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Axe 1.1 / 1.1.2.

Implication des gradients verticaux de la

physiologie du phytoplancton dans les

études spatiales à grandes échelles

F. Lizon

F. Artigas, A. Louchart , M. Didry, M Michèle-Rodriguez

Coll. JericoNext (UE) : SMHI (Suède), Vliz (Belgique), RWS (Pays Bas)

Journées CPER MARCO – Boulogne sur mer – 11 oct. 2018

Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton

dans les études spatiales à grandes échelles

Contexte

Production

Primaire ! In situ !

Problématique générale :

Communauté phyto.

Structuration,

qualité des eaux

Variations spatio-

temporelles à gde

échelle :

Physiologie

Bilan PP (VIP*)

// Changmt climat

Notion indicateur

biol. DCSMM

Etude Cytométrie et

Fluo. Spectrale

(passive)

Suivi en continu à

échelle bassins

océaniques :

Hydrologie et Climat

Lumineux (λ)

Coll. JericoNext (UE H2020)

+ lien Axe 2.2 Thèse M Michèle-Rodriguez

*VIP = Vertically Integrated Physiology



Objectif :

Etude des réponses physiologiques du phyto.

dans la colonne d’eau: cad in situ sans incubation !

en relation avec les contraintes de lumière - structures

hydrol. & hydrodynamique – dispo. sels nutritifs

pour des colonnes d’eau et écosystèmes contrastés

►Caractériser la plasticité, la dynamique des processus

photorégulation & photoacclimatation in situ de

différents gpes fonctionnels de phyto.

►Proposer des bilans de PP intégrant tte l’info physiol. sur

la couche euphotique en condition de lumière naturelle !



1 Question spécifique aujourd’hui :



La profondeur

d’échantillonnage des

campagnes à gde échelle

impacte t-elle la typologie de la

physiologie du phytoplancton ?

en raison :

-de la structuration des eaux

-de l ’importance des gradients

physiologiques verticaux

JERICONext : Campagne S. Stevin VLIZ, 2017

Excitation PSII à 3 λ : Bleu, rouge, vert

An

ten

ne

P

hyto

pla

ncto

n

Méthodologie simplifiée : basée / fluorescence active FRRF

Mesures variation fluo. (active

Single Turnover) / soleil + ch. noire =

nb info physiologie cell.

Examen protocoles &

Validation data



1

Calcul proxy Production

Primaire (GPP)

2

4 5

+ Correction « bruit fond »

3

Etude des

gradients verticaux

6

Méthodo. : 1 Capteur sous lum. naturelle + 1 en ch. noire (ChelSea Ltg)

1 PAR-mètre + 1 spectro-radiomètre (TriOs)

=> Profil Surface -> Fond (± 40m) en ± 30 mn



Paramètres physiol. & optiques :

Rendement quantique des Photo-Systèmes II (PSII) : 2x

........ YPSII (soleil) & F’v/F’m (noir) (unité relative)

Nb. de Centre Réactionnel des PSII .................. RCII (nmol PSII.m-3)

Taille fonctionnelle des PSII ................. σ’ PSII & σ PSII (nm2.PSII-1)

Coef. d’absorbtion des antennes des PSII .................... aLHII (m-1)

Photoinhibition .................................... NPQ & NSV (unité relative)

Concentration en chlorophylle a ................................ Chla (mg.m-3)

Proxy Production Primaire Brute (GPP) .......... JVPSII (mol e- .m-3.s-1)

Intensité (PAR) et qualité (spectre bande BVR) da la lumière :

….. calc coef extinction Kd PAR & Bleu, Vert, Rouge



Echantillonnage: dimension verticale + horizontale



Total des profils FRRF fin 2018 = 190

FRRF sea trip

=

+200 profils

Manche

Mer du Nord

Kattegat

Skagerak

Mer Baltique

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F'v/F'm (450nm)

F'v

/F'm

(4

50

+6

24

nm

)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F'v

/F'm

(4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.787 ( t = 21.81 p = 0 )

r = 0.766 ( t = 20.31 p = 0 )

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

YII (450nm)

YII (

45

0+

62

4n

m)

XvsY1 high PAR

XvsY1 low PAR

XvsY2 high PAR

XvsY2 low PAR

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

YII (

45

0+

53

0+

62

4n

m)

r = 0.515 ( t = 8.5 p = 0 )

r = 0.439 ( t = 7.07 p = 0 )

1 2 3 4 5 6

12

34

56

Sigma' (450nm)

Sig

ma

' (4

50

+6

24

nm

)

1 2 3 4 5 6

12

34

56

Sig

ma

' (4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.32 ( t = 4.64 p = 0 )

r = 0.065 ( t = 0.11 p = 0.918 )

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

RSigma' quality factor (450nm)

RS

igm

a' fa

cto

r (4

50

+6

24

nm

)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

RS

igm

a' fa

cto

r (4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.282 ( t = 4.14 p = 0 )

r = 0.052 ( t = 0.76 p = 0.451 )

Gray area: acceptable Values

Résultats :

Etude des protocoles & qualité des données



-Variable selon composition com. phyto ?

Com. phyto. à Diatomées

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F'v/F'm (450nm)

F'v

/F'm

(4

50

+6

24

nm

)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

F'v

/F'm

(4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.004 ( t = 0.06 p = 0.95 )

r = 0.459 ( t = 8.19 p = 0 )

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

YII (450nm)

YII (

45

0+

62

4n

m)

XvsY1 high PAR

XvsY1 low PAR

XvsY2 high PAR

XvsY2 low PAR

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

YII (

45

0+

53

0+

62

4n

m)

r = 0.514 ( t = 7.49 p = 0 )

r = 0.813 ( t = 19.5 p = 0 )

1 2 3 4 5

12

34

5

Sigma' (450nm)

Sig

ma

' (4

50

+6

24

nm

)

1 2 3 4 5

12

34

5

Sig

ma

' (4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.766 ( t = 14.66 p = 0 )

r = 0.257 ( t = 3.46 p = 0.001 )

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

RSigma' quality factor (450nm)R

Sig

ma

' fa

cto

r (4

50

+6

24

nm

)0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.0

00.0

20.0

40.0

60.0

80.1

0

RS

igm

a' f

acto

r (4

50

+5

30

+6

24

nm

)

r = 0.682 ( t = 11.67 p = 0 )

r = -0.122 ( t = -1.73 p = 0.086 )

Gray area: acceptable Values



Estimations

de PSII Com. phyto. à Diatomée + Cyanobactéries

L’estimation de la taille antennes (PSII) dépend des λ

utilisées (ici 1, 2 ou 3)

Nécessité de X protocoles de mesures et/ou connaître à

priori les groupes phyto. présents

Résultats :

Gradients physiologiques dans la colonne d’eau

-quelle ampleur ?

-dépendent-ils des structures hydrologiques des

masses d’eau ?

Comparaisons de 3 types de structure verticale :

-zone mélangée : détroit du Pas de Calais

-zone stratifiée : Baltique

-zone à maximum profond de Chla (DCM) : Kattegat



Sweden



=> 2 exemples contrastés :

-distribution Chla : zone à DCM / Stratifiée

-couche euphotique : 35m / 9m

-Groupes phyto. : alg brunes / cyanobact.

JERICONext Campagne Aranda SMHI, 2017

Cas n°1 : Statification

Com. phyto. à Diatomée +

Cyanobactéries

Info / graphe :

-Moyenne sur 40m

-CV= coef. de variation sur

la couche de mesure :

16 à 65 %

Cas n°2 : DCM

Com. phyto. à Diatomée

Info / graphe :

-Moyenne sur 40m



14,8 à 98,5 %

NB : Ratio Chla / RCII

= 2,8 au pic Chla

= 2,6 en surface

= 1,8 surface cas 1

Cas n°3 : Z Mélangée

Détroit Pas de Calais


Info / graphe :

-Moyenne sur 30m



12 à 45 %

Nb. RCII ↑ < Zeuph.

St. 20 28m



Résultats :

Proxy calc. Production Primaire

-pas encore de bilan saisonnier faute de stratégie

d’échantillonnage suffisante / adaptée

-mais étude protocoles et algorithmes de calculs :

variation importante sur bilan intégré ?

Aperçu avec 1 cas d’étude de zone à DCM

Cas n°2 : DCM


Info / graphe :

-intégrale verticale flux de

photon photosynthétique

-% différence calc. entre

algorithmes et/ou

protocoles



Questions : Impact prof. d’échantillonnage

des campagnes sur typologie de la physiol. phyto. ?

JERICONext : Campagne S. Stevin VLIZ, 2017



Cas de la campagne VLIZ : 1/ Taille antenne PSII



Cas de la campagne VLIZ : 2/ Rendement quantique effectif des PSII



Cas de la campagne VLIZ : 3/ CV (%) rendement quantique mesurée au noir



NB : Recherche nouveau « indicateur » :

Relation signif. pour rendement quantique moyen sur couche euphotique vs

extinction vertical du ration Rouge/Bleu



Conclusions :

●Recommandations

-protocoles de mesure / zone d’étude, communauté…

-camp. gde échelle : profiles verticaux même si

structure hydrologique ou Chla homogènes

=> Rapport UE sur le management du FRRF profiler

●Techn. performante étude fine physiologie phyto in

situ sous lumière naturelle sans incubation ! + calc GPP

●Need : ►Stratégie échantil. «in ideal world» =

répétition mesures / station ou masse d’eau / jour

-> cycle journalier

►Calibration « carbon / électron » : fréq ?



Rapports :

-Master 1 :A. Boens, BEE, Univ Lille (2017): “Contribution à l’étude de la photoacclimatation spectrale”.

-Master 2: A. Senaff, M2 FOGEM, Univ Lille (2017): “Etude de la photoacclimatation « spectrale » des

microalgues en milieu côtier dominé par la marée : Approche in situ (FRRF profiler) et expérimentale

(multicolorPam) ”.

- Report JericoNext, Milestone 19, contribution F Lizon : “Implementation of FRRF and/or PAM in

continuous and profile recording systems, Test in field sampling “(2017).

-Thèse en cours : Monica Michèle-Rodriguez (Univ Lille, financement Univ Lille) : “Photoacclimatation

spectrale des microalgues en milieu côtier tempérés” (2017-2020).

Présentations :

-Les Travailleurs de la Mer (2017-2018) : Interaction ART-Science, Nicolas Floc’h, ArtConnexion Lille

-Workshop JericoNext/Life Watch au VLIZ Ostande (Belgique, Déc. 2017) : “Apport de la fluorescence

active par FRRF profiler dans la campagne Life-Watch 2017”.

-Workshop JericoNext au Marine Institut de Galway (Irelande, Sept. 2018) : “Implications des profils

verticaux de FRRF dans les campagnes spatiales à grande échelle”.

-Colloque ICHA (Nantes, octobre 2018) : 2 contributions

Collaborations :

-JericoNext H2020 ; dépôt fin oct. projet TA (Transnational Access UE) pour experimentations coll. en

mésocosmes (Helsinki, J Seppala) ; RESOMAR

Merci

Remerciements

« Ce travail a été financé par l’Europe (FEDER), l’Etat et la Région Hauts-

de-France, dans le cadre du CPER MARCO 2015-2020 »

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