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 de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Pelletier, Émilien
Information complémentaire :	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 :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/49

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