L’état de santé des écosystèmes aquatiques et le maintien des fonctions métaboliques dépendent en grande partie des concentrations en oxygène dissous. Ces concentrations résultent d’un équilibre complexe entre des processus physiques (transport et mélange des masses d’eau, échange avec l’atmosphère), des processus de production biologique (photosynthèse) et de consommation (respiration biologique et réactions chimiques) (Zhang et al., 2010). Dans les environnements côtiers, les fortes productivités biologiques associées à des stratifications de la colonne d’eau peuvent générer des consommations d’oxygène supérieures aux apports. Ces phénomènes conduisent à des épisodes d’hypoxie ou d’anoxie, pouvant mener à l’apparition de « zones mortes » (Rabalais et al., 2002). Les conséquences écologiques et socioéconomiques des hypoxies côtières sont considérables à l’échelle mondiale et de solides connaissances scientifiques sur les causes de ces épisodes sont nécessaires pour la gestion éclairée des zones impactées. Les processus biogéochimiques de la colonne d’eau et des sédiments sont fortement couplés au travers d’échanges à l’interface eau-sédiment (Soetaert et al., 2000). Les sédiments constituent un immense réservoir de matière organique (MO) et l’oxygène est le premier oxydant utilisé par les communautés microbiennes pour minéraliser cette MO (Froelich et al., 1979). Par ces relations physiques et métaboliques, les sédiments constituent le puits d’oxygène le plus important dans les zones côtières (Glud, 2008) et restent l’initiateur majeur des épisodes d’hypoxie.
Les programmes de recherche AMIDEX PREDHYPO (2014-16) et EC2CO PREDHYPO2 (2016-17) se sont intéressés à modéliser le fonctionnement de l’étang de Berre (une lagune méditerranéenne aux enjeux socioéconomiques et écologiques majeurs), en raison de la stratification de la colonne d’eau, induite par des rejets d’eaux douces d’une centrale hydroélectrique (Nerini et al., 2000) et qui favorise son eutrophisation et la récurrence des épisodes d’hypoxie. Nous avons initié un volet expérimental qui consiste à suivre la dynamique biogéochimique de l’interface eau-sédiment ex situ, dans la profondeur du sédiment et pendant un mois selon les conditions d’oxygénation variable de 0% à 100%. Notre approche de terrain sur le plus long terme (de mai 2015 à aout 2016) a consisté à instrumenter et caractériser in situ trois sites soumis à des situations d’hypoxie contrastées. Nous avons dédié une part importante de cette étude à la caractérisation de la réponse taxonomique et fonctionnelle du microbiome sédimentaire selon la contrainte hypoxique. Pour cela, nous avons développé des approches moléculaires basées sur les nouvelles générations de séquençage (NGS): une approche « métabarcoding », visant à explorer la diversité et la variabilité taxonomique des organismes présents dans ce milieu et une approche « métatranscriptomique », visant à identifier les voies métaboliques en jeu ainsi que la dynamique fonctionnelle du microbiome. Les premiers résultats montrent que l’hypoxie est en faveur des activités de nitrification, de sulfato-réduction et d’oxydation du méthane, impliquant une importante diversité de bactéries et d’archées. La suite de cette étude constitue l’objectif principal de cette thèse de doctorat, qui permettra de préciser le fonctionnement d’un écosystème aquatique côtier en combinant à la fois des approches in silico ou bioinformatiques et des approches d’écologie microbienne.
Froelich, P. N., Klinkhammer, G. P., Bender, M. L., Luedtke, N. A., Heath, G. R., Cullen, D., … Maynard, V. (1979). Early oxidation of organic matter in pelagic sediments of the eastern equatorial Atlantic: suboxic diagenesis. Geochimica et Cosmochimica Acta, 43(7), 1075–1090.
Glud, R. N. (2008). Oxygen dynamics of marine sediments. Marine Biology Research, 4(4), 243–289.
Nerini, D., Durbec, J. P., & Manté, C. (2000). Analysis of oxygen rate time series in a strongly polluted lagoon using a regression tree method. Ecological Modelling, 133(1-2), 95–105.
Rabalais, N. N., Turner, R. E., & Wiseman, W. J. (2002). Gulf of Mexico Hypoxia, A.K.A. “The Dead Zone.” Annual Review of Ecology and Systematics, 33(1), 235–263.
Soetaert, K., Middelburg, J. J., Herman, P. M. J., & Buis, K. (2000). On the coupling of benthic and pelagic biogeochemical models. Earth-Science Reviews, 51(1–4), 173–201.
Zhang, J., Gilbert, D., Gooday, A. J., Levin, L., Naqvi, S. W. A., Middelburg, J. J., … Van der Plas, A. K. (2010). Natural and human-induced hypoxia and consequences for coastal areas: synthesis and future development. Biogeosciences, 7(5), 1443–1467.

Programme finançant la recherche :
obtenu : AMIDEX PREDHYPO (O. Radakovitch, 2014-16) & EC2CO PREDHYPO2 (S. Rigaud, 2016-17) impliquant les laboratoires CEREGE, MIO, IMBE, IRPHE, EPOC, NIVA (Norvège).
envisagé : EC2CO MicrobiEn (P. Mirleau, 2017), ANR Jeune chercheur PREDHYPO3D (S. Rigaud, 2017)

Directeur(s) de thèse proposé(s)
(limiter au plus à deux personnes principales, dont au moins une titulaire de l’HDR)
Emmanuel Talla (HDR) : [email protected]
Pascal Mirleau : [email protected]