Contexte général et résumé

Pour établir des bilans de matière journaliers à l’échelle de la communauté des herbiers intertidaux, il est nécessaire de mesurer le métabolisme benthique à la fois à l’émersion et à l’immersion. Le dioxyde de carbone (CO2) et l’oxygène (O2) sont deux composés chimiques utilisés ou produits au cours de la photosynthèse (autotrophes) et de la respiration (ensemble des autotrophes et des hétérotrophes) (Equation (1.1)).

C6H12O6 + 6O2  6CO2+ 6H2O (1.1) Les variations de leur concentration respective au cours du temps sont donc souvent utilisées dans l’étude du métabolisme des communautés. Le CO2 est la seule forme gazeuse de carbone inorganique. Ainsi, à l’émersion la variation de la concentration en CO2dans l’air peut être attribuée seule à la production primaire ou à la respiration.Migné et al. (2002) ont proposé un système permettant de mesurer in situ la variation de la pression partielle de CO2(pCO2) à l’intérieur d’une chambre benthique (Figure 1.1). Afin d’isoler une partie de la communauté, le système est composé d’une embase enfoncée dans le sédiment (10 cm de profondeur) sur laquelle est fixé soit un dôme translucide soit un dôme opaque. Le premier permet de mesurer la production nette de la communauté (NCP , bilan de la production primaire et de la respiration) alors que le second permet de mesurer la respiration de la communauté (CR). La production brute de la communauté (GCP ) est ensuite calculée à partir de la production nette et de la respiration de la communauté (GCP = |NCP |+|CR|). La concentration en CO2est mesurée en continu

CHAPITRE 1. MÉTHODES DE MESURE DU MÉTABOLISME DE LA COMMUNAUTÉ BENTHIQUE

FIGURE 1.1 – (a) Schéma de fonctionnement d’une chambre benthique à l’émersion. L’analyseur de gaz (IRGA) permet de mesurer la pression partielle en CO2 à l’intérieur de la chambre. (b) Mesure de la production nette (NCP) d’un herbier à l’émersion à l’aide de chambres benthiques.

à l’aide d’un analyseur de gaz à infra rouge (IRGA) et enregistrée toutes les 15 secondes. Le temps d’incubation varie entre quelques minutes et une heure en fonction du temps de réponse et du type de communauté étudiée. Le flux de CO2 est ensuite calculé à partir de la variation de la pression partielle en CO2, du temps d’incubation, du volume de la chambre et de la surface de sédiment isolée par celle-ci. De nombreuses études ont été menées à partir de ce système, tout d’abord sur les sédiments sablo-vaseux (Hubas and Davoult, 2006; Migné et al., 2004; Spilmont et al., 2005, par exemple) puis en milieu rocheux (Golléty et al., 2008) et sur des herbiers intertidaux (Ouisse et al., 2010; Silva et al.,2005). La mesure de la variation de la concentration en carbone inorganique dissous (DIC, calculée à partir du pH et de l’alcalinité) ou en oxygène dissous est la méthode la plus utilisée pour étudier le métabolisme des communautés au cours de l’immersion (Oviatt et al., 1986; Plus et al., 2001, par exemple). Les concentrations en DIC ou en O₂ peuvent être mesurées simultanément afin de calculer le quotient photosynthétique (CP Q) et le quotient respiratoire (CRQ) de la communauté.

Afin de mesurer avec la même méthode les flux de matière à l’émersion et à l’immersion, une méthode alternative basée sur la mesure en continu de la variation de la concentration en CO2 dans l’eau a été proposée récemment, transposant ainsi la technique utilisée dans l’air (Silva et al.,2005,2008). Cette technique consiste à mesurer, 14

1.1. CONTEXTE GÉNÉRAL ET RÉSUMÉ

à l’aide d’un échangeur eau-air, la concentration en CO2dans l’air (cf méthode émersion) instantanément en équilibre avec la concentration en CO2 dans l’eau (Figure 1.2).

FIGURE 1.2 – Dispositif expérimental développé par Silva et al. (2005, 2008) pour la mesure de la concentration de CO2 dans l’eau.

Dans ce contexte, les objectifs de ce chapitre sont de comparer les résultats obtenus au cours de l’immersion à partir de la mesure de trois paramètres (DIC, O2et CO2) mesurés simultanément sur un même herbier afin de présenter les limites de chaque méthode. Les mesures ont été réalisées sur la communauté de Zostera noltii, en février, avril, juillet et novembre afin de prendre en compte l’influence de la variation de biomasse et de température sur le métabolisme des communautés benthiques (Touchette and Burkholder,

2000).

En utilisant en parallèle les mesures d’oxygène et de carbone inorganique dissous (DIC, somme des concentrations en CO2, HCO−

3 et CO2−

3 ), les quotients respiratoires et photosynthétiques de la communauté (CRQ et CP Q) montrent une variation saisonnière importante et un écart net par rapport à la valeur prise souvent pour

CHAPITRE 1. MÉTHODES DE MESURE DU MÉTABOLISME DE LA COMMUNAUTÉ BENTHIQUE

référence (quotient égal à 1). Le CRQ varie entre 0, 7 et 1, 7 et indique l’existence de nombreux processus sous-jacents qui n’utilisent pas l’oxygène comme accepteur terminal d’électrons (Jorgensen, 1977). Le CP Q varie entre 0, 2 et 0, 9. Ces valeurs faibles pourraient s’expliquer par l’existence de processus tels que la photorespiration chez certains producteurs primaires de la communauté (Heber et al., 1996). La variation de la concentration en O2et en DIC sont deux paramètres complémentaires qui doivent être mesurés simultanément afin de pouvoir discuter des variations annuelles ou journalières du CRQ et du CP Q. De plus, ces résultats illustrent la dérive qui peut être introduite en prenant un rapport constant lors de la conversion des flux d’oxygène en flux de carbone à l’échelle de la communauté.

Le métabolisme de la communauté est grandement sous-estimé lorsqu’il est calculé à partir de la mesure des flux de CO2 qui représentent moins de 6% des flux de DIC. Cette sous-estimation est due principalement au fait que les différentes formes de carbone inorganique sont en équilibre dynamique (Equation (1.2)).

CO2+ H2O  H2CO₃⁻ H2CO₃⁻ HCO⁻3 + H⁺

HCO₃⁻ CO²3⁻+ H⁺

(1.2)

La production ou l’utilisation d’une des formes de carbone provoque immédiatement une variation du pH et de la concentration de toutes les autres formes de carbone inorganique dissous (Figure 1.3). De plus l’estimation de la concentration en CO2 peut varier en fonction de la différence de pression et de température entre la chambre benthique et l’équilibrateur, ajoutant ainsi une incertitude supplémentaire non négligeable (Takahashi et al.,1993). La seule mesure de la concentration en CO2dans l’eau ne permet donc pas d’estimer les flux de carbone au sein de la communauté.

Cette étude comparée montre que le pH en continu et l’alcalinité en début et en fin d’incubation sont donc deux paramètres indispensables pour estimer le métabolisme des communautés au cours de l’immersion. La mesure en parallèle de la concentration en oxygène est également un paramètre qui peut donner beaucoup d’information sur le fonctionnement des communautés benthiques.

1.1. CONTEXTE GÉNÉRAL ET RÉSUMÉ

FIGURE1.3 – Diagramme de Bjerrum : Variation de la part relative du CO2(aq) (CO2

et H2CO₃), HCO−

3 et CO2−

3 dans le pool total de carbone dissous (DIC) en fonction du pH.

L’article présenté ci-après a été soumis à Limnology and Oceanography - Methods le 31 août 2010.

1.2 Article 1: Benthic community metabolism

assessment through simultaneous in situ

measurements of changes in dissolved inorganic

carbon, CO

and O

concentration

Vincent OUISSE, Aline MIGNÉ and Dominique DAVOULT Manuscript submitted to Limnology & Oceanography - Methods

Abstract

Methods used to estimate community primary production and respiration in coastal marine environment are still a controversial subject. Underwater community respiration (CR) and net production (NCP ) calculated from changes in oxygen (O2), dissolved inorganic carbon (DIC) or carbon dioxide (CO2) concentration were compared in February, April, July and November on a Zostera noltii bed. CR and NCP estimated from O2 and DIC measurements were different. The CRQ varied between 0.7 and 1.7 and CP Q were always lower than 1 (from 0.2 to 0.9) over the course of the year. The CO2

measurement method greatly underestimates the carbon fluxes in seagrass beds, representing

between 0.6 and 5.9% of carbon fluxes calculated from DIC measurement. Indeed, CO₂ or HCO−

3 input or uptake by seagrass community affect the proportions of all the chemical component of dissolved inorganic carbon (DIC, the sum of free dissolved CO2, carbonic acid H2CO3, bicarbonate and carbonate ions, HCO−

3 and CO2−

3 ). Thus, CO₂ method is not reliable. O2 measurement does not take into account anaerobic respiration through chemical oxidation and simultaneous O₂ and DIC measurements should be favored to calculate CRQ and CP Q which need to be discussed in marine environment at community scale.

CHAPITRE 1. MÉTHODES DE MESURE DU MÉTABOLISME DE LA COMMUNAUTÉ BENTHIQUE

Introduction

Most of the in situ production studies of macrophytes has focused on the seasonal variations of macroalgae (e.g. Mann, 1972) or seagrass biomass (e.g. Jacobs, 1979;

Pérez-Llorens and Niell, 1993; Auby and Labourg, 1996). However, this mono-specific approach measures the balance between biomass production by photosynthesis and loss by grazing or exportation over long time integration. This does not allow to measure primary production at community scale and leads to a quite rough annual estimation of primary production. In sedimentary environments first, closed benthic chambers were developed in order to measure underwater community metabolism without modifying the system (non intrusive method). This method allows to perform repeatable in situ measurements over the year integrating biological and physical interactions between species over small time integration. The different methods used to assess community metabolism in benthic chamber are all based on the variation of concentrations in dissolved inorganic carbon (DIC composed by dissolved CO2, HCO−

3 and CO2− 3 ) or oxygen, consumed or released during photosynthesis and respiration processes. The O2 method (Winkler titration or probe) is currently used in many marine ecosystems (e.g. Buesa, 1977; Plus et al., 2001; Barrón et al., 2004) but measures only aerobic respiration. Changes in DIC, calculated from pH and alkalinity variations, integrate both aerobic and anaerobic processes. O2and DIC variations can be measured simultaneously that allows to assess the Community Respiration and the Community Photosynthetic Quotients (CRQ and CP Q, respectively) such as calculated for example on a Zostera marina bed by Martin et al.(2005). These proper quotients are essential to convert the oxygen to carbon fluxes but they can not be generalized due to high range of values calculated in benthic communities (e.g. Burris, 1981; Oviatt et al., 1986; Martin et al.,

2005).

In the air, the measurement of CO2 partial pressure changes in closed chamber provides accurate estimation of community metabolism during the emersion (Migné et al.,

2002). Changes in air CO2 concentration (ppm) is measured with a CO2 infrared gas analyzer. Depending on the community response intensity, the incubation duration can be very short (< 15 min), allowing the estimation of primary production and respiration. This 20

1.2. ARTICLE 1: BENTHIC COMMUNITY METABOLISM ASSESSMENT THROUGH SIMULTANEOUS IN SITU MEASUREMENTS OF CHANGES IN DISSOLVED INORGANIC CARBON, CO2AND O2CONCENTRATION

method has been used in soft sediment (e.g.Davoult et al.,2009), on rocky shore (Golléty et al., 2008) and in seagrass beds (Ouisse et al., 2010) but is limited to measures during air-exposure in intertidal habitats. Recently, Silva et al. (2008) suggested to monitor the CO2 evolution inside the closed incubation chamber during both immersion and emersion. During immersion, water from the chamber is recirculated by a peristaltic pump at the surface and flows through an equilibrator, which allows the partial pressure of CO2 to be continuously monitored in the gas phase by an infrared analyzer. However, CO2 represents only a part of DIC pool in dynamic equilibrium with others forms of carbon in seawater. Input or uptake of one of the chemical components of DIC during photosynthesis and respiration processes affect the proportions of all the others (see Fig. 1 in Abril (2009)). Thus, changes in the whole DIC pool of sea water must be quantified and monitoring only the dissolved CO2 is inappropriate to assess the community production and respiration under immersion, as underlined by the theoretical calculations ofAbril(2009).

The aims of this study were: (1) to compare and interpret in situ community production and respiration calculated from simultaneous measurements of CO2, O2 and DICevolution and (2) to underline advantages and limits of these methods. Considering the temperature is one of the main parameters controlling the community metabolism (Touchette and Burkholder, 2000, for review) and also influencing the part of CO2 in the whole DIC pool, seasonal sampling has been performed.