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Biogéochimie des eaux interstitielles des plages de sable nordiques

Couturier, Mathilde (2017). Biogéochimie des eaux interstitielles des plages de sable nordiques. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 225 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Les bilans de matière entre le continent et l’océan ainsi que les transformations biogéochi-miques aux interfaces côtières sont au cœur des problématiques actuelles de recherche, dû à la vulnérabilité de ces systèmes aux pressions anthropiques et aux changements climatiques. A l’instar des fleuves, les décharges d’eaux souterraines sont une source de matière continentale (i.e., matière organique, nutriments, contaminants) aux océans côtiers. En présence d’aquifères côtiers connectés à l’océan, les écoulements d’eaux douces souterraines se mélan-gent aux eaux salées qui envahissent l’aquifère dans les sédiments perméables. Définis comme des estuaires souterrains, ces systèmes sont le lieu de réactions chimiques qui modifient la composition des décharges d’eaux souterraines et contrôlent ainsi les flux de matière aux océans. Peu considérées dans les bilans globaux, les décharges d’eaux souterraines constituent une voie majeure d’échange entre le continent et l’océan et peuvent altérer la santé des écosystèmes côtiers. L’objectif de cette thèse est de dresser un portrait exhaustif de la dynamique biogéochimi-que des composés au sein d’un estuaire souterrain nordique. Pour répondre à cet objectif une étude approfondie a été réalisée sur un estuaire souterrain aux îles de la Madeleine (Québec, Canada). Un suivi printanier des eaux souterraines, prélevées le long d’un transect perpendiculaire à la ligne de rivage, et des sources, alimentant l’estuaire souterrain (i.e., puits et eau de mer), a été réalisé pendant quatre ans. Les paramètres physiques, chimiques et biologiques ont été analysés pour constituer une base de donnée complète. Dans le chapitre 1, les indices optiques de la matière organique dissoute colorée (CMOD) ont été utilisés pour déterminer l’origine et les processus de transformations de la matière organique dissoute (MOD) le long de l’estuaire souterrain. Le temps de résidence et les conditions sub-oxiques créent un environnement favorable pour les processus de transformations des composés. Ainsi les modifications de concentration de la MOD résultent de transformations biogéochimiques et non d’une dilution entre les eaux douces souterraines et les eaux salées. L’estuaire souterrain est une zone de production où l’hydrolyse d’anciens sols forestiers entraine la formation de MOD de haut poids moléculaire à forte aromaticité. L’estuaire souterrain est ainsi une zone de production de MOD et une source potentielle de MOD terrigène à l’océan côtier. Dans le chapitre 2, la dynamique des espèces azotées confirme que l’estuaire souterrain est une zone biogéochimique active. Alors que les eaux douces souterraines en provenance de l’aquifère côtier transportent d’importantes concentrations de nitrate et d’azote organique dissous à l’estuaire souterrain, les processus biogéochimiques \textit{via} la dénitrification hétérotrophi-que mènent à une complète atténuation des nitrates et à une forte production d’ammonium. Les flux d’azote exportés à l’océan sont dominés par l’ammonium et l’azote organique dissous, l’exportation de nitrates étant négligeable. Cependant la production d’ammonium ne contre balance pas la perte d’azote total observée dans les eaux souterraines, l’estuaire souterrain joue ainsi un rôle de filtre et représente un puits d’azote pour l’océan côtier. Le chapitre 3 s’intéresse à la relation entre les paramètres environnementaux et le compartiment bactérien. L’abondance bactérienne et la diversité bactérienne (i.e., distinction entre deux groupes bactériens) sont principalement contrôlées par la disponibilité en carbone organique dissous. La composition moléculaire de la MOD (i.e., poids moléculaire et aromaticité) ainsi que le gradient de salinité sont probablement les deux paramètres principaux responsables de la modification de l’abondance et des communautés observées entre le haut de plage et la zone intertidale. La MOD terrigène semble favoriser les bactéries avec un faible contenu en acide nucléique (LNA). La qualité et l’origine de la MOD ont ainsi une forte influence sur la structure des communautés bactériennes. La contribution majeure de cette thèse est l’établissement d’un portrait de la dynamique biogéochimique d’un estuaire souterrain en milieu nordique. Ce travail de thèse sert ainsi de point de départ pour l’étude de la vulnérabilité et l’anticipation des modifications des fonctions chimiques des plages de sable en milieu nordique face aux pressions anthropiques et aux changements climatiques. -- Mot(s) clé(s) en français : Décharges d’eaux souterraines, Estuaire souterrain, Matière organique dissoute, Biogéochimie, Flux d’azote, Micro-organismes, Environnements nordiques. -- ABSTRACT: Global budgets at the land-ocean interface as well as the biogeochemical transformations at the coastal interfaces are currently subjects of research due to the vulnerability of these systems to anthropogenic pressures and climate change. Like rivers, submarine groundwater discharge are a source of continental compounds (i.e., organic matter, nutrients, and contaminants) to coastal waters. When coastal aquifers are connected to the ocean, fresh groundwater discharges occur in the coastal ocean. The subterranean estuary, where fresh groundwater and recirculated seawater mix, lead to biogeochemical transformations that control the chemical composition of submarine groundwater discharge. Submarine groundwater discharges, which are not widely considered in global assessments, constitute a pathway of exchanges between the continent and the ocean and can alter the health of coastal ecosystems. The aim of this thesis is to provide an exhaustive picture of the biogeochemical dynamics of compounds within a boreal subterranean estuary. To meet this objective, a thorough study was conducted within a subterranean estuary on the Îles de la Madeleine (Quebec, Canada). A spring monitoring of groundwater and end-members (i.e., wells and seawater) was carried out for four years along a perpendicular transect to the shoreline. Physical (temperature, salinity and oxygen), chemical (nitrogen, carbon) and biological (abundance and microbial diversity) parameters were analyzed to form a complete database. In chapter 1, the origin and biogeochemical transformations of dissolved organic matter were assessed by the optical indices of colored dissolved organic matter (CDOM). Residence time and sub-oxic conditions represented suitable conditions for biogeochemical reactions to occur. Dissolved organic matter (DOM) concentrations changes result from biogeochemical transformations instead of dilution between fresh groundwater and saltwater. The subterranean estuary is a production area where the hydrolysis of old forest soils leads to formation of DOM of high molecular weight with high aromaticity. The subterranean estuary is thus a potential source of terrigenous DOM matter to the coastal ocean. In chapter 2, the dynamics of nitrogen species confirm that the subterranean estuary is an active biogeochemical zone. While fresh groundwater from the coastal aquifer carries large concentrations of nitrates and dissolved organic nitrogen to the subterranean estuary, biogeochemical processes lead to complete nitrate attenuation and a high production of ammonium. Nitrogen load to the coastal ocean is thus dominated by ammonium and dissolved organic nitrogen, the export of nitrates being negligible. However, ammonium production does not counterbalance the total nitrogen loss observed in groundwater. The subterranean estuary acts as a filter and represents a nitrogen sink for the coastal ocean. Chapter 3 focuses on the relationship between environmental parameters and the bacterial compartment. Bacterial abundance and bacterial diversity (i.e., distinction between two bacterial groups) are mainly controlled by the availability of dissolved organic carbon. The molecular composition of MOD (i.e., molecular weight and aromaticity) as well as the salinity gradient are thought to be the two main parameters responsible for the change in abundance and communities observed between the landward part of the beach and the intertidal zone. The terrestrial MOD appears to favor bacteria with low nucleic acid content (LNA). The quality and origin of MOD thus have a strong influence on the structure of bacterial communities. The main contribution of this thesis is the portrayal of the biogeochemical dynamics of a subterranean estuary in a northern environment. This thesis work serves as a starting point for studying the vulnerability and the anticipated changes in the chemical functions of sandy beaches in the northern environment due to anthropogenic pressures and climate change. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Submarine groundwater discharges, Subterranean estuary, Dissolved organic matter, Biogeochemistry, Nitrogen flux, Micro-organisms, Northern environments.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Chaillou, Gwénaëlle
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Nozais, Christian
Informations complémentaires: Thèse présentée comme exigence partielle du doctorat en biologie.
Mots-clés: Dynamique Biogeochimie Eau Interstitiel Estuaire Souterrain Nord Iles-de-la-madeleine
Départements et unités départementales: Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 05 oct. 2017 20:15
Dernière modification: 05 oct. 2017 20:15
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1276

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