic seabirds focused on the breeding period during which Hg was found to spatially vary, with usually higher Hg concentrations in the Canadian Arctic. During this period, which represents a part of the year only, seabirds aggregate in colonies for reproduction where they are more easily accessible. However, at the end of this period, seabirds migrate to overwinter mostly in open seas, outside of the Arctic. A previous study on a little auk (Alle alle) population breeding in East Greenland found that Hg concentrations were higher during the non-breeding period than during the breeding period, with carryover effects on the following reproduction. In the present doctoral work, based on a multi-species and multi-colony approach, we studied winter Hg exposure and the role of seabird migration in their contamination to Hg at large spatial scale. We found a seasonality in Hg concentrations allowing us to extend the results found in little auks to several species and at a larger spatial scale. We also found that this seasonality was spatially different with some of the highest variations for seabirds breeding in the West Atlantic (West Greenland and Canadian Arctic). We therefore proposed that such variations were due to seabird’s migration and the areas they overwintered at. To test such hypotheses, we used seabirds as bio-indicators of winter Hg contamination through the North-Atlantic Arctic. More specifically, we combined Hg measurements with geolocators devices to track the spatial origin of winter Hg contamination. We found an east-west increase in Hg concentrations allowing us to extend the results found during the breeding period to the winter period, through the entire North-Atlantic Arctic marine region. Results of the present doctoral work allow us to conclude that beyond migration, seabird distribution during the breeding and non-breeding periods drive their contamination to Hg

L'interet de ce travail est d'etudier la fixation d'organismes marins developpes sur des produits chimiques et des materiaux a l'aide de bio-essais de criblage in vitro servant a eliminer les composes non actifs envers le fouling. Les tests se poursuivent avec l'immersion des produits dans un atelier sous-marin construit a cet effet. Enfin, un suivi en laboratoire permet d'evaluer le developpement des bacteries, des diatomees, la quantite de chlorophylles, la toxicite des produits, le relargage et l'installation du micro-fouling. Ces tests ont permis de mettre en evidence l'action antisalissure d'un compose nouveau, le chloro methyl octyl disulfide qui montre sur trois mois d'immersion, une activite antifouling plus importante que celle du tbtf avec une toxicite 100 fois inferieure et un coefficient de relargage raisonnable. Les effets du curcumin, du l-tryptophane et du lumichrome, ont ete suivis au cours d'essais en mer. Lors de tests de criblage in vitro, ces produits ont montre des actions pro-fouling : le curcumin augmente l'activite de fixation de filaments de byssus chez la moule, le l-tryptophane induit la fixation des larves de balanes et le lumichrome induit la metamorphose des larves d'ascidies. Les resultats obtenus en mer indiquent que ces produits n'ont pas agi comme promoteurs de la fixation de leur organisme cible, bien qu'une certaine action ait ete observee sur d'autres organismes. De nouveaux eco-ciments fabriques a base de cendres de dechets urbains incineres ont ete immerges. Le peuplement fixe, sa vitesse d'installation et la surface occupee par les organismes marins ont permis de developper des ciments soit a caractere antisalissure utilises dans la fabrication de digues ou de quais, soit qui n'empechent pas l'installation du fouling, employes lors du moulage des modules de constructions ecologiques sous-marines (cecosmes), appelees improprement recifs artificiels.

Depuis le début du 20e siècle, la température moyenne de l'air à la surface de l'Arctique a augmenté d'environ 2 à 3 °C. Cette augmentation rapide de la température entraine une diminution de l’étendue de la cryosphère arctique d'année en année. La fonte des glaces induit une augmentation de la turbidité et une diminution de la salinité des eaux côtières entraînant la modification des habitats naturels. De plus, avec le réchauffement en cours, l'Arctique côtier peu profond connaît une augmentation de la fréquence, de l'intensité et de la durée des vagues de chaleur marine. Tous ces changements peuvent avoir de profondes répercussions sur l’écosystème marin arctique, en affectant la distribution et le comportement des organismes qui y vivent. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser les effets du changement climatique sur les communautés benthiques de l'Arctique peu profond, en particulier les forêts de laminaires qui abritent une grande biodiversité. En modifiant la lumière, la sédimentation, l'abrasion physique et les courants de fond, les forêts de laminaires constituent un habitat, une source de nourriture et une zone de reproduction pour les poissons et les invertébrés. À court terme, l'augmentation de la turbidité de l'eau induite par la fonte des neiges et de la glace terrestre déclenchera un remodelage local des communautés en limitant l'expansion de certaines espèces mais en donnant à d'autres, un avantage concurrentiel, comme à Alaria esculenta dans les zones à faible lumière. À plus long terme, la fonte des glaciers et de la glace de mer élargira l'aire d'habitat potentielle des laminaires qui, comme le suggère ce travail de thèse, devraient être capables de résister à l'augmentation des températures, aux vagues de chaleurs marines, et à la diminution de la salinité et de la lumière sous-marine. Cependant, la disparition de la glace, en particulier des glaciers, qui servent d'habitats aux prédateurs au sommet de la chaîne trophique, pourrait entraîner le déclin de ces espèces cruciales régulant la diversité de l'écosystème et induire, comme à Tromsø mais aussi dans d'autres fjords norvégiens ou dans le sud-ouest de l'Alaska, une réduction significative des populations de laminaires en raison de surabondance d'herbivores, en particulier des oursins. Il est nécessaire d'approfondir les recherches sur les réponses des communautés côtières de l'Arctique afin d'affiner nos prédictions et de fournir des recommandations scientifiques solides pour la gestion des écosystèmes. Pour étudier les effets à long terme du changement climatique, des expériences ex situ s'étendant sur plusieurs mois et des programmes de surveillance in situ dans plusieurs endroits de l'Arctique apparaissent essentiels
Since the beginning of the 20th century, the average surface air temperature in the Arctic has risen by around 2 to 3°C. This rapid rise in temperature is leading to a year-on-year reduction in the extent of the Arctic cryosphere. Melting ice leads to increased turbidity and reduced salinity in coastal waters, resulting in changes of natural habitats. In addition, with ongoing warming, the shallow coastal Arctic is experiencing an increase in the frequency, intensity and duration of marine heat waves. All these changes can have profound repercussions on the Arctic marine ecosystem, affecting the distribution and behavior of the organisms that live there. The main aim of this thesis is to analyze the effects of climate change on benthic communities in the shallow Arctic, in particular kelp forests, which are home to a high level of biodiversity. By modifying light, sedimentation, physical abrasion and bottom currents, kelp forests provide a habitat, food source and breeding ground for fish and invertebrates. In the short term, the increase in water turbidity induced by melting snow and land ice will trigger a local remodeling of communities, limiting the expansion of some species but giving others a competitive advantage, such as Alaria esculenta in low-light areas. In the longer term, the melting of glaciers and sea ice will expand the potential habitat range of kelp which, as this thesis suggests, should be able to withstand rising temperatures, marine heat waves, and decreasing salinity and underwater light. However, the disappearance of ice, particularly glaciers, which serve as habitats for top predators, could lead to the decline of these crucial species regulating ecosystem diversity and induce, as in Tromsø but also in other Norwegian fjords or in south-west Alaska, a significant reduction in kelp populations due to an overabundance of herbivores, particularly sea urchins. Further research into the responses of Arctic coastal communities is needed to refine our predictions and provide sound scientific recommendations for ecosystem management. To study the long-term effects of climate change, ex situ experiments spanning several months and in situ monitoring programs in several Arctic locations appear essential

Le déplacement animal joue un rôle déterminant dans la structuration spatiale et la dynamique des populations biologiques, en particulier des espèces fortement mobiles. L’espace et l’environnement font ainsi partie intégrante du cycle de vie des tortues marines. Ce travail de thèse propose de caractériser l’écologie spatiale des tortues marines, du stade juvénile au stade adulte, dans le Sud-ouest de l’océan Indien, principalement par l’usage de deux méthodes : la télémétrie satellitaire et la modélisation individu-centrée. Il montre en premier lieu que la phénologie de la reproduction de la tortue verte à travers la région est principalement liée à la température de surface de la mer au voisinage des sites de reproduction. Sont ensuite étudiés les patrons de dérive des nouveau-nés générés par les courants océaniques qui impacteraient inégalement leurs traits d’histoire de vie selon l’emplacement du site de naissance. Concernant le stade immature, les résultats suggèrent un cycle de développement trans-équatorial pour la tortue caouanne dans l’océan Indien. Pour le stade adulte, cette étude caractérise les couloirs et la connectivité migratoires de la tortue verte dans la région. Enfin, l’intégration de ces résultats permet de comprendre la structuration des patrons migratoires régionaux et leur influence sur la dynamique des populations. L’ensemble des connaissances acquises fournit un support concret d’aide à la décision pour la mise en place de plans de gestion et de conservation des tortues marines dans le Sud-ouest de l’océan Indien. Cela souligne l’importance d’une approche à grande échelle pour la protection d’un patrimoine biologique partagé par plusieurs nations
Animal movement is crucial to the ecology of spatially structured population, particularly for highly mobile species. Marine turtles’ life cycle is indeed closely related to spatial and environmental factors. This work analyses the spatial ecology of marine turtles, from early juvenile to adult stages, in the Southwest Indian Ocean, primarily through the use of two methods: satellite tracking and individual-based modeling. Firstly, this analysis argues that green turtle’s reproductive phenology across the region is mainly related to the sea surface temperature in the vicinity of the nesting site. Then, it shows how drifting trajectories of hatchlings in oceanic currents unevenly influence their life history traits depending on the position of the natal site. By tracking late juvenile stage, this work also suggests a trans-equatorial developmental cycle for loggerhead turtle in the Indian Ocean. At adult stage, it describes migratory corridors and connectivity for green turtle across the region. Finally, an integrative approach considering all these results allows for an understanding of the regional migratory patterns and their influence on population dynamics. The results of this work provide a practical policy decision tool for management and conservation of marine turtles in the Southwest Indian Ocean and highlight the need for a large-scale approach in the protection of biological resources and heritage shared by multiple nations

La distribution et l’abondance des poissons sont largement déterminées par les interactions trophiques et les conditions environnementales. Les changements climatiques en Arctique constituent des modifications environnementales majeures susceptibles d’influencer le succès des espèces. Au sein du réseau trophique pélagique de l’Arctique canadien, la morue arctique (Boreogadus saida) assure la majeure partie des flux de carbone entre la production zooplanctonique et les prédateurs supérieurs. Cependant, l’écologie des stades adultes de cette espèce clé reste très mal connue. Ce manque de connaissances est largement imputable aux difficultés d’échantillonnage dans les conditions extrêmes de l’océan Arctique. L’acoustique sous-marine a été utilisée dans cette thèse, en couplage avec des données d’océanographie physique et biologique, afin d’améliorer les connaissances sur l’écologie de la morue arctique en mer de Beaufort. Une série temporelle hivernale acquise à une station fixe de 230 m de profondeur en baie de Franklin a permis de percer l’écologie hivernale de la morue arctique. L’étude à l’échelle saisonnière a montré que sous le couvert de glace, la morue arctique se maintenait dans la partie inférieure de la colonne d’eau, et était associée à l’halocline pacifique. Les estimations de biomasses ont progressivement augmenté à partir de la fin janvier (10 g m–3) pour atteindre des valeurs maximum en avril (2673 g m–3). Cette accumulation de morue arctique résulte probablement d’une advection passive dans les eaux de talus. L’étude à l’échelle journalière a mis au jour l’existence de migrations verticales journalières de la morue arctique, déclenchées par le taux de changement de lumière. La migration nocturne d’une partie de la population vers la surface reflète un comportement adopté par les plus petits individus pour s’alimenter en réduisant à la fois la compétition avec les plus grands individus et le risque de prédation par les phoques. Enfin, l’étude de la distribution spatiale avant la consolidation de la banquise a montré que la morue arctique se concentrait sur les talus (isobathes 150 à 600 m) du plateau du Mackenzie et du golfe d’Amundsen. Les densités étaient plus faibles (< 1 g m–3) que dans l’agrégation hivernale et constituaient probablement la source de l’agrégation détectée en baie de Franklin. Cette thèse a permis de caractériser l’habitat de la morue arctique et les interactions trophiques qui déterminent son comportement. Les estimations de biomasses ont confirmé l’importance de cette espèce dans le réseau trophique pélagique de l’Arctique.
Distribution and abundance of fish are greatly determined by trophic interactions and environmental conditions. Climate change in the Arctic constitutes major environmental modifications likely to influence the success of species. Within the pelagic trophic web of the Canadian Arctic, Arctic cod (Boreogadus saida) makes the most part of carbon fluxes between zooplanktonic production and top predators. However, the ecology of adult stages of this key species remains poorly known. This lack of knowledge is mostly attributable to sampling difficulties in the extreme conditions of the Arctic Ocean. Marine acoustics were used in this thesis, coupled with physical and biological oceanographic data, in order to improve the knowledge about Arctic cod’s ecology in the Beaufort Sea. A winter time series collected at 230 m deep fixed station in Franklin Bay enabled to uncover winter ecology of Arctic cod. The seasonal scale study showed that under the sea-ice cover, Arctic cod maintained in the lower half of the water column, and was associated with Pacific halocline. Biomass estimates progressively increased from late January (10 g m–3) to reach maximum values in April (2673 g m–3). This Arctic cod accumulation probably resulted from a passive advection within slope waters. The daily scale study revealed the existence of diel vertical migrations of Arctic cod, triggered by the rate of change in light intensity. The nocturnal migration of a part of the population toward surface reflects a behaviour adopted by smaller individuals to feed, reducing at the same time competition with larger individuals and predation by seals. Finally, the study of spatial distribution prior to sea-ice consolidation showed that Arctic cod concentrated on slopes (isobaths 150 to 600 m) of Mackenzie shelf and Amundsen Gulf. Densities were lower (<1 g m –3) than in the winter aggregation and likely constituted the source for the aggregation detected in Franklin Bay. This thesis enabled to characterize the habitat of Arctic cod and trophic interactions that determine its behaviour. Biomass estimates confirmed the importance of this species in the pelagic food web of the Arctic.

L'écosystème océanique Néo-Calédonien dans le Pacifique sud-ouest contient une forte diversité de prédateurs, comme les oiseaux marins ou les cétacés. La récente création du Parc naturel de la mer de corail a ouvert un besoin d'informations solides sur le fonctionnement de cet écosystème remarquable, notamment sur la dynamique du micronecton (organismes entre 1 et 20cm constituant la nourriture des prédateurs supérieurs) et de son rôle central dans les réseaux alimentaires, d'autant plus que ce maillon est le plus méconnu. Dans ce contexte, cette thèse a montré une forte influence de l’environnement sur sa distribution spatiale et saisonnière avec en moyenne plus de micronecton dans le sud que dans le nord, et plus en hiver qu’en été. Les espèces composant le micronecton sont plus riches en crustacés au nord en céphalopodes et poissons au sud. L’abondance de micronecton aurait tendance à diminuer sous l’influence du changement climatique. Enfin, nous avons montré que la répartition spatiale de ce groupe influençait la présence de six groupes de prédateurs : thon jaune, thon germon, dorade coryphène, dauphins, puffin et fou à pieds rouges
The New Caledonian pelagic ecosystem in the southwest Pacific contains a high diversity of predators, such as seabirds and cetaceans. The recent creation of the Natural Park of the Coral Sea created a need for solid information on the functioning of this remarkable ecosystem, particularly on the dynamics of the micronecton (organisms between 1 and 20 cm constituting food of top predators) and its central role in food webs, especially since is the most poorly understood. In this context, this PhD showed a strong influence of environment on its spatial and seasonal distribution with on average more micronekton in the south than in the north, and more in winter than in summer. The species composing the micronecton are riche in crustaceans in the north and in cephalopods and fish in the south. The micronecton abundance would tend to decrease under the influence of climate change. Finally, we showed that the spatial distribution of this group influenced the presence of six groups of predators: yellowfin tuna, albacore tuna, dolphin, dolphin, shearwater and red-footed body

À l'interface bentho-pélagique, les herbiers marins présentent une multitude de rôles écosystémiques. Historiquement, les scientifiques et décideurs de La Réunion se sont focalisés sur l'écosystème récifal. Néanmoins, des prairies monospécifiques à Syringodium isoetifolium sont présentes de manière pérenne (3 hectares) au sein du complexe récifal de l'Ermitage / La Saline (côte ouest). L'objectif principal de cette étude était d'apporter les premières données sur l'écologie de ces herbiers marins. Ainsi, une approche pluridisciplinaire a été développée : 1. L'étude de la dynamique spatiale du paysage herbier sur 65 ans (dès 1950), et à l'échelle saisonnière (2013-2015) qui a permis de définir le rôle majeur des forçages hydrodynamiques et de l'eutrophisation. 2. L'analyse de la productivité de l'écosystème herbier et sa réponse métabolique face à des apports nutritifs, révèle des bilans métaboliques opposés (autotrophie/hétérotrophie) en fonction des conditions environnementales, ainsi qu'un rôle de tampon sur les flux de nutriments. 3. Des analyses isotopiques (δ13C et δ15N) ont permis d'identifier les sources de matière entrant dans l'écosystème et alimentant les réseaux trophiques associés aux herbiers. L'étude a permis d'établir un lien trophique entre Holothuria leucospilota et les herbiers marins ainsi qu'un rôle essentiel dans le maintien des populations de poisson herbivores récifaux. 4. Des enquêtes locales ont révélé une méconnaissance de cet écosystème malgré leur potentiel économique et écologique. À la lumière de ces travaux de thèse, la prise en considération des herbiers marins dans la gestion du milieu marin réunionnais est nécessaire
Located at the benthos-pelagos interface, seagrass beds have many ecosystemic roles such as coastal protection or biodiversity. Historically, scientists and decision-makers at Reunion Island have been focusing on reef ecosystems. However, for several decades, monospecific (Syringodium isoetifolium) seagrass beds have been observed (3 hectares – 2013) within Ermitage / La Saline reef (West coast). The main objective of this study was to give the first data on seagrass ecology at Reunion Island. Therefore, a multi-disciplinary study was developed. First, seascape ecology of seagrasses is analyzed at decadal (since 1950) and seasonal scales (2013-2015). Physical settings (swell) and eutrophication were driving factors on the spatial dynamics of seagrass beds. Second, seagrass community metabolism and response to nutrient loads (nitrate and phosphate) show variations in metabolic budget (autotrophy to heterotrophy) and make seagrass beds a nutrient sink following the environmental conditions. Third, stable isotope analysis (δ13C and δ15N) identified sources of particulate matter entering the ecosystem and fueling food webs. The trophic roles of seagrass beds are assessed for echinoderm and herbivorous fish communities. This study highlighted a trophic link between seagrass and Holothuria leucospilota, and proved some species to be heavily dependent on seagrass ecosystem (Leptoscarus vaigiensis, Siganus sutor). Finally, interviews showed a lack of knowledge about this ecosystem despite crucial economic and ecologic roles. Considering their major functions, seagrass beds have to be considered in future management of the coastal marine systems at Reunion Island

Notre travail avait pour objectif d'apporter une contribution à l'amélioration des connaissances de l'environnement marin arctique. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à l'étude des structures océaniques de surface, à la fois biologiques et physiques, dans les mers de Barents et de Kara, ainsi que dans la partie sud-est de la mer de Barents, à partir de l'imagerie spatiale opérant dans le domaine du visible, du proche infrarouge et de l'infrarouge thermique. Des mesures in situ nous ont permis de valider les algorithmes utilisés pour le traitement des images et de nous guider pour l'interprétation de celles-ci. Nous avons montré quelles étaient les zones apparemment les plus productives sur le plan de la production primaire et à quelle période de l'année se produisait l'efflorescence phytoplanctonique. Nous avons aussi mis en évidence les principaux fronts thermiques et hydrologiques, les directions suivies par les glaces de mer, leur relation avec les courants de surface, ainsi que le transport des sédiments et des polluants au débouché des fleuves sibériens. L'objectif sous-jacent à notre travail était de déterminer quelles étaient les régions les plus sensibles et les plus exposées à une éventuelle pollution du milieu marin. Au terme de ce travail, nous constatons que deux régions sont particulièrement vulnérables. Au nord de la mer de Barents, la zone de la lisière des glaces abrite un écosystème particulièrement important pour l'ensemble de la chaine alimentaire arctique ; une quelconque pollution dans cette région pourrait, selon son occurrence, avoir des conséquences désastreuses, en raison de l'intensité et de la brièveté de la floraison phytoplanctonique. La partie sud-est de la mer de Barents, qui abrite elle aussi de nombreuses espèces animales, et où circulent des masses d'eau et des glaces potentiellement contaminées, constitue la deuxième zone à risques. Il serait donc souhaitable de porter les efforts de recherche sur l'étude de ces deux régions, qui, outre leur richesses biologique, suscitent des intérêts croissants de la part des compagnies pétrolières en raison des réserves importantes du sous-sol en hydrocarbures et gaz naturel
The overall objective of our work was to improve the knowledge of the arctic marine environment. Using satellite remote sensing operating in the visible, near infrared and thermal infrared, we studied oceanic surface structures over the Barents and Kara seas, as well as in the southern part of the Barents sea. In situ measurements obtained from oceanographic campaigns allowed us to validate the algorithms we used for image processing and helped us in analyzing the images. We studied both biological and physical oceanic structures. Concerning primary production, we showed in which areas and when phytoplanktonic bloom start to develop. We also emphasized the areas where thermal and hydrological fronts appear, sea ice drift and its relationship to surface currents, as well as the transport of sediments and associated pollutants by rivers and their outflow distribution patterns into the sea. The final goal of our work was to outline which areas of the eurasiatic arctic seas are the most sensitive and exposed if a pollution should occur. We finally concluded that two areas were particularly vulnerable: the marginal sea ice zone in the northern Barents sea that supports large part of the phytoplanktonic ecosystem, source of the food chain. Due to the intensity and very short timing of the phytoplanktonic bloom in that area, a pollution could have serious consequences there. Important exchange of water masses and ice, potentially contaminated, occur in the southeastern part of the Barents sea, which constitute a large refuge for marine mammals and migratory birds. Concerns about oil and natural gas exploitation should lead future investigations to focus on monitoring of both areas

Intégrer les connaissances sur la connectivité écologique dans la gestion des écosystèmes marins est essentiel, surtout dans un contexte d'appauvrissement des ressources marines et de dégradation des habitats côtiers à l'échelle mondiale. Des outils environnementaux, tels que les Aires Marines Protégées ont été mises en œuvre pour protéger la biodiversité, restaurer les écosystèmes endommagés, soutenir les pêcheries et reconstituer les stocks surexploités. Leur efficacité dépend en partie du maintien de la connectivité entre les populations marines, assurée à travers divers processus écologiques dont la dispersion larvaire. Dans le cadre de ce travail de thèse, un modèle biophysique intégrant des données de courants, issues de mesures d'altimétrie par satellite, a été utilisé pour évaluer la connectivité entre les récifs de l'océan Indien d'une part, et à travers le réseau d'AMP de Méditerranée d'autre part. Différentes méthodes d'analyse ont été utilisées, telles que la théorie des graphes et le clustering. Dans l'océan Indien occidental, l'analyse des connectivités marines montre que le nombre de connexions entre les récifs augmente avec la durée de vie larvaire des poissons. Elle met également en évidence une faible connectivité à l'échelle de la région, mais une forte inter-connectivité au sein de plusieurs sous-régions (Canal du Mozambique, Mascareignes). En Méditerranée, la connectance est globalement faible à l'échelle régionale, bien que plus importante dans le bassin occidental que le bassin oriental. L'analyse des connectivités marines montre également un taux de connectivité élevé à l'échelle d'un même pays. Selon le cas d'étude, une liste de récifs ou de sites prioritaires dans la mise en œuvre des AMP a été proposée. Enfin, les implications de ces résultats en termes de politiques transfrontalières et de coopération régionale sont discutées
Integrating ecological connectivity into marine ecosystem management and planning is important, especially in a global context of severe fish stocks depletion and growing habitat degradation. Environmental tools such as Marine Protected Areas have been proposed to protect biodiversity, restore damaged ecosystems, sustain fisheries, and rebuild overexploited stocks. The effectiveness of marine protected areas depends in part on the maintenance of connectivity between marine populations, linked by ecological processes such as larval dispersal. In this thesis, we applied a biophysical model driven by ocean currents derived from satellite altimetry to evaluate connectivity between Western Indian Ocean reefs and across the current MPA system in the Mediterranean Sea. We applied different methods of analysis such as graph-theoretic and clustering. In the Western Indian Ocean, marine connectivity analyses show that the number of connections between reefs increases with fish pelagic larval duration. It also highlights a low connectivity across the region and a high interconnectivity within several regions (Mozambique Channel, Mascarene archipelago). In the Mediterranean Sea, connectance is globally low at the regional scale. This connectance is more important in Western than Eastern Mediterranean. Moreover, the marine connectivity analyses revealed high domestic connectivity rates. Depending on the study area, priority reefs or sites for MPA implementation are proposed. Finally, implications for transboundary marine policies and regional cooperation are discussed

L'océan Indien Sud abrite une riche diversité de milieux océaniques, de communautés pélagiques et de populations de prédateurs qui ont récemment abouti à des zones de conservation et un classement au patrimoine mondial de l'UNESCO. Cependant, des populations de prédateurs de la région ont montré des signes de déclin, probablement liés aux effets du changement climatique et à la dynamique de leurs proies. Ces dernières sont principalement composées de zooplancton et de micronecton, qui occupent une place centrale dans les écosystèmes marins en influençant les cycles biogéochimiques et le transfert d'énergie et de biomasse le long du réseau trophique. Cependant, l'étude de leur structuration est complexe en raison de leur distribution en profondeur dans la zone mésopélagique (200-1000 m) et de leurs migrations verticales quotidiennes, en faisant l’une des zones les moins connues à l'échelle globale. Dans cette thèse, nous utilisons l'acoustique active, qui permet de suivre ces organismes avec une haute résolution spatiale et verticale, pour étudier la structuration des écosystèmes mésopélagiques dans deux systèmes océaniques contrastés. Nous avons d'abord examiné leur réponse dans une zone de transition entre ces océans, dans la région des îles Saint-Paul et Amsterdam. Nos résultats indiquent que les migrations nycthémérales sont le principal facteur structurant verticalement les organismes pélagiques, même dans une zone de transition marquée. Trois régions ont été identifiées, cohérentes spatialement et partageant des caractéristiques environnementales et acoustiques communes. L'observation à 38 kHz (couramment utilisée en hydroacoustique) a confirmé une activité biologique accrue dans la zone subtropicale et un minimum dans la zone subantarctique. Cependant, nos analyses révèlent également une réponse acoustique distincte en fonction de la fréquence acoustique considérée, en termes de structuration verticale et de biomasse intégrée. De plus, les faibles niveaux mesurés dans l'océan Austral semblent ne pas correspondre aux fortes biomasses consommées par les importantes populations de prédateurs marins de cette région. Ces observations mettent en évidence un problème de résonance acoustique pour l'étude de ces organismes. Pour étudier ce phénomène, notre seconde étude s'est focalisée sur la structuration des communautés mésopélagiques à l'échelle régionale, proposant une classification des paysages acoustiques à deux fréquences permettant de sonder jusqu'à 1000 m de profondeur. Quatre régions spatialement cohérentes ont été identifiées en se basant sur la combinaison de la structuration verticale aux deux fréquences considérées. Les résultats de cette étude révèlent une inversion de la dominance de la réponse acoustique entre le 38 et le 18 kHz au niveau du front subantarctique, confortant l'hypothèse d'un changement de communauté à ces latitudes, et questionnent l'utilisation du 38 kHz comme descripteur des communautés mésopélagiques. Les données acoustiques étant complexes (potentiellement multivariées, en quatre dimensions, et aux portées verticales distinctes), les travaux présentés dans cette thèse ont également contribué au développement de méthodes d'analyse fonctionnelle permettant de concilier la variabilité horizontale, verticale et temporelle de ces écosystèmes. La gestion des écosystèmes marins nécessitant une compréhension des dynamiques de ces systèmes et de la structuration des communautés qui les composent, nos travaux ont également eu des échos en conservation marine; au niveau national, en contribuant au dossier d'extension de la réserve naturelle des îles Saint-Paul et Amsterdam, puis international en contribuant à l'écorégionalisation de la zone pélagique de la région subtropicale et subantarctique de l'océan Indien Sud
The Southern Indian Ocean hosts diverse oceanic environments, pelagic communities, and predator populations that have recently led to the establishment of conservation areas and UNESCO World Heritage recognition. However, predator populations in this region have displayed signs of decline, likely attributed to the impacts of climate change and prey dynamics. These prey populations consist predominantly of zooplankton and micronekton, playing a crucial role in marine ecosystems by influencing biogeochemical cycles and the transfer of energy and biomass along the trophic web. Nevertheless, the study of their structuring is intricate due to their deep distribution in the mesopelagic zone (200-1000 m) and their daily vertical migrations, making it one of the least explored areas on a global scale. In this thesis, we employ active acoustics, which provides high spatial and vertical resolution for tracking these organisms, to investigate the structuring of mesopelagic ecosystems in two contrasting oceanic systems. We initially examined their responses in a transition zone between these oceans, within the Saint-Paul and Amsterdam Islands region. Our findings indicate that nycthemeral migrations are the primary factor vertically structuring pelagic organisms, even within a pronounced transition zone. Three spatially coherent regions were identified, sharing common environmental and acoustic features. Observations at 38 kHz (commonly used in hydroacoustics) confirmed increased biological activity in the subtropical zone and a minimum in the subantarctic zone. However, our analyses also reveal a distinct acoustic response based on the acoustic frequency considered, in terms of vertical structuring and integrated biomass. Additionally, the low levels measured in the Southern Ocean appear inconsistent with the high biomasses consumed by the large marine predator populations in this region. These observations highlight an acoustic resonance issue in the study of these organisms. To investigate this phenomenon, our second study focused on the structuring of communities at a regional scale, proposing a two-frequency acoustic landscape classification, both probing depths of up to 1000 m. Four spatially coherent regions were identified based on the combination of vertical structuring at the two considered frequencies. The results of this study reveal a shift in the dominance of acoustic responses between 38 and 18 kHz at the subantarctic front, supporting the hypothesis of a community change at these latitudes and raising questions regarding the use of 38 kHz as a descriptor for mesopelagic communities. Given the complexity of acoustic data (potentially multivariate, with distinct vertical ranges, and four-dimensional), the work presented in this thesis also contributed to the development of functional analysis methods to reconcile the horizontal, vertical, and temporal variability of these ecosystems. As marine ecosystem management requires an understanding of the dynamics of these systems and the structuring of the communities within them, our work has also had implications in marine conservation. At the national level, it contributed to the extension of the Saint-Paul and Amsterdam Islands Nature Reserve, and at the international level, it contributed to the ecoregionalization of the pelagic zone in the subtropical and subantarctic region of the South Indian Ocean

Les cétacés grands plongeurs, cachalots Physeteridae et Kogiidae, et baleines à bec Zipiidae, sont des espèces marines rares. Leur faible densité, aire de distribution étendue et faible disponibilité en surface génèrent de faibles taux d’observations. Cette particularité constitue un défi pour la modélisation d’habitat de ces espèces, préalable à leur conservation. Les modèles doivent gérer l’abondance de zéros qui limitent leur capacité à inférer des résultats écologiquement cohérents. Cette thèse vise donc à trouver une méthodologie adaptée aux jeux de données abondants en zéros, à déterminer comment les variables environnementales influencent la distribution des grands plongeurs et à prédire les zones potentielles qu’ils utilisent. Tester la capacité de prédiction de différents modèles d'habitat confrontés à un nombre décroissant d’observations a permis de souligner la pertinence d’un modèle, même si un minimum de 50 observations est nécessaire pour fournir des prédictions fiables. Des données issues de différentes campagnes visuelles ont été assemblées afin de produire les premières cartes de densités de grands plongeurs à l’échelle de l’océan Atlantique Nord et la mer Méditerranée. Les densités les plus élevées sont prédites dans les eaux entre 1500 et 4000 m de profondeur et près des fronts thermiques, particulièrement le long des pentes continentales et à l'ouest de l'océan Atlantique Nord. Par ailleurs, l’analyse de la transférabilité des modèles a montré une variation des habitats préférentiels en fonction des écosystèmes. Finalement, cette thèse permet de discuter les défis de la modélisation statistique appliquée aux espèces rares et les applications de gestion associées
Deep-diving cetaceans, sperm- and beaked whales Physeteridae, Kogiidae and Ziphiidae, are rare marine species. Due to their low densities, wide distribution ranges and limited presence at the water surface, visual surveys usually result in low sighting rates. This paucity of data challenges the modelling of their habitat, prerequisite for their conservation. Models have to cope with a great number of zeros that weakens the ability to make sound ecological inferences. Consequently, this thesis aimed at finding a methodology suitable for datasets with a large number of zeros, determining how environmental variables influence deep-diver distributions and predicting areas preferentially used by these species. By testing the predictive performance of various habitat models fitted to decreasing numbers of sightings, I selected the most suitable model and determined that at least 50 sightings were needed to provide reliable predictions. However, individual surveys can rarely provide sufficient deep-diver sightings thus I merged many visual survey datasets to produce the first basin-wide deep-diver density maps in the North Atlantic Ocean and the Mediterranean Sea. Highest densities were predicted in waters from 1500-4000 m deep and close to thermal fronts ; hotspots were predicted along the continental slopes, particularly in the western North Atlantic Ocean. In addition, a model transferability analysis highlighted that habitat drivers selected by the models varied between contrasted large ecosystems. Finally, I discussed challenges related to statistical modelling applied to rare species and the management applications of this thesis

Les écosystèmes marins des hautes latitudes méridionales (HLME) sont très sensibles au changement climatique, ayant un impact sur les processus physiques, chimiques et biologiques. Cependant, leur rôle important dans la modulation du climat et la circulation des masses d'eau contraste avec le nombre relativement faible d'études sur leur fonctionnement. Relativement peu d'études sur la structure de la communauté bactérioplanctonique ont été rapportées pour le sud de la Patagonie chilienne et pour l'océan Austral (SO) à grande échelle, et aucune n'a ciblé la fraction active de la communauté bactérioplanctonique. Nous avons utilisé le séquençage de l'ARNr 16S pour analyser et décrire la structure communautaire des communautés bactérioplanctoniques actives dans le sud de l'HLME. L'objectif principal de cette thèse était de caractériser la diversité et l'abondance des communautés de bactérioplancton le long de gradients environnementaux et géographiques dans le sud de HLME. Tout d'abord, nous avons cherché à savoir si les fjords voisins du sud de la Patagonie chilienne, avec un climat et une localisation similaires mais des apports d'eau douce différents, présentaient des communautés différentes. Deuxièmement, nous avons étudié les changements interannuels subis par la communauté bactérioplanctonique du fjord de Yendegaia. Troisièmement, nous avons examiné la structure spatiale à grande échelle de la communauté bactérioplanctonique le long d'un transect traversant le secteur Pacifique du SO. Nos résultats montrent que les communautés bactérioplanctoniques du pôle sud sont structurées en fonction de paramètres physiques, chimiques et biologiques caractéristiques de la zone. De plus, nous avons également démontré que les changements des paramètres environnementaux, spatiaux et temporels affectent la structure des communautés bactérioplanctoniques. Ainsi, nous soulignons l'importance des études d'écologie microbienne dans les zones sensibles au changement climatique global comme le sud de l'HLME
Southern high latitudes marine ecosystems (HLME) are highly sensitive to climate change, impacting physical, chemical, and biological processes, however, their prominent role in climate modulation and water masses circulation, contrast with the relatively low number of studies on their functioning. Relatively few studies on bacterioplankton community structure have been reported for southern Chilean Patagonia and for the Southern Ocean (SO) on a large scale, and none have targeted the active fraction of the bacterioplankton community. We used 16S rRNA sequencing to analyze and describe the community structure of the active bacterioplankton communities in southern HLME. The main objective of this thesis was to characterize de diversity and abundance of bacterioplankton communities along environmental and geographical gradients in southern HLME. First, we investigated whether nearby fjords of the southern Chilean Patagonia, with similar climate and location but different freshwater inflows, had different communities. Second, we investigated interannual changes experienced by the bacterioplankton community of the Yendegaia fjord. Third, we examined the large-scale spatial structure of the bacterioplankton community along a transect across the Pacific sector of the SO. Ours results show that southern polar bacterioplanktonic communities are structured according to physical, chemical, and biological parameters characteristic of the area. In addition, we also demonstrated that changes in environmental, spatial, and temporal parameters affect the structure of bacterioplanktonic communities. Thus, highlighting the importance of microbial ecology studies in areas sensitive to global climate change such as southern HLME

La biosphère marine joue un rôle fondamental dans la dynamique du Système Terre (cycle du carbone, composition atmosphérique, etc.) et rend un certain nombre de services essentiels à l’humanité (pêcheries, séquestration du carbone notamment). Sa vulnérabilité aux changements globaux (changement climatique, exploitation croissante des ressources naturelles et pollution en particulier) rend nécessaire et urgente l’anticipation de ses évolutions possibles. Dans cette perspective, il s’agira dans cette thèse d’étudier comment les écosystèmes marins sont structurés par leur environnement et comment cette structuration peut influer sur leur fonctionnement jusqu'à l’échelle de l’océan global. Dans un premier temps un cadre de modélisation a été développé pour prendre en compte l'impact de l'environnement des individus aux populations aux communautés. Il est basé sur un modèle de spectre de biomasse représentant les communautés de poisson en utilisant seulement la taille des individus et la taille maximum des espèces comme variables. Issu d'un modèle détaillé par Maury O. & Poggiale J.C. (2013) il est implémenté pour la représentation d'une communauté de poisson générique. Des indicateurs de structure, diversité et métabolisme sont développés pour étudier les écosystèmes ainsi représentés. Une fois le cadre méthodologique définit le modèle est utilisé pour l'étude idéalisée des propriétés du spectre de biomasse contraint par des conditions environnementales variables. L'impact de la variation de production primaire ainsi que la variation de température du milieu sont plus particulièrement étudiés. Tout d'abord en statique, c'est à dire en imposant différents niveaux constants. Indépendamment du forçage les communautés ont des propriétés similaires en augmentant la production primaire, en diminuant la température du milieu. Quatre domaines se succèdent en augmentant la production primaire, diminuant la température, à l'intérieur desquels les communautés de poissons ont des caractéristiques similaires. Les différentes propriétés dans les différents domaines induisent diverses sensibilités des écosytèmes à des niveaux de production primaire et/ou température distincts. Afin de lier les résultats de ces expériences numériques à la réalité, les propriétés des écosystèmes à différentes latitudes sont simulées. Le spectre de communauté est calculé le long d'une section latitudinale de l'équateur au pôle en forçant avec des niveaux moyens de production primaire et température. Les propriétés des écosystèmes ainsi représentés éclairent sur l'observation de tailles d'espèces croissantes de l'équateur aux pôles, la règle de Bergmann. Après ces résultats pour des spectres statiques, les propriétés dynamiques des spectres de communauté sont étudiées par l'étude de la saisonnalité. En forçant les communautés à différentes latitudes par un cycle saisonnier de production primaire et température, la succession d'espèces au sein de celles-ci joue un rôle sur les propriétés des communauté. Des pôles à l'équateur cette succession est plus ou moins marquée et impact la capacité des écosystème à maintenir les espèces les plus larges tout au long de la période de basse production entre deux blooms. Une fois les propriétés du spectre de biomasse évaluées de façon idéalisée, le modèle est implémenté dans le modèle d'écosystème APECOSM afin de prendre en compte les interactions spatiales et les interactions avec l'habitat. Appliqué à l'échelle de l'océan global et forcé par les champs physiques et biogeochimiques du modèle NEMO-PISCES il permet la modélisation des caractéristiques des écosytèmes en fonction de leur environnement. Différentes caractéristiques connues des écosystèmes marins sont reproduites, notamment la règle de Bergmann. Les modèles actuels décrivant le fonctionnement des écosystèmes marins ne comportent que des représentations très simplifiées de la biodiversité
The marine biosphere plays a fundamental role in the earth system dynamics (carbon cycle, atmosphere composition, etc.) and provides numerous essential services to humanity (fisheries, carbon sequestration). Its vulnerability to global change (climate change, growing exploitation of natural resources, pollution) makes the study of its evolutions imperative. In this framework, the aim of this thesis is the study of the structuring of the marine biodiversity by hydro-climatic variability of the global ocean, as well as how this structuring impacts on the ecosystems functioning. First, a modelling framework is developed to account for the impact of environment from individuals to populations to communities. It is based on a biomass size spectrum model which represents fish communities with individuals size and species maximum length as only variables. Detailed in Maury O. & Poggiale J. C. (2013) the model is implemented to represent a generic fish community. Indicators of structure, diversity and metabolism are developed to study so represented ecosystems. Once the methodogical framework defined the model is used for the idealized study of the biomass size spectrum properties when constrained with different environmental conditions. The impact of distinct constant primary production and temperature levels are investigated. First the static impact, forcing ecosystems with constant levels. Communities present similar properties for increasing primary production or decreasing water temperature. A succession of four domains characterized by similar fish community features are observed with increasing primary production, decreasing temperature. These distinct charateristics will induce distinct sensitivities of ecosystems function of the level of primary production or temperature. In order to link the results of these numerical experiments to reality the properties of ecosystems along latitudes are also computed. The community biomass spectrum is simulated along stations at different latitudes from pole to equator forcing with mean primary productions and temperatures. The properties of so represented communities enlight the observation of increasing species length with latitude, the so called Bergmann's rule. After the results for static spectra, the dynamic properties of fish community spectra are analyzed through the seasonality. Forcing communities at different latitudes with a seasonal primary production and temperature cycle a more or less strong species sucession is observed. The succession impacts the capacity of communities to maintain larger species during the bad season of poor conditions between two peaks of primary production. Once the properties of the biomass community spectrum investigated in an idealized manner, the model is implemented in the ecosystem model APECOSM in order to account for the spatial interactions and the link with habitat. Applied in the global ocean and forced with physical and biogeochemical NEMO-PISCES domains the model allows the modelling of ecosystems characteristics. Different known characteristics of marine ecosystems are reproduced, especially Bergmann's rule. The current models describing marine ecosystems provide a simplified representation of biodiversity (e.g. NPZD type biochemical models, Ewe or Atlantis type box models, OSMOSE and APECOSM type models). It induces a limitation of their use in the study of the impact of climate change on biodiversity and reversely; for the study of the impact of biodiversity changes on the functioning of ecosystems. The model we describe mechanistically allows the representation of the dynamic of ecosystems from individual bioenergetic and predation interactions while keeping diversity

Pour comprendre le fonctionnement d'un écosystème, il est essentiel de comprendre l'organisation du réseau trophique associé. Dans les eaux océaniques du sud-ouest de l'océan Indien (10-60°S, 35-90°E), si la répartition de la production primaire et la distribution des prédateurs supérieurs sont bien connues, un manque de connaissance demeure en ce qui concerne la distribution des différents organismes composant l'échelon trophique intermédiaire et ce, malgré leur importance écologique (pompe biologique et rôle trophique clé) et potentiellement économique (ambitions de pêche dans un futur proche). Pour combler ce manque, ce travail de thèse s'est concentré sur les distributions horizontale et verticale et la composition des organismes micronectoniques de cette région. La distribution du micronecton a donc été étudiée à méso- et large-échelle à partir d'enregistrements acoustiques (38 kHz). En termes de distribution verticale, une structuration en trois couches principales a été mise en évidence ; l'intensité et l'épaisseur de ces couches variant selon la période du jour (migrations nycthémérales) et les conditions océaniques (tourbillons océaniques à méso-échelle et fronts océaniques à large-échelle). En ce qui concerne la distribution horizontale, le sud-ouest de l'océan Indien a été caractérisé par des eaux (10 – 800 m) plus riches aux latitudes subtropicales, en été comme en hiver. Mais chaque type d'organisme ayant ses propres caractéristiques écologiques, il était important de pouvoir décrire les distributions propres à chaque groupe biologique composant ce micronecton. Une approche acoustique bifréquence (38 et 120 kHz) a permis de distinguer les crustacés micronectoniques des petits poissons mésopélagiques contenant une vessie natatoire gazeuse dans les eaux est de Kerguelen. En termes de distribution horizontale et de densité globale estimée, les crustacés micronectoniques dominaient les eaux océaniques à l'est de Kerguelen. Sur la verticale, deux types de structuration ont été mis en évidence : une structure agrégative et une structure en couches. Les crustacés micronectoniques ont été caractérisés par une structuration en couches, de jour comme de nuit, alors que les autres organismes sondés (les poissons ayant une vessie natatoire gazeuse notamment) présentaient une structuration mixte composée d'agrégats et de couches le jour et composée uniquement de couches la nuit. En résumé, l'approche acoustique utilisée dans ce travail a permis de décrire la distribution et la composition des organismes micronectoniques et fournit une base descriptive essentielle sur le micronecton du sud-ouest de l'océan Indien
To understand the functioning of an ecosystem, it is essential to understand the organization of its associated food web. While the distribution of primary production and top predators in the Southwest Indian Ocean's oceanic waters (10-60 ° S, 35-90 ° E) are well known, a lack of knowledge remains regarding the distribution of mid-trophic level organisms, despite their ecological (biological pump and key trophic role) and potentially economic (commercial fisheries in the near future) importance. To fill this gap, this work focused on the horizontal and vertical distribution and composition of micronektonic communities in this region. Micronekton comprises relatively small organisms (1 to 20 cm long) able to swim freely without being unduly affected by currents. Micronekton distributions have been studied at meso- and large-scale using acoustic recordings (38 kHz). A vertical structure in three layers has been identified ; the intensity and thickness of these layers vary depending on the considered time period (diel migration) and ocean conditions (meso-scale oceanic eddies and large-scale oceanic fronts). Horizontaly, the Southwestern Indian Ocean harbours the richest waters (10-800 m) in subtropical latitudes in summer and winter times. Since every organism has its own ecological characteristics, it was important to separatly describe the distribution of biological groups composing micronekton. A bi-frequency acoustic approach (38 and 120 kHz) allowed the distinction of micronektonic crustaceans from small mesopelagic gas-filled swimbladder fish in waters east of Kerguelen where micronektonic crustaceans where dominant in terms of overall acoustic density. Two distinct types of vertical structure were highlighted : an aggregative and a layer structure. Micronektonic crustaceans were characterized by layering, day and night, while other organisms (gas-filled swimbladder fish in particular) exhibited structure mixing aggregates and layers during the day, but only composed of layers during the night. In summary, the acoustic approach used in this work helped to describe the distribution and composition of micronektonic organisms and provides an essential knowledge base on the micronekton of the southwest Indian Ocean

Le Pacifique tropical ouest (120°E-160°W, 20°S-20°N) est une région complexe où coexistent deux écosystèmes aux frontières variables, et aux caractéristiques physiques et biologiques très différentes : la warm pool à l'ouest, écosystème oligotrophe limité par le nitrate, et la cold tongue à l'est, limitée par le fer. Nous utilisons les concentrations en chlorophylle SeaWiFS comme proxy pour la biomasse phytoplanctonique sur la période septembre 1997 à décembre 2004. Une analyse statistique nous permet de dégager les principaux modes spatiaux-temporels où se concentre la variabilité de la chlorophylle. Nous étudions ensuite successivement le cycle saisonnier, une manifestation de l'activité interannuelle et l'action des coups de vent d'ouest à l'échelle intrasaisonnière. Nous montrons ainsi que la variabilité des vents et des courants contrôle au premier ordre la biologie dans le Pacifique tropical ouest. Cette étude met également en lumière l'influence de la topographie sur la variabilité de la chlorophylle, bien au-delà des régions côtières.

Depuis le milieu des années 1990, l’utilisation de Dispositifs de Concentration de Poissons (DCP), des objets artificiels spécifiquement mis à l’eau pour agréger des bancs de poissons, est devenue de plus en plus importante pour la pêche au thon tropical à la senne. Cette utilisation massive des DCP, qui s’accompagne d’une utilisation massive de dispositifs de suivi comme les balises GPS et les balises échosondeurs, est aujourd’hui source d’inquiétude pour les stocks de thons, les prises accessoires mais aussi pour le fonctionnement des écosystèmes pélagiques. Cependant, les modalités d’utilisation des DCP et des balises GPS qui servent à les suivre restent mal connues, ce qui complique considérablement l’évaluation et la gestion des impacts de ces pratiques de pêche. Afin d’améliorer les connaissances actuelles de la pêcherie, les positions des balises GPS utilisées par les 3 armements français dans les océans Atlantique et Indien, constituant une part significative des DCP utilisés dans ces deux océans, ont été analysées. Ces données ont été combinées avec des multiples sources d’information : les livres de bord, les trajectoires VMS des senneurs français ainsi que des entretiens avec les patrons français. Elles nous permettent de mieux comprendre les stratégies de mise à l’eau des DCP et des balises, d’estimer le nombre d’objets flottants utilisés par les flottes de senneurs dans les océans Atlantique et Indien, de mesurer la contribution des DCP et des navires auxiliaires à l’efficacité de pêche des senneurs, d’identifier des destructions potentielles d’habitats par les DCP échoués and pour finir de proposer des solutions de gestion pour la pêcherie. Les résultats montrent une grande saisonnalité dans les mises à l’eau des deux océans, une croissance rapide du nombre de balises GPS au cours des 7 dernières années puisqu’elle est multipliée par 4.2 dans l’Océan Indien et 7 dans l’Océan Atlantique, des dommages possibles causés à des écosystèmes côtiers fragiles avec une probabilité d’échouage de l’ordre de 10% et finalement une augmentation de l’efficacité de pêche entre 2003 et 2014 de l’ordre de 3.8-18.8% dans l’Océan Atlantique et 10.7%-26.3% dans l’Océan Indien. Les entretiens avec les capitaines des senneurs soulignent la nécessité d’une gestion plus efficace de la pêcherie, avec entre autres l’instauration de quotas, une régulation de la capacité de la flotte de senneurs et un meilleur suivi des navires auxiliaires. Les résultats obtenus constituent les premières étapes nécessaires à une meilleure gestion de la pêche sous objet flottant
Since the mid 1990s, the use of drifting Fish Aggregating Devices (dFADs) by purse seiners, artificial objects specifically designed to aggregate fish, has become an important mean of catching tropical tunas. In recent years, the massive deployments of dFADs, as well as the massive use of tracking devices on dFADs and natural floating objects, such as GPS buoys, have raised serious concerns for tropical tuna stocks, bycatch species and pelagic ecosystem functioning. Despite these concerns, relatively little is known about the modalities of GPS buoy tracked objects use, making it difficult to assess and manage of the impacts of this fishing practice. To fill these knowledge gaps, we have analyzed GPS buoy tracks provided by the three French fishing companies operating in the Atlantic and the Indian Oceans, representing a large proportion of the floating objects monitored by the French fleet. These data were combined with multiple sources of information: logbook data, Vessel Monitoring System (VMS) tracks of French purse seiners, information on support vessels and Local Ecological Knowledge (LEK) of purse seine skippers to describe GPS buoy deployment strategies, estimate the total number of GPS buoy equipped dFADs used in the Atlantic and Indian Oceans, measure the contribution of strategies with FOBs and support vessels to the fishing efficiency of tropical tuna purse seiners, identify potential damages caused by lost dFADs and finally to propose management options for tropical tuna purse seine FOB fisheries. Results indicate clear seasonal patterns of GPS buoy deployment in the two oceans, a rapid expansion in the use of dFADs over the last 7 years with an increase of 4.2 times in the Indian Ocean and 7.0 times in the Atlantic Ocean, possible damages to fragile coastal ecosystems with 10% of GPS buoy tracks ending with a beaching event and an increased efficiency of tropical tuna purse seine fleets from 3.9% to 18.8% in the Atlantic Ocean over 2003-2014 and from 10.7% to 26.3% in the Indian Ocean. Interviews with purse seine skippers underlined the need for a more efficient management of the fishery, including the implementation of catch quotas, a limitation of the capacity of purse seine fleets and a regulation of the use of support vessels. These results represent a first step towards better assessment and management of purse seine FOB fisheries

Le gyre subpolaire de l'Atlantique Nord est le siège de la plus importante floraison (bloom) phytoplanctonique de l'océan global. Cet événement biologique majeur joue un rôle crucial sur le fonctionnement des écosystèmes océaniques et sur le cycle global du carbone. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus bio-physiques qui contrôlent la dynamique du bloom phytoplanctonique et l'export de carbone à différentes échelles spatio-temporelles. Dans une première étude, basée sur des données satellites climatologiques, le gyre subpolaire a été biorégionalisé en fonction des différents cycles annuels de biomasse phytoplanctonique. Les conditions de mélange, couplées à l’intensité de la lumière de surface, contrôlent l’initiation du bloom printanier au sein des différentes biorégions. La nouvelle génération de flotteurs BGC-Argo a permis, dans une deuxième étude, d’explorer des processus à des échelles plus fines, en particulier pendant la période hivernale jusqu’à présent très peu étudiée. En hiver, des restratifications intermittentes et locales de la couche de mélange, liées à des processus de sous-mésoéchelle, initient des blooms transitoires qui influencent la dynamique du bloom printanier. Enfin, une troisième étude a montré que la variabilité haute-fréquence de la profondeur de la couche de mélange pendant la transition hiver-printemps joue aussi un rôle crucial sur l’export de carbone
The North Atlantic Subpolar Gyre exhibits the largest phytoplancton bloom of the global ocean. This major biological event plays a crucial role for the functioning of marine ecosystems and the global carbon cycle. The aim of this thesis is to better understand the bio-physical processes driving the dynamics of the phytoplankton bloom and carbon export at various spatiotemporal scales.In a first study, based on satellite data at a climatological scale, the subpolar gyre is bioregionalized according to distinct annual phytoplankton biomass cycles. The light-mixing regime controls the phytoplankton bloom dynamics in the different bioregions.In a second study, the new generation of BGC-Argo floats allowed for processes to be explored at a finer scale, especially during the overlooked winter season. In winter, intermittent and local restratifications of the mixed layer, triggered by sub-mesoscale processes, initiate transient winter blooms impacting the spring bloom dynamics.Finally, a third study showed how the high-frequency variability of the mixed layer depth during the winter-spring transition plays a crucial role on carbon export

La plasticité comportementale et les interactions entre organismes sont connues pour avoir une influence sur l’utilisation de l’espace, notamment la sélection de l’habitat de chasse. Dans l’Atlantique Nord-Est, les phoques gris et veaux marins vivent en sympatrie. Ces deux espèces sont réparties dans différentes colonies où les interactions entre organismes (liées à la taille de la colonie et à la présence simultanée ou non des deux espèces) ainsi que la disponibilité de l’habitat (et donc des proies) varient localement. L’objectif de cette thèse était d’étudier l’utilisation spatiale et la sélection d’habitat de chasse à l’échelle locale de ces deux espèces dans des situations contrastées de dynamique de colonies. Pour cela, plusieurs individus de différentes colonies situées en Irlande, en Écosse et en France ont été équipés de balises GPS/GSM. Les données récoltées ont permis de caractériser leurs trajets en mer ainsi que d’identifier les zones de chasse permettant par la suite la sélection d’habitat. Contrairement aux veaux marins, qui ont réalisé des déplacements restreints aux alentours des colonies, la plupart des phoques gris se sont déplacés entre différentes colonies. Ainsi, l’étude de la sélection d’habitat à l’échelle individuelle pour les individus se déplaçant entre différentes colonies a mis en évidence l’influence de la plasticité comportementale et suggéré celle de la personnalité de l’animal. A l’échelle de la colonie, chez les deux espèces, les résultats ont mis en évidence l’influence de la disponibilité de l’habitat (et indirectement de la disponibilité des proies) ainsi que des interactions intra-spécifiques (liée à l’effet de densité dépendance) sur l’utilisation spatiale et la sélection de l’habitat de chasse. Cependant, la sélection de l’habitat de chasse était principalement liée à la distance au reposoir et la bathymétrie. Ces deux paramètres sont liés aux caractères de chasseur à place centrale et benthique des phoques. Cette étude a également mis en évidence, pour les sites où les deux espèces étaient présentes, une certaine ségrégation spatiale et des différences de sélection d’habitat entre les deux espèces
The behavioural plasticity and the interactions between organisms are known to influence foraging habitat selection and spatial usage. In the Northeast Atlantic, greyand harbour seals live in sympatry. These two species are spread into different colonies where interactions between organisms (linked to the colony size et and the presence of one or both species) and habitat availability (linked to the prey distribution) vary locally. The objective of this PhD was to study the spatial usage and foraging habitat selection of these two species at the local scale, in contrasted situations of population dynamics. Several individuals were tagged with GPS/GSM tags in different colonies located in Ireland, Scotland and France. Telemetry data was used to characterize the seals’ trips at sea and to identify their foraging areas in order to model foraging habitat selection. While harbour seals only performed trips restricted around their haulout sites, grey seals moved between colonies. Studying habitat selection at the individual scale, for individuals moving between colonies, highlighted the influence of behavioural plasticity and suggested the influence of individual personality. At the colony scale, for both species, results highlighted the influence of habitat availability (indirectly linked to prey availability) and intra-specific interactions (linked to density dependence effects) on spatial usage and foraging habitat selection. However, the foraging habitat selection was mainly explained by the distance from the last haulout and the bathymetry. These two parameters are linked to the central place forager and benthic feeder characteristics of the seals. Furthermore, this study also highlighted, for study sites where both species occur, a spatial segregation and differences in foraging habitat selection between grey and harbourseals

La réalisation d'observatoires biogéochimiques autonomes pour l'étude de la colonne d'eau dans l'océan ouvert et des écosystèmes chimiosynthétiques profonds est une étape primordiale dans l'acquisition de données océaniques pour une meilleure compréhension des écosystèmes. Nous nous intéressons ici à l'acide silicique et aux ions sulfure, composés clés de la chaîne alimentaire marine. Nous proposons une méthode de mesure voltamétrique des ions sulfure sur électrode d'argent ainsi qu'une mesure originale sans calibration basée sur la différence de solubilité entre le chlorure d'argent et le sulfure d'argent. Une méthode d'analyse de l'acide silicique autonome en réactifs est développée grâce aux molybdates et aux protons libérés lors de l'oxydation du molybdène. Ces développements analytiques ont permis de participer à la validation d'un potentiostat immergeable autonome, premier pas vers un capteur pour la mesure de ces paramètres in situ. En parallèle une analyse des masses d'eau du Passage de Drake est réalisée grâce aux données hydrographiques collectées pendant la campagne Drake ANT XXIII/3 en 2006
The implementation of in situ autonomous observatories for biogeochemical studies in the open ocean water column and in deep-sea chemosynthetic environments is crucial for the understanding of these ecosystems. We focussed this study on silicate and sulphide, two key compounds of the marine food chain. A voltammetric method for sulphide measurements on silver electrode is presented, and a new method for quantitative determination based on the solubility difference between silver chloride and silver sulphide is proposed. A completely reagentless method for silicate measurements is developed using molybdate and protons produced during molybdenum oxidation. These analytical developments allowed us to validate a submersible potentiostat, first step toward a new sensor for in situ measurements. A Drake Passage water masses analysis is also performed using data collected during the Drake ANTIII/3 oceanographic cruise in 2006

Le gyre subpolaire de l'Atlantique Nord est le siège de la plus importante floraison (bloom) phytoplanctonique de l'océan global. Cet événement biologique majeur joue un rôle crucial sur le fonctionnement des écosystèmes océaniques et sur le cycle global du carbone. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus bio-physiques qui contrôlent la dynamique du bloom phytoplanctonique et l'export de carbone à différentes échelles spatio-temporelles. Dans une première étude, basée sur des données satellites climatologiques, le gyre subpolaire a été biorégionalisé en fonction des différents cycles annuels de biomasse phytoplanctonique. Les conditions de mélange, couplées à l’intensité de la lumière de surface, contrôlent l’initiation du bloom printanier au sein des différentes biorégions. La nouvelle génération de flotteurs BGC-Argo a permis, dans une deuxième étude, d’explorer des processus à des échelles plus fines, en particulier pendant la période hivernale jusqu’à présent très peu étudiée. En hiver, des restratifications intermittentes et locales de la couche de mélange, liées à des processus de sous-mésoéchelle, initient des blooms transitoires qui influencent la dynamique du bloom printanier. Enfin, une troisième étude a montré que la variabilité haute-fréquence de la profondeur de la couche de mélange pendant la transition hiver-printemps joue aussi un rôle crucial sur l’export de carbone
The North Atlantic Subpolar Gyre exhibits the largest phytoplancton bloom of the global ocean. This major biological event plays a crucial role for the functioning of marine ecosystems and the global carbon cycle. The aim of this thesis is to better understand the bio-physical processes driving the dynamics of the phytoplankton bloom and carbon export at various spatiotemporal scales.In a first study, based on satellite data at a climatological scale, the subpolar gyre is bioregionalized according to distinct annual phytoplankton biomass cycles. The light-mixing regime controls the phytoplankton bloom dynamics in the different bioregions.In a second study, the new generation of BGC-Argo floats allowed for processes to be explored at a finer scale, especially during the overlooked winter season. In winter, intermittent and local restratifications of the mixed layer, triggered by sub-mesoscale processes, initiate transient winter blooms impacting the spring bloom dynamics.Finally, a third study showed how the high-frequency variability of the mixed layer depth during the winter-spring transition plays a crucial role on carbon export

L’archipel du Prince Édouard est situé dans le Courant Circumpolaire Antarctique, entre le Front Subantarctique (SAF) et le front polaire (PF). Les positions de ces fronts se sont révélées très variables aux échelles interannuelles et mensuelles et ont montré une tendance à long terme à migrer vers le sud dans la région. L'activité tourbillonnaire, observée à la dorsale sud-ouest indienne, en amont de l’archipel, a également affiché une variabilité interannuelle et intra-annuelle ainsi qu’une tendance à la baisse sur ces 24 dernières années. A une échelle plus locale, nous avons souligné que les conditions aux îles sont impactées par ces tourbillons mésoéchelle produits en amont. La marée a également été mise en évidence comme jouant un rôle non négligeable dans la variabilité de la circulation entre les îles. Une configuration idéalisée a été mise en place pour la région afin d’étudier les propriétés des tourbillons et les mécanismes physiques à l’origine de leur formation. L'énergie potentielle tourbillonnaire disponible a révélé un maximum d'énergie aux alentours de 800 m de profondeur, confirmant le caractère « deep-reaching » des tourbillons. Cette activité tourbillonnaire a été montrée comme étant le résultat d'une combinaison d’instabilités barotropes et baroclines. Enfin, nous avons enquêté sur les conséquences potentielles d'une migration vers le sud du SAF dans la région des îles. Le modèle étant idéalisé, il nous a permis de simuler un déplacement vers le sud en déplaçant les conditions initiales ainsi que les conditions aux limites. Le principal résultat a été la nette diminution de l'activité mésoéchelle dans la région, ce qui pourrait avoir un impact sur les écosystèmes de l’archipel du Prince Édouard
The subantarctic Prince Edward Islands lie in the Antarctic Circumpolar Current, between the Subantarctic Front (SAF) and the Polar Front (PF). These fronts positions were found to be highly variable at interannual and monthly time scales and revealed a significant long-term southward trend in the region. The intense mesoscale activity, observed upstream the islands at the South West Indian Ridge, also showed an interannual and intra-annual variability as well a decrease in eddy kinetic energy over 24 years. At a more local scale, we highlighted that the archipelago’s environment was impacted by the mesoscale features produced upstream.Tides appeared to be another important driver of variability of the circulation in between the two islands.An idealised model configuration was designed for the Prince Edward Islands region to study the mesoscale eddy properties and the physical mechanisms of their formation at the ridge. The Eddy Available Potential Energy revealed a maximum of energy around 800 m depth, confirming the deep reaching characteristic of the eddy originated in the region and suggested the presence of a local energy source at this depth. This eddies activity was shown to be the result of a combination of barotropic and baroclinic instabilities occurring at the ridge.Finally, we investigated on the potential consequences of a southward shift of the SAF in the region of the islands.Because the model was idealised, it allowed us to simulate an SAF southward shift by shifting the initial and boundary conditions. The main result was the clear decrease of mesoscale activity in the region which could potentially impact the ecosystems of the Prince Edward Islands