PROGRAMME NATIONAL

" Processus biogéochimiques dans l’océan et flux "

Réponse du réseau microplanctonique à

un doublement de la pression partielle en CO₂

Acronyme: DOREMI

(DOublement de la pression partielle en CO₂ sur le REseau MIcroplanctonique)

Résumé du projet

Dans la perspective de l’accroissement continu de la concentration en CO₂ dans l’atmosphère et des projets d’injections massives dans l’océan profond d’air très chargé en CO₂, il est proposé d’étudier la réponse du réseau microplanctonique marin à un doublement de pCO₂. L’objectif du projet DOREMI est d'une part, de caractériser qualitativement et, d'autre part, de quantifier les effets possibles de ce doublement (de 360 à 700 matm) sur (1) la calcification des espèces phytoplanctoniques, (2) l'excrétion et la reminéralisation de la matière organique et (3) la composition et la dynamique du réseau microplanctonique. De plus, la modélisation des processus et des étapes de processus faisant l’objet de cette étude sera entreprise.

La stratégie adoptée consiste à se placer dans les conditions d’observation les plus simples possibles afin d'isoler les étapes des différents processus concernés. Les études porteront ainsi (1) sur le coccolithophoridé (Emiliania huxleyi), qui sera cultivé en chémostats dans des conditions axéniques (culture monospécifique sans contamination bactérienne), et (2) sur des communautés naturelles en mésocosmes (0,5 à 1 m³). Le programme de travail est proposé pour une période de 2 ans, la partie expérimentale étant concentrée en 2000. Bien qu’il soit essentiellement exploratoire, le projet DOREMI a été conçu dans la perspective des problèmes à résoudre in situ. Ce projet, qui répond au thème 3 de PROOF, s’adresse à un réel problème de société que constitue l’impact de l’accumulation dans l’atmosphère du CO₂ d’origine anthropique.

Quatre groupes de la façade méditerranéenne ont réuni leurs efforts et leurs compétences pour mener à bien ce projet. L’existence de collaborations antérieures entre trois d’entre eux ainsi que leur proximité géographique devraient faciliter les interactions et contribuer efficacement au succès de ce projet.

Tableau 1 Liste des personnes collaborant au projet (avec indication de leur fonction et de leur unité de rattachement. Les compétences et pourcentages de contribution sont précisés dans le Tableau 3) :

Nom	Fonction	Affiliation
Bonnefont Jean-Luc	Chercheur	IOPR
Descatoire Jean	Ing. Techn.	IOPR
Lelong Patrick	Chercheur	IOPR
Martin Yvan	Dr. Dépt Rech.	IOPR
Tanguy Brigitte	Ing. Chim.	IOPR

Goutx Madeleine	CR CNRS	LMM
Lamy François	Post doc.	LMM
Sempéré Richard	CR CNRS	LMM
Van Wambeke France	CR CNRS	LMM

Conan Pascal	MCU	LOB
Denis Michel	DR CNRS	LOB
Grossi Vincent	CR CNRS	LOB
Lefèvre Dominique	CR CNRS	LOB
Poggiale Jean-Christophe	MCU	LOB

XXX	DEA	LOBEPM
Gattuso Jean-Pierre	DR CNRS	LOBEPM
Le Floc'h Emilie	Doctorante	LOBEPM
Lemée Rodolphe	MCU UPMC	LOBEPM
Malara Gilbert	IE CNRS	LOBEPM
Pizay Marie-Dominique	AI CNRS	LOBEPM
Rochelle-Newall Emma	Poste rouge	LOBEPM
Sciandra Antoine	CR CNRS	LOBEPM
Frankignoulle Michel	CR FNRS	Univ. Liège

IOPR: Institut Océanographique Paul Ricard, île des Embiez, 83140 Six Fours Les Plages

Tél./Fax: 04 94 74 46 45 / 04 94 88 05 31; courel : ioprdr@europost.org

LMM: Laboratoire de Microbiologie Marine, CNRS EP 2032, Parc Scientifique et Technologique de Luminy, Case 907, 13288 Marseille Cedex 9

Tél.: 04 91 82 90 49; Fax: 04 91 82 90 51; courel : wambeke@luminy.univ-mrs.fr

LOB: Laboratoire d'Océanographie et de Biogéochimie, Université de la Méditerranée, OSU, CNRS UMR6535, Parc Scientifique et Technologique de Luminy, Case 901, 13288 Marseille cedex 09

Tél.: 04 91 82 91 14; Fax: 04 91 82 65 48; courel : lefevre@com.univ-mrs.fr

LOBEPM : Laboratoire d’Océanographie Biologique et Ecologie du Plancton Marin, UPRESA 7076 CNRS-UPMC: Observatoire Océanologique, B.P. 28, 06234 Villefranche-sur-mer Cedex

Tél.: 04 93 76 38 59; Fax: 04 93 76 38 34; courel : gattuso@obs-vlfr.fr

DOSSIER SCIENTIFIQUE

I -CONTEXTE SCIENTIFIQUE

Le suivi régulier de la pression partielle de gaz carbonique (pCO₂) dans l'atmosphère depuis le début l'ère industrielle a permis de mettre en évidence un accroissement continu de la teneur de ce gaz à effet de serre. A titre d'exemple, lors de la période 1980-1989, les émissions de CO₂ liées à la combustion du carbone fossile et à la déforestation des régions tropicales ont atteint 7,0 à 11,1 Gt C an^-¹ (Siegenthaler et Sarmiento, 1993). Par voie de conséquence, pCO₂ dans l'atmosphère augmente de 1,5 matm an^-1 (0,4 % an^-1; Houghton et al., 1996). La production primaire de la plupart des écosystèmes terrestres est stimulée par cette élévation de pCO₂. En fixant une partie du CO₂ d'origine anthropique (Bazzaz, 1990; Tans et White, 1998) elle contribue à limiter l'accroissement de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère, accroissement dû aux rejets anthropiques. En effet, la moitié de ces rejets est absorbée par l'océan et/ou la biosphère terrestre. Les valeurs moyennes issues des différents modèles élaborés pour estimer la part de CO₂ d'origine anthropique séquestrée par les océans varient de 2,0 à 10,6 Gt C an^-¹ (Tans et al., 1990; Siegenthaler et Sarmiento, 1993). Les prédictions fournies par les différentes familles de modèles dits prédictifs sont entâchées d’une large marge d'incertitude (Peng et al., 1998) en raison de la complexité des processus puits et source qui affectent les échanges globaux entre les grands réservoirs de CO₂, et plus particulièrement de l’incertitude attachée à la composante biologique du cycle du carbone (Bishop, 1989 ; Longhurst et Harrison, 1989).

Néanmoins, on ne peut nier que la tendance soit à l'augmentation. Le signal anthropogénique est d'ores et déjà décelable, notamment dans l'océan Pacifique Nord où pCO₂ est voisine de la valeur atmosphérique actuelle en surface (350 µatm) et proche de 280 µatm, valeur pré-industrielle, à une profondeur supérieure à 500 m (Brewer et al., 1997). L'International Panel on Climate Change (IPCC ; Houghton et al., 1996) estime que pCO₂ atmosphérique pourrait atteindre 705 µatm en 2100, soit une augmentation d'un facteur 2,5 par rapport à sa valeur pré-industrielle.

Compte tenu de ce constat et de ce que l'on sait sur le rôle joué par les océans sur le cycle du carbone, on doit s'interroger sur les conséquences d'un éventuel doublement de pCO₂ sur les processus biogéochimiques marins. On doit remarquer que, jusqu’à présent, les recherches sur le cycle du carbone se sont plutôt attachées à examiner les effets de l’activité biologique sur pCO₂, sans se préoccuper particulièrement de la question inverse : dans quelle mesure cette activité peut-elle être affectée par la variation de pCO₂ ? Pour répondre à cette question, 3 domaines d’investigation constituent une première priorité: (1) la calcification des organismes planctoniques (2) le métabolisme algal et l’excrétion de carbone organique dissous (COD), et (3) la réponse de la communauté microplanctonique.

I. 1. pCO₂ et calcification des organismes planctoniques

La calcification représente la précipitation de carbonate à partir du calcium et des carbonates dissous dans l'eau. Des résultats récents, essentiellement obtenus sur des organismes calcificateurs benthiques (coraux et algues calcaires) et sur des mécoscosmes coralliens, ont démontré expérimentalement que la calcification augmente en fonction de la concentration en calcium (Gattuso et al., 1998) et carbonates (Gattuso et al., 1999; Kleypas et al., 1999; Leclercq et al., sous presse; Langdon et al., soumis). Or, l'élévation de pCO₂ atmosphérique résultant des activités anthropiques entraîne une augmentation de pCO₂ des eaux de surface océaniques et une diminution des ions carbonates. La calcification marine benthique aurait ainsi diminué de 10 % entre 1880 et 1990 dans les zones tropicales et sub-tropicales et pourrait subir une nouvelle diminution de l'ordre de 22 % entre 1990 et 2100 (Gattuso et al., 1999; Kleypas et al., 1999).

On ne connaît en revanche rien de la réponse des organismes calcificateurs planctoniques à l'élévation de pCO₂.

I. 2. pCO₂, métabolisme algal et excrétion de COD

Depuis les travaux théoriques de Riebesell et al. (1993), il existe un débat ouvert sur l’éventuelle limitation de la production primaire par le carbone inorganique dissous. Les travaux les plus récents tendent néanmoins à réfuter cette hypothèse sur la base d’observations expérimentales (Goldman, 1999) et in situ (Tortell et al., 1997). La difficulté de la question tient à la diversité des formes de carbone inorganique potentiellement assimilables par les autotrophes, suivant des mécanismes d’assimilation passifs ou actifs (Raven et Johnston, 1994). S’il n’est donc pas prouvé qu’une augmentation de pCO₂ affectera significativement la production particulaire, on peut néanmoins raisonnablement suspecter que le métabolisme et la composition biochimique du phytoplancton en seront modifiés, bien que cet aspect n’ait pas encore fait l’objet de recherches approfondies. Certains travaux révèlent cependant qu’une variation de pCO₂ induit des différences quantitatives et qualitatives de la matière organique dissoute produite par les autotrophes (Butow et al., 1994; Giordano et al., 1994; Dorling et al., 1997; Butow et al., 1998). A noter aussi une étude sur la composition (C:N:P) chez une diatomée en fonction de pCO₂ (Burkhard et Riebesell, 1997) ainsi qu'un travail concernant une stimulation de l'accumulation de triglycérides chez Dunaliella viridis sous l’effet combiné d’une limitation en azote et d’une augmentation en pCO₂ (Gordillo et al., 1998).

I. 3. pCO₂ et réponse de la communauté microplanctonique

L'augmentation de pCO₂, par l’accélération éventuelle de la production primaire et/ou le changement de nature de la matière organique dissoute, pourrait avoir des conséquences importantes sur le devenir de ce carbone d'origine photosynthétique, même en milieu oligotrophe, les échelons primaire et secondaire fonctionnant à des échelles de temps différentes. L'efficacité de transfert de matière d'un échelon vers l'autre, dépend de leur dynamique respective. En effet, les populations hétérotrophes de l'échelon secondaire ont des temps de génération tels qu'ils peuvent ou non se révéler être des prédateurs efficaces du phytoplancton (Le Fèvre et Frontier, 1988; Legendre et Le Fèvre, 1995). Il est probable qu'une stimulation de la dynamique du premier échelon, si elle s'avère sensible à une modification de pCO₂, puisse modifier l'efficacité de transfert de matière vers les consommateurs, et donc également, la quantité et la nature de la matière organique excrétée et les détritus. Les temps de résidence de la matière organique dissoute et particulaire pourraient donc être différents (Christaki et Van Wambeke, 1995). Une accélération du développement du phytoplancton résultant d'un accroissement de pCO₂ pendant la période de floraison printanière pourrait ainsi avoir de nombreuses implications sur les voies d'exportation du carbone organique dans l'océan profond.

Dans une série d'expérimentations utilisant des mésocosmes d'eau de mer naturelle avec une atmosphère plus ou moins enrichie en CO₂, Martin Y. et al. (1996) ont étudié la contribution relative des échanges thermodynamiques et des processus biologiques dans le pompage de CO₂selon les conditions environnementales (oligotrophie ou eutrophie, variations saisonnières). Ces auteurs ont également établi un bilan de carbone (importance relative des différentes formes de carbone organique et inorganique) et étudié les réponses du phytoplancton marin des eaux superficielles (efficacité de pompage, facteurs limitants, sélection d'espèces). Les effets d'un doublement de pCO₂par rapport à la situation actuelle montrent que :

- la pompe biologique accentue les effets de la pompe thermodynamique et il y a une corrélation très significative entre la quantité de chlorophylle et le DpCO₂ entre l'atmosphère et l'eau;

- le transfert en milieu oligotrophe du CO₂ vers l'eau n'est dû qu'à la pompe thermodynamique, le fonctionnement de la pompe biologique nécessitant un apport en sels nutritifs, c'est-à-dire un certain degré d'eutrophie;

- l'augmentation de pCO₂ peut induire un changement de population dominante (Figure 1)

Ces travaux présentent un intérêt indéniable pour le projet DOREMI, bien qu'ils n'aient pas été publiés dans des revues scientifiques.

Figure 1. Changement de population dominante au cours de l'efflorescence sous l'effet du taux de CO₂ imposé. Bassin B1: 350 µatm. Bassin B3: 4*350 µatm.

II. - OBJECTIFS

A l'instar des modèles mathématiques qui peuvent simuler numériquement les scénarios de variation de pCO₂, l'approche expérimentale permet de simuler des situations extrêmes pour le compartiment biologique. Le présent projet qui se veut exploratoire et limité dans le temps, vise à étudier les réponses potentielles du réseau trophique microplanctonique (Figure 2), à une augmentation de pCO₂ en relation avec deux processus importants dans ce contexte:

(1) la fixation de carbone inorganique et de calcium chez une espèce planctonique calcifiante, le coccolithophoridé Emiliania huxleyi

(2) l'excrétion de carbone organique dissous (COD) produit par voie de photosynthèse et les conséquences induites sur la reminéralisation, ainsi que le fonctionnement et la structure des communautés microbiologiques qui en dépendent.

Les résultats obtenus donneront lieu à une modélisation.

III. opérations

Cette étude s'effectuera selon deux approches, complémentaires par les niveaux d'organisation pris en compte:

· celui de la cellule. Une étude de processus sera effectuée au laboratoire (chémostats), sur des systèmes parfaitement contrôlés. Elle aura pour but de mettre en évidence les mécanismes physiologiques impliqués, de les formaliser mathématiquement, et de les paramétrer.

· celui des communautés. L'objectif sera de discerner une réponse objective de la composition d'une communauté microbienne naturelle isolée des processus physiques (mésocosmes), et de voir si on peut la mettre en relation avec les propriétés individuelles relevées au niveau cellulaire.

Cette double approche est nécessaire pour progresser dans la modélisation des processus biogéochimiques. L'acquisition de données précises sur les cinétiques d'échange de différentes formes de carbone (fixation, respiration, calcification, excrétion, reminéralisation) permet de valider ou de réfuter les modèles de processus actuellement utilisés par une large communauté de modélisateurs, et, le cas échéant, d'en proposer d'autres plus conformes aux processus biologiques en vigueur. L'approche en mésocosmes permet de tester ces hypothèses sur des situations proches de la réalité, sans se heurter aux impossibilités techniques liées à la prospection in situ.

Figure 2 : Schéma conceptuel du réseau microplanctonique mettant en évidence l'ensemble des étapes du devenir de la matière organique auxquelles s'adresse le projet DOREMI. Il faut noter toutefois que le rôle du mésozooplancton ne fait pas partie des objectifs. H : hydrolyse enzymatique, MOP : matière organique particulaire, MOD : matière organique dissoute, MODU : matière organique dissoute directement assimilable.

III. 1. Atelier « chémostats »

Ce que l'on veut mettre en évidence. On cherchera à examiner simultanément (1) la réponse de la calcification à une variation de pCO₂, (2) la nature de la matière organique dissoute produite et (3) son utilisation par des communautés bactériennes.

Choix de l’espèce. La culture en chémostat concernera le coccolithophoridé Emiliania huxleyi, organisme qui intervient à un double titre sur le cycle biogéochimique du carbone. En temps qu’autotrophe, il utilise l’énergie solaire pour convertir le carbone inorganique en carbone organique. En second lieu, il précipite le carbone inorganique en coccolithes sous forme de CaCO₃. Autant que possible, des cultures axéniques seront utilisées pour limiter la détermination des bilans de C à l’autotrophie.

Approche expérimentale. On utilisera des chémostats, systèmes continus ouverts qui produisent de la matière à volume constant. Ces systèmes permettent de stabiliser une population dans un état de référence (pCO₂ actuelle, 360 µatm), d'étudier sa réaction à une perturbation externe (pCO₂ élevée, 700 µatm), et de mesurer ses caractéristiques avant, pendant et après l'instauration d'un nouvel équilibre. Les mesures de calcification seront obtenues en temps réel sur le chémostat, alors que les tests de biodégradation seront réalisés à l'aide d'incubations indépendantes effectuées sur les cultures produites par les chémostats à différentes périodes. Ce protocole sera appliqué à deux chémostats, chacun étant caractérisé par un degré de limitation azoté différent, afin d'étudier les interactions des métabolismes de l'azote et du carbone sur la calcification et l'excrétion de matière organique dissoute (MOD). Concrètement, deux chémostats inoculés avec Emiliania huxleyi seront maintenus en parallèle avec un cycle lumineux. Leur volume sera fixé en fonction du taux de renouvellement et de la demande pour l’échantillonnage. Un des deux chémostats sera soumis à une augmentation de pCO₂, celle-ci étant contrôlée par une injection de CO₂ pur ou d'air sans CO₂ dans le gaz de bullage, suivant un asservissement sur des mesures continues du pH. L’autre chémostat sera maintenu à une pCO₂ de 360 µatm et servira de témoin. Le taux de renouvellement du chémostat détermine à la fois le taux de croissance et le degré de limitation des algues. Le facteur de limitation sera NO₃. Le taux de renouvellement pourra être soit élevé (faible limitation de µ par l’azote), soit faible (fort taux de limitation). Dans le second cas, l’étude concernera d’avantage l’interaction des métabolismes de l’azote et du carbone sur les processus de transformation du carbone inorganique dissous et les processus d’excrétion consécutifs.

Les mesures pour y parvenir: Le contrôle du système nécessite la détermination de la densité cellulaire (compteur HIAC), de la ressource limitant la croissance (NO₃) et du pH. Le bilan des échanges de C à travers les algues sera déterminé par des mesures de flux (fixation de ¹⁴C), croissance (biovolume), respiration (mesures directes et après incubation), d'excrétion (analyse de COD), calcification (anomalie d'alcalinité), et de stocks: carbone particulaire (CHN), carbone organique total (COT, analyse par méthode HTCO), lipides (Iatroscan).

III. 2. Atelier « mésocosmes »

Certains avantages de l'expérimentation avec des communautés naturelles en mésocosmes sont analogues à ceux de l'utilisation de chémostats pour des souches pures: (1) le milieu est renouvelé, d'où réduction des effets de confinement et meilleur contrôle de la qualité du milieu, (2) il est possible d'échantillonner à haute fréquence, (3) le dispositif permet la simulation de différents niveaux d’eutrophisation ...

Ce que l'on veut mettre en évidence. Les essais préliminaires mentionnés précédemment, ont permis à Martin Y. et al. (1996) de mieux évaluer l'importance de certains processus et celle des facteurs limitants, phosphore en particulier, pour la fixation du CO₂. Si ces travaux ont montré que, globalement, l'importance du carbone inorganique transféré dans la fraction particulaire et la fraction dissoute augmente selon les conditions trophiques, il subsiste néanmoins un certain nombre d'interrogations concernant notamment : (1) la qualité de la matière organique produite, la composante biochimique n'ayant pas été abordée, (2) la cinétique d’évolution de l’écosystème observé (composition, abondances) et (3) les conséquences sur l'exportation du carbone biogène et la transformation de la matière organique détritique.

Approche expérimentale. Le dispositif 'mésocosme' pour l'étude de populations naturelles méditerranéennes aura été mis préalablement en place aux Embiez. Les bacs (isolés de l’atmosphère par un couvercle en Plexiglas transparent) sont alimentés en eau de mer (pompée dans la lagune du Brusc) avec un débit modulable en fonction du taux de renouvellement choisi. L’eau est préfiltrée pour éliminer la présence des prédateurs du microplancton.

De plus, les bacs comportent:

- une régulation thermique pour stabiliser les écarts de température journaliers (dispositif de chauffage et de refroidissement), ce qui permet également de choisir pour l’eau, une température adaptée à la saison;

- une régulation des débits d’air et de CO₂ qui permet d’avoir un taux de renouvellement de 100% par heure (un brassage assurant une bonne homogénéisation);

- un dispositif de bullage pour entretenir une aération suffisante du milieu aqueux par augmentation des échanges eau-atmosphère;

- un enrichissement contrôlé en sels nutritifs qui se fait en continu et permet d’atteindre en concentration finale des rapports N/P/Si correspondant au système choisi (oligotrophie, eutrophie..).

Le dispositif expérimental comportera deux séries de trois bacs. La première série sera enrichie en CO₂ (700 matm) et la seconde servira de témoin. Dans le premier bac (1,5 m³) de chaque série, l’eau aura un temps de résidence 12 à 24 h. Celui de la série enrichie en CO₂ servira à assurer l'équilibrage à 700 matm. Dans le deuxième bac de chaque série, enrichi en sels nutritifs, se produira l'efflorescence phytoplanctonique. Le troisième bac de chaque série, dans lequel le temps de résidence sera plus élevé, favorisera le développement du microzooplancton.

Les mesures pour y parvenir. Les populations microplanctoniques présentes seront identifiées par microscopie optique. Le bilan des échanges de C à travers les populations sera déterminé par des mesures de flux (fixation de ¹⁴C, CID), d’abondance (cytométrie en flux), respiration (mesures directes et après incubation), d'excrétion (analyse de ¹⁴COD), et de stocks : carbone particulaire (CHN), carbone organique total (COT, analyse par méthode HTCO). La qualité de MOD et MOP sera examinée en détail (lipides, sucres, aa) en période de stabilisation trophique des mésocosmes.

IV. MODELISATION

IV. 1. Modélisation des observations en chémostats.

Buts poursuivis : A partir du constat que les modèles ne se valident que sur des jeux de données complets, un modèle de bilan sera conçu sur l’expérience menée en chémostats. Celui-ci intègrera la dynamique du carbone minéral et organique régie par les processus biologiques (production, excrétion, respiration, calcification) et physico-chimiques (échange entre les différentes phases du carbone dissous, saturation de la calcite, alcalinité).

Méthodologie : On utilisera le formalisme des équations différentielles qui permet de restituer la dynamique des systèmes perturbés. On recherchera dans un premier temps à reproduire les dynamiques observées en simulant les processus physiques, chimiques et biologiques impliqués. Ceci permettra de déterminer les constantes de temps caractéristiques de réaction du système, et de pouvoir, dans un second temps, proposer un formalisme minimum de la calcification adapté aux modifications réelles de pCO₂ dans l’océan.

Résultats attendus : Déterminer la sensibilité du système à divers degrés de variation de pCO₂, en estimer les conséquences sur le partitionnement du carbone entre les phases organiques (particulaire et dissoute) et inorganique (CaCO₃).

IV. 2. Modélisation des observations en mésocosmes.

Compte tenu de l'aspect exploratoire de l'expérimentation en mésocosmes, le travail de modélisation n'est envisagé que pour une phase ultérieure.

V. Répartition des tâches

ATELIER	CHEMOSTATS			MESOCOSMES
LABORATOIRE	LMM	LOB	LOBEPM	IOPR	LMM	LOB	LOBEPM
TACHE
Conduite des chémostats			X
Conduite des mésocosmes				X
Paramètres physico-chimiques			X	X
¹⁴C			X			X
Mesures de COT, COP, COD	X		X		X
Taux de croissance instantané			X
Calcification			X
Respiration		X	X			X
Test de Packard		X				X
Excrétion	X			X	X
COD, qualité, biodégradabilité	X		X		X
Activités bactériennes + états cellulaires	X				X
Chl a			X	X
Analyses par cytométrie en flux		X				X
Analyses lipides	X				X
Analyses CHN		X				X
Microphytoplancton (comptage, composition taxonomique)				X
Microzooplancton (biomasse, composition taxonomique)			X				X
Comptage particules (HIAC)			X
Incubations / O₂		X				X
Incubations / CID (coulométrie)		X				X
Modélisation		X	X

Par commodité, la participation de M. Frankignoulle (Univ. De Liège), qui concerne le suivi et le contrôle du système carbonate dans les chémostats, est indiquée dans la colonne LOBEPM.

VI. Méthodes

Paramètres physico-chimiques: Température, salinité, alcalinité, pH, sels nutritifs, phosphore et azote dissous.

Production primaire: La production primaire sera mesurée après incubation et incorporation de traceur radioactif ¹⁴C (Steemann Nielsen, 1951, Fitzwater et al., 1982).

Au cours des différentes expériences, un suivi de l'évolution des paramètres photosynthétiques du phytoplancton (ä*, fCmax et PBmax) sera effectué (Babin et al., 1994).

Production communautaire nette: Dans les mésocosmes, elle sera déterminée après incubation à partir des mesures de variation d’oxygène dissous (méthode spectrométrique, Williams and Jenkinson, 1982) et/ou de carbone inorganique dissous (méthode coulométrique, Robinson and Williams, 1991). Cette approche fournira la respiration, la production brute et la production nette.

Mesure du taux de croissance instantané: L'acquisition à haute fréquence (heure) de la densité cellulaire procure un signal de la population que l'on peut lisser à l'aide d'un algorithme approprié. En dérivant ce signal continu par rapport au temps, on calcule, à l'aide des équations du bilan de matière dans un chémostat, le taux de croissance instantané de la population (taux de division cellulaire) en fonction du temps. Si l'on dispose d'une bonne corrélation entre le volume cellulaire et le contenu en carbone, comme c'est le cas pour beaucoup d'espèces phytoplanctoniques, il devient possible d'estimer la production nette.

Respiration: La respiration totale de la communauté (essentiellement les microalgues en chémostat) ainsi que la respiration des organismes de taille inférieure à 0,8 µm seront estimées par 3 approches indépendantes: (1) directement à l'aide d'un respiromètre à haute résolution (OROBOROS), (2) en mesurant la consommation d'oxygène dissous lors d'incubations à l'obscurité. La version automatisée potentiométrique et/ou optique de la méthode de Winkler sera utilisée, et (3) à partir du test ETS de Packard (1971).

Excrétion: L’excrétion de COD par les cellules phytoplanctoniques sera déterminée dans les cultures en chémostat à l’aide de deux approches différentes : (1) par utilisation d’un traceur radioactif pour mesurer la production de COD (e. g. Zlotnik and Dubinsky, 1989), et (2) par différence de concentration entre l'entrée et la sortie du chémostat (Shimadzu, TOC-5000).

Qualité et biodégradabilité du carbone organique: La labilité du carbone organique produite dans les cultures dépend également de sa composition chimique. Parmi les différents constituants de la matière organique, les lipides seront plus particulièrement étudiés.

Pour déterminer la biodégradabilité de cette matière organique, nous nous proposons de suivre la cinétique de dégradation bactérienne du matériel d'origine photosynthétique (produit par la culture axénique de phytoplancton) dans les fractions dissoutes et particulaires. Ces expérimentations consisteront à suivre la croissance des bactéries hétérotrophes à l'obscurité dans des 'cultures' d'eau de mer (Sempéré et al, 1998; Lamy et al., 1999).

Une étude du matériel particulaire difficilement dégradable (définie comme réfractaire) est envisagée sur le COP obtenu sur les cultures pures en chémostat. L'étude de cette fraction réfractaire, qui semble jouer un rôle clé dans la préservation et l'exportation vers les sédiments (Harvey et Macko, 1997), permettrait d'apporter des informations sur l'origine et les modes de formation de la fraction lipidique non identifiable par les techniques classiques (collaboration avec V.Grossi).

Activités bactériennes: Production de biomasse avec la méthode de mesure de la synthèse protéique (leucine tritiée, Kirchman et al., 1993). Biomasse et dénombrement totaux par cytométrie en flux, après marquage avec des sondes moléculaires fluorescentes (Marie et al., 1996; Veldhuis et al., 1997) et/ou microscopie à épifluorescence (Van Wambeke, 1995). Etats cellulaires (marquage par sondes fluorescentes). Activité enzymatique (MCA et MUF-dérivés, spectrofluorimétrie; Lamy et al., 1999).

Particules : Pigments: les concentrations en chlorophylle a seront déterminées par fluorimétrie.

Carbone, azote et phosphore particulaires (Technicon).

Cytométrie en flux: L'abondance des cellules et leurs caractéristiques optiques de diffraction et fluorescence seront déterminées par cytométrie en flux. Dans les mésocosmes, les débris d'origine phytoplanctonique pourront éventuellement être identifiés, plus particulièrement dans les bacs destinés à favoriser le développement de l'hétérotrophie.

Comptage des particules, spectre de taille: un compteur optique mesurant la section efficace des particules fournira leur densité et leur spectre de taille avec une fréquence pouvant atteindre la demi-heure.

Microzooplancton: La biomasse et la composition taxonomique du microzooplancton seront déterminées sur des échantillons fixés au formol et au Lugol. Le dénombrement par microscopie inversée sera effectué au laboratoire à Villlefranche-sur-mer.

Microphytoplancton: L’abondance et la composition taxonomique du microphytoplancton seront déterminées sur des échantillons fixés au Lugol. Le dénombrement par microscopie inversée sera effectué au laboratoire de l’ IOPR.

VII. CALENDRIER

Compte tenu de sa nature exploratoire, ce programme est limité a une période de 2 ans. Les ateliers proposés, un seul de chaque nature (chémostats, mésocosmes), devront impérativement avoir lieu pendant le premier semestre de l’an 2000 pour éviter un recouvrement avec l’opération POMME à laquelle contribuent plusieurs participants de ce projet.

Ainsi, l’atelier « chémostats » sera organisé en février-mars 2000 et l’atelier « mésocosmes » en mai-juin 2000. Les expériences en chémostats et mésocosmes dureront 3 semaines maximum, mais leur préparation avant l’arrivée des intervenants prend un mois. Un étudiant de DEA co-encadré par Sciandra et Gattuso sera chargé de mettre en œuvre le dispositif des chémostats. L’IOPR se chargera de la mise en service des mésocosmes.

Chaque expérimentation sera précédée d’une réunion de préparation dont l'objet sera:

- d’évaluer les schémas hypothétiques de fonctionnement d’un système simplifié (culture monospécifique axénique en mode continu) et d'un système plus complexe (mésocosme),

- de définir les conditions expérimentales,

- de coordonner les prélèvements et les mesures

Les ateliers seront suivis de réunions partielles pour l’analyse et l’exploitation des résultats. Une réunion générale de synthèse sera organisée au début du 2ème semestre 2001. Elle devrait conduire à la présentation d’un projet beaucoup plus étoffé, à réaliser sur une plus longue période.

VIII. ADEQUATION ET COMPLEMENTARITE AVEC LES AUTRES PROGRAMMES

Le projet DOREMI relève du thème 3 du programme national PROOF. Il répond de plus à un problème majeur de société que constitue l’accroissement continu de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, du fait des activités anthropiques. Quatre laboratoires de la façade méditerranéenne unissent leurs efforts et leurs compétences pour mener à bien ce projet qui joue ainsi un rôle fédérateur bénéfique pour la communauté nationale. Ce projet répond aussi aux objectifs du Département Environnement de ELF, société qui contribue au rejet de CO₂ dans l’atmosphère et qui s’intéresse à la réponse de l’océan. Le soutien conjugué, institutionnel (CNRS-INSU) et industriel (ELF) fait que le projet DOREMI s’inscrit aussi dans la tendance actuelle du financement de la recherche. En effet, à l’échelle européenne, l’évolution conduit à l’amplification de ce type de partenariat: académique et économique. Bien que le projet soit limité à une phase exploratoire, les approches à la fois expérimentales et de modélisation concernant les relations entre la production primaire et le réseau trophique seront valorisées dans le cadre des campagnes POMME en Atlantique Nord où les études de processus s'attacheront au rôle des assemblages microbiens dans le devenir de la matière organique dans les eaux modales subductées. Cette valorisation des acquis de DOREMI sera facilitée par l'implication d'une grande partie des membres du projet à ces campagnes relevant aussi du programme national PROOF.

IX. ORGANISATION

La coordination du projet sera assurée par M. Denis et un comité d'animation constitué par un représentant de chaque laboratoire (J.-P. Gattuso, D. Lefèvre, Y. Martin et F. Van Wambeke).

Des collaborations ont déjà eu lieu dans le passé entre plusieurs des participants, ce qui constitue un gage de cohésion du groupe et favorisera sans nul doute le succès du projet, facilité par la proximité géographique des laboratoires concernés.

X. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Les références bibliographiques ci-dessous concernent les travaux du responsable et des participants au projet (signalés en caractères gras ) sur le sujet de la demande (trois dernières années). Les références citées dans le texte sont regroupées en fin du dossier.

Auger P. and Poggiale J.C. (1996), Emergence of Population Growth Models : Fast Migration and Slow Growth, J. Theor. Biol. 182: 99-108.

Bernard O., Malara G., and Sciandra A. (1996) The effects of a controlled fluctuating nutrient environment on continuous cultures of phytoplankton monitored by a computer. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 197: 263-278.

Bianchi M., Bianchi A., Goutx M., Marty D., Sempéré R. and Van Wambeke F. (1996) Degradation of organic matter by heterotrophic bacterial activity. In "Integrated Marine system Analysis. Minutes of the first network meeting", Baeyens J., Dehairs F. and Goeyens L., Eds, Vrije Universiteit Brussel, brussel, pp 142-162.

Christaki U., Van Wambeke F. and Dolan J.R. (1999) Nanoflagellates (mixotrophs, heterotrophs, and autotrophs) in the oligotrophic eastern Mediterranean: standing stocks, bactivory and relationships with bacterial production. Mar. Ecol. Prog. Ser. 181: 297-307.

Collos Y., Sciandra A., Martin-Jézéquel V., Slawick G. and Garcia N. (1998) Dilution of ¹⁵N in Dunaliella tertiolecta by uptake of an unidentified nitrogen compound following nitrate exhaustion. C. R. Acad. Sci. 321: 673-677.

Collos J.Y., Mornet F., Sciandra A., Waser N., Larson A. and Harrisson P.J. (1999). An optical method for the rapid measurement of micromolar levels of nitrate in phytoplankton cultures. J. Applied Phycol. 11: 189-194.

Conan P. (1996) Variabilité et bilan de la production primaire en zone côtière (Méditerranée Nord occidentale, entrée du golfe du Lion) en relation avec les systèmes biologique, chimique et hydrodynamique (Courant Nord Méditerranéen). Thèse, Université de la Méditerranée, (T. I 185 p. et T. II 102 p.).

Conan P., Pujo-Pay M., Raimbault P. et Leveau M. (1998) Variabilité hydrologique et biologique du golfe du Lion. I. Transports en azote et productivité potentielle. I. Bilan annuel des transports en azote et productivité potentielle. Oceanol. Acta 21: 751-765.

Conan P., Pujo-Pay M., Raimbault P. et Leveau M. (1998) Variabilité hydrologique et biologique du golfe du Lion. I. Transports en azote et productivité potentielle. II. Bilan de la productivité sur le bord interne du courant. Oceanol. Acta 21: 767-782.

Conan P., Turley C.M., Stutt E., Pujo-Pay M. and Van Wambeke F. (1999) Relationship between phytoplankton efficiency and the proportion of bacterial production to primary production in the Mediterranean Sea. Aquat. Microb. Ecol. 17: 131-144.

Denis M., Martin V. and Andersen V. (2000) Short-term variation of the vertical distribution of cyanobacteria in the open Mediterranean Sea. Scientia Marina (in press)

Denis M., Martin V., Momzikoff A., GondryG., Stemmann L., Demers S., Gorsky G. and Andersen V. Short-term variation of vertical distributions of the biological pump in the open northwestern Mediterranean Sea (submitted)

François F., Poggiale J.C., Stora G. and Durbec J.P. (1997) A new approach for the modelling of sediment reworking induced by a macrobenthic community. Acta Biotheoretica 45: 295-319.

Gattuso J.-P., Frankignoulle M., Bourge I., Romaine S. and Buddemeier R.W. (1998) Effect of calcium carbonate saturation of seawater on coral calcification. Global and Planetary Change 18: 37-46.

Gattuso J.-P., Allemand A. and Frankignoulle M. (1999) Photosynthesis and calcification at cellular, organismal and community levels in coral reefs: a review on interactions and control by carbonate chemistry. American Zoologist 39: 160-183.

Hays G.C., Warner A.J. and Lefèvre D. (1996) Long-term changes in diel vertical migration behavior of zooplankton. Mar. Ecol. Prog. Ser. 141: 149-159.

Gordillo J.F., Goutx M., Lopez-Figueroa F. and Xavier Niell F. (1998) Effects of light intensity, CO₂ and nitrogen on lipid class composition of the halotolerant green alga Dunaliella viridis. J. appl. Phycol. 10: 135-144.

Kleypas J.A., Buddemeier R.W., Archer D., Gattuso J.-P., Langdon C. and Opdyke B.N. (1999) Geochemical consequences of increased atmospheric CO₂ on coral reefs. Science 284, 118-120.

Kooi B.W., Poggiale J.C. and Auger P.M. (1998) Aggregation Methods in Food Chains, Mathematical Computer Modelling 27: 109-120.

Lamy F. (1998) dégradation bactérienne de la matière organique en milieu marin: Application au site EUMELI oligotrophe avec un modèle 1D - Assimilation de données expérimentales dans un modèle 0D. Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 173 pp.

Lamy F., Bianchi M., Van Wambeke F., Sempéré R. and Talbot V. (1999) Use of data assimilation techniques to analyze the significance of ectoproteolytic activity measurements performed with the model substrate MCA-leu. Mar Ecol. Prog. Ser. 177: 27-35.

Leboulanger C., Martin-Jézéquel V., Descolas-gros C., Sciandra A. and Jupin, H. (1998) Photorespiration in continuous cultures of Dunaliella teriolecta (Chlorophyta) : relationships between serine, glycine and extracellular glycolate. J. Phycol. 34: 651-654.

Leclercq N., Gattuso J.-P. and Jaubert J. CO₂ partial pressure controls the calcification rate of a coral community. Glob. Change Biol. (sous presse).

Lefèvre D., Minas H.J., Minas M., Robinson C., Williams P.J.leB. and Woodward E.M.S. (1997) Review of Gross community production, primary production, net community production and dark community respiration in the gulf of Lions. Deep sea Res., Part II, 44: 801-832.

Lefèvre D., Denis M., Lambert C.E. and Miquel J.C. (1996) Is DOC the main source of organic matter remineralization in the ocean water column ? J. mar. syst. 7: 281-291.

Martin Y., Joncour P., Saliba P., Tanguy B. et Descatoire J. (1996) Fixation biologique du C0₂ en milieu marin. Contrat Elf n°8398, avenant n°4.

Martin Y., Marty P., Bonnefont J.-L., Tanguy B. et Descatoire J. (1997) Biodiversité du microplancton et de la boucle microbienne des eaux littorales: effet d'une augmentation du CO₂ atmosphérique. Contrat Elf n°8398, avenant n°5.

Marty P., Martin Y. and Bonnefont J.-L. Effect of an increase of atmospheric carbon dioxide on the structure and diversity of Mediterranean coastal phytoplankton communities and microbial loop: a microcosm approach. Aqua. Microb. Ecol. (submitted)

Michalski J., Poggiale J.C., Arditi R. and Auger P. (1997) Effects of migrations modes on patchy predator-prey systems, J. Theor. Biol. 185: 459-474.

Poggiale J.C., Michalski J. and Arditi R. (1998) Emergence of Donor Control in Patchy Predator-Prey Systems, Bul. Math. Biol. (in press).

Poggiale J.C. and Auger P. (1996) Fast Oscillating Migrations in a predator-prey model, Mathematical Models and Methods in Applied Sciences 6: 217-226.

Pujo-Pay M., Conan P. and Raimbault P. (1997) Excretion of dissolved organic nitrogen by phytoplankton assessed by wet oxidation and N-15 tracer procedures. Mar. Ecol. Prog. Ser. 153 : 99-111

Pujo-Pay M., Conan P. et Raimbault P., (1997) Sous-estimation des teneurs en azote particulaire en milieu océanique par l'utilisation des filtres GF/F. C. R. Acad. Sci.: 324 (IIA) : 401-407

Sciandra A., Gostan J., Collos Y., Descolas-Gros C., Le Boulanger C., Martin-Jézéquel V., Denis M., Lefèvre D., Copin C. and Avril B. (1997) Growth compensating phenomena in continuous cultures of Dunaliella tertiolecta limited simultaneously by light and nitrate. Limnol. Oceanogr. 42 :1325-1339.

Sempéré R., Van Wambeke F., Azourmanian H., Chambaud A.-L., Ferrière L. and Bianchi M. (1998) On the use of batch systems to determine DOC bacterial lability and bacterial growth efficiency in seawater samples. In: Integrated Marine System Analysis. Proceedings of the second network meeting F. Dehairs, M. Elskens and L. Goeyens, Eds, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, pp. 223-238.

Thingstad T.F., Havskum H., Kaas H., Lefèvre D., Nielsen T.G., Riemann B. and Williams P.J. le B. Bacteria-protist interactions and organic matter degradation under P-limited conditions: analysis of an enclosure experiment using a simple model. Limnol. Oceanogr. (sous presse)

Williams P.J.leB. and Lefèvre D. (1996) Algal ¹⁴C and total carbon metabolisms. 1. Models to account for the physiological processes of respiration and recycling. J. Plankt. Res. 18: 1941-1959.

Williams P.J.leB., Robinson C., Sondergard M., Jespersen A.M., Bentley T.L., Lefèvre D., Richardson K. and Riemann B. (1996) Algal ¹⁴C and total carbon metabolisms. 2. Experimental observations with the diatom Skeletonema costatum. J. Plankt. Res. 18: 1961-1974.

XI. MOYENS DONT DISPOSE LE PROPOSANT ET QUI SERONT AFFECTÉS À LA RÉALISATION DU PROJET

XI. 1. Chercheurs et laboratoires impliqués

La liste nominative des personnes impliquées avec indication précise du rôle de chacun et du pourcentage de temps consacré au projet est présentée dans le Tableau 2 suivant. En ce qui concerne la répartition des efforts, il est à noter que les groupes (IOPR et LOBEPM) qui prennent en charge la logistique des ateliers (mésocosmes et chémostats respectivement) ne participent qu'aux ateliers dont ils assurent la préparation et le fonctionnement, alors que les groupes (LMM et LOB), qui n'ont pas cette charge, interviennent dans les deux modes expérimentaux.

Tableau 2. Liste des participants avec mention de leur fonction, de leur affiliation, de leur compétence et de leur pourcentage de participation.

Nom	Fonction	Affiliation	Contribution	Participation (%)
Bonnefont Jean-Luc	Chercheur	IOPR	Bactéries, Phytoplancton	20
Descatoire Jean	Ing. techn.	IOPR	Mésocosmes	5*
Lelong Patrick	Chercheur	IOPR	Phytoplancton	5*
Martin Yvan	Dir. Dpt rech.	IOP R	Bactéries, Phytoplancton	20
Tanguy Brigitte	Ing. chimiste	IOPR	Sels nut. NOD, POD, CO₂	25
Goutx Madeleine	CR CNRS	LMM	Lipides	15
Lamy François	Post doc	LMM	Modélisation	5*
Sempéré Richard	CR CNRS	LMM	Labilité POC DOC	20
Van Wambeke France	CR CNRS	LMM	Régulation bactéries	20
Conan Pascal	MCU	LOB	Prod. primaire, MOD	15
Denis Michel	DR CNRS	LOB	Cytométrie en flux	35
Grossi Vincent	CR CNRS	LOB	Modifications chimiques	5*
Lefèvre Dominique	CR CNRS	LOB	ETS, respiration, PCN	15
Poggiale Jean-Christophe	MCU	LOB	Modélisation	15
XXX	DEA	LOBEPM	Prod. primaire, excrétion	100
Gattuso Jean-Pierre	DR CNRS	LOBEPM	pCO₂, respiration	20
Le Floc'h Emilie	Doctorante	LOBEPM	Prod. prim., excrétion, resp.	15
Lemée Rodolphe	MCU UPMC	LOBEPM	Prod. primaire, excrétion	20
Malara Gilbert	IE	LOBEPM	Chémostat	30
Pizay Marie-Dominique DDDominiqueDominique	AI CNRS	LOBEPM	Respiration, alcalinité totale	15
Rochelle-Newall Emma	Poste rouge	LOBEPM	Excrétion MOD	20
Sciandra Antoine	CR CNRS	LOBEPM	Cultures en chémostat	20
Frankignoulle Michel	CR FNRS	Univ. Liège	Système carbonate	10