La Silice et le cycle du silicium

,

Cet objectif ambitieux nécessite d’identifier et de quantifier les sources et les puits de silicium aux interfaces et de décrire la dynamique interne du cycle dans différents écosystèmes et à l’échelle globale. Au LEMAR nous nous intéressons plus particulièrement aux rôles de différents silicifiés non seulement dans le cycle du silicium, mais aussi dans les autres cycles biogéochimiques majeurs et dans le fonctionnement des écosystèmes.

Le cycle du silicium est une thématique historique du LEMAR. Nous avons développé une approche transdisciplinaire, incluant la chimie, la biogéochimie, la biochimie, la physiologie et la biologie, et utilisons différents outils expérimentaux et de modélisation et des approches multi-échelles depuis des expériences au laboratoire qui permettent de mieux comprendre les processus influençant le cycle jusqu’à de grandes campagnes d’observation du milieu naturel. Nous avons récemment créé une « école du silicium » internationale réunissant un consortium d’universités et d’organismes qui offrent des possibilités d’enseignement et de recherche de niveau supérieur et un cours d’apprentissage en ligne (en cours de développement) sur le thème « La silice : de la poussière stellaire au monde vivant ». Le consortium Silica School regroupe actuellement 23 instituts de recherche marine de 11 pays et continue à se développer.

Les silicifiants sont des organismes vivants qui profitent de l’abondance du silicium (le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre) pour construire des architectures silicifiées (en silice biogénique) à partir de la silice dissoute dans l’eau (acide orthosilicique ou silicates). Leurs squelettes de silice biogénique peuvent notamment contribuer à améliorer leur résistance physique, à les protéger des prédateurs, à leur motilité ou à aider la pénétration de la lumière et des nutriments dans les cellules. Dans le domaine marin, les diatomées jouent un rôle clé dans les réseaux trophiques des écosystèmes côtiers ou océaniques les plus productifs, ainsi que dans la production d’oxygène dont nous dépendons et dans le transfert du CO2 de la surface vers l’intérieur des océans (la pompe biologique du carbone). La physiologie et la biochimie des diatomées pélagiques ont fait l’objet d’études approfondies, mais de nombreuses lacunes subsistent quant aux mécanismes leur permettant de biosynthétiser la silice biogénique dans des conditions naturelles loin de celles nécessaires à la production du verre dans l’industrie. Leur rôle dans la pompe biologique de carbone et plus généralement le lien entre les cycles Si et C doivent également être réévalués.

De plus, les récentes rencontres entre les spécialistes internationaux du silicium initiées par le LEMAR (SILICAMICS et SILICAMICS 2) mettent en évidence que les silicifiants autres que les diatomées pélagiques ne peuvent plus être négligés. Nous avons donc élargi nos recherches pour prendre en compte les diatomées benthiques, les diatomées des glaces, les éponges, les picocyanobactéries, et certains rhizarias qui contribuent à la dynamique du cycle du silicium et au fonctionnement de nombreux écosystèmes de façon plus importante que ce qui était cru jusqu’à présent.

Projets actuels étudiants le cycle du Si: BIOPSIS, RADICAL

dernières publications du laboratoire sur le sujet:

– Lafond, A., Leblanc, K., Quéguiner, B., Moriceau, B., Leynaert, A., Cornet, V., et al. (2019). Late spring bloom development of pelagic diatoms in Baffin Bay. Elem Sci Anth 7, 44. doi:10.1525/elementa.382.

– Maldonado, M., López-Acosta, M., Sitjà, C., García-Puig, M., Galobart, C., Ercilla, G., et al. (2019). Sponge skeletons as an important sink of silicon in the global oceans. Nat. Geosci. 12, 815–822. doi:10.1038/s41561-019-0430-7.

– Massicotte, P., Amiraux, R., Amyot, M.-P., Archambault, P., Ardyna, M., Arnaud, L., et al. (2019). Green Edge ice camp campaigns: understanding the processes controlling the under-ice Arctic phytoplankton spring bloom. Earth Syst. Sci. Data Discuss., 1–42. doi:10.5194/essd-2019-160.

– Monferrer, N. L., Boltovskoy, D., Tréguer, P., Sandin, M. M., Not, F., and Leynaert, A. (2020). Estimating Biogenic Silica Production of Rhizaria in the Global Ocean. Glob. Biogeochem. Cycles 34, e2019GB006286. doi:10.1029/2019GB006286.Leynaert, A., Fardel, C., Beker, B., Soler, C., Delebecq, G., Lemercier, A., et al. (2018). Diatom Frustules Nanostructure in Pelagic and Benthic Environments. Silicon. doi:10.1007/s12633-018-9809-0.

 

Research topic dans Frontiers in Marine Sciences: Biogeochemistry and Genomics of Silicification and Silicifiers

Le cycle des métaux-traces

,

L’étude du cycle des métaux traces est une des thématiques fortes du LEMAR. Améliorer notre connaissance sur le cycle des métaux est crucial pour mieux comprendre et quantifier les cycles biogéochimiques océaniques des éléments majeurs (C, Si, N, S) et la pompe biologique de carbone. L’analyse des métaux traces et leur spéciation est particulièrement difficile car leurs concentrations sont extrêmement faibles et leur cycle est complexe. Le LEMAR est un des laboratoires reconnus internationalement pour l’étude du cycle des métaux traces, notamment grâce à l’utilisation et le développement de techniques de pointe (SF-ICP-MS dans le cadre du PSO, FIA, voltammétrie). Notre expertise à la fois sur la phase dissoute et particulaire nous permettra d’étudier les interactions entre ces deux réservoirs, notamment aux interfaces océaniques. Ces interactions sont très peu étudiées à l’heure actuelle et pourtant fondamentales pour mieux appréhender la biodisponibilité des métaux. Cette thématique renforcera notre visibilité internationale, notamment dans le cadre de nouvelles campagnes océanographiques GEOTRACES.

Nouvelles méthodologies d’observation du milieu marin côtier

, , ,

De nouvelles méthodologies d’observation des milieux marins côtiers sont en cours de développement. Parmi elles il y a l’acoustique sous marine et de l’accélérométrie, tant à l’échelle individuelle (éthologie) que de la communauté (écologie, observation, surveillance). Ce travail déjà largement initié en milieux tempérés (à Brest et à Rimouski) en lien avec le LIA BeBest et avec le partenaire INP Grenoble. Déjà conduites par le LEMAR en rade de Brest, en mer d’Iroise, en Arctique et en Nouvelle Calédonie, les recherches dans ce domaine nous ont permis d’étudier très précisément la métamorphose, les mouvements et l’énergie qui sont associées, sur des invertébrés benthiques aux situations de stress sonores, hypoxiques, toxiques ou encore thermiques. Nous avons de solides arguments pour dire que cette approche, visant à mettre au point l’utilisation de nouveaux capteurs est porteuse d’avancées notables en écologie marine des milieux subtidaux. L’acoustique passive offre l’énorme avantage d’être insensible à l’état de la mer et de ne pas être intrusive.

Approche rétrospective des écosystèmes marins

, ,

L’étude de l’information structurelle et géochimique archivée dans les structures carbonatées de nombreux organismes marins (coquilles de bivalves, otolithes de poissons, rhodolithes, et dorénavant les coccolithes) est incontestablement, depuis une quinzaine d’années, l’un des points forts et l’une des spécificités du LEMAR. Ces travaux mettent en lumière le potentiel considérable de ces archives biogéniques comme témoins du fonctionnement actuel et passé des écosystèmes marins. Le LEMAR s’est attaché ces dernières années à calibrer de nouveaux proxies, notamment de la dynamique phytoplanctonique grâce aux coquilles de bivalves (Li/Ca, Mo/Ca, Ba/Ca) ou de l’acidification des océans et du changement climatique grâce aux coccolithes (Li/Mg, B/Ca, δ11B), études marquées par la publication d’articles pionniers dans ce domaine. Il s’agira de comprendre les mécanismes biogéochimiques contrôlant l’incorporation de certains traceurs, et potentiellement de nouveaux proxies, dans ces archives carbonatées. Cette approche mécaniste impliquera nécessairement la mise en oeuvre d’expérimentations en conditions contrôlées (désormais rendues possibles par l’intégration de l’unité PFOM de l’Ifremer en 2012 et grâce à nos développements méthodologiques qui permettent de reproduire expérimentalement les forçages physico-chimiques dans des conditions représentatives du milieu naturel), la mise en place, en Rade de Brest, d’un observatoire très haute-fréquence des conditions environnementales, mais devra également passer par une approche modélisatrice de l’incorporation des éléments traces et isotopes stables dans ces archives carbonatées (e.g. modèles de type DEB).

Les invasions biologiques

,

Les impacts écologiques des espèces aquatiques envahissantes sont une préoccupation croissante pour la gestion des zones côtières et la conservation. Les côtes françaises Manche-Atlantique ne font pas exception, principalement en raison des pratiques de navigation internationales et de l’aquaculture. La France constitue même le pays européen le plus colonisé par des espèces introduites de macroalgues. L’analyse coûts-avantages de la gestion des invasions n’est pas simple alors même que l’exploitation de plusieurs ressources vivantes est basée sur les caractéristiques invasives de ces espèces (comme par exemple les mollusques et les macrophytes en aquaculture). L’huître Crassostrea gigas est considérée comme une espèce nuisible dans la mer de Wadden ou en Australie, où elle supplante les huîtres indigènes, alors qu’elle fait l’objet d’une exploitation majeure en France dans le même temps. En outre, il existe de nombreux cas historiques montrant qu’une invasion initialement « sous contrôle » ne l’est pas nécessairement de manière permanente, même après plusieurs décennies. Comprendre les interactions entre les activités humaines, le fonctionnement des écosystèmes et les changements globaux est donc essentiel en vue d’établir de nouvelles options de gestion. De nouvelles approches doivent être élaborées pour prévenir toute
introduction involontaire et limiter les effets secondaires des invasions en cours.

Les impacts des changements globaux en cours ne prêtent pas à l’optimisme. Ainsi, la côte atlantique française est confrontée à au moins trois changements environnementaux majeurs :
● la température annuelle moyenne de l’eau de mer augmente régulièrement (environ 1,5°C au cours des 25 dernières années),
● il y a une tendance positive très nette de l’Oscillation de l’Atlantique Nord (NAO),
● il est observé une baisse drastique des apports d’eau douce due au changement climatique et aux modifications concomitantes des activités humaines sur les bassins versants (e.g. l’augmentation de l’irrigation pour l’agriculture).

La « marinisation » des estuaires à proximité des ports conduit à une augmentation des risques potentiels d’invasion par de nouvelles espèces marines, tandis que le réchauffement climatique favorise l’établissement d’espèces subtropicales exotiques (par exemple les dinoflagellés nuisibles des genres Ostreopsis et Gambierdiscus dans le golfe de Gascogne). Par définition, les espèces
envahissantes sont capables de s’adapter à leur nouvel environnement et sont les mieux placées pour faire face aux changements globaux. Qu’en est-il des espèces indigènes qui ne sont pas habituées à de tels changements environnementaux ? Bien que le changement climatique soit progressif, toutes les espèces (indigènes et envahissantes) vont-elles s’adapter ou allons-nous observer une homogénéisation de la flore et de la faune à l’échelle mondiale ?