Dans cette étude. nous avons évalué l'impact d'une augmentation de la concentration en carbone inorganique dissous (CID) et en nutriments sur les tapis pénphytiques du lac Ward Hunt (82.8%, 78.5'0) situé dans le haut Arctique canadien. Des expériences factorielles i court et à long terme ont été réaiisées à l'aide d'incubations in situ avec l'ajout ou non de bicarbonate et d'un mélange de d'autres sels nutritifs. L'hypothèse de ce projet de recherche est que la productivité, la biomasse et la structure des communautés benthiques des écosystèmes aquatiques de hautes latitudes sont sensibles à un apport de CID associée avec une au_mentation de la concentration en CO2 atmosphérique ainsi qu'a un ajout de d'autres nutriments, sachant que la productivité du périphyton en zone tempérée semble ette limitée par la disponibilité en sels nutritifs dont souvent le C D . Le périphyton arctique est souvent caractérisé par une forte biomasse où la compétition pour les sels nutritifs et le C D pour la photosynthèse peut être sévère. Nos résultats montrent l'absence d'un contrôle par le CID et par les autres nutriments sur la production primaire. la biomasse algale et microbienne, et sur la structure tavonomique des tapis microbiens du lac Ward Hunt. Une augmentation du COz atmosphérique n'aura pas d'effet direct sur les communautés d'algues benthiques du haut Arctique canadien. Les changements globaux (augmentation du CO2 atmosphénque et réchauffement global) pourraient toutefois avoir des effets indirects sur la dynamique des tapis microbiens des milieux aquatiques nordiques, par la modification du bilan photosynthèse-respiration de ces communautés ainsi que par une augmentation de l'apport de carbone organique dissous contenu dans les bassins versants.
INTRODUCTION
Une hypothèse avait été émise dans les années 1970 que le carbone inorganique dissous (CID) serait limitant pour la croissance des algues dans les miiieu~ aquatiques d'eau douce (King 1970, Moss 1973) mais depuis 30 ans, cette hypothèse soulève de grandes controverses. D'autres ont suggéré que le carbone inorganique ne semble pas etre un élément limitant dans les environnements aquatiques, ou très rarement, entre autres à cause de l'apport de CO2 atmosphérique pour suppléer à la demande (Schindler 1971, Goldman et al. 1973, Goldman et al.
1974). L'étude de l'impact du CID sur la croissance des algues s'est faite en relation avec les phénomènes d'eutrophisation (e.g., King 1970, Schindler 197 1, Schindler e t al. 1977, Goidman et al. 1972, Shapiro 1973) e t plus récemment d'acidification des lacs (e.g., Fairchild & Sherman 1990, Tumer et al. 1991). De nos jours, une limitation en CID en milieu marin est considérée sachant que le carbone dans les océans se trouve surtour sous la forme de bicarbonate, forme de CID moins disponible que le COr pour les organismes autotrophes (voir Raven 1994).
L'importance du CID en tant que facteur de contrôle est de plus en plus considérée dans le contexte des changements globaux Depuis le milieu du siècle dernier (1 8jO), la concentration des gaz à effet de serre tel que le CO2 a augmenté dans I'atmosphère (Houghton et al. 1990).
Cette augmentation sera encore évidente en 2100 malgré les efforts faits a h de contrôler les émissions anthropiques (Watson et al. 1990). Une augmentation du CO2 atmosphérique pourrait avoir comme effet d'augmenter la concentration en CO2 dans les milieux aquatiques car la concentration d'un gaz dans une solution à l'équilibre est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz dans le milieu d'où il provient (loi d'Henry). Le CO2 atmosphérique est ainsi transféré aux
milieux aquatiques par simple diffusion air-eau (CO2 gazeux
+
CO2 aqueux), par les précipitations ainsi que par les eaux souterraines chargées de CO2 provenant de la respiration dans les sols du bassin de drainage. La dissolution de la roche carbonatée par l'acide carbonique(H20
+ COz+
H2C03) in situ peut aussi augmenter la concenmtion en CID dans l'eau par la production d'ions HCOY.L'impact de l'augmentation du CO2 atmosphérique sur les milieux nordiques est peu
COMU. Il est essentiel d'améliorer nos connaissances ce sujet, sachant que les écosystèmes des
régions de hautes latitudes sont très sensibles à plusieurs modifications environnementdes (Vincent & Pienitz 1996, Chapin lII et al. 1997), plus particulièrement ceux des déserts polaires (Vincent 1997). Le fond des lacs et rivières des régions de hautes latitudes est recouvert de tapis d'algues dominés par les cyanobactéries (Arctique; Vézina & Vincent 1997, Antarctique; Vincent et al. I993c, Vincent 2000). Sachant que la production des tapis pénphytiques polaires peut représenter plus de la moitié de la production primaire des milieux aquatiques de ces régions
est donc important de vérifier l'impact d'une augmentation du COr atmosphérique sur ces communautés benthiques.
À ce jour, peu d'études ont porté sur l'impact du carbone inorganique sur le périphyton des environnements aquatiques. Celles ayant ivalué l'effet du CO1 pour les communautés phytoplanctoniques peuvent être utiles afin de comprendre l'effet du CID sur le périphyton. La croissance (Cole 1979) et la dominance par les cyanobactéries planctoniques (Shapiro 1973' 1997) peuvent ainsi être modifiées avec une augmentation de la concentration en CID dans le milieu aquatique. Concernant le périphyton. Fairchild Br Sherman (1989) ont observé un changement de dominance suivant l'ajout de bicarbonate en l'absence d'une limitation de N et de P pour un lac oligotrophe dont le bassin versam est non perturbé. En zone tempérée, dans le sud du Canada, le CID a de plus été identifié comme le facteur limitant la photosynthèse du périphyton (Turner et al. 1994), mais aucune étude a évalué cette hypothèse pour le pénphyton des lacs de hautes latitudes,
Le phosphore (P) est connu comme étant généralement i'élément limitant dans les milieux aquatiques. Il a été démontré que la croissance du pénphyton en rivière peut être limitée par le P seul (Bothwell 1988) ainsi qu'en concomitance avec l'azote (Perrin & Richardson 1997). Une forte condation a aussi été identifiée entre la biomasse pénphytique et la concentration en phosphore total dans le milieu
(2
= 0.56, P < 0.001? Chetelat et al. 1999). De façon plus générale, Hansson (1992) a suggéré que la biomasse algale pénphytique serait contrôlée principalement par la disponibilité en nutriments. En Arctique, Pazote etlou le phosphore pourraient être limitants pour le périphyton dans les milieux lotiques (Hullar & Vestal 1989, Miller et al. 1992). Sachant que les lacs nordiques sont généralement pauvres en éléments nub5tXs (Vincent & Pienin 1996),les communautés daigues benthiques des lacs de hautes latitudes sont aussi susceptibles d'être influencée par une au-pentation de l'apport en nutriments.
L'hypothèse centrale de ce projet de recherche est que la productivitéo la biomasse et la structure taxonomique des communautés benthiques des écosystèmes aquatiques sont sensibles à une augmentation du CID associée avec un changement de la concen~ation en COz atmosphérique ainsi qu'à un apport en nutriments dans le milieu. Afin de vérifier l'effet des facteurs de contrôle chimiques sur les communautés d'algues benthiques du haut kctique canadien, nous avons procédé a des bioessais de type factoriel sur des échantillons de tapis microbiens prélevés au lac Ward Hunt (S2.El0N, 78.j00). Les bioessais ont impliqué Pajout de nutriments ainsi que de bicarbonate pour simuler une augmentation du CO2 atmosphérique. Le HC03- a été utilisé car. 1) le CO2 atmosphérique qui diffusera dans l'eau sera transformé en bicarbonate car c'est la forme prédominante à un pH 7-9, pH qui caractérise généralement les milieux aquatiques (Horne & Goldman 19941, 2) la dissolution de la roche carbonatée par l'acide carbonique suite à la réaction du CO2 avec l'eau produit des ions bicarbonates. Une expérience à court terme a été rialisée pour tester l'effet d'une a~~mentation de la concentration en CID et en nutriments sur la production primaire ainsi qu'une expérience à long terme afin de vérifier l'impact de ces mêmes facteurs de contrôle chimiques sur la production primaire. la biomasse algale et microbienne, et la composition taxonomique du périphyton polaire.
Site d'étude
Les échantillons de tapis microbiens ayant servi a la réalisation des bioessais ont été tout d'abord prélevés au lac Ward Hunt (82.8ON, 7S.j0E) et emporté à l'île Cornwallis (7PN, 94'E) pour la réalisation des expénences. Le site E2 au lac Ward Hunt a été choisi pour l'échantillonnage a cause de l'uniformité et de la plus grande cohésion du tapis microbien comparativement à ceux des sites E l et E3. Une description du lac et du site échantillonné est faite au chapitre 1 de cette thèse (voir Material & I\fethodr). La quantité requise de sections (10 x 10 cm) de tapis microbien a été prélevée à une profondeur de 40 cm et à une distance de 0.5 à 1 m du rivage et ce, de façon systématique à partir d'une zone uniforme de recouvrement du tapis.
Cet echantillomage des tapis ainsi et de l'eau du lac (4 1) a été effectué le 28 juillet? soit la veille du départ du Lac Ward Hunt pour l'île Comsvdlis. Les sections de tapis ont été déposées dans un contenant de plastique étanche et chacune d'elle a été séparée l'une de l'autre par une pellicule plastique dans le but de préserver l'intégrité des tapis microbiens.
Bioessais
Les expériences se sont déroulées dans un lac situé sur l'île Cornwallis dans la région de Resolute (74044'2211N, 94°53'72"0) (Fig. 2.1). Elles ont donc été réalisées in situ afin d'avoir la meilleure représentation des conditions naturelles tel que les variations de lumière et de température. Le lac choisi possède plusieurs similarités avec le lac Ward Hunt : lac clair de faible superficie et peu profond, situé entre des collines et tapis microbiens abondant qui recouvrent le fond du lac. Les variations journalières de la température au site d'incubation ont été enregistrées à intervalle régulier tout au long de la durée des expériences ainsi que celles de la radiation incidente totale (0.3 à 3.0 pm) à l'aide d'un pyromètre Geneq inc. associé avec un enregistreur de données (Campbell Scientinc inc., CR10). Les données de radiation totale ont été foumies par le Dr Kathy Young de l'Université de York, Ontario.
L'effet des facteurs de contrôle chimiques sur les communautés microbiennes benthiques a été testé selon un dispositif factoriel à deux facteurs soit par l'ajout 1) d'un ensemble de
Figure 2.1 Localisation du site d'incubation pour la réalisation des bioessais dans la région de Resolute, île Cornwallis.
diffërents nutriments et 2) de carbone inorganique dissous (CID). L'ajout de CD3 s'est fait sous la forme de bicarbonate de sodium (NaHC03) et le lot de nutriments, avec une solution appelée BGl 1 qui est utilisée pour le maintien des cultures d'algues en laboratoire, mais exempte de CID
pour les expériences de cette étude (Tab. 2.1). Deux niveaux de chacun de ces facteurs ont été appliqués, soit l'ajout (+) ou non (-) de BGI I (B) ou de CID (C). Les bioessais comprenaient donc au total quatre traitements : 1)
-
B-C, 2)-B
+C, 3) +B-C, 4) + B K .Tableau 2.1 Composition chimique de la solution BGI 1 utilisée pour les expériences. phosphate i-'). Les concentrations ont été choisies en fonction des valeurs connues en CID et en phosphate dans les eaux des régions tempérées et nordiques. Elles varient de 0.5 à 3.3 pg de P- PRS ï' et de 2 a 134 mg CID l-' pour des lacs de la forêt boréale ; et de 0.5 à 1.9 pg de
P-PRS
1.' et de 0.1 a 27.7 mg CID 1'' pour ceux de la toundra arctique (Pie* et al. 1997% 1997b).Deux types de bioessais ont été effectués afin d'évaluer si les facteurs chimiques sont limitants pour les tapis microbiens arctiques : une expérience a court terme (quelques heures) et une autre à long terme (plusieurs jours). Les changements de la production primaire selon les traitements ont été évalués par l'expérience a court terme ainsi que celle à long terne a l'aide de l'isotope
"c.
L'expérience à long terme a mené à l'évaluation des modifications de la biomasse algale et microbienne et de la structure de la communauté algale des tapis.Court terme
L'expérience à court terme s'est déroulée le ler août par temps bnimeu~ accompagné de bruine suite à l'initiation de l'expérience à long terme (30 juillet). Des carottes de j mm de diamètre ont été prélevées sur des sections de tapis choisies au hasard parmi celles provenant du lac Ward Hunt et ce, à l'aide d'une seringue coupée et aiguisée en son emémité. Chaque carotte a été déposée dans un sac Whirlpak préalablement rincé trois fois, soit deux fois avec de l'eau déionisées et une fois avec l'eau du lac Ward Hunt. Le diamètre de l'échantillon constitue un bon compromis entre la disponibilité du
'"c
et du pool deCID
pour les cellules, le maintien d'une certaine intégrité saucnuale des tapis (Vincent er al. 1993a), et la diminution du risque d'une trop grande variabilité entre le volume des carottes. De cette façon, on évite aussi qu'une colonie de iVosroc commune sous forme de petite sphère viennent emplir complètement le volume de l'échantillon. L'attribution des traitements a été effectuée au hasard parmi les carottes prélevées a raison de trois réplicats par traitement. A chaque sac contenant une carotte on a donc appliqué le traitement, 10 jKi de N ~ H " C O ~ et la quantité d'eau du lac Ward Hunt nécessaire pour l'obtention d'un volume fuial de 20.2 ml. Chaque sac a été placé individuellement par la suite dans unz'~'
sac W l p a k . Un nombre équivalent de sac au noir, à savoir trois réplicats par traitements, a été préparé en les enveloppant de deux épaisseurs de papier d'aluminium et ce, afin de corriger pour la fixation au noir. Les sacs ont été rapidement disposés de façon aléatoire dans un support
Long terme
L'expérience à long terme a été réalisée du 30 juillet au 13 août (15 jours), selon les mêmes traitements appliqués que pour celle a court terme. Des carottes de 5.4 cm de diamètre ont été prélevées à raide d'un emporte-pièce dans des sections de tapis choisies au hasard parmi celles rapportées de l'île Ward Hunt. Ces carottes ont éti déposées dans des sacs Whirlpak rincées trois fois tel que décrit précédemment. Après application au hasard des traitements (trois réplicats par traitement), les sacs ont été placés de façon aléatoire dans un suppoa métallique qui fut fixé dans le lac (voir description ci-haut) pour la durée de l'expérience.
Des carottes de 5 mm de diamètre ont été prélevées au temps initiai (b = jours O = 30 juillet) et au temps fmd (tfind =jour 14 = 13 août) de la période d'incubation pour la mesure de la photosynthèse. D'autres carottes ont aussi ité prélevées aux même périodes (b et tsnd) pour analyse subséquente de la composition taxonomique et de la biomasse (concentration en Ch1 a et poids sec organique, PSO), de 10 et de 5 mm de diamètre respectivement. Les échantillons à b trois sous-échantillons par réplicat, en raison de trois réplicats par traitement. Ces derniers ont été conservés congelés dans du papier d'aluminium jusqu'à l'analyse en laboratoire. Les ichantillons pour l'analyse taxonomique om été préservés avec du glutaraldéhyde/fonnaldéhyde à concentration k a l e de 10 % dans des Cryoviales (fioles de plastique, 1.8 ml) auxquels a été ajoutée de l'eau du lac Ward Hunt.
L'évaluation des mérences du taux de photosynthèse entre et tfind selon les traitements s'est faite par des incubations au
"c,
selon le même protocole décrit pour l'expérience à court terrne. Les incubations à to et tfin& chacune d'me durée de 4 h, ont été réalisées dans la même période de la journée ainsi qu'à des conditions climatiques similaires (i.e. ciel variable au début des expériences). Les prévisions météorologiques fournie par le PCSP à Resolute ont servi afinde décider de l'mêt de l'expérience à long terme et donc de la réalisation de I'expénence au 1 4 ~ à préparation a été faite avec un compteur à scintillation (Beckman LS, 6500) et la formule utilisée pour le calcul du taux de photosynthése est fournie dans Lind (1974). Les concennations en carbone inorganique dissous (CID) utilisées dans le calcul de la production primaire ont été évaluées à part& de sous-échantillons d'eau du lac Ward Hunt selon une titration Gran (Wetzel &
Likens 1990). Les titrations ont été faites suite à l'initiation des incubations. soit le même jour de chacune des incubations respectives.
Composition tawonornique et biomarse
Les échantillons préservés pour l'évaluation des composantes biologiques (têuonomie et biomasse) ont été analysés selon la même méthode décrite préalablement au chapitre 1 de cette thèse (voir A4aterial and Methods). Brièvement, les échantillons pour l'analyse de la composition spécifique ont été homogénéisés a l'aide d'une seringue et dilués avec de l'eau déionisée préalablement aux comptages. Un sous-échantillon de la solution obtenue a été laissé à sédimenter dans une chambre à sédimentation et le dénombrement a été effectué selon Ia méthode
FNU
(fluorescence, Nomaski, Utexmohl; Lovejoy et al. 1993). Des observations ont été faites à un grossissement delOOOX
pour la vérification de la taxonomie et un total de 400 individus a été compté à l'aide d'un microscope inversée Zess Axiovert a un grossissement de 400X. L'abondance relative des espèces a été évaluée par le calcul du biovolume relatif de chaque espèce en utilisant le programme BIOVOL pou les diatomées (Kirschtel 1996) ou des formules standard de géométrie pour les autres taxons.Les carottes ayant servi à i'évaluation des changements de la biomasse totale occupée par les organismes autotrophes (concentration en Ch1 a) ont été analysées dans un délai de moins de deux mois suivant la réalisation des expériences. Suite au broyage de l'échantillon. l'extraction des pigments a été faite avec de l'acétone 90 O/u durant I h à la noirceur (4°C). Après centrifugation (10 min., 1000 rpm), l'absorbance à 663 et a 750 nm a été mesurée par spectrophotométrie (Milot Roy Spectronic 1001 plus), avant et après acidification (HCI Qi, 30 minutes au noir à 4OC). Le culot obtenu suite à la centrifugation a subit une deuxième extraction telle que dicrite, dont l'absorbance a été ajouté à celle obtenue pour la première e,xtractioo. La concentration en CM a firr calculé à l'aide de l'équation de Golterman (1971). Une description complète des tests effectués pour l'élaboration de cette méthode est décrite au chapitre 1.
L'analyse de la biomasse microbienne totale a été faite par la mesure du poids sec traitements des taux de photosynthèse pour l'expérience a court terme et pour celles de biovolume total pour l'expérience à long terme. Les données obtenues pour I'anaiyse du biovolume total ont subit une transformation logarithmique (log (x+ 1 )).
Une analyse de covariance (ANCOVA) a été faite sur les valeurs obtenues pour les paramètres de biomasse (teneur en matière organique (PSO) et concentration en Chl a) et de production primaire pour l'expérience a long terne avec les valeurs à b comme covariables. Cette analyse a été choisie car les paramètres "photosynthèse" et "PSO" présentaient des conditions de départ (to) différentes entre les réplicats avant l'application des traitements et a aussi été utilisée pour les valeurs de Ch1 a pour uniformiser i'utilisation des statistiques. L'égalité et la linéarité des pentes ont été v é s é e s et respectées pour ies analyses de covariances, sauf pour les analyses sur
la photosynthèse où la linéarité des pentes ne peut être vérifiée considérant le nombre insufnsant de réplicats par traitement.
L'effet des traitements sur le biovolume relatif de différents taxons (composition taxonomique) a été évalué selon une analyse multivariée (MANOVA, test de Wiks Lambda), avec une transformation arcsin sur les données. Les valeurs obtenues à ont été utilisées comme témoin pour comparer I'effet des traitements sur le biovolume relatif ainsi que pour le biovolume totai et non celles du témoin a tfi,d. Les valeurs du témoin à constituaient une meilleure représentation de la communauté algaie avant l'application des traitements contrairement aux
valeurs du témoin à tfin& Toutes les analyses de variance ont été faites en respectant les posnilats de la normalité des résidus (test de Shapiro-Wiik) et de l'homogénéité de la variance (test de Levene)
.
Conditions d'incubation : température et radiation totale groupes monorniques de la communauté algale (cyanophytes, chlorophytes et diatomées) n'a pas changé de façon significative avec l'ajout de carbone inorganique dissous (F = 8.195 ; d.1. = 3 , 2 ;
P = 0.1107) ou encore de l'ensemble de nutriments (F = 11 . V I ; d.1. = 3, 2 ;
P
= 0.0793) (Fig.2.6). L'analyse des groupes pris séparément n'a pas montré d'effet d'un ajout de n u h e n t s (cyanophytes, P = 0.9513 ; chiorophytes, P = 0.2935 ; diatomées, P = 0.4666) et ce, malgré la tendance à avoir une différence entre ces taxa pour ce facteur (P = 0.0793). Il en est de même pour la comparaison entre les trois ordres du t a o n dominant, soit les cyanophytes, où l'ajout de carbone inorganique dissous (CID)
(F
= 0.3415 ; d.1. = 3, 2 ; P = 0.8029) et de nutriments (F =0.0583 ; d.1. = 3,2 ;
P
= 0.9772) n'ont pas modiné Fabondance relative (% de biovolume occupé)211 212 213 214 215 216 217 218 219 230 221 222 223 224 225 226
jours julien
Figure 2.2 Radiation totale moyenne par jour ( c o l o ~ e ) et moyenne mobile sur 5 heures
( mesures à chaque 10 secs), et température moyenne (moyenne mobile sur 2 h, mesures à chaque 2 mins) durant l'expérience a long terme (21 1 = 30 juillet, 225 = 13 août).
14 15
Heure
Figure 2.3 Radiation indicente totale pour la période d'incubation a T,, et T,,,.
heure
13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00
heure
Figure 2.4 Température de I'eau lors de l'incubation au
'"c
(a)
To
(3 1 juillet) et (b) Th, (1 3 août). h h y e ~ e mobile cal- culée par période de 30 minutes, lecture a chaque 2 minutes.témoin C B CB
Traitement
Figure 2.5 Biovolume total au début (témoin) et après 15 jrs d'incubation. Témoin = T,, C = ajout de carbone inorganique dissous,