The role of abiotic and biotic mechanisms controlling the dynamics of the dissolved organic matter

161 Pages·2016·6.01 MB·English

The role of abiotic and biotic mechanisms controlling
the dynamics of the dissolved organic matter in pelagic
ecosystem (NW Mediterranean)
Elvia Denisse Sa´nchez-P´erez
To cite this version:
Elvia Denisse Sa´nchez-P´erez. The role of abiotic and biotic mechanisms controlling the dynam-
ics of the dissolved organic matter in pelagic ecosystem (NW Mediterranean). Oceanography.
Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2015. English. <NNT : 2015PA066474>. <tel-
01299627>
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Thèse de Doctorat
De l’Université Pierre et Marie Curie

Spécialité
OCEANOGRAPHIE
Ecole doctorale Science de l’Environnement Ile de France

Présentée Par
Elvia Denisse SÁNCHEZ-PÉREZ
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
RRôôllee ddeess mmééccaanniissmmeess bbiioottiiqquueess eett aabbiioottiiqquueess ddaannss llaa ddyynnaammiiqquuee ddee
la matière organique dissoute dans les écosystèmes marins
pélagiques (Méditerranée Nord Occidentale)

Soutenue publiquement le 06 Octobre 2015

Devant un jury composé de :
Rapporteurs :
Dr. Cécile DUPOUY (CR, HDR, Institut de Recherche pour le Développement, Noumea)
Dr. Marta ESTRADA (Chercheuse Scientifique, CSIC, Institut de Ciències del Mar)

Examinateurs :
Dr. Mireille PUJO-PAY (CR, CNRS)
Dr. Bernard QUÉGUINER (Pr. MIO, Université d’Aix-Marseille)
Dr. Pierre GALAND (DR, HDR, LECOB, CNRS)

Directeur et Co-Directrice de Thèse
Dr. Pascal CONAN (Maître de Conférences, LOMIC, Université Pierre et Marie Curie)
Dr. Cèlia MARRASÉ (Chercheuse Scientifique, CSIC, Institut de Ciències del Mar)
Doctoral Thesis
Université Pierre et Marie Curie

Speciality
OCEANOGRAPHIE
The Ecole doctorale Science de l’Environnement Ile de France

By
Elvia Denisse SÁNCHEZ-PÉREZ

To obtain the degree of
PhD OF L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
TThhee rroollee ooff bbiioottiicc aanndd aabbiioottiicc mmeecchhaanniissmmss ccoonnttrroolllliinngg tthhee
dynamics of the dissolved organic matter in pelagic ecosystem
(NW Mediterranean)
Defended on Octobre 06, 2015

Jury composed of
Reviews:
Dr. Cécile DUPOUY (CR, HDR, Institut de Recherche pour le Développement)
Dr. Marta ESTRADA (Research Scientist, CSIC, Institut de Ciències del Mar)

Examiners:
Dr. Mireille PUJO-PAY (CR, CNRS)
Dr. Bernard QUÉGUINER (Pr. MIO, Université d’Aix-Marseille)
Dr. Pierre GALAND (DR, HDR, LECOB, CNRS)

Supervisor and co-Supervisor of Thesis
Dr. Pascal CONAN (Maître de Conférences, LOMIC, Université Pierre et Marie Curie)
Dr. Cèlia MARRASÉ (Research Scientist, CSIC, Institut de Ciències del Mar)
Ce n’est pas le plus fort de l’espèce qui survit, ni le plus intelligent.
C’est celui qui sait le mieux s’adapter au changement.

(Charles Darwin)
Summary

REMERCIEMENTS ..................................................................................................... 4
PREFACE .................................................................................................................... 8
GLOSSARY OF RELEVENT TERMS ....................................................................... 10
CHAPTER I. INTRODUCTION AND OBJECTIVES OF THESIS .............................. 12
1. INTRODUCTION ................................................................................................. 13
1.1. Marine dissolved organic matter in the ocean ........................................... 13
1.2. Marine dissolved organic matter in the carbon cycle ................................. 14
2. OPTICALLY ACTIVE FRACTIONS OF DOM .................................................................. 18
2.1. Fundamentals of absorption and fluorescence of DOM ............................ 18
2.2 . Absorption of CDOM .............................................................................. 19
2.3. Fluorescence of DOM ................................................................................ 22
3. DISTRIBUTION, SINKS AND SOURCES OF CDOM ....................................................... 25
3.1. Distribution in the ocean ............................................................................ 25
3.2. Sinks and sources of CDOM ..................................................................... 26
4. STUDY AREA (MEDITERRANEAN SEA) .......................................................... 28
4.1. General context of the Mediterranean Sea ................................................ 28
4.2 Nutrients inputs into the Mediterranean Sea ............................................. 29
4.3. Stations studied ......................................................................................... 30
5. OBJECTIVES OF THESIS .................................................................................. 32
REFERENCES .................................................................................................... 34
CHAPTER II. COUPLED AND MISMATCHED TEMPORAL PATTERNS OF
ORGANIC AND INORGANIC NUTRIENTS IN A NW MEDITERRANEAN COASTAL
STATION ................................................................................................................... 42
ABSTRACT ......................................................................................................... 43
1. INTRODUCTION ................................................................................................. 44
2. MATERIAL AND METHODS .............................................................................. 46
2.1. Site and sample collection ......................................................................... 46
2.2. Chemical and biological analyses .............................................................. 47
2.3. Optical measurements of CDOM ............................................................... 48
3. RESULTS ............................................................................................................ 50
3.1. Physical drivers and annual variability of the measured Parameters ........ 50
3.2. DOM colored fractions ............................................................................... 53
3.3. Optical indexes .......................................................................................... 55
3.4. Variability trends ........................................................................................ 55
4. DISCUSSION ...................................................................................................... 59
4.1. Temporal variability in the Bay of Banyuls-sur-mer ................................... 59
4.2. Variability at different time scales .............................................................. 60
4.3. Temporal mismatch between chlorophyll and organic matter ................... 61
4.4. Seasonal dynamics of CDOM fractions ..................................................... 63
4.5. Hypothetical conceptual framework ........................................................... 64
1
5. CONCLUSIONS ................................................................................................ 66
ACKNOWLEDGEMENTS .................................................................................. 67
REFERENCES .................................................................................................. 68
CHAPTER III. SEASONAL VARIABILITY AND CHARACTERIZATION OF THE
DISSOLVED ORGANIC POOL (CDOM/FDOM) AT AN OFFSHORE STATION (NW
MEDITERRANEAN SEA) .......................................................................................... 73
ABSTRACT ......................................................................................................... 74
1. INTRODUCTION ................................................................................................. 75
2. MATERIAL AND METHODS .............................................................................. 78
2.1. Sampling strategy ...................................................................................... 78
2.2. PHYSICAL AND CHEMICAL PARAMETERS ................................................... 79
2.2.1. Nutrients analyses .................................................................................. 79
2.2.2. Total chlorophyll a .................................................................................. 79
2.2.3. Dissolved organic carbon analyses ........................................................ 79
3. OPTICAL PROPERTIES OF CDOM ........................................................................... 80
3.1. Absorption measurements ......................................................................... 80
3.2. Fluorescence measurements .................................................................... 80
4. STATISTIC AND GRAPHIC TOOLS .......................................................... 81
5. RESULTS ............................................................................................................ 82
5.1. Hydrological conditions .............................................................................. 82
5.2. Nutrients and phytoplankton ...................................................................... 84
5.3. Variability of the DOM stock and composition in 2013 and 2014 .............. 90
5.3.1. Dissolved organic carbon distribution ....................................................... 90
5.3.2. FDOM and CDOM variability in 2013 and 2014 ........................................ 91
6. DISCUSSION ...................................................................................................... 93
6.1. Deep versus weak winter convection. Nutrient and phytoplankton
distributions. ........................................................................................................ 95
6.2. Seasonal patterns of DOC dynamics ......................................................... 96
6.3. Distribution of CDOM and FDOM .............................................................. 97
6.4. Optical characterization of CDOM ............................................................. 98
7. CONCLUSIONS .................................................................................................. 99
REFERENCES .................................................................................................. 100
CHAPTER IV. DUST INPUTS AFFECT THE OPTICAL SIGNATURES OF
DISSOLVED ORGANIC MATTER IN NW MEDITERRANEAN COASTAL
WATERS……………………………………………………………………………………106
ABSTRACT ....................................................................................................... 107
1. INTRODUCTION ............................................................................................... 108
2. MATERIALS AND METHODS .......................................................................... 110
2.1. TIME SERIES SAMPLING .............................................................................. 110
2.2. AEROSOLS COLLECTION FOR EXPERIMENTS ................................................. 110
2.3. WATER SAMPLING AND EXPERIMENTAL DESIGN ............................................ 111
2.4. Analytical procedures .............................................................................. 112
2.4.1. CDOM measurements ............................................................................ 112

2
2.4.2. FDOM measurements ............................................................................ 112
2.4.3. DOC analysis ......................................................................................... 114
2.4.4. Prokaryotic abundance and chlorophyll a determination ....................... 114
3. RESULTS ........................................................................................................ 115
3.1. FDOM TIME SERIES .................................................................................. 115
3.2. MICROCOSMS EXPERIMENTS ...................................................................... 116
3.2.1. PROKARYOTIC ABUNDANCE AND CHLOROPHYLL A ........................................ 116
3.2.2. DOC and FDOM dynamics .................................................................... 117
4. DISCUSSION ................................................................................................... 121
4.1. ATMOSPHERIC DEPOSITION INFLUENCE IN SURFACE WATERS ........................ 121
4.2. EFFECTS OF AEROSOLS ADDITIONS ON THE PROKARYOTIC ABUNDANCES ....... 121
4.3. DOM OPTICAL PROPERTIES TRANSFORMATIONS AFTER DUST ADDITIONS ....... 123
5. SUMMARY ...................................................................................................... 125
ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................ 125
REFERENCES ................................................................................................ 126
CHAPTER V. CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES ....................... 131
1. CONCLUSIONS ................................................................................................. 132
2. PERSPECTIVES ................................................................................................ 138
ANNEXES ........................................................................................................... 140
RÉSUMÉ ............................................................................................................. 153
ABSTRACT ........................................................................................................ 155

3
REMERCIEMENTS

Voici le moment tant attendu des remerciements depuis 4 ans passés entre aller-
retour Banyuls-Barcelone, j’ai vécu beaucoup expériences et de situations à la fois bonnes et
moins bonnes. Maintenant comment résumer tout cela? Tout d’abord je remercie toutes les
personnes qui ont contribué à cette thèse, j’espère ne pas en oublier.

Je tiens tout d’abord à remercier les membres de mon jury d’avoir accepté d’évaluer
mon travail. Merci à Marta Estrada et Cecile Dupouy qui ont accepté d’être rapporteurs de
cette thèse. Merci aussi à Mireille Pujo-Pay et Bernard Queguiner pour avoir accepté être
examinateurs.

Je remercie également Pierre Galand pour avoir accepté de présider mon jury de
thèse

Je remercie mon Directeur de thèse, Pascal Conan de m'avoir permis de réaliser ce
travail de recherche, cela m’a permis de me préparer pour la suite de ma carrière. Je le
remercie de m’avoir donné l’opportunité de participer à une campagne oceanographique.
Tout ce travail m’a permis de decouvrir le mileu de la recherche fondamentale.

Un gran Gràcies a la meva Co-Directora de tesi. Cèlia Marrasé, gràcies per pujar al
vaixell i navegar amb mi fins el final. Aquest treball no hagués estat possible ni haver arribar
a la seva fi sense la teva enorme ajuda, has estat una peça clau en aquest treball, i em
sento molt afortunada d’haver-te conegut. Gràcies pel teu suport incondicional, per tots els
coneixements que m’has transmès. Els teus valuosos consells que m’ajudaven dia a dia, les
paraules d’alè i motivació per no abandonar aquest vaixell i seguir navegant fins el final
m’han deixat grans ensenyances que mai oblidaré. T’agraeixo que hagis cregut en mi i en
les meves capacitats de realitzar aquest treball des del primer moment que em vas conèixer
sin possar res en dubte. Extranyaré els cafès, les discussions sobretot els últims mesos que
van ser molt durs però que al final vam aconseguir acabar aquest treball. MIL GRÀCIES
PER TOT Cèlia.

A la familia MARGALEF per tot el recolçament i l’estima que m’han demostrat durant
el meu pas per Barcelona.

Eva Ortega-Retuerta, aún recuerdo ese correo de HELP MEE !!!! PLEASE, y fue ahí
cuando empeze el camino por el ICM, un enorme GRACIAS por todo.

A mi colega y gran amigo Fran Aparicio (conocido en el alto mundo de la ciencia
como: Míster CDOM). Gracias amigo por tu sostén dia a dia, por hacer que el recorrido fuera
más alegre. Todas las aventuras, viajes, etc…. !!!! Breve… Te quiero mucho y te hechare
de menos !!!!! . Por supuesto sin olvidar a tu hermosa familia gracias por todo.

A mi familia de Barcelona !!!!!! Eva, Fran (mister CDOM), Caterina, Isabel, Sdena,
Tere, Fran Cornejo, Mireia, Carolina, Elisa, Estela, Laia, Carmen, Xavi, Ramiro, Dorleta,
4
Daffne, Yaiza, Raquel Gutiérrez. Mil Gracias chicos/as por su amistad, estima. Las comidas
que se convertían en ocasiones en cenas, y no se diga de los benditos Fridayyyy B… !!!!!. I
per descomptat dins d’aquesta família teníem als grans pares de la ciència i la sabiduria, als
quals vull agraèixer per donar-me també el seu suport i acollir-me com a part de l’ICM.
Francesc Peters, Pep Gasol, Dolors Vaqué, Rafael Simó, Elisa Berdalet. Una gran família
que sempre va estar disponible, que transmet alegria i que dóna recolçament quan es
necessita, i quan no també. Us trobaré molt a faltar.

Sin olvidar a mis colegas de oficina Elena, Melisa, Charlie, una fortuna de haberlos
conocido, y ¿qué puedo decir? Siempre alegres y dispuestos a ayudar. Fue un placer
convivir con ustedes todo este tiempo, gracias.

A Ana Maria Cabello, un enorme GRACIAS por tu amistad, tus valiosos consejos,
ayuda y apoyo, en particular, en esos dias difíciles (muchos por cierto) que yo veía todo
negro y tu rosa (o de otro color jijijjiji) siempre con una sonrisa y un «si mujer, acabaras»
siempre me alentabas.

Je remercie également mes collègues de Marseille, Veronique et Melek merci pour
votre patience à m’enseigner la taxonomie du phytoplancton Méditerranéen, c’était un plaisir
travailler avec vous. Je pense aussi à Soumaya, merci pour ton soutien. Merci les filles pour
votre amitié. Je ne voudrais pas oublier Bernard, un grand merci pour m’avoir donner
l’opportunité de collaborer avec toi.

A querida y gran amiga Katty Donoso, ¿qué hubiese sido de esta historia si no
hubiera recorrido esas aguas Mediterraneas!!!!!?. A pesar de la distancia (aunque corta)
siempre estuviste cuando más lo necesite. Mil gracias.

À Sandrine Chifflet et Marc Pagano, un grand merci pour m’avoir soutenu pendant
ces 4 ans. Marc, on est arrivé jusq’au au bout comme Martha Signoret l’aurait voulu.

À mes collègues et amis de Banyuls Sandrine, Marine, Elsa, Daniel, Elisa, Audrey,
Tatiana, Natalie pour tous ces moments que l’on a partagé ensemble. Malgré le peu temps
que j’ai passé avec vous, je peux vous dire que c’était excellent. Merci.

A la mia amica Daphne Cortese, Grazie per trasmettere serenità e gioia, per tutte le
stime, ma soprattutto per la tua amicizia.

Merci à vous Louise et Jocelyne, vous êtes des gens extraordinaires, vous m’avez
appris scientifiquement. Louise (depuis mon arrivée tu m’as soutenu un grand Merci). Tous
les deux merci pour ses conseils, votre patience et gentillesse. Aller, sans oublier à Eric,
Gilles et Olivier merci aussi pour tout.

Francois Lantoine, un grand merci pour ton assistance dans les moments plus
difficile et pour ton aide lors de mes lourds transferts d’échantillons vers Barcelone.

Je remercie mon amie Aurore pour toute sa patiente, son soutien et ses conseils.
Jamais je n’oublierai les heures que tu as consacré à m’attendre impatiemment à la gare
5
tandis que sur le banc je bossai à mes corrections!!!!!!!!. Les pauses café, les balades, les
repas. Bref… Merci pour les moments de détente qui ont rendu ce chemin plus facile. Tu vas
me Manquer, rendez vous au Canada bientôt !!!!!!!!!

Thank you very much Ahmed B, you were the master piece that helped me to reach
the end of the journey, I always will be grateful to you, thanks a lot for all the moments we
lived together. I will never forget.

A mis queridos amigos Franco-Mexicaine Clau (ayyyyyyy !!!!) et Joan (Yoyo), gracias
por todo. Los extrañare, pero pronto volveremos a vernos ya sea en mi hermoso Toulouse o
en mi querido Mexico.

A mis grandes amigos Vicky y Toño, por todo su apoyo, que a pesar de la enorme
distancia no dejaron de ayudarme. Mil Gracias. Pronto nos veremos !!!! Los quiero
muchísimo.

Y para terminar quiero agradecer a CONACyT (Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnologia) por todo el financiamiento otorgado durante mis estudios de Doctorado.

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