ÉCOSYSTÈMES MARINS

Écosystème: unité naturelle constitué de tous ses composantes biotiques (animaux, plantes, micro-organismes) et des facteurs physico-chimiques (abiotiques) avec lesquels ils interagissent

Un écosystème comprend trois éléments:

Le biotope: région ayant des conditions environnementales cohérentes, et format le support abiotique d'un écosystème.Le concept de biotope a été introduit par le biologiste allemand Ernst Haeckel en 1908.

La biocénose: ensemble des êtres vivants qui interagissent entre eux dans un écosystème

Les relations: qui peuvent exister et se développer à l’intérieur de ce système.

Le biotope est formé de composants non vivants de l’écosystème, comme les roches, l’eau, l’air ou la lumière, et de conditions de température, humidité, etc….

Il y a trois sortes d’écosystèmes:Ecosystémes aquatiques:Biotope couvert d’eau

Ecosystèmes terrestres:Biotope qui n’est pas couvert d’eau

Ecosytèmes Mixtes:Zones de rencontre entre la Terre et l’Eau

LE BIOTOPE

LA BIOCENOSE• C’est l’ensemble des êtres

vivants qui cohabitent dans un écosytème donné.

• La population est l’ensemble des individus d’une même espèce présent dans une biocénose

• Dans un écosytème, tous les éléments dépendent les uns des autres, sont en équilibre si ses relations sont stables.

La biocenos

e

La populatio

n

L’équilibre

LES RELATIONS ALIMENTAIRES

Il y a trois groupes selon le type de relation qu’ils établissent pour obtenir les nutriments:

LES PRODUCTEURS: • Au début de la chaîne

alimentaire. Il y a les végétaux et les algues.

• Leur nutrition est autotrophe

LES CONSOMMATEURS:• Ce sont les animaux et

quelques protistes. • Leur nutrition est

hétérotrophe

LES DÉCOMPOSEURS:• Ce sont les champignons

et certaines bactéries• Ils remettent au biotope

la matière qui était en circulation dans l’écosystème

LA CHAÎNE ALIMENTAIRE

ECOSYSTÈME MARIN

Un Écosystème marin désigne un écosystème d'eau salée, y compris les océans et les rivages. Les écosystèmes océaniques comprennent les collectivités pélagiques (à la surface de la mer) et benthiques (au fond de la mer).

PRINCIPAUX ÉCOSYSTÈMES MARINS

La biodiversité désigne la diversité naturelle des êtres vivants. Le monde aquatique possède une très grande biodiversité.

On peut distinguer trois grands types d’écosystèmes aquatiques d’eau salée qui ont chacun leur biodiversité spécifique.

• Les biocénoses sont structurées selon les relations proie-prédateur entre les différentes espèces qui les constituent.

• La chaîne trophique décrit la position des organismes au sein d'un système dynamique qui décrit qui mange qui, qui est mangé par qui.

• Les producteurs primaires sont autotrophes et utilisent l'énergie solaire pour former leurs molécules organiques (photosynthèse), ou éventuellement, l'énergie chimique (chimiosynthèse). Il s'agit des plantes (essentiellement des algues dans la mer) et de certaines micro-organismes, bactéries ou archées.

• Les consommateur sont hétérotrophes et se nourrissent d'autres organismes vivants.

• Les décomposeurs ou détritivores sont également hétérotrophes, mais ils consomment de la matière organique morte.

• Le passage d'un maillon à l'autre de la chaîne trophique conduit à une consommation et à une production de biomasse (quantité de matière vivante par unité de surface ou de volume).

Chaîne trophique

LA PRODUCTION PRIMAIRE Elle est la base du fonctionnement énergétique des écosystèmes. Elle correspond à la synthèse de matière

organique à partir des éléments minéraux et d’une source d’énergie. Pour au moins 99 % de la biomasse produite dans la biosphère, la production primaire est assurée par les organismes photoautotrophes (producteurs primaires) via la photosynthèse. La photosynthèse conduit à la formation de maillons carbonés (-HCOH-) qui, associés à d’autres éléments (azote, phosphore…), forment les molécules de la matière organique (protéines, acides nucléiques…). Le niveau de production par les organismes photosynthétiques aquatiques est déterminé par la variabilité dans l’espace et le temps de trois facteurs physico-chimiques : disponibilité en dioxyde de carbone, apport d’éléments minéraux et disponibilité en lumière. Le dioxyde de carbone n’est jamais limitant. En revanche, la disponibilité en énergie lumineuse dépend principalement de la profondeur de l’eau, de sa turbidité (charge en particules en suspension) mais également de l’interception du rayonnement par les végétaux eux mêmes (effet d’ombre). Les quantités en éléments minéraux (azote, phosphore, fer...) peuvent être limitantes. Les écosystèmes aquatiques continentaux et marins littoraux sont rarement carencés du fait principalement des apports transversaux. Par contre, dès que l’on s’éloigne d’écosystèmes riverains, les sources d’éléments minéraux se raréfient, limitant le niveau de production primaire de telle sorte que des zones du domaine marin océanique sont considérées comme oligotrophes. Dans les systèmes aquatiques, les producteurs primaires sont variés : cyanobactéries, microalgues planctoniques ou benthiques (du périphyton et périlithon), macroalgues, mousses et phanérogames hydrophytes.

Chaînes alimentaires et réseau trophique

Composition de l’eau de mer

Source: Dickson 2007, Best practices in ocean CO2 measurements (S = 35)

Espèce chimique mol kg-soln-1 g kg-soln-1 % du totalCl- 0.54586 19.3524 55.03

SO4-- 0.02824 2.7123 7.68

Br- 0.00084 0.0673 0.19F- 0.00007 0.0013 0.003Na+ 0.46906 10.7837 30.59Mg++ 0.05282 1.2837 3.68Ca++ 0.01028 0.4121 1.18K+ 0.01021 0.3991 1.11Sr++ 0.00009 0.0079 0.04

B(OH)3 0.00032 0.0198 0.06

B(OH)4- 0.00010 0.0079 0.02

CO2* 0.00001 0.0004 < 0.01

HCO3- 0.00177 0.1080 0.37

CO3-- 0.00026 0.0156 0.04

OH- 0.00001 0.0002 < 0.01Somme 1.1194 35.1717 > 99.99

Salinité – densité – masses d'eau• La composition de l’eau de mer varie peu de manière relative.

• La salinité, actuellement exprimée selon une échelle pratique et mesurée sans unité indique la teneur en sel globale d’une eau de mer (PSU = « practical salinity unit »).

• La densité de l’eau varie en fonction de sa température, de sa salinité et dans une bien moindre mesure, de sa pression

• Des masses d’eau de mer de densité différentes se mélangent difficilement => structuration spatiale des masses d’eau (ex : thermocline, halocline, …)

Pycnocline (thermo- ou halocline)• Pycnocline : changement rapide de la densité de

l’eau avec la profondeur

• Si le changement de densité est principalement dû à des différences de température, on parle de thermocline. Lié au réchauffement des eaux de surface par le soleil.

• L’halocline est une structuration verticale des eaux de densité différente due à des salinités variables. Elle se rencontre principalement au niveau des estuaires.

A droite :profil des températuresdans un océan tropical.

Notez la rapide chutedes températures

entre 100 et 200mde profondeur.

La lumière dans les océans• La lumière fournit l’énergie nécessaire

aux autotrophes photosynthétiques pour produire des molécules organiques.

• La photosynthèse est l’origine de plus de 95% de la production primaire des océans (le reste étant fourni par la chimiosynthèse).

• Donc, la lumière est un facteur clé de l’environnement.

• L’eau absorbe la lumière de manière différente selon la longueur d’onde (voir ci-contre).

La zone euphotique• Zones euphotiques versus aphotiques. La profondeur de la zone euphotique varie en fonction de la

turbidité de l’eau (de moins d’un m dans les estuaires les plus troubles à 200 m ou plus dans les eaux oligothrophes).

Étagement de la bordure côtière• Supra-littoral : zone découverte exposée aux embruns

• Medio-littoral : zone de balancement des vagues et marées

• Infra-littoral : zone immergée et bien éclairée (limite inférieure des herbiers)

• Circa-littoral : zone profonde à faible éclairement (limité par le talus continental)

Le supra-littoral

balanes et littorines

ligie

Et aussi : cyanophycées, lichens, crabes…

Le medio-littoral

patelles

Rissoella

actinie chevaline(tomate)

lithophyllum

L’infra-littoralposidonie et biocénose associée

gorgone blanche et codium

aiptasie

acétabulaires

anémone verte

Le circa-littoralgorgones rouges et jaunes pseudolithophyllum

cérianthe

peyssonnelia

Les nutriments• La matière organique est constitué de C, H, O, N et P principalement.

• H et O sont disponibles en grandes quantités dans l’eau de mer (H2O, mais aussi, O2, CO2, H+, OH-, …).

• C est présent également en quantités non négligeables dans l’eau de mer, nous venons de le voir, principalement sous forme de DIC.

• Ainsi, N et P, en bien plus faibles quantités peuvent, et sont souvent les éléments limitants la production primaire, et par conséquent, de la production tout au long de la chaîne trophique.

• Un autre élément souvent limitant est Si, pour les organismes formant un squelette siliceux (diatomées).

• N, P et Si sont appelés nutriments. Il ont un caractère limitant prépondérant dans tous les écosystèmes marins et ils peuvent provoquer des dérèglements (eutrophisation) lorsqu’ils sont présents en trop fortes quantités (par ex. : pollution d’origine anthropique).

P dans l’eau de mer• En milieu aérobie, P apparaît quasi exclusivement sous forme orthophosphate : H3PO4 /

H2PO4- / HPO4

-- / PO4---.

• HPO4-- est le plus abondant d’un facteur 10 sur PO4

--- lui-même plus abondant d’un facteur 10 sur H2PO4

-. H3PO4 est présent en quantités négligeables. Leurs concentrations respectives sont régies par des réactions acide-base dépendant évidemment du pH.

• P est oxydé à l’état +5 et n’intervient quasiment pas dans des réactions d’oxydo-réduction (un peu en milieu anaérobie).

• P peut former des polyphosphates, et est facilement piégé dans les sédiments argileux ou calcaires.

• Il précipite en présence de Ca++, Al+++ et Fe+++. A l’échelle géologique, ce sont ces réactions de précipitation qui régulent les concentrations en P dans l’eau de mer.

P dans la matière vivante• Dans la matière vivante, P est présent sous forme particulaire (60-70%), sous forme dissoute

organique (DOP) ou inorganique (DIP). Le rapport entre DIP et DOP varie d’un écosystème à l’autre, et en fonction de la saison (blooms phytoplanctoniques)

conso. par algues dégradation 0.67 -> 2 ->

<- 0.41 <- 0.08

DIP Part. P DOP 0.35μM 3μM 0.6μM

Exemple de partitionnement de P (zone côtière, Nouvelle-Ecosse, Watt & Hayes, 1963 in Valiela, 1995, p. 429). Les flux sont exprimés en μM P/jour. Ce sont ensuite les bactéries qui transforment DOP en DIP.

Cycle de P• Le cycle de P en eau de mer est assez simple puisqu’il n’intervient pas de manière

significative dans des processus d’oxydo-réduction (donc, dans les réactions de chimiosynthèse). Il s’agit seulement de l’incorporation et puis de la libération de P dans et depuis la matière organique le long des chaînes trophiques.

N dans l’eau de mer• Contrairement à P, N n’intervient pas dans des réactions acide-base, mais est systématiquement

impliqué dans des relations d’oxydo-réduction. C’est un oxydant ou réducteur prépondérant dans les réactions chimiosynthétiques.

• Son cycle est encore compliqué par les échanges possibles avec l’atmosphère (oxydation de N2 = fixation d’azote, ou réduction d’autres formes chimiques en N2 = dénitrification).

• La forme la plus oxydée en eau de mer, et la plus stable est NO3- (nitrates). Les nitrates sont solubles

et peu toxiques. Ils ne représentent pas la forme N préférée pour la photosynthèse, mais les organismes photosynthétiques peuvent l’utiliser quand même.

• Ensuite, les nitrites (NO3-) forment l’étape de réduction suivante. Instable et insoluble, il est très

toxique (ex : métémoglobinémie).

• La forme NH3/NH4+ (ammoniac/ammonium) est encore plus réduite. Son état d’oxydo-réduction

correspond au N organique. NH3 est une base moyennement forte et est la forme prépondérante au pH de l’eau de mer. Elle est extrêmement toxique. Les ions ammonium ne sont pas toxiques.

• Les concentrations des différentes formes de N dans l’eau de mer sont fortement variables, de très faibles (eaux oligothrophes) à très élevées (eaux eutrophes). En général, c’est dans les estuaires (apports terrigènes par les eaux douces) que l’on rencontre les plus fortes teneurs en NH3/NH4

+.

Eaux océaniques Eaux côtières Estuaires

Espèce chimique Surface (0-100m) Fond (> 100m)

Nitrate 0.2 35 0-30 0-350

Nitrite 0.1 <0.1 0-2 0-30

Ammoniac/-onium <0.5 <0.1 0-25 0-600

N orga. Dissout 5 3 3-10 5-150

N orga. part. 0.4 <0.1 0.1-2 1-100

N2 gaseux 800 1150 700-1100 700-1100

Concentrations en N (μM) dans différentes eaux de mer. De Antia et al, 1991 in Valiela, 1995, p. 436.

Cycle de N• Cycle complexe faisant intervenir

les autotrophes photosynthétiques(N inorganique -> N organique).

• Les bactéries aérobies oxydent N (NH3 -> NO2

- par Nitrosomonas et NO2

- -> NO3- par Nitrobacter).

• Les bactéries anaérobies chimiosynthétiques réduisent N (NO3

- -> NO2- -> N2) :

dénitrification.

• Cycle clé pour la mise en route des écosystèmes artificiels (nous y reviendrons).

Schéma tiré de http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/kling/water_nitro/water_and_nitrogen_cycles.htm

Si dans l’eau de mer• Si est important dans les écosystèmes marins par l’intermédiaire des diatomées (ci-dessous) qui forment une

thèque siliceuse (et dans une moindre mesure d’animaux comme les radiolaires).

• Il est présent sous forme de silicate dans l’eau, avec deux formes dont les proportions dépendent d’un équilibre acide-base : Si(OH)4 et SiO(OH)3

-, que l’on appellera collectivement silice réactive totale SiT.

• Il précipite sous forme d’opale ou silicate opalin SiO2.nH2O, écrit simplement SiO2.

Cycle de Si• Le cycle de Si en eau de mer fait intervenir

deux réactions : la précipitation biologique dans les thèques de diatomées, et la redissolution chimique de ces thèques dans les sédiments de profondeurs.

• Un aspect clé de ce cycle est l’exportation de silice de la surface vers les profondeurs par la sédimentation des thèques à la mort des diatomées.

• Le flux limitant dans le cycle est la remontée des silicates dissous vers la zone euphotique par les courants marins.

• Localement, les eaux douce apportent également de la Si en zone estuarienne.

Cycle de Si en eau de mer. Flux exprimés en Tmol Si/an. Wikipedia, adapté de Treguer et al, 1995.

Autres éléments importants• S est également important. Il est présent en grandes quantités: SO4

--. Il peut être impliqué dans des réactions d’oxydo-réduction en milieu anaérobie. Il est alors transformé en H2S extrêmement toxique et qui précipite le fer sous forme réduite Fe++.

• Le fer est présent sous forme Fe+++ en milieu aérobie et Fe++ dans les sédiments anaérobie. Il est peu soluble en eau de mer, ce qui limite sa concentration. Il est rarement limitant en milieu naturel, mais il faut y prêter attention en écosystème artificiel : en raison de sa faible solubilité, il peut devenir limitant dans des systèmes à volume restreint (microécosystèmes).

• De nombreux autres éléments chimiques sont présents à l’état de trace et sont nécessaires à la vie. Citons de manière non exhaustive : I, Cu, Mn, Co, Sr, etc.A noter que si leur concentration augmente (pollution industrielle), ils peuvent devenir très toxiques, en particulier Cu.

• Certains éléments ne sont pas utiles à la vie (Hg, Cd, Pb, …) et également présents à l’état de trace dans l’eau de mer. Encore une fois, un rejet massif dans des eaux industrielle de ces éléments peut être très toxique pour les animaux marins.

• L’eau de mer contient également un cocktail de molécules organiques issues des êtres vivants. Des molécules organiques d’origine anthropique y sont également présentes, à des doses parfois toxiques (pesticides, PCB, hydrocarbures, etc.)

Espèces protégées, espèces menacées

• 100 espèces disparaîtraient chaque jour !!!• Rythme 20 à 10000 x plus élevé que pendant les grandes crises « naturelles »• Annexe 2 de la convention de Barcelone : espèces menacées• 3 catégories :

– En danger : déclin très important, risque de disparition proche– Vulnérable : déclin important, en danger sans mesures de protection– Rare : vulnérable à un accident du fait de sa rareté naturelle