VAHINE - VAriabilité temporelle du tranfert tropHIque de l'azote fixé dans le sud-ouEst Pacifique et impact sur les ressources

Le SW Pacifique est le siège des plus forts taux de fixation d'azote de l'océan mondial. Ce processus permet de fertiliser en azote les eaux pauvres de surface et ainsi de soutenir la chaîne alimentaire marine.

> Action GOPS 2012

Mots-clés : Azote, Cyanobactéries, Diazotrophie, Lagon

Porteur de projet: Sophie Bonnet, IRD UMR MIO

Budget: GOPS 20 000 euros, Co-financements: ACI-IRD 7 000 euros, MIO 8 000 euros, INSU (LEFE-CYBER) 57 000 euros, ANR jeune chercheur 162 000 euros

Zone géographique : Nouvelle-Calédonie

Site web du projet : http://mio.pytheas.univ-amu.fr/?VAHINE-Project

Objectifs scientifiques :

Les déserts océaniques représentent 80 % de la surface de l'océan mondial. Il est par conséquent essentiel de comprendre le fonctionnement de ces écosystèmes et leur capacité à piéger du CO2 par voie biologique afin de pouvoir prévoir quel sera leur rôle dans la régulation du climat de demain. Le SW Pacifique est un de ces ‘déserts océaniques' et il est le siège des plus fortes abondances de micro-algues fixatrices d'azote de l'océan mondial. Ce processus permet de fertiliser en azote les eaux pauvres de surface et ainsi de soutenir la chaîne alimentaire marine. En dépit de ces taux extraordinaires, très peu d'études se sont focalisées sur ces micro-algues: les raisons de leur succès restent mal connues, la quantification précise des taux et la diversité des organismes sont très mal quantifiés, ce qui empêche leur représentation dans les modèles et bilans biogéochimiques, tandis que la communauté scientifique sait qu'il y a un chaînon manquant d'azote dans la région. Pour contribuer à pallier ce manque, ce projet prévoyait un suivi temporel dans le lagon de Nouvelle-Calédonie de la diversité/abondance/rôle fonctionnel des micro-algues fixatrices d'azote atmosphérique le long d'un gradient d'anthropisation pendant une durée de deux ans.

Ce projet VAHINE visait aussi à étudier le devenir de l'azote ‘nouveau' introduit dans la couche éclairée océanique par ces micro-algues du plancton, les diazotrophes, et à quantifier leur impact potentiel sur l'export de CO2. Pour répondre à cette question, il a été proposé une approche expérimentale en mésocosmes combinée à de la modélisation biogéochimique. L'approche expérimentale s'appuie sur le récent développement de techniques innovantes (NanoSIMS, Tri cellulaire en cytométrie, marquage isotopique) par l'équipe proposante, permettant de quantifier des stocks et flux à l'échelle individuelle de cellules identifiées, et ainsi dans ce contexte, de lever le verrou technologique/méthodologique qui ne permettait pas auparavant de répondre à cette question.

Photos Cyanobactéries

Images en microscopie à épifluorescence des cyanobactéries diazotrophes.
A. Colonie de Trichodesmium, B. Richelia intracellularis dans une diatomée Hemiaulus hauckii, C. Crocosphaera watsonii.
© A : H. Berthelot, B : R. Foster, C : Bonnet et al. (2009)

Programme de recherche :

1/ Suivi mensuel à compter de juillet 2012 pour une durée de deux ans le long d'un gradient d'anthropisation dans le lagon SW de Nouvelle Calédonie.

2/ Suivi environnemental haute fréquence à l'aide du mouillage multi-instrumenté MOISE, avec ajout des suivis quotidiens des paramètres discrets mentionnés dans l'objectif 1 durant une période de 2 à 3 semaines 2 fois par an (hiver et été).

3/ Expérience pilote en mésocosme. La véritable expérience aura lieu du 9 janvier 2013 jusqu'au 8 février 2014.

Résultats :

- Caractériser la variabilité temporelle de l'abondance, de la diversité des micro-algues diazotrophes et des flux de fixation d'azote le long d'un gradient trophique dans le lagon de Nouvelle-Calédonie, associés aux variables environnementales (fréquence mensuelle).

Ces radiales mensuelles GOPS ont été effectuées comme prévu entre juillet 2012 et mai 2014 au niveau de 4 stations dans le lagon de Nouméa choisies de par leur caractère contrasté en termes d'impact par les eaux douces (rivière Dumbéa), d'impact anthropique (apport de la Grande rade), et de degré d'oligotrophie qui décroit de la côte vers le large. L'ensemble des paramètres initialement prévus dans le projet déposé à l'AO GOPS en 2012 a été mesurés (cf. rapport complet GOPS 2014). A noter que cette radiale passe le site de Basse Caoui où est mouillé le mouillage multi-instrumenté MOISE (PI M. Rodier) au niveau duquel est effectué un suivi haute fréquence de paramètres physico-chimiques (cf rapport MOISE).

- Etudier le devenir de l'azote récemment fixé par les micro-algues diazotrophes dans l'océan dans la chaîne trophique planctonique et son impact sur l'export de CO2. Pour cela, une expérience en mésocosmes (55 000 litres, 15 m de hauteur 2,5 m de diamètre) a été réalisée avec succès en janvier-février 2013 à bord du N/O Alis au récif Tabou (lagon de Nouméa).

Contacts et partenaires :
- Institut de Recherche pour le Développement (IRD) – Mediterranean Institute of Oceanography, UMR IRD/CNRS/Aix-Marseille Université – Sophie Bonnet (PI du projet) sophie.bonnet(at)univ-amu.fr. Collaboration : Cécile Dupouy, Martine Rodier
- LOV, Villefranche sur mer, UPMC/CNRS
- MNHN, Paris
- Max Planck Institut for Microbiology (Breme, Allemagne)
- University of California Santa Cruz (USA)
- Université Bar-Ilan (Israêl)
- JAXA (Japan Aerospace eXploration Agency)
- US IMAGO (IRD)

Publications:

Biogeochemical and biological response to a diazotroph bloom in a low-nutrient, low-chlorophyll ecosystem: results from the VAHINE mesocosms experiment Guest Editors: S. Bonnet, D. G. Capone, F. Lacan, and E. Marañón http://www.biogeosciences-discuss.net/special_issue153.html

Bonnet, S., Berthelot, H., Turk-Kubo,K.,  Cornet-Barthaux, V., Fawcett, S., Berman-Frank, I., Barani, A., Grégori, G., Dekaezemacker, J., Benavides, M., Capone, D.G. Diazotroph derived nitrogen supports diatom growth in the South West Pacific: a quantitative study using nanoSIMS. Limnology and Oceanography.

N° Special Biogeosciences http://www.biogeosciences.net/special_issue193.html Biogeochemical and biological response to a diazotroph bloom in a low-nutrient, low-chlorophyll ecosystem: results from the VAHINE mesocosms experiment Guest Editors: S. Bonnet, D. G. Capone, F. Lacan, and E. Marañón

S. Bonnet, T. Moutin, M. Rodier, J.M. Grisoni, F. Louis, E. Folcher, B. Bourgeois, J.M. Boré, and A. Renaud - Introduction to the project VAHINE: VAriability of vertical and tropHIc transfer of diazotroph derived N in the south wEst Pacific.

H. Berthelot, T. Moutin, S. L'Helguen, K. Leblanc, S. Hélias, O. Grosso, N. Leblond, B. Charrière, and S. Bonnet - Dinitrogen fixation and dissolved organic nitrogen fueled primary production and particulate export during the VAHINE mesocosms experiment (New Caledonia lagoon)  

K.A. Turk-Kubo, I.E. Frank, M.E. Hogan, A. Desnues, S. Bonnet, and J.P. Zehr -Diazotroph community succession during the VAHINE mesocosms experiment (New Caledonia Lagoon)

M. Tedetti, L. Marie, R. Röttgers, M. Rodier, F. Van Wambeke, S. Helias, M. Caffin, V. Cornet-Barthaux, and C. Dupouy - Evolution of dissolved and particulate chromophoric materials during the VAHINE mesocosm experiment in the New Caledonian coral lagoon (South West Pacific)

U. Pfreundt, D. Spungin, I. Berman-Frank, S. Bonnet, and W.R. Hess - Global analysis of gene expression dynamics within the marine microbial community during the VAHINE mesocosm experiment in the South West Pacific

A.N. Knapp, S.E. Fawcett, A. Martinez-Garcia, N. Leblond, T. Moutin, and S. Bonnet - Nitrogen isotopic evidence for a shift from nitrate- to diazotroph-fueled export production in VAHINE mesocosm experiments

S. Bonnet, H. Berthelot, K. Turk-Kubo, S.E. Fawcett, E. Rahav, S. l'Helguen, and I. Berman-Frank - Dynamics of N2 fixation and fate of diazotroph-derived nitrogen in a Low Nutrient Low Chlorophyll ecosystem: results from the VAHINE mesocosm experiment (New Caledonia)

U. Pfreundt, F. Van Wambeke, S. Bonnet, and W.R. Hess - Comparative analysis of the prokaryotic diversity during the VAHINE experiment, an experimental ecosystem challenge in the New Caledonia lagoon

F. Van Wambeke, U. Pfreundt, A. Barani, H. Berthelot, T. Moutin, M. Rodier, W.R. Hess, and S. Bonnet - Heterotrophic bacterial production and metabolic balance during the VAHINE mesocosm experiment in the New Caledonia lagoon

K. Leblanc, V. Cornet, M. Caffin*, M. Rodier, A. Desnues, H. Berthelot, K. Turk-Kubo, and J. Heliou - Phytoplankton community structure in the VAHINE MESOCOSM experiment

H. Berthelot, S. Bonnet, V. Cornet, O. Grosso, and A. Barani Transfer of diazotroph derived nitrogen towards non-diazotrophic planktonic communities: a comparative study between Trichodesmium erythraeum, Crocosphaera watsonii and Cyanothece sp.

Gimenez, M. Baklouti, S. Bonnet, and T. Moutin - Biogeochemical fluxes and fate of diazotroph derived nitrogen in the food web after a phosphate enrichment: Modeling of the VAHINE mesocosms experiment
I.R. Berman-Frank, D. Spungin, E. Rahav, F. Van Wambeke, K. Turk-Kubo, and T. Moutin Dynamics of transparent exopolymer particles (TEP) during the VAHINE mesocosm experiment in the New Caledonia lagoon

D. Spungin, U. Pfreundt, H. Berthelot, S. Bonnet, D. AlRoumi, F. Natale, W.R. Hess, K.D. Bidle, and I. Berman-Frank - Mechanisms of Trichodesmium bloom demise within the New Caledonia Lagoon during the VAHINE mesocosm experiment

B. P. V. Hunt, S. Bonnet, H. Berthelot, B. J. Conroy, R. Foster, and M. Pagano- Contribution and pathways of diazotroph derived nitrogen to zooplankton during the VAHINE mesocosm experiment in the oligotrophic New Caledonia lagoon

S. Bonnet, M. Baklouti, Gimenez, A., Berthelot, H. and I., Berman-Frank Biogeochemical and biological impact of a diazotroph bloom in a Low Nutrient Low Chlorophyll ecosystem: synthesis from the VAHINE mesocosm experiment (New Caledonia)

Autres publications soumies en en révision sur le projet:

Bonnet, S., et al. N2 fixation activity, diversity and biogeochemical impact in  the New Caledonian lagoon : a 2-years survey
Hunt, BPV. et al. Zooplankton trophic structure and nitrogen uptake pathways in the New Caledonia lagoon: a 2-years survey

Conférences:

Gimenez, A., Baklouti, M., Moutin, T., Berthelot, H., Bonnet, S. Investigating the fate of diazotroph derived N during the VAHINE Mesocosm experiment using a mechanistic biogeochemical model. ASLO meeting Granada, Feb. 2015.

Berthelot, H., Moutin, T., Bonnet, S. Fate of nitrogen fixed by diazotrophs in the ocean: Preliminary results from the VAHINE mesocosms experiment in N. Caledonia. "From bloom to gloom", 29 July -7 August 2014 at Hólar University, Iceland.

Berthelot, H., Moutin, T., Bonnet, S. Fate of fixed nitrogen during a mesocosms experiment in the South Pacific Ocean. International Solas Summer School, August 23rd – September 2nd, 2013, Xiamen, China.

Berthelot, H., Moutin, T., Bonnet, S. Fate of fixed nitrogen during a mesocosms experiment in the South Pacific Ocean. Second EMBO Conference on Aquatic Microbial Ecology: SAME-14, August 23-28 2015, Uppsala, Sweden

Master et thèses: 4 rapports de stages, 3 thèses en cours

Outreach :

Film 12 minutes CANAL IRD http://www.ird.fr/la-mediatheque/videos-en-ligne-canal-ird/mission-vahine

26 minutes ‘Les coulisses de la science' https://www.youtube.com/watch?v=s8kRjGoazQw

3 reportages JT NC 1ère (cf http://mio.pytheas.univ-amu.fr/?VAHINE-Project), émissions de radio RRB, articles presse locale, article dans la Newsletter du programme international SOLAS.

Rapport:

Bonnet S., 2014 Variabilité temporelle du transfert trophique de l'azote dans le sud-ouest Pacifique (Nouvelle-Calédonie) et impact sur les ressources. Rapport Final AAP GOPS 2012, 11 p.