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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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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 !
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
1 Question spécifique aujourd’hui :
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Echantillonnage: dimension verticale + horizontale
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
-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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Sweden
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
=> 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
-CV= coef. de variation sur
la couche de mesure :
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
Com. phyto. à Diatomée
Info / graphe :
-Moyenne sur 30m
-CV= coef. de variation sur
la couche de mesure :
12 à 45 %
Nb. RCII ↑ < Zeuph.
St. 20 28m
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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
Com. phyto. à Diatomée
Info / graphe :
-intégrale verticale flux de
photon photosynthétique
-% différence calc. entre
algorithmes et/ou
protocoles
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Questions : Impact prof. d’échantillonnage
des campagnes sur typologie de la physiol. phyto. ?
JERICONext : Campagne S. Stevin VLIZ, 2017
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Cas de la campagne VLIZ : 1/ Taille antenne PSII
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Cas de la campagne VLIZ : 2/ Rendement quantique effectif des PSII
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
Cas de la campagne VLIZ : 3/ CV (%) rendement quantique mesurée au noir
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
NB : Recherche nouveau « indicateur » :
Relation signif. pour rendement quantique moyen sur couche euphotique vs
extinction vertical du ration Rouge/Bleu
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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 ?
Implication des gradients verticaux de la physiologie du phytoplancton
dans les études spatiales à grandes échelles
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