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Cycle biogéochimique de l'azote dans l'estuaire du Saint-Laurent ; rôle des marais côtiers

Poulin, Patrick (2008). Cycle biogéochimique de l'azote dans l'estuaire du Saint-Laurent ; rôle des marais côtiers. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, INstitut des sciences de la mer de Rimouski, 267 p.

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Résumé

Les environnements marins côtiers sont affectés par des apports considérables d'azote organique et inorganique, tant de sources allochtone et autochtone qui ensemble, ont une forte incidence sur les biogéocycles s'articulant au sein de ces milieux. Afin de mieux comprendre les causes et conséquences de ces apports d'azote dans l'écosystème estuarien du Saint-Laurent, nous avons réalisé une étude ayant comme objectifs principaux: 1) d'identifier et de quantifier les principaux processus et les mécanismes saisonniers impliqués dans le cycle de l'azote à l'échell e de l'estuaire ainsi que dans les écosystèmes de type marais salant bordant son littoral, 2) de définir le rôle des marais côtiers (en tant que puits/source d'azote) sur la dynamique de l'azote en milieu estuarien et 3) de définir le potentiel de résilience du système estuarien face à l'activité anthropique. Afin d'atteindre efficacement ces objectifs généraux sans souffrir d'un cadre de travail trop vaste, la présente étude a été divisée en plusieurs objectifs spécifiques dont les faits saillants sont résumés ci-dessous. Nous avons d'abord mis au point une technique de mesure de l'ammonium (NH4) sur lecteur de microplaque offrant une limite de détection équivalente à 5 nM et une excellente reproductibilité analytique. Peu sensible aux charges dissoutes et particulaires, cette technique nous permet de mesurer des échantillons aqueux de faible volume « 10 mL) et de concentration variable (entre 10 et 0.05 ~lM), de façon rapide et efficace. De plus, cette approche fluorométrique nous permets d'évaluer avec précision certaines variables analytiques telles les blancs, l'effet matrice et la fluorescence intrinsèque des échantillons. En second lieu, nous avons déterminé la variabilité spatiale des espèces de l'azote (et plus spécifiquement NI-l/ ) présentes dans la colonne d"eau de l'estuaire au niveau de son axe principal au cours de chacune des saisons de l'année afin de documenter les différents processus impliqués. Les concentrations de NH4+ mesurées dans l'estuaire du Saint-Laurent présentent une importante variabilité spatiale et saisonnière; les plus fortes concentrations ayant été relevées en octobre 2005 (Av ± SE; 2.02 ± 0.69 ~lM ) dans l'estuaire supérieur ainsi qu'en mai 2003 (0.84 ± 0.20 flM) dans la couche d'eau intermédiaire froide de l'estuaire maritime. Deux types de processus ont été suggérés pour expliquer ce patron de distribution soit; les apports fluviaux et la production endogène. Notre étude a montré que la contribution allochtone est largement modulée par l'hydrologie du système (980 ± 434 TN mois-l ) alors que les processus de production pélagique sont essentiellement observés en période de forte productivité. D'après la composition chimique de la matière organique particulaire en suspension (SPM ; C hI-a, rapport CIN, amino-acides hydrolysables) présente dans I'estuaire, nous pouvons affirmer que le NH4+ de source autochtone est issu de processus pélagiques couplés (c'est-à-dire broutage et excrétion zooplanctonique, dissolution et minéralisation microbienne) affectant la biomasse phytoplanctonique fraîche et sénescente. En troisième lieu, à partir de données océanographiques obtenues dans l'estuaire maritime, nous avons élaboré une hypothèse, impliquant des processus d'asssimilation et de respiration, pour expliquer les variations saisonnières simultanées d'oxygène dissous et d'azote inorganique dissous (DJN) au sein la colonne d'eau. En effet, une importante diminution des concentrations en DIN a été ponctuellement observée en juillet 2004 dans la masse d'eau hypoxique de I'estuaire maritime (passant de ~25 à ~ 14 ~LM). Alors que de fortes concentrations de Chl-a sont observées dans la masse d'eau superficielle, témoignant d'une forte activité au totrophe, le transfert de cette matière labile de source endogène vers la couche d'eau profonde a pu mener à un découplage des processus bactérien de nitrification/dénitrification au sein du compartiment hypoxique. Ce processus de dénitrification pélagique pourrait constituer un mécanisme de stabilisation des concentrations d'oxygène dissous prévenant le développement de conditions anoxyques dans la masse d'eau profonde riche en DIN. En quatrième lieu , nous avons déterminé la variabilité spatiale et temporelle des communautés bactériennes hétérotrophes dans la colonne d'eau de I'estuaire du Saint-Laurent afin de comprendre l'influence du couvert de glace sur ces populations. Deux caractéristiques des populations bactériennes ont été prises en compte lors de cette étude, soit: les abondances totales et la structure des communautés (proportion de cellules contenant de fortes concentrations d'acide nucléique; %HNA). Alors que les populations bactériennes présentent dans l'estuaire supérieur ne montre aucune variabilité significative (tant spatiale que temporelle), la distribution de bactérioplancton au sein de l'estuaire maritime présente un patron singulier; les abondances de cellules bactériennes décroissent avec la profondeur en période libre de glace et demeurent uniformément distribuées dans la colonne d'eau en période hivernale. Cette variabilité peut être expliquée à 81% par l'effet combiné de la température, de la salinité, de l'oxygène dissous, de la concentration SPM , en Chl-a et de la composition élémentaire de la SPM. Par ailleurs, la variabilité du %HNA peut être expliquée à 51% par l'effet combiné de la concentration en NH4+.N02-+ N03-. SPM et de la salinité. Ensemble, la variabilité des abondances totales et de la structure des populations indiquent que ces communautés sont sensibles a l'évolution des caractéristiques physicochimiques du milieu estuarien; l'abondance des cellules de type HNA demeurant essentiellement liée à la disponibilité des éléments nutritifs azotés. En cinquième lieu, nous avons évalué les flux tidaux de nutriments inorganiques dissous (notamment N02- + N03-, NH4+) entre deux marais (un marais impacté et un marais témoin non impacté) de la région de Rimouski et la masse d'eau estuarienne. En utilisant un modèle hydrodynamique numérique (MlKE21-NHD) forcé par des marées prédéfinies, les flux saisonniers de nutriments ont été évalués afin de comprendre l'influence des rejets de source anthropique, l'importance relative de certains processus biochimiques (notamment l'assimilation et la minéralisation) et du couvert de glace sur le potentiel de rétention des marais. Les deux marais à l'étude se comportent généralement comme des sources de NH4+ (de 8.69 à 30.39 mg NJ-I m-2) et des puits de N02- + N03- (de 7.84 à 32.14 mg Nj-1 m-2) pour la masse d'eau estuarienne et ce, indépendamment de la saison ou du niveau de stress anthropique observé. Ces résultats suggèrent que les apports tidaux de N02- + N03- sont réduit en NH4+ par l'activité bactériennne via la DNRA (dissimilatory nitrate réduction to ammonium). Puisque le NH4+ ainsi produit s'accumule sur la frange herbacé plus rapidement qu'il n'est consommé par les processus de nitrification/dénitrification et d'assimilation, un important flux de NH4+ vers l'estuaire est observé. Les flux tidaux étant peu affectés par la variabilité des apports de nutriments de source anthropique, nous croyons que ces écoulements (atteignant 1.93 m3S-1) ont généré davantage d'érosion que tout autre type d'altération écosystémique. En sixième 1ieu, nous avons réalisé une série d'expériences en microcosme ayant pour but la détermination du potentiel dénitrifiant saisonnier des marais de l'estuaire maritime. Faisant appel à une technique d'enrichissement isotopique éprouvée, nous avons mesuré les vitesses de production de N2 sous différentes conditions jugées représentatives du milieu à l'étude. Bien que les taux de dénitrification moyens mesurés varient de façon concomitante avec la température, passant de 9.6 umol N2 m-2 h-I (2 oC) à 25.5 umol N2 m-2 h-1 (12 oC), aucune relation statistique n'a pu être démontrée. Répondant à plus de 80% de la demande en N0 3-, la nitrification a été identifiée comme la principale source d'azote pour la dénitrification. Puisque moins de 31% des N03- consommés par le sédiment sont dénitrifiés, nous soupçonnons la présence d'un puits alternatif de N0 3- dans les marais côtiers. La DNRA ainsi que certains mécanismes impliqués dans I'oxydation de la matière organique et des métaux comptent parmi les processus de consommation suspectés. L'ensemble des résultats obtenus témoigne de l'important potentiel épurateur des marais côtier sub-arctique. En septième lieu, nous avons réalisé une étude visant à mieux comprendre les communautés microphytobenthiques (MPB) présentent dans deux marais de l'estuaire maritime affectés par des niveaux de stress anthropique forts différents. En nous penchant sur l'abondance et la diversité du MPB ainsi que sur les caractéristiques biogéochimiques du sédiment (abondance bactérienne totale, granulométrie, composition élémentaire, concentration de pigments, de polysaccharides). Une plus grande diversité de diatomées a été observée dans la zone supérieure du marais impacté avec une dominance des formes epipelic alors qu'aux autres sites, les formes épipsammic prédominent. Parmi les espèces epipelic les plus abondantes, nous avons noté la présence de Diploneis interrupta, D.smithii, Gyrosigma fasciola, G.spenceri, Navicula cryptocephala, N. peregrina, N. radiosa var. tenella, N. salinarum, Nitschia clausii and N. try blionella, alors que les espèces epipsammic sont principalement représentées par Achnanlhes delicatula, Navicula cryplocephala and Cocconeis disculus. Nos analyses statistiques ont montrées que l'abondance totale de diatomées est corrélée à la disponibilité des nutriments alors que I'abondance relative de cellule de type epipelic et episammic est corrélée à la taille des sédiments. Selon nos estimations, la biomasse associée MPB varierait de 11 à 71 g C m-2 dans le marais témoin non-impacté et de 24 à 486 g C m-2 dans le marais impacté. L'ensemble de ces résultats montre que l'activité anthropique a un effet significatif sur la composition du MPB des marais côtiers. L'ensemble des résultats obtenus dans cette étude nous a permis de réaliser un bilan annuel d'azote dans l'estuaire du Saint-Laurent. À partir de ce bilan, nous avons pu définir l'influence relative des principaux processus impliqués dans le cycle de l'azote à l'échelle de l'estuaire (eg. apports fluviaux: - 85 224 T N a-1 ; advection verticale: - 240 000 T N a-1) et présenter le rôle relativement modeste des marais côtiers (rétention de DIN : 96 - 660 T N a-1 pour 90 km 2). Conformément à ce bilan , nous pouvons affirmer que le potentiel de résilience de l'estuaire maritime demeure faible et qu'il demeure fort vulnérable aux problèmes engendrés par 1'eutrophisation.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Pelletier, Émilien
Informations complémentaires: Thèse présentée à l'Université du Québec à Rimouski dans le cadre du programme de doctorat en océanographie pour l'obtention du grade de docteur ès sciences (Ph.D.Sc.). Publié aussi en version papier.
Mots-clés: Azote N Cycle Estuaire Saint-laurent Marais Cotier Cote Ecosysteme
Départements et unités départementales: Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 14 févr. 2011 19:32
Dernière modification: 14 févr. 2011 19:32
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/49

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