BIOMASSE PHYTOPLANCTONIQUE : ESTIMATION ET...
BIOMASSE PHYTOPLANCTONIQUE :
ESTIMATION ET FACTEURS
LIMITANTS, REVUE ET ANALYSE
BIBLIOGRAPHIQUE
Par
Itaf DEME GNING
CENTRE DE RECHERCHES OCE~OG~HIQUES DE DAjQ+THIA:ROYE
BIOMASSE -PHYTOPLANCTONI.&JE : E S T I M A T I O N E T F A C T E U R S
L I M I T A N T S a
REVUE ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I taf DEME GNING
S O M M A I R E
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ESTIMATEURS DU PHYTOPLANCTON
1. ESTIMATEUR DIRECT DU PHYTOPLANCTON
1.1. Concentration des échantillons
1.1.1. La centrifugation
1.1.2. La filtration
1.1.2.1. Choix des filtres
1.1.2.2. Conservation des filtres
1.1.3. La sédimentation
1.2. Technique de numération
1.2.1. Microscopie
1.2.2. Holographie
1.2.3. Comptage de particules
1.3. Traitements et interprétation des données de numération
2. ESTIMATEURS INDIRECTS DU PHYTOPLANCTON
2.1. La chlorophylle
2.1.1. Dosage de la chlorophylle
2.1.1.1. Chlorophylle in vivo
2.1.1.2. Chlorophylle extraite
a) Extraction
b) Mesure par fluorimétrie
c) Mesure par spectrophotométrie
d) Acidification
e) Mesure de la chlorophylle par chromatographie
e.1) Chromatographie sur couche mince
e.2) Chromatographie en phase liquide
e.3) Chromatographie sur papier
2.1.2. Résultats et interprétation
2.2. 1'ATP
2.2.1. Mesure de 1'ATP
2.2.1.1. Extraction
2.2.1.2. Dosage de 1'ATP
2.2.2. Interprétation des résultats
2.3. Les matières particulaires
2.3.1. Le carbone particulaire
2.3.2. Le phosphore particulaire
2.3.3. L'azote particulaire
2.4. Relation entre les différents estimateurs de biomasse
3. PRODUCTION PRIMAIRE
3.1. Mesure de la production primaire
3.1.1. Méthodes indirectes
3.1.1.1. A partir des variations de la biomasse
3.1.1.2. A partir du bilan des sels nutritifs
3.1.1.3. A partir des variations de la teneur en oxygène
3.1.1.4. A partir des variations du gaz carbonique
3.1.2. Méthodes directes
3.1.2.1. Méthode de l'oxygène
3.1.2.2. Méthode à l'azote 15
3.1.12.3. Méthode au carbone 14
a) Principe
b) Mode opératoire
c) Interprétation des resultats
4. CONCLUSION SUR LES ESTIMATEURS DE BIOMASSE
CHAPITRE 2 : FACTEURS LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
1. FACTEURS PHYSIQUES LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
1.1. La temperature
1.2. La lumière
1.3. Turbulence de l'eau
2. FACTEURS CHIMIQUES.LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
2.1. Le phosphore
2.2. L'azote
2.3. La silice
2.4. Les éléments en état de trace
3. CONCLUSION SUR LES FACTEURS LIMITANTS
I N T R O D U C T I O N
Le phytoplancton est le premier maillon de la chaîne alimentaire dans
les milieux aquatiques, d'où l'intérêt que lui portent les océanographes et
limnologistes.
Organisme
unicellulaire et microscopique existant dans l'eau en très
faibles concentrations, le phytoplancton est difficile à estimer. De ce fait
plusieurs techniques de détermination ont été utilisées pour la quantifica-
tion et l'identification des espèces. Chacune de ces méthodes donne plus ou
moins satisfaction quant à cet objectif. De nombreux travaux y ont été con-
sacrés.
Parce
-que le phytoplancton est l'élément dominant de la production pri-
maire dans les cours d'eau et les océans,
la connaissance de son comporte-
ment dans ces milieux est importante. L'étude de son évolution a montré que
certains facteurs du milieu conditionnent son développement. L'identifica-
tion précise du ou de ces facteurs dont dépend la productivité a fait l'objet
de quelques travaux que nous essaierons de passer en revue.
Cependant, les publications concernant le phytoplancton sont trSs nom-
breuses et nous ne pouvons faire une revue exhaustive de l'ensemble des tra-
vaux, mais seulement d'une partie composée des plus récents dont nous dispo-
sons.
CHAPITRE 1 : ESTIMATEURS DU P~~YTOPLANCTON
L'hétérogénéité de sa répartition et ses faibles concentrations dans
les eaux naturelles font que le phytoplancton est difficile à estimer. Ce-
ci explique également l'existante des méthodes d'estimation directes ou
indirectes.
1.
E S T I M A T E C R
D I R E C T Dü
P H Y T O P L A N C T O N
L'unique méthode d'estimation directe du phytoplancton est la numéra-
tion qui consiste à un dénombrement des cellules phytoplanctoniques exis-
tantes dans l'eau analysée. Cependant pour les raisons données ci-dessus
(notamment la faible concentration), les échantillons doivent subir une
préconcentration.
1.1. CONCENTRATION DES ECHANTILLONS
Il existe trois différentes méthodes pour concentrer les échantillons
d'eau : la filtration, la centrifugation et la sédimentation.
1.1.1. La centrifugation
Pour la numération des cellules de phytoplancton, la centrifugation
a été jugée comme une méthode efficace pour concentrer
les échantil-
lons (WOOD, 1962). Cette efficacité a été testée et confirmée par les tra-
vaux de KIMBALL et WOOD (1964) par la comparaison des quantités de chlo-
rophylleobtenues avec différentes populations après filtration sur filtre
Whatman GF/C ou centrifugation en continu. La centrifugation permet de con-
server le matériel vivant, et peut ainsi être utilisée avantageusement asso-
ciée à la microscopie épifluorescente (WOOD,
1962). Pour une centrifugation
simple, JACQUES (1978), préconise l'utilisation d'un coagulant pour facili-
ter la précipitation et une vitesse de 1DQQ à 1500 tr/mn pendant 20 mn pour
un echantillon de 1Oml à 50 ml.
1.1.2. La filtration
C'est la méthode la plus utilisée en océanographie mais moins souvent pour
le comptage des cellules phytoplanctoniques (JACQUES, 1978).
La filtration s'effectue sous vide à une dépression qui ne doit pas
dépasser l/lOe d'atmosphère (AARONSON, 1978 ; SHARP, 1978 ; HOLM HANSEN et
,RIEMAN, 1978).
1.1.2.1. Choix des filtres
-----------------
Elément déterminant pour l'interprétation des résultats, le filtre uti-
lisé revêt une grande importance.
VOLLENWEIDER (1969) a proposé l'utilisation des filtres en fibre de
verre à la place des membranes, ce que de nombreux océanographes et limno-
logistes ont longtemps hésité à faire, du fait que les filtres ne peuvent
3
séparer des organismes de différentes tailles,avantage que donne les membra-
nes (FAUST et CORREL, 1976, VENRICK et al., 1977).
Par comparaison des tailles moyennes des particules retenues par les
filtres GF/C Whatman, HA Millipore, Reeve Ange1 984 H et les membranes nuclé-
pores, SHELDON (1972) canclue qu'en fait , seules les membranes nuclépores
sont réellement calibrées.
LONG et COOKE (1971) ainsi que HOLM-HANSEN et RIEMAN (1978) ont observé
que les filtres en fibre de verre retenaient autant ou même plus d’organismes
chlorophylliens que les membranes. Par contre MUNAWAR et al. (1982) trouvent
que les membranes cellulose 0,45 y
retiennent plus de chzrophylles que les
filtres en fibre de verre I LENZ et FRITZ (1980) affirment que si les filtres
er: fibre de verre sont actuellement préférés aux membranes, c'est parce
qu'ils donnent plus d'avantages en colmatant moins vite avec une filtration
plus rapide, donnant des résultats très reproductibles et constituant d'excel-
lents abrasifs pour un broyage des cellules.
Cependant, tous les filtres en fibre de verre n'ont pas la même effica-
cité et leur classement fait l'objet de nombreuses discussions.
Les filtres Reeve Ange1 984 H qui retiennent beaucoup de bactéries, sont
considérés comme efficaces à 100 % pour toutes les cellules phytoplanctoni-
ques (HOLM-HANSEN et RIEMAN, 1978).
Il semble aussi qu'ils soient plus efficaces que les filtres GE'/C What-
man (HOLM-HANSEN, 1978), ces derniers laissant passer une partie du phytoplanc-
t:on surtout dans les zones oligotrophes (MUNAWAR et al., 1982).
HERBLAND(comm.pers.)trouve les filtres GF/FrWhatman plus efficaces que les filtres
GF/i: zhatman quieux aussi retiennent plus de phytoplancton que les filtres Gelman Ne >i.,
1.1.2.2. Conservation des filtres
--_--------------------
STRICKLAND et PARSONS (1968) et BLASCO (1973) affirment que les filtres
doivent subir l'extraction sans délai, toute conservation aboutissant à des
pertes, même en cas de lyophilisation (LENZ et FRITSCHE, 1980). Des filtres
conservés à -20°C pendant deux à trois semaines avant extraction à l'acétone
90 % n'ont montré aucune perte (HOLM-HANSEN, 1969b).
Une bonne conservation (-de 20 % de perte) à -15°C sur gel de silice
pendant dix mois a été observée par DUFOUR (1972).
On ajoute parfois du MgCO
dans l'eau 2 filtrer ou sur le filtre pour
une meilleure conservation (HOT?M-HANSEN et RIEMAN, 1978).
1.1.3. La sédimentation
Le principe de La méthode repose sur la sédimentation de l'échantillon
préalablement fixé. Pour cela on utilise souvent le lugol qui à côté de son
rôle fixateur-conservateur favorise la sédimentation des algues (JACQUES,
1978).Les chambres tubulaires employés sont simples pour des volumes infé-
rieurs à 10 ml et composézsde plaques pour les volumes supérieurs. La gamme
d'échantillons observée est limitée (5 à 100 ml) sauf en cas d'adaptation
(JACQUES, 1978). Cependant, la méthode est très utilisée pour les communau-
t& naturelles (SIEBURTH, 1978). Elle permet une bonne reproductibilité,
une standardisation poussée et une préparation aisée des échant;llons. Elle
nécessite cependant l'utilisation d'un microscope inversé, les pertes étant
importantes en cas d'utilisation d'un microscope simple(JACQUES, 1978).
--
-,,-
---.l.,,“/-
.-
4
1.2. TECHNIQUE DE NUMBRATION
La numération est une méthode très utilisée pour le phytoplancton (WOOD,
1962 ; SOROKIN, 1977
; MAESTRINI et KOSSUT, 1981a). Elle peut se faire avec
différentes techniques : microscopie et comptage de particules ;qui sont les
courantes etholographie.
1.2.1. Microscopie
C'est une technique très employée qui outre le dénombrement des cellules
permet une détermination qualitative des populations phytoplanctoniques
@ROCK, 1976 ; SOROKIN, 1977). La détermination quantitative est basée sur
l'autofluorescence de la chlorophylle contenue dans les cellules phytoplanc-
toniques,celle-ciestrouge-brilkmt sous lumière bleu violet et verte quand elle
est colorée
à l'acridine orange chez les chloroplastes vivants (WOOD,
1962). Beaucoup d'espèces peuvent être déterminées par examen direct, mais
certaines autres nécessitent des préparations particulières (JACQUES, 1978).
Par exemple pour les diatomées, l'examen direct du matériel brut monté dans
l'eau suffit pour l'identification de nombreuses espèces, et un montage per-
manent avec la résine Pleurax pour les autres ; pour
les dinofla-
gellés sans thèque, l'identification nécessite l'observation de la ceinture
et des sillons grâce à des objectifs à faible (distance focale. Pour les for-
mes à plaques, le microscope électronique à balayage est le plus adapté et
l'examen nécessite parfois une coloration des plaques.
En microscopie, la quantité de cellules dénombrée q est fonction du
nombre recensé N, de l'aire explorée S et du facteur de concentration K qui
est le rapport du volume initial de l'échantillon sur le volume final.
Q = f(N,S,K)
1.2.2. L'holographie
C'est une technique qui consiste en un enregistrement tridimensionnel
du plancton sur des films. Les images sont obtenues à partir de l'intersec-
tion d'une lumière cohérente
(1 aser) et dwfaisceau laser diffracté(JACQUES,
1978). Cette méthode est réservée aux organismes dont la dimension dépasse
30y (BEER~ et al., 1970) mais devrait connaître un bon développement (JAC-
QUES, 1978).
Les données numériques obtenues avec cette méthode permettent après
les transformations les plus courantes de donner : la surface, le volume
total et le volume plasmique de la cellule.
Les rés-ultats sont exprimés en
unité de volume ou en unité de poids algal,
1,~3 de volume plasmique étant
égal à 1 picogramme de poids algal.
1.2.3. Comptage de particules
Il est basé sur la modification du champ électrique au passage d'une
particule par un orifice et permet une étude fine de la distribution en con-
tinu du seston. Cependant la présence de bulles d'air et les effets de::coinci-
dence ou le colmatage du trou constituent les limites de la méthode (JACQUES,
1978). Les méthodes de couplage :
mesure automatique des cellules - analyse
en fluorescence, ou analyse automatique d'images-microordinateurs qui permet-
tent de compter et de reconnaître les formes simples sont en exploitation.
En choisissant correctement le diamètre de l'ouverture et la gamme de
sensibilite, on peut obtenir par cette méthode des densités réelles SUT d&
cultures axéniques mais 1'opGration est plus délicate dans le cas des commu-
nautés naturelles (EL SAYED et LEE,
1963) pour lesquelles le nanoplancton
&.T, nl3n.3 mâmn a 15 tJS+w+inn RII microscoDe @EjJRL. 1977).
5
1.3. TRAITEMENTS ET INTERPRETATION DES DONNEES DE NUMERATION
Pour tirer des conclusions valables à partir des différences. entre échan-
tillons, il faut que les écarts entre le nombre de cellules recensées dé-
passent les erreurs statistiques de la méthode de dénombrement et la varia-
bilité de la distribution du phytoplancton.
Ces erreurs affectent l'exactitu-
de des résultats (GRALL, 1978), alors que les erreurs qui s'échelonnent tout
au long de la chaine des opérations, jouent sur la précision de ces résul-
tats. Par exemple, une erreur sur la distribution sur le fond de cuve à sé-
dimentation conduit à une surdispersion significative pour un seuil compris
entre 4000 et 7000 cellules pour 10 ml, alors que si l'erreur est due à
l'échantillonnage ou à un SO= échantillonnage répétés au même point, la sur-
dispersion apparaît plus vite avec un effectif critique moyen de 300 indivi-
dus/litre(GRALL, 1978).
Dans les communautés naturelles, il y a une importante source de varia-
tion due à la répartition spatiale des individus (DOTY et OGURI, 1958 ; CU-
SHING, 1962 ; PLATT et al' 1970).
2 .
E S T I M A T E U R S
I N D I R E C T S D U
P H Y T O P L A N C T O N
L'estimation indirecte du phytoplancton est une détermination basée sur
laquantification d'un composant de cette biomasse (chlorophylle, ATP, car-
bone, phosphore et azote particulaires).
2.1. LA CHLOROPHYLLE
Pigment spécifique du règne végétal, la chlorophylle constitue le fac-
teur estimatif du phytoplancton le plus connu et le plus utilisé. Cependant,
la transformation des résultats de chlorophylle en biomasse suscite de
nombreuses critiques (NEVEUX, 1978), le rapport carbone sur chlorophylle
étant très variable (CHAN, 1980) entre 30 et 150 (HERBLAND, comm. pers.). Le
choix de la chlorophylle est lié à la facilité de son dosage qui ne nécessi-
te pas de séparation d'aveclesautres éléments du matériel particulaire
(NEVEUX, 1978). Son rôle dans la photosynthèse constitue également 'un critè-
re essentiel (LORENZEN, 1981), de même que la masse de renseignements que
peut fournir sa détermination (NEVEUX, 1978, HERBLAND et al., 1985).
Certains auteurs utilisent les proportions relatives de la chlorophylle
"a" et de ses dérivés comme indice de broutage du zooplancton herbivore.
CURRIE (1962) et JEFFREY (1974) signalent la présence de dérivées chloro-
phylliens dans les pelotes fécales des Copépodes.
2.1.1. Dosage de la chlorophylle
2.1.1.1. Chlorophylle in vivo
------ - -----------
Le dosage de la chlorophylle par la fluorescence in vivo introduit par
LORENZEN (1966) , présente l'avantage d'être plus simple et beaucoup plus
rapide que le dosage classique de la chlorophylle après extraction. Cette mé-
thode permet ainsi de faire une couverture rapide (cartographie) d'une zone
donnée aussi bien en surface qu'en profil selon le choix (ARMSTRONG et al.,
6
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.2 4 .2 ‘4
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Unités de variosens
Unités de variosens
Figure 2.- Nombre d'espèces de phytoplancton dominantes comparé aux
profiles de Chi. a et de la fluorescence in vivo <ians les
stations 290 et 298 (JEFFREI' et HELLECRAEFF, 1980).
7
1967 ; FLEMER z 1969 ; BELLEY et al., 1975). CULLEN et EPPLEY (1981) l'ont
utilisée pour déterminer les mécazsmes possibles de la formation et la per-
sistance des maximas de chlorophylle dans la baie sud de :La Californie.
HERBLAND et VOITURIER (1977) ont montré que dans les régions tropicales,
la fluorescence in vivo peut être utilisée comme mesure de la chlorophylle
II ,t
a . Cependant, la fluorescence in vivo est d'une grande variabilite :
HERMAN et DENHAM (1977), estime la variation de 1 à 5 selon les populations
présentes et KARABASHEV et SOLOVYW (1977) ainsi que HEANEY (1978) ont cons-
taté qu'elle diminuait avec l'intensité lumineuse.
JEFFREY et HALLEGRAEF (1980) ont montré que malgré cette variabilite
liée aux espèces, la fluorescence in vivo donne une bonne approximation de
la chlorophylle "a" présente(fig. 1 et 2).
2.1.1.2. Chlorophylle extraite
------ - ------------
La mesure de la chlorophylle extraite est la méthode la plus Utilis&e
pour la détermination du phytoplancton. Elle nécessite au préalable, la con-
centration de l'échantillon par filtration (voir chapitre précédent sur numé-
ration), étape d'une grande importance pour l'interprétation et la précision
du résultat. La chlorophylle est ensuite extraite au moyen d'un solvant et
dosée par fluorimétrie ou spectrophotométrie.
a) Extraction
----------
L'extraction des pigments chlorophylliens peut se faire par divers sol-
vants. La plupart des océanographes, limnologistes et même écologistes ter-
restres (LINDER, 1974) utilisent l'acétone pour l'extraction des pigments.
le mélange le plus fréquent est l'acétone 90 % (qui contient 10 % d'eau).
Certains auteurs utilisent- des mélanges 85 ou 80 %. BAUDOIN et SCOPPA (1971)
utilisent l'acétone 85 % saturée de Mg C03. Afin d'améliorer l'efficacité
de l‘extraction par l'acétone, STAUFFER et al.
(1979) préconisent un mélange
-
-
acétone - DMS@(50/50).
Cependant, de nombreux auteurs attestent une faible efficacité de l'acé-
tone sur certains groupes phytoplanctoniques comme les chlorophyceae ou cyno-
phycae (STEEMAN-NrELsl~y1961 ; SCDR UNESCO, 1966 ; GOLTERMAN, 1969 ; FtiI, 1973 ;
RIEMAN, 1976 ; SAND JENSEN, 1976). DUFOUR (1972) ajoute que l'acétone augmen-
te la variabilité.
De ce fait beaucoup d'auteurs ont préconisé le méthanol utilisé par les
biochimistes et physiologistes des algues.
HOLM-HANSEN et RIEMAN (1978) ont
montré que le méthano:L extrait plus rapidement et mieux que l'acétone les
pigments du phytoplancton. De plus, ils ont montré qu'il n'y a aucun problè-
me inhérent à l'utilisation du méthanol pour la détermination des concentra-
tions de pigments que ce soit en spectrophotométrie
ou en fluorimétrie. Avec
une extraction au méthanol le broyage n'est pas nécessaire comme c'est le cas
avec l'acétone (HOM-HANSEN et RIEMAN, 1978). Beaucoup d'auteurs préconisent
l'utilisation du méthanol bouillant pendant 30 s (HEANEY, 1978; STAUFFER et
al., 1979 ; RIEMAN, 1980). Une utilisation à froid a été préconisée (HOLM-
-SEN et RIEMAN, 1978 ; MARKER et al., 1980 a et b). Cependant le compor-
tement des pigments dans le méthanolacidifié peut être.à l'origine de cer-
tains problèmes (MARmR et al., 1980 a ; NUSCH, 1980). Les vapeurs de métha-
no1 sont également toxiques (NUSCH, 1980).
*DMSO : dimethyl sulfoxide
1 0
e.3) Chromatographie sur papier
i----e-- -_ _------- - -_-
Cette technique a été utilisée pour étudier les pigments dans des eaux
riches comme les estuaires et les lacs (JENSEN et LIAAEN-JENSEN, 1959 ; JEF-
FREY, 1961 ; JENSEN et SACKSHAUG, 1973 ; HALLEGRAFF,. 1977), mais requiert
l'utilisation d'une importante quantité de pigments (plusieurs microgrammes
contre moins de 1 microgramme pour la chromatographie sur couche mince).
2.1.2. Résultats et interprétation
La plupart des méthodes d'analyse de la chlorophylle donnent le résultat
en quantité de chlorophylle "a" (STRICKLAND et PARSONS, 1972) qui est quan-
titativement la plus importante dans le phytoplancton, du fait qu'elle est
contenue dans presque toutes les espèces.
Dans l'upwelling de la baie de Gorée (Sénégal), TOURE (1983) a trouvé
des valeurs de chlorophylle variant entre 0,5 mg/m3 (au large) et 15 mg/m3
en surface au maximum de l'upwelling. OUDOT(comm. pers.) affirme qu'.on a
observé des valeurs de plus de 30 mg/m3 dans l'upwelling de Mauritanie. Dans
le Pacifique, CULLEN et EPPLEY (1981) ont trouvé des valeurs de chlorophylle
"a" entre 0,05,ug/l et 1,2yg/l. Dans le golfe de Guinée, UERBLAND et VOITU-
RIER (1977) ont trouvé des valeurs inférieures à 0,07 mg/m3.
La transformation des valeurs de chlorophylle e'n biomasse phytoplancto-
nique est difficile du fait de l'extrême variabilité des rapports carbone
sur chlorophylle"a!' CHAN (1980) estime ce rapport à 32,9 et 35,2 pour deux
espèces de diatomées
à 92,6 et 120,O pour deux autres de dinoflagelles.
CURL et SMALL (1965) ont estimé ce rapport entre 6 et 21 en lumière saturante
tandis que EPPLEY (1968) l'estime entre 10 et 230 pour des cultures de phyto-
plancton analysées en laboratoire. -
Toutes ces variations du rapport carbone sur chlorophylle "a" viennent
surtout du fait que la détermination-de la chlorophylle est influencée par
les nombreuses conditions environnementales dont la température, l'intensi-
té lumineuse et la déficience
en nutriments (MULLIN et al., 1966).
-
2.2. L'ATP
2.2.1. Mesure de 1'ATP
2.2.1.1. Extraction
---------
L'ATP est extraite par éclatement des cellules (FIALA, 1978). L'extrac-
tion doit se faire rapidement aussitôt après le prélèvement. Les échantillons
sont filtrés sur membranes sous vide. L'assèchement des filtres provoque
l'action de 1'ATP ase. On peut projeter un jet de gaz FREON pour bloquer la
dégradation de 1'ATP (LABORDE, 1972). Le filtre est ensuite plongé dans une
solution tampon légèrement basique et bouillante.
Plusieurs produits d'extrae-
tion peuvent être utilisés : alcool, eau distillée, acide perchlorique, aci-
de trichloracétique et butanol. L'extraction se fait en 5 mn et le surnageant
congelé (-20°C) peut être ainsi.gardé pendant plusieurs mois (STRICKLAND et
. PARSONS, 1972).
2.2.1.2. Dosage de 1'ATP
v -----v--w-
Des travaux effectués sur les organismes lumineux de la luciole ont mis
en évidence l'intervention de 1'ATP dans les réactions enzymatiques de l'émis-
sion lumineuse (Mc EL ROY, 1947). Le mécanisme de cette bioluminescence fut
démontré Dar la suite mx
Me E
L
ROY’ pt SSFIT.Tf%R Cl QC;11 T.n l~v~iFn~-in~ rTmhnl;-
1 1
sé par L(o) ou LH2 selon son état d'oxydorédnction réagit avec 1'ATP en pré-
sence d'ions Magnesium Mg++ et de l'enzyme luciférase pour donner l'adényl-
luciférine LH2AMP et du pyrophosphate.
Luciférase
ATP + LH2 ,p>
LH2 AMP = P-P
Mg++
En présence d'oxygène l'adenyl-luciférine est oxydée avec émission
d'un éclair lumineux :
LH2AMP + O2 Luc'f:rase> L(o)AMP + H20 + Photons
Cette émission lumineuse est proportionnelle à la quantité d'AT'P
entrant dans la réaction. Sa mesure permet d'évaluer la quantité d'b'TP con-
tenu dans un échantillon mis en présence d'extraits de lucioles.
L'émission lumineuse obtenue lors du dosage peut être mesurée p.ar dif-
férents appareils comportant un photomultiplicateur d'électrons et a,yant un
seuil de détection très bas. FIALA (1978), cite un certain nombre d',appa-
reils conçus pour ce dosage. LEMASSON et al., (1981) ont utilisé un *compteur
à
scintillation liquide (Intertechnique E 30) avec un étalonnage de I'ATP
sous forme de sel sodique.
Le dosage peut être perturbé par la présence d'ions monovalents ou par
la turbidité et il est alors nécessaire d'employer un étalon interne en
ajoutant une quantité connu d'ATP à l'extrait analysé, ce qui permet de dé-
celer toute action inhibitrice (FIALA, 1978).
2.2.2. Interprétation des résultats
L'ATP ou adénosine triphosphate est une substance présente dans tous
les organismes vivants et une source d'énergie destinée à entrer dans les
différentes réactions chimiques qui ont lieu dans la cellule.
L'ATP possède la particularité d'être présente exclusivement dans la
cellule vivante à un taux constant d'où elle disparait très rapidement à la
mort (50 % en 5 mn d'après FIALA, 1978). Ces caractéristiques font de 1'ATP
un indicateur de la biomasse vivante mais qui ne permet pas de distinguer le
phytoplancton des bactéries (PERRY et al., 1979).
Tous les résultats de biomasse devant être convertis en carbone., le
rapport Cp/ATP est très utilisé en mesure de biomasse (LEMASSON et al., 1981 ;
PAGES et al., 1981; PAGES et LEMASSON, 1981). Cependant, ce rapport-&t très
variable 7'il peut représenter la proportion de matière vivante dans des
eaux non carencées, mais est très sensible aux déficiences surtout à celles
en phosphore (LEMASSON et al.,
1981). Ce rapport donne des renseignements
sur l'état physiologique düphytoplancton (MAESTRINI et KOSSUT, 1981),
2.,3. LES MATIERES PARTICULAIRES
2.3.1. Le carbone particulaire
Le carbone est un composant de la biomasse tant animale que vég&tale.
Dans une étude sur le phytoplancton , il est indispensable de connaître
la part que celui-ci représente dans le seston par rapport à la biomasse des
hétérotrophes et aux particules détritiques. Le broutage du seston par le
macrozooplancton et le macrobenthos s'effectue uniformément sur les particu-
1 2
les inertes et vivantes (POULET, 1976) et leur valeur nutritive varie en fonc-
tion de leur état physiologique (CtIEVRIN,
1978). Le carbone particulaire con-~
tient aussi la partie détritique du seston qui peut représenter 10 à plus de
50 % du carbone particulaire total ( KORRINGA et POSTMA,
19s7 ;
RILEY, 1959 ; PARSONS et STRICKLAND,1959 ; BEERS et STEWART, 1969 ; SAUDEPS,
1972; LEMASSON et al., 1981). En outre, le carbone vivant représente globa-
lement la biomasse<utotrophe et hétérotrophe.
Le carbone particulaire peut donner de nombreux renseignements sur la
biomasse phytoplanctonique :
- avec son extrême variabilité, (BANSE, 1977
; BANNISTER et LAWS, 1980;
GOLDMAN, 1980 ; CHAN, 1980), le rapport carbone particulaire sur chlorophyl-
le "a" indique l'état physiologique du phytoplancton ; un rapport carbone sur
chlorophylle entre 25 et 75 est typique d'une population d'algues saine
qu'elle soit uniforme ou mélangée (H~BS~N, 1971).
STRd;THMAN,(1967) a donné diverses équations de conversion du carbone
phytoplanctonique à partir des volumes de cellule ou de plasma. Cependant,
pour certaines espèces comme les diatomées, qui ont une grande vacuole, il
est préférable de les traiter séparément des autres espèces de phytoplancton.
MULLIN et a1.(1966) suggèrent que même la chlorophylle "ari doit donner une
meilleure estimation du carbone organique si des facteurs appropriés sont
utilisés pour tenir compte de la lumière,
de la température et des nutriments.
ANTIA et al. (1963) ont constaté une baisse de plus de 50 % du carbone par
unité de volume cellulaire avec la baisse du nitrate dans l'eau. Ces baisses
ne peuvent être expliquées par le seul changement de la composition des espè-
ces pendant l'expérience.
L'estimation du carbone à partir du plasma donne de meilleurs résultats
avec les diatomées. Les différences entre espèces constituent une importante source
d'erreur quand on estime le carbone des cellules à. partir du volume (STRATHMAN,
1967).
2 .3.2. Le phosphore particulaire
11 est plus rarement utilisé comme indicateur de biomasse. Cependant,
il peut être intéressant de l'utiliser dans les eaux tropicales où il est
rapidement reminéralisé et où les concentrations en phosphore dans les dé-
tritus sont faibles OU nulles (HERBLAND et LEBOUTEILLER, 1981). Le phosphore
particulaire comporte les mêmes inconvénients que le carbone particulaire,
les biomasses autotrophe et hétérotrophe ne pouvant être séparées (LEMASSON
et al., 1981).
HERBLAND et LEBOUTEILLER (1981) ont montré que le rapport carbone par-
titulaire sur phosphore particulaire est très dépendant des conditions du
milieu. De même, LE&XASSON et a1.(1981), ont constaté que ce rapport pouvait
être de 300 atome sur atome
G cas de déficience
en nutriments.
2.3.3. L'azote particulaire
-----_-- -__---_----
L'azote est un composant du phytoplançton,
son dosage est pour cela inté-
ressant surtout associé à celui du carbone.C:omme les autres matières particulai-
res, l'azote ne peut être caractéristique du seul phytoplancton.SLAWYK et al(1978)
ont trouvé que les rapports Cp/Np élevés correspondent à des eaux froides et ri-
ches en nutriments. Par contre, LEMASSON et al.(l98l)trouvent que cet accroisse-
ment du rapport Cp/Np vers les extrémités dela lagune Ebrié pouvait indiquer un
déséquilibre nutritionnel du phytoplancton,
une sénescence des populations et
ou une partie détritique croissante vers les extrémités.
1 3
2.4. RELATION ENTRE LES DIFFERENTS ESTIMATEIJRS DE BIOMASSE
L'estimation d'une biomasse comprend la détermination quantitative mais
aussi qualitative (groupe taxonomique, état physiologique) des populations
présentes. Cependant, aucun des estimateurs indirects ne peut donner isolé-
ment une réponse satisfaisante à toutes ces questions. Pour celà, les rap-
ports entre estimateurs sont de plus en plus utilisés.
- Les rapports carbone particulaire sur ATP nous renseignent sur l'état
physiologique.
Quand ils sont faibles, le carbone particulaire détritique
e;t moins élevé et quand ils sont élevés,
cela correspotid à un changement dans
la composition du seston ou àune augmentation de la charge détritique, ou à
une forte carence du milieu en éléments nutritifs particulièrement en phospho-
re. - Les rapports chlorophylle Ilallsur ATP nous informent sur certaines carac-
téristiques du milieu ; quand ils sont forts on a une forte déficience en
sels nutritifs surtout en phosphore. Par contre, un rapport faible indique
que le.milieu est très riche en phosphore (LEMASSON et al., 1981).
- Les rapports carbone particulaire sur chlorophylle "a" augmentent en
cas de carence en azote et/ou en phosphore.
- L'ATP et le phosphore particulaire sont interdépendants. Les rapports
ATP sur phosphore particulaire sont d'environ 1,37 par lu?/1 d'ATP (LEMASSON
et al., 1981). En dessous de O,OSpg/l d'ATP il n'y a plus de phosphore
par&ulaire détritique.
- Dans les eaux pauvres ou moyennement riches en sels nutritifs, les
relations chloronhylle'Yet phosphore particulaire sont linéaires.
- Quand les rapports carbone particulaire sur azote particulairle augmen-
tat fortement,cela correspond à un apport de détritus de végétaux supérieurs
dont le rapport C/N dépasse 20 (LEMGSON et al, 1981). Quand ce rapport est
faible, on a une proportion importante de maxère vivante par rapport aux
détritus.
Les rapports C/N/P élevés indiquent une matière organique fortement dé-
gradée donc beaucoup plus réfractaire (LEMASSOL! et al., 1981).
-
3 .
P R O D U C T I O N
P R I M A I R E
La production primaire n'est pas un estimateur du phytoplancton mais
un indicateur du flux de biomasse. Sa présence dans ce chapitre, s'explique
par le fait qu'elle est souvent associée aux estimateurs dans l'étude du
phytoplancton.
3.1. MESURE DE LA PRODUCTION PRIMAIRE
Toutes les méthodes de mesure de la production primaire découlent du
processus photosynthétique de la biomasse phytoplanctonique (STEEMAE! NIELSEN,
19'75) l
3.1.1. Méthodes indirectes
3.1.1.1. A partir des variations de biomasse
-- -----------c-------w ------
Il est possible d'apprécier la production primaire par des mesures répé-
tées de la biomasse avec les techniques d'estimation que nous venons de passer
en revue, afin de suivre son évolution au cours du temnn- Ilan~nJpn+ *a--- --
1 4
cas, les erreurs, en dehors de celles liges aux méthodes d'estimation ont
des causes multiples, liées aux déplacements des masses d'eau, à la consom-
mation par le zooplancton et à la sédimentation du phytoplancton.
STEEMAN NIXLSEN (1975) signale que les variations de la chlorophylle ne
doivent pas être utilisées du fait de la grande variabilité du rapport chlo-
rophylle sur biomasse qui peut être d'un facteur de 5 à lO.De même, pour
l'ATP, la variabilité par rapport à la biomasse est à peu près la même que
pour la chlorophylle. Cependant, BANNISTER (1974)ainsique RYTHER et YENTSCH(19ii)
supportent une autre version, donnant des équations de production en fonction
des variations de chlorophylle et de la lumière qui peuvent être vala'bles
malgré certaines faiblesses.
3.1.1.2. A partir du bilan des sels nutritifs
- ---------------------------------
Du fait de leur faible concentration dans l'eau, les sels nutritifs
limitent la taille des cellules (STEEMAN NIELSEN, 1975). De ce fait, il
existe une relation entre la production du phytoplancton et l'assimilation
des sels nutritifs, d'où l'utilisation possible de ces derniers pour appré-
cier la production.
Cette méthode repose sur trois conditions indispensables (JACQUES,
1978) :
- connaître les taux d'échange de l'élément avec le milieu (recyclage
ou sédimentation);
- connaître le taux d'absorption des formes organiques du composé qui
doit être faible ;
- la faible importance du recyclage de cet élément.
COSTE et al. (1972) ont trouvé ces circonstances favorables en Méditer-
ranée nord-occzentale lors du mélange vertical d'hiver. En effet, l'apport
d'sléments minéraux dans la couche euphotique et la consommation de ces élé-
ments par le phytoplancton ont lieu successivement; la première phase (apport)
étant liée aux mouvements verticaux, la seconde à l'établissement d'une stra-
tification thermique. Ils ont travaillé pendant un mois avec les variations
des quantités de phosphates en déterminant la superficie et l'épaisseur
d'eau considérées. Le calcul de la production a été basée sur les rapports
atomiques habituels dans le plancton (P/N/C = 1/16/106).Comparant cette
valeur à celle au 14 C, ils ont constaté que 28 % de la phc*tosynthèse s'est
effectuée à partir d'éléments minéraux recycléset 72 % correspondent 5 la
production de base qui donne une idée juste de la fertilité. Ce type de cal-
cul s'applique bien en cas de mélange d'eau comme c'est le cas en upwelling.
3.1.1.3. A partir des variations de la teneur en oxygène
______--------------_____I______________--
---
La croissance du phytoplaneton par photosynthèse conduit à la production
d'un volume d'oxygène similaire à celui du gaz carbonique assimilé. Cependant,
le rapport gaz carbonique sur oxygène est variable selon la source d'éléments
nutritifs utilisée (par exemple pour l'azote,
il change selon qu'on utilise
le nitrate ou l'ammoniac) (HARVEY et CAPERON, 1976). Ainsi, la production pri-
maire s'accompagne de .celle d'oxygène qui augmente dans le milieu de façon pro-
portionnelle et à la disparition du gaz carbonique.
La production moyenne dans les océans est de 150 mg C/m2 et par jour dans
la zone euphotique, la production journalière moyenne est de 2 mgC par litre
et par jour correspondant à 6 ug d'oxygène.
Cela veut dire que I/l0000 de gaz
carbonique total est assimilé par jour correspondant à l/lOOO d'oxygène produit
(STBEMAN NIELSEN, 1975).
De ce fait, la mesure de la production primaire par l'intermédiaire de
l'oxygène est souvent utilisée, soit par incubation à la lumière et à l'obscu-
rité et moins souvent par la mesure de la production brute d'oxygène. PAGES
1 5
des résultats comparables pour les deux. En Méditerranée, RILEY (1956) et MI-
NAS (1970) ont utilisé conjointement les données d'oxygène et de sels nutri-
tifs pour dériver des bilans de production.
Par contre JACQUES (1978) affirme que sauf pour des cas simples comme
celui des Fjords, il est difficile d'utiliser les variations de la teneur
en oxygène pour établir des bilans de production.
3.1.1.4. A partir des variations du gaz
- -------------------II_
carbonique
-------- --
Pour les raisons données dans le paragraphe précédent, STEEMAN NIELSEN
(1975) affirme que du fait des faibles quantités de gaz carbonique assimilé,
il est impossible d'utiliser les variations de gaz carbonique dans l'eau
pour mesurer la production primaire sauf dans des cas extrêmes.
JACQUES (1978) soutient que la méthode ne peut donner des résultats que
dans les aires de haute production où le système tampon des carbonates ne
peut totalement rétablir l'équilibre.
3.1.2. Méthodes directes
Ce sont des techniques qui nécessitent des temps beaucoup plus courts
que les premières, de l'ordre de la journée solaire (JACQUES, 1978). Ceci
permet d'éliminer partiellement les problèmes liés aux mouvements des masses
d'eau, au broutage et à la sédimentation.
3.1.2.1. Méthode de l'oxygène
---s---e------ ---
L'eau prélevée à la bouteille est placée dans les flacons en verre mis
e'n incubation aux immersions mêmes du prélèvement ou à un éclairement simulé
de ces immersions. La différence de teneur en oxygène entre les flacons
clairs et les flacons obscurs, correspond à la. production brute. Cette mé-
thode est basée sur la respiration du phytoplancton et la photosynthèse.
JONES (1977) a utilisé cette méthode pour évaluer les parts de la production
et de la respiration dans la production d'oxygène par le phytoplancton. Ses
résultats ont montré que 85 % de l'oxygène produit correspond B la production
primaire. Cette méthode donne de bons résultats dans les zones de hautes
productions mais est substituéede plus en plus par la méthode au carbone 14.
3.1.2.2. Méthode à l'azote 15
-------------------
L'emploi de l'azote 15 comme traceur (DUGDALE et GOERING, 1967 ; LAWS,
1984) suppose une technique voisine de celle du carbone 14 mais nécessite des
dispositions supplémentaires dont un travail sur de grands volumes (5 à 10 l),
la disponibilité d'un
spectrographe de masse (isotope stable), la transfor-
mation de 1"azote organique en azote gazeux et le dosage indispensable de
l'azote particulaire.
Contrairement au C02, l'azote minéral est fréquemment limitant en mer.
Pour cela, il doit être mesuré avant la production afin de ne pas ajouter
avec l'isotope plus de 10 X de la teneur naturelle (JACQUES, 1978). En mer,
l'azote organique vient de l'oxydation progressive de l'azote gazeux en nitr-te
NO2 puis en nitrate N03. La fraction de la production primaire supportée
par les sels nutritifs recyclés au sein même de la couche euphotique, cons-
titue la production par recyclage, qui. n'est pas Un gain réel de
matière organique pour le réseau trophique.
Quand, il y a utilisation des réserves minérales par le phytoplancton
dans les eaux profondes, il y a une production nouvelle qui est un bon indi-
ce de fertilité des océans. La méthode a l'azote 15 permet de mesurer les
deux différents types de production. L'es résultats donnés par un spectrogra-
phe de masse sont exprimés en milligrammes d'azote assimilé par milligramme
16
d'azote particulaire. Cette méthode est souvent utilisée :pour déterminer
les taux d'assimilation ou de regénération des éléments nutritifs azotés
(SLAWYK, 1979 ; G'LIBERT et al., 1982 ; LAUS, 1984). Cependant, l'interpréta-
tion des résultats obtenus pose
parfois des problèmes liés le plus souvent
aux pertes d'azote 15 inhérentes au cycle de l'azote (GLIBERT et al., 1982 ;
-
LAVS, 1984).
3.1.2.3. Méthode au carbone 14
__-__----------------.
Cette méthode introduite par STEEMAN NIELSEN (1952) est actuellement
la plus utilisée en production primaire.
Ce succès est lié en partie aux
difficultés de détermination du carbone naturel du phytoplancton (STRICKLAND,
1960 ; EPPLEY, 1968, 1980 ; BANSE, 1977), mais aussi à La facilité de mise
en œuvre de la méthode (JACQUES, 1978).
a) Pi-incipe
------i-
La méthode repose sur le marquage du dioxyde de carbone atssimilé lors
de la production d'où le marquage des cellules produites. Le taux de marqua-
ge sur le carbone particulaire au bout d'un certain temps apprécié par comp-
tage de la radio activité correspond à la production primaire pendant cette
durée.
b) K-ode opératoire
------ -----_--
Le mode opératoire le plus proche de la technique standard consiste à
introduire une quantité de carbone 14 connue dans un échantillon d'eau qu'o.rL
incube à la lumière pendant un temps donné.
- Marquage : WELSCHMEYER et LORENZEN (1984) ont montré que quand le phy-
toplancton subit des dédoublements dans un milieu marqué au carbone 14, le
carbone cellulaire devient uniformément marque. L'activité spkifique augmen-
te avec les dédoublements (87,5 % de celle du carbone inorganique au bout de
trois dédoublements).
- Incubation : L'incubation se fait soi.t au soleil soit en lumière arti-
ficielle. La méthode de référence est l'incubation in situ qui est cependant
irréalisable dans la plupart des cas du fait de la fragilité du matériel
(bouteilles en verre), du confinement du phytoplancton, du maintien artifi-
ciel à une profondeur donnée et surtout du temps d'incubation qui est sou-
vent long (entre 12 et 24 h) (JACQUES, 1978).
L'incubation in situ simulé qui essaie de restituer 2 l'khantillon les
conditions thermiques et lumineuses d'origine par u'ne exposition au soleil
vendant une demi-journée solaire au maximum,est la .plus utilisée (PETERSON,
1980). L'incubation en lumière artificielle permet jde déterminer la capacité
de photosynthèse à lumière satuxante.Les productions ca'lrulées par cette mé-
thode sont similaires à celles obtenues par in situ réel
(JITTS et al.,
1976).
- Filtration et conservatioh des filtres : après lacubation, les échan-
tillons sont filtrés sur des filtres en fibre de verre. Pour minimiser les
risques dûs B la filtration, JACQUES (1978) recammande d'utiliser un vide
léger inférieur à 400 mm ou même à 150 mm de mercure, de rincer l"apparei1
à l'eau de mer filtr&,de peindre les appareils de filtration en noir et de
placer quelques pastilles de soude dans l'erlenmeyer à vide pour absorber le
CO2 dégagé. La filtration doit se faire dès la fin de l'incubation et si elle
doit impérieusement être différée, l'échantillon doit.être fixé. Pour cela,
1 7
LEHMUSLUOTO et NIEMI (1977) préconisent le formol (0,5 ml 2 40 %) ou le lugol
(2 à 5 gouttes) qui conduisent à une perte de radioactivité de seulement 10 %
si la filtration est faite dans les six heures alors que HgC12 conduit à des
pertes beaucoup plus grandes.ARTHUK et RIGLER (1967) ont montré que l'acti-
vité spécifique diminue quand le volume filtré augmente. L'éclatement des cel-
lules provoque également une diminution de l'activité spécifique (STEEMAN
NIELSEN, 1975).
- Comptage : pendant longtemps, le comptage de la radioactivité a été
faite au compteur GEIGER MULLER. Cependant du fait de la difficulté de son
étalonnage et de son faible rendement (30 X) (JACQUES, 1978) il est de plus
en nlus remplacé par les compteurs à scintillation liquidec
c) Internrétation des résultats
--------------~---------~~~~
L'interprétation des résultats obtenus par la méthode au carbone 14
soulève de nombreuses discussions (STEEMAN NIELSEN, 1960 ; ARTHUR et RIGLER,
1967 ; JACQUES,1978
; GIESKES et al., 1979 j PETERSON, 1980 ; k?SLSCHMEYER
-
et LORENZEN, 1984).
En effet, de nombreuses sources d'erreurs ont été mises en évidence
liées au pH,à la conservation des filtres, à la filtration, au comptage,
au séchage, etc...
D'autre part, de nombreux auteurs ont discuté la signification de la
mesure au 14C (STEEMAN NIELSEN, 1960, 1975 ; GIESKES et al., 1979 ; PETERSON,
1980).Certains auteurs trouvent que la méthode surestimeTa production pri-
maire et les autres soutiennent le contraire. De ce fait, la durée d'incu-
bation devrait être choisie selon le taux de croissance, la respiration et
l'excrétion -des cellules algales.
Cependant, cette durée est variable selon les auteurs (entre 2 et 48
h e u r e s ) .
4.CONCLLJSION
S U R
L E S
E S T 1 M A T E U R S
D E
B 1 OMAS SE
La plupart des travaux dans lesquels on estime !ia biomasse d'une popula-
tion naturelle, notamment de façon quantitative
se r6Ssument à l'évaluation de
la biomasse chlorophyllienne. Pour ce qui concerne la détermination qualitati-
ve, la numération est la méthode la plus frequente, surtout pour l'identifi-
cation des espèces.
Actuellement,
les océanographes utilisent de plus en plus l'association
de plusieurs estimateurs indirects pour la détermination complète des popula-
tions phytoplanctoniques ; les rapports et correlations entre estimateurs
fournissent beaucoup plus de renseignements que la numération.
Les travaux sur la détermination de la chlorophylle dans les eaux sont
très nombreux. Cependant peu de publications font part de la signification de
cette mesure qui ne correspond pas exactement à la quantité de biomasse mais
varie selon certaines conditions.
La chlorophylle "a" est le pigment le plus représentatif pour le phyto-
plancton ; cependant, les autres chlorophylles et les phaeopigments interfè-
rent souvent dans sa mesure introduisant des erreurs dans le résultat, C'est
la raison pour laquelle on essaie de les déSterminer pour avoir un résultat
de chlorophylle "a" précis, ce qui réduira en partie les variabilités du rap-
port carbone sur chlorophylle "a", caractéristique de la biomasse.
i
0-s
l
*
1 0
l-
0
20
30
T e m p é r a t u r e “C
<igure 3.- Variation dans 1~: taux de
croissance spéicifique (u) d'une
algue unicellulaire photoautotrophe avec la température
(EPPLEY, 197-2).
Detonu la confervacea
Chlore lla pyrenoiclosa
Skeletonema COS ta tum
Dunaliella tertiolecta
Di tylum Brightwellii
T e m p é r a t u r e “C
Figure 4.- Courbes des taux de croissance sur la température pour
cinq algues unicellulaires à différentes températures
optimales (EPPLEY, 1972).
CHAPITRE 2 : FACTEURS LIMITANT~ DU PHYTOPLANCTON
Les milieux aquatiques sont le siège de (divers phénomènes physiques, chi-
miques et biologiques d'où leur complexité.
Les organismes vivants dans cet
environnement suivent la loi biologique de la chaine alimentaire, dont le pre-
mier maillon ici est le phytoplancton. Constitué de cellules vivantes, le phy-
toplancton est sensible à son environnement notamment à certains facteurs phy-
siques et chimiques qui contrôlent sa croissance selon leur disponibilité.
1 .
F A C T E U R S
P H Y S IQUES
L I M I T A N T S D U
P H Y T 0 P L, A N C T 0 N
1.1. LA TEMPERATURE
L'idée que la température revêt peu d'importance pour la croissance du
phytoplancton était très répandue parmi les océanographes (HARRISON et PLATT,
1983 ; EPPLEY, 1972). Cependant, sans énoncer clairement l'importance de son
influence de nombreux auteurs ont signalé une certaine relation existant entre
la température et la production du phytoplancton (LORENZEN, 1967 ; PLATT et
al., 1970 ; TONT, 1981 ; FALKOWSKI, 1981).
-
EPPLEY (1972) en passant en revue beaucoup de travaux sur la relation
température-phytoplancton a montré que la température peut limiter la crois-
sance du phytoplancton (fig. 3 et 4).
FALKOWSKI (1981) note l'influence de la température sur le nombre d'assi-
milation (taux d'assimilation du carbone photosynthétique par poids de chlo-
rophylle " "
a ), phénomène qu'il attribue â son effet sur l'action enzymatique
de la fixation du carbone ou sur le temps d'adaptation aux variations lumi-
neuses.
Ses observations confirment les travaux d'EPPLEY (1972).
HARRISON et PLATT (1988) mettent en évidence un gradient latidunal de la
production primaire qui covarie partiellement avec la température dans l'arc-
tique. Ils concluents alors que la température est aussi importante que la
lumière ou les sels nutritifs dans la production primaire.
1.2. LA LUMIERE
L'influence de la lumière sur la production primaire est une notion admi-
se et connue des océanographes et limnologistes depuis bien longtemps. Mais,
elle n'en demeure pas moins une préoccupation actuelle du fait de la mécon-
naissance de la nature des relations qui existent entre elles (BARBER et al.,
1971 ; FALKOWSKI, 1981 ; LEWIS et SMITH, 1983 ; WELSCHMEYER et LORENZEN, x84),
Cependant il est connu que de la relation lumière-phytoplancton vient de
celle empirique, existant entre la photosynthèse et l'irradiation (STEEMAN-
NIELSEN et:I@LM HANSEN, 1959 ; RYTHER et J%NZEL, 1959 ) STEEMAN-NIELSEN et
PARK, 1964 g BEARDALLL et MORRIS, 1976 ; MARRA, 1978 ; FALKOWSKI, 1980 ; CHAN,
1980).
21
LEGE NO E
0 1 0 0 % d e p r o f o n d e u r l u m i è r e
A 6 0 % d e
II
Il
a 35% de
II
II
. 15% d e
Il
I
D 6 % d e p r o f o n d e u r l u m i è r e
4 0
6 0
8 0
100
P o u r c e n t a g e Ii,
Figure 5.- Courbe P vs 1 pour du phytoplancton pris à d.ifférenLes
profondeurs de lumière pendant le début de l.“hiver à
New York Bight (FALKOWSKI, 1981).
2 2
Par la mise en évidence de la relation de proportionalité entre les
variations diurnes de la lumière et la périodicité journalière du rapport
carbone sur chlorophylle ou du nombre d’assimila.tion,
FALKOWSKI ( 19 75 )
montré la limitation de la production du phytoplancton par l’intensité lumi-
neuse.Ses travaux dans le “New York Bight” (FALKOWSKI, 198 1) révèlent que le
nombre d’assimilation est maximal à 40 % de lumière (fig. 5a) et diminue ou
se stabilise au-delà, quelle que soit la profondeur à laquelle l’échantillon
a été prélevé. Ce résultat met en évidence deux propriétés importantes de la
relation lumière-assimilation du carbone dans une eau mélangée :
- le comportement d’un échantillon soumis à la lumière est indépendant
de son origine ;
- une très grande intensi.té lumineuse n’est pas bénéfique à la croissan-
ce du phytoplancton.
Cette dernière remarque a été appuyée par les travaux de LEWIS et SMITH
(1983) qui montrent que la relation lumière-photosynthèse n’est pas linéaire
et que la photosynthèse n’augmente plus au-delà d’une certaine irradiante.
Par contre dans les eaux stratifiées, les échantillons provenant des
zones de faible luminosité sont caractérisés par une faible assimilation du
carbone et une inhibition par les fortes intensités lumineuses tandis que les
échantillons de surface ont des caractéri.stiques opposées (fig. 5b).
La photoadaptabilité du phytoplancton est directement liée aux taux de
mélange des eaux (LEWIS et&., 1984), d’où. le comportement identique des
organismes phytoplanctoniques dans l’ensemble de la couche d’eau mélangée.
Malgré un bon comportement à des intensités lumineuses supérieures, ces orga-
ni,smes ont le même maximum d’assimilation du carbone que ceux des zones lmal
éclairées dans les eaux stratifiées lequel est plus faible (PLATT et JASSBY,
1976). La plupart des travaux sur le rôle de la lumière comme facteur limitant
de la croissance du phytoplancton mettent, en cause la forte illumination
(BANNISTER, 1974 ; PLATT et JASSBY, 1976 ; FALKOWSKI, 1981), la faible lumi-
no,sité n’étant presque jamais l’objet d’un tel phénomène.
Les travaux de SOURNIA (1981) mettent en évidence l’existence de certai-
nes espèces de phytoplancton qui se développent à l’ombre, ce qui explique
probablement qu’il n’y ait presque pas de limitation aux faibles luminosités.
Cependant, POST et al. (1984) signalent que la cinétique de photoadap-
tation du phytoplancton est fonction de l’espèce présente, donc la résistance
à de très fortes ou de très faibles luminosités dépendrait aussi de l’espèce.
La lumière peut agir également par voies indirectes pour limiter :Le phytoplanc-
ton. HIPKIN et al. (1983) ont constaté que dans certaines conditions, le ni-
trate devient limitant sous 1 ‘influence de la lumière.
1. .3. TURBULENCE DE L’EAU
Dans les lacs et les océans, les populations phytoplanctoniques sont
soumises à divers mouvements dûs aux déplacements verticaux ou horizontaux
de la colonne d’eau, induits par la turbulence du fluide.
Cette situation conditionne la structure hydrologique du milieu abou-
tissant à une stratification ou un mélange des couches d’eau.
Les mouvements de l’eau limitent la croissance du phytoplancton en agis-
sant sur la distribution de la lumière ou/et des nutriments (PERRY et al.,
1983 ; FALKOWSKI, 1983 ; VENRICK, 1984 ; L:EWIS et al., 19841 ; POST et z.,
-
1984 ; ABOTT et al., 1984).
Les travauxyur les relations entre la photoadaptabilité du phytoplanc-
ton et le mélange vertical (FALK~wsKI, 1983)) ont mis en évidence l’impor-
2 3
tance du rôle que joue ce phénomène dans la régulation de la production pri-
maire. Ce rôle se traduit surtout par l'effet produit par les mouvements ver-
ticaux sur la répartition de l‘intensité lumineuse le long de la couche d'eau
et le comportement du phytoplancton vis-à-vis de ces variations induites.
Cette théorie est confirmée par les travaux de LEWIS et al. (1984) qui
donnent un modèle définissant la relation photoadaptabilité drphytoplancton
et mélange vertical, laquelle traduit l'importance des mouvements verticaux.
Ce modèle définit le cœfficient de la diffusion verticale de la turbu-
lence
KV = 12
(1 - e-ksl)
à partir du taux de photoadaptabilité
de la profondeur de la couche homo-
gène 1 et du taux d'atténuation de l'irradiante s.
FALKOWSKI (1983) a également montré qu'à petite échelle, on peut com-
prendre le phénomène de turbulence à partir des caractéristiques physiologi-
ques du phytoplancton. Ainsi l'état physiologique agirait aussi sur la photo-
adaptabilité selon la relation définie par le modèle de LEWIS et al. (1984).
Il est à noter que cette conclusion met en évidence une insuffisace du mo-
dèle de LEWIS et a1.(1984) qui se focalise sur la seule distribution des pro-
priétés photoadaptatives et néglige les variations des paramètres qui condi-
tionnent la production primaire, comme lîétat physiologique des cellules.
La structure hydrologique, principalement le phénomène de mélange, dimi-
nue le taux d'adaptation du phytoplancton aux fortes intensités lumineuses
en le faisant passer de façon cyclique de l'ombre à la lumière (POST et al.
1984). Cette interprétation de la diminution de la photoadaptabilité du phy-
toplancton est en accord avec les- résultats de FALKOWSKI (1981) qui montrent
que les organismes de la couche mélangée ont des nombres d'assimilation infé-
rieurs à ceux des couches superficielles dans les eaux stratifiées. Outre la
limitation par la lumière, le phytoplancton desccu;3hes mélangées peut être
perturbé dans sa croissance par la déficience en nutriments (PERRY et al.,
1984)) ces derniers étant peu concentrés dans cette zone (VENRICK, 1984).
Les travaux de ABBOT et a1.(1984) ont montré que ces deux théories de la
limitation du phytoplancton par la structure hydrologique sont valables. Ils
en conclurent que le maximum profond de chloroptrylle est régulé par la lumière
et les flux de nitrate dépendants des mouvements de l'eau, lesquels mouve-
ments agissent sur leur disponibilité.
2.
F A C T E U R S
C H I M I Q U E S
L I M I T A N T S
D 17
PHYTOPi,LANCTON
Certains composés chimiques, naturels du milieu aquatique peuvent li-
miter les populations phytoplanctoniques par leur concentration.
Tous les auteurs qui se sont penchés sur l'étude des facteurs chimiques
des eaux naturelles, ont défini un certain nombre d'éléments qui sont déter-
minants pour le phytoplancton. THOMAS (1966) affirme que parmi les nutriments
des plantes, le phosphore, l'azote et probablement la silice, les métaux et
les vitamines à 1"état de trace sont les plus importants pour la production
du phytoplancton marin.
Dans les lacs arctiques de l'Alaska, les facteurs chimiques limitants du
phytoplancton ont été définis comme étant : la nitrate, le magnésium et dans
une moindre mesure le phosphate (GOLDMAN, 1960, 1972).
2 4
+N+P
-
Lac E
-
Lac C
+P
: a d d i t i o n d e p h o s p h o r e
-FN : a d d i t i o n d ’ a z o t e
+NtP
+N+P
: a d d i t i o n d ’ a z o t e e t d e
f-4
phosphore
+N
2 0
3 0 5 10
20
3 0
9
19
2 9
8
16
J U I N
i
J U I L L E T
l
A O U T
I SE PTEMHRE
. .
llct ~ a o û t <>t
b igurc 6. ~- C o n c e n t r a t i o n e n p h y t o p l a n c t o n pendan
septembre 1980 (Mc COY, 1983).
t:
. Oans un milieu n i t r a t e
:
n OanS un m i l i e u SSSS azOt@
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2
4
6
0
2
4
6
H e u r e s
F i g u r e 7.- DunuZielZa primoZecta (A:) et Chi,oreILa stigmatophora
B : e f f e t d u m a n q u e d ’ a z o t e s u r l ’ a c t i v i t é d e la
nitri.te réducatse.
2 5
KALFF (1971) a défini les mêmes facteurs limitants que GOLDMAN (1960,
1972) ainsi que certains éléments à 1 '(état de trace et les facteurs de
croissance comme la vitamine B12.
2.1. LE PHOSPHORE
THOMAS (1966) estime que le phosphore est étudié dans toutes les campa-
gnes océanographiques pour la facilité de dosage de sa forme inorganique mais
aussi pour servir comme index de la disponibilité des éléments nutritifs des
masses d'eau.
A certaines concentrations le phosphore limite la croissance du phyto-
.plancton : la diatomée AstzrioneZZa jq3onkc~ est limitée à 0,25 uatg/l de
phosphore (GOLDBERG et al., 1951) ; la dinoflagellée Gymnodium sirnpkc ne
croît plus à 0,05,uatg/lde phosphore (Mc COY, 1983).
Ainsi, on observe que la concentration limite de la production du phy-
toplancton varie selon l'espèce en présence,
chaque population ayant ses
besoins propres.
De ce fait, il serait utopique de vouloir généraliser la concentration
limite d'un facteur chimique (Mc ALLISTER et al., 1960). La limitation de la
production du phytoplancton par le nhosphore aeté démontrée dans de nombreux
lacs (Mc COY, 1983 ; CHOW-FRASER et DUTHIE, 1983 ; STOCKNER et SHORTREED,
1.98.5). Ces auteurs ont abordé le problème avec différentes méthodes :
- CHOW-FRASER et DUTHIE (1983) ont utilisé l'absorption du 32Phosphore
qui mieux que le phosphore ambiant a permis la mise en évidence de la période
de limitation. En effet, par l'absorption du 32Phosphore on arrive à démontrer
que la limitation par le phosphore s'effectue pendant la majeure pa-rtie de
l'été, alors qu'avec les analyses du phosphore total et du phosphore réactif
soluble, on n'arrive qu'à déterminer des périodes probables de limitation
vers la fin de l'été. Cette différence vient du fait que la détermination de
la demande en phosphore par l'assimilation du phosphore 32 augmente la sensi-
bilité alors qu'il est plutôt difficile d'interpréter les résultats obtenus
à partir des analyses du phosphore surtout quand il y a une grande concentra-
tion dans le milieu comme c'est le cas en mi-juillet.
- Mc COY(1983) ainsi que STOCKNER etZORTREED(1985) ont utilise les bio
essais d'abord sur cultures d'algues pures,
ensuite dans les lacs pour déter-
miner la limitation nar le phosphore. L'avantage de leur méthode est qu'elle
donne des résultats in situ. Leurs travaux ont démontré que le phosphore
conditionne la production primaire dans ces lacs : son addition permet d'aug-
menter la croissance du phytoplancton.
Ils ont également montré que l'accest
sibilité de l'azote détermine cette augmentation (fig. 6).
RILEY et PREPAS (1985) indiquent que le phosphore est généralement limi-
tant dans les lacs tempérés.
La limitation par le phosphore augmente le rapport azote sur phosphore
qui devient supérieur à 10/1 valeur maximale en eau naturelle (MYERS et IVER-
SON, 1981). Cette augmentation du rapport correspond à une inhibition de
l'assimilation du nitrate par le phosphate (TERRY, 1982).
STOCKNER et SHORTREED (1985) ont observé un rapport carbone sur azote
sur phosphore (C/N/P) de 152/20/1 dans les lacs, ce qui indique une grande
déficience en phosphore. BIENFANG et HARRISSON (1984) ont montré que la limi-
tation par le phosphore entraine une augmentation du taux de sédimentation
dans les eaux tempérées surtout pour les diatomées centriques ; dans les eaux
2 6
tropicales, l'augmentation du taux de sédimentation est moindre. Une telle
situation provoque une diminution de la population phytoplanctonique de la
masse d'eau. Ces résultats concordent avec ceux de PARSLOW et a1.(1984) qui
ont observé la cessation de la division cellulaire après 48 heures de manque
en phosphore dans le Nord-Est Pacifique. Dans les eaux oligotrophes, le
phosphate est rapidement recyclé (PARSLOW et al., 1984). Dans les eaux
mélangées des lacs, le phosphore total recycleaugmente la concentration en
phosphore dans le milieu et évite la limitation par ce dernier (RILEY et
PREPAS, 1985).
2.2. L'AZOTE
Dans les eaux naturelles, on retrouve l'azote sous quatre formes :
l'urée, le nitrite, le nitrate et l'ammoniac.
Le phytoplancton utilise outre l'azote gazeux [algues bleue-vertes), ces
quatre sources azotées selon leur disponibilité E!t la facilité de leur assi-
milation.
L'assimilation des nutriments azotés a fait l'objet de nombreux travaux
(PALE:~wSKI et STONE, 1975 ; SLAwyk: et al., 1978 ; 'TERRY, 1982. ; PARSLOW et
al., 1984 ; HARRISON et al., 1983 ; CAPSENTER et DUNHAM, 1985). Certains
d'entre eux ont montré que l'ammoniac est absorbe préf~~rentiellement par le
phytoplancton (HARRISON et al., 1983 ; CARPENTER et DUNHAM, 1985).
L'urée est une source azotée de remplacement ~qu'utilise le phytoplanceon
dans les eaux profondes, sombres où l'activité de la nitrate réductase est
réduite.
Le nitrite est présent dans l'eau en faible quantité (THOMAS, 1966). De
ce fait, il représente une source azotée mineure.
Des maximas de nitrites ont
été observés dans les couches subsurface. Ainsi, en dehors de l'ammoniac, Le
nitrate est la source azotée la plus utilisée par le phytoplancton. En outre,
c'est la source azotée la plus représentative
(78 :% de l’azote annuellement
disponible d'après CARPENTER et DUNHAM, 1985).
De ce fait, le nitrate joue
un rôle de premier ordre dans la production
primaire et peut même limiter la croissance du phytoplancton dans certaines
conditions. Cette limitation s'effectue par blocage de la production primaire.
L'assimilation du nitrate par le phytoplancton présente certaines difficultés :
il a été démontré qu'il existe une certaine compétition entre l'assimilation
du nitrate et la fixation du carbone particulaire pour l'utilisation de 1'ATP
comme source d'énergie (FALKOWSKI, 1975 ; SLAWYK et al., 1978).
TERRY (1982) a mis en évidence une interinhibitzn entre le nitrate et
le phosphate dans leur cinétique d'assimilation. De même, CARPENTER et DUNHAM
(1985) ont montré qu'il y a une inhibition de
l'assimilation du nitrate par
l'ammoniac.
Ainsi, outre sa disponibilité quantitative dans le milieu, le nitrate
peut devenir limitant du fait d'une inhibition de son assimilation.
La limitation par le nitrate est un phénomène courant (BERLAND et al.,
1980) que de nombreux auteurs ont essayé de démontrer. Certains ont utilzé
des tests biologiques qui consistent à évaluer la croissance des algues dans
des eaux enrichies en comparaison avec celle des mêmes algués dans leur mi-
lieu initial (MAESTRINI et KOSSUT, 1981 ; Mc COY, 1983 ; WURSTBAUGH et HORNE
1983.; STOCJKNER et SHORTREED, 1985). Cette méthode permet de déterminer la
limitation par l'élément en éliminant les autres dont les concentrations ne
peuvent être limitantes. D'autres utilisent des méthodes descriptives avec
des modèles mathématiques permettant de déterminer la limitation (HARRISON et
DAVIS, 1977 ; PARSLOW et a&, 1984). Ces méthodes descriptives utilisent les
2 7
variations temporelles des éléments et de la biomasse et les taux d'assimila-
tion pour determiner l'élément limitant.
BERIAND ets(1980) ont passé en revue de nombreux travaux qui ontdemontre que Le
nitrate est le premier élément limitant de la production primaire surtout en
mer et dans les eaux océaniques.
Mc COY (1983) ainsi que STOCKNER et SHORTREED (1985) ont démontré la li-
mitation du phytoplancton par le nitrate dans les lacs de l'Alaska et en Co-
lombie britanique (fig. 6 et 7).
WURTSBAUGH et HORNE (1983) ont montré la limitation des algues bleu-ve,r-
tes par le nitrate dont la présence empêche la fixation de l'azote atmosphé-
rique, ce qui bloque ainsi la principale source azotée poilr ces organismes.
MAESTRINI et KOSSUT (1981) ont démontré la limitation de la production
primaire par le nitrate en Méditerranée en utilisant des sacs à dyalise et les
bioessais. PARSLOW et al. (1984) ont diimontré la même chose avec la diatomée
Yhai'.assiasira pseudona%â provenant du Pacifique.
De même HARRISON et DAVIS (1977) ont observé le même phénomène à partir
des taux d'assimilation du nitrate par les organismes phytoplanctoniques. Les
travaux de BIENFANG et HARRISON (1984) ainsi que ceux de 1IYPKIN et al. (1983)
-
sur les effets de la limitation par les; nitrates respectivement sur les taux
de sédimentation du phytoplancton et sur l'activité de la nitrate reductase
confirment l'existence de ce phénomène.
2.3. LA SILICE
Le silicium n'est pas un composant de la matière vivante mais un consti-
tuant essentiel des squelettes de divers organismes marins dont une partie du
phytoplancton notament les diatom&es dont il forme les frustules (IVANOFF,
1972).La silice est contenue en faibles quantités dans les eaux océaniques nor-
males (SCHINK et GUINASSO, 1975) ; ceci, combiné à leur faible solubilité,
fait que cet élément est parfois limitatif de la croissance du phytoplancton.
Ce dernier critère semble la principale cause de déficience et le nombre de
travaux qui y ont été consacrés est édifiant quant à l'importance de son rôle.
La solubilité de la silice contenue dans les frustules des diatomées varie
selon l'espèce, l'âge de l'organisme
et la concentration des sels de sodium,
calcium et magnésium présents (KAMATANI, 1971).Mc CORMICK et TARAPCHAK (1984)
attribuent aux facteurs physiques de transport des masses d'eau le ,rôle prin-
cipal dans la variabilité de la régénération des nutriments notament de celle
des silicates.De meme SCHINK et GUXNASSO(1975)jugent la structure hydrologi-
que, comme responsable de la distributi'on des silicates le long des couches
d'eau.
Ainsi , pour plusieurs raisons, la concentration en silicium dissout peut
devenir trop faible en mer et ainsi bloquer la croissance du phytoplancton,
notamment celle des diatomées (KATAMANI et TAKANO, 1984). Le phénomene de li-
mitation de la croissance des diatomées par le silicium dissout a ét2 démontré
par de nombreux auteurs et à différents endroits : THOMAS et DODSON (1975)
l'ont prouvé dans le Nord-Est de l'océan Pacifique en utilisant la methode de
perturbation et la comparaison des vitesses d'assimilation du silicium dissout
dans les cultures de diatomées.
PARSLOW et g., (1984) ont également démontré ce phénomène au m$me endroit
après enrichissement des milieux de culture et comparaison des taux d'assimi-
lation en cas de manque et après enrichissement.
HARRISON et DAVIS (1977) ont utilisé la même méthode dans l'upwelling du
Nord-Ouest africain.
----
-l-l<“---_--“__*.>_..---l-”
.-
IV
1
E()TA*Fe + M.T. -traité au charbon
Fe + M.T. traité au charbon
S a n s a d d i t i o n
Sans addition t r a i t é a u Charb#on
O//H/- DeferriferrioXamineB- traité au charbon
1 2 3 4
5 Temps en jours
Figure 8.- Effet des niGtaux et clltlators dans la crrjissance du phyto-
plancton dans de l'eau de 15 m filtré sur i:harhon de bois
(BARBER et. al., 19ii),
-
- UV. sans addition
P
-
-
1
2
3
4
j o u r s
Figure 9.- L'effet du transport organique via la photoxidation UV
et l'enrichissement en EDTA, Fe et Mn sur la croissance
du phytoplancton (BARBER, 1973).
2 3
KAMATANI et TAKANO (1984) ont observé une limitation des diatomées par
les silicates dans la baie de TOKYO en étudiant le recyclage et la distribu-
tion de cet élément dans cette zone à différentes périodes de l'année. De
même, BAKKER et DEVRIES(1984) ont mis en évidence la limitation des diato-
mées par les silicates dans le lac Grevelingen en étudiant la disponibilité
de cet élément selon différentes structures hydrologiques.
Selon WERNER (1977), la limitation des diatomées par la silice s'expli-
que par la cessation de la division cellulaire, les frustules ne pouvant
être complétées.
Les travaux de BIENFANG et HARRISON (1984) font état d'une stabilisation
du nombre de cellules en cas de manque en silicates et appuient ainsi la théo-
rie de WERNER (1977). De plus,
ils ont constaté une forte augmentation du
taux de sédimentation des diatomées, ce qui contribue à aggraver l'effet
sur la croissance en diminuant encore la concentrationen diatomées de la cou-
che d'eau considérée.
2.4. LES ELEMENTS EN ETAT DE TRACE
Les milieux marins contiennent différents métaux à des concentrations
variant entre 1 mg par kilogramme et 10-10 mg par kilogramme d'eau (IVANOFF,
L972). Mais malgré leur faible concentration dans l'eau naturelle, ces me-
taux jouent un rôle important dans la production primaire et certains d'entre
eux arrivent même à limiter la croissance-du phytoplancton. En outre, les
eaux naturelles contiennent des complexants organiques qui semblent jouer
un rôle important dans la disponibilité et la toxicité de ces métaux (BARBER
et c., 1971 ; BARBER, 1973). BARBER et RYTHER (1969) ont mis en évidence
l'importance des complexants organiques en montrant qu'ils limitent la crois-
sance du phytoplancton dans les eaux nouvellement upwellées du Nord--Est de
l'océan Pacifique. En utilisant la technique des enrichissements, BARBER et
al., (1971) ont montré que les métaux sont responsables de la réduction de la
-Croissance du phytoplancton dans l'upwelling côtier du Pérou (fig. 8). Leurs
résultats ont montré également que l'addition du charbon 'de bois pour éliminer
les solutés organiques ne diminue pas la production, ce q;ri indique que les
complexants ne sont pas limitants dans ce cas.
Les travaux de BARBER (1973) ont éclairci certains points liés à la limi-
tation du phytoplancton par les complexants organiques. Ils ont montré que
si l'ajout de métaux sans complexant augmente la croissance, c'est parce que
le phytoplancton substitue les métaux présents par ceux a.joutés qui sont plus
disponibles du fait que les métaux nouvellement dissous sont plus disponibles
que ceux d'une vieille solution. Ceci explique l'augmentation de la croissance
du phytoplancton en cas d'addition de complexant EDTA* car ce dernier augmen-
te la disponibilité des métaux (fig. 9).
Dans le lac Clear de Californie, WLJRSTBAUGH et HORNE (1983) ont mis en
évidence le blocage de la fixation de l'azote atmosphérique par les algues
bleu-vertes dû à un manque de fer.Ils ont utilisé les bioessais et la méthode
par enrichissements pour montrer l'effet limitant du fer qui agit par aggra-
vation de l'effet de l'azote et diminue ainsi la croissance du phytoplancton.
Outre la limitation par absence de certains métaux, le phytoplancton peut
également être bloqué dans sa croissance par un effet toxique des mfitaux.
"EDTA :
P r o d u c t i o n p r i m a i r e
L
1
I
I
i
8
I
t--l-----l-l-l--‘
0
3 0
6 0
9 0
0
3 0
6 0
9 0
ps Zn/t
,p cl z n / 1
Figure lO.- Production primaire et concentration de chlorophylle "a" en
relation avec les concentrations de zinc ajoutees dans l'eau:
première expérience dose-reponscr (80-I) et deuxième (80-2).
D'après MARSHALL et a1.(1983).
-
31
RIDE et al., (1979) ont montré que les métaux lourds sont toxiques pour
le phytoplancton,
réduisant la production pour les organismes les plus tolé-
rants et tuant les plus sensibles. Ces résultats sont en accord avec ceux de
MARSHALL et al., (1983) qui ont montré que le zinc est très toxique pour le
phytoplanctoÏ?-et qu'une faible concentration en zinc réduit significativement
la production primaire (fig. 10).
C O N C L U S I O N
G E N E R A L E
Comme premier maillon de la chaîne alimentaire des milieux aquatiques,
le phytoplancton constitue la base de tout l'écosystème.
En production primaire, le phytoplancton est l'unique constituant. Au
niveau du zooplancton, son rôle d'aliment explique son importance, d.'où
également son intérêt pour les poissons.
De ce fait, apparaît l'importance du déve1oppemen.t phytoplanctonique
pour la compréhension de l'ensemble des mécanismes de production qui ont
lieu en mer.
La revue bibliographique sur les facteurs estimatifs de la biomasse
phytoplanctoni.que a permis de désigner la chl.orophylle comme meilleur esti-
mateur de cette biomasse :
- d'une part par la facilité et la rapidité de son dosage par rapport
aux autres estimateurs
- d'autre part, grâce au nombre de renseignements qu'elle peut fourni.r,
seule ou combinée avec d'autres estimateurs sur la quantité et l'état physio-
logique du phytoplancton.
De plus, comparée aux autres estimateurs, comme 1'ATP ou les matières
particulaires, la chlorophylle est plus specifique du phytoplancton, les
autres étant d.es composants de la plupart des organismes vivaats végétaux ou
animaux,
Cependant, les rapports entre
estimateurs sont très intéressants, d'où
l'utilisation des matières particulaires en dehors de la chlorophylle.
Organisme autotrophe, le phytoplancton utilise les éléme,nts naturels de
l'eau et la lumière pour synthétiser ce dont il a besoin. De ce fait, il
épuise les éléments nutritifs de l'eau par laquelle il est approvisionné en
partie par les phénomènes d'enrichissement et: pour le reste par la réminéra-
lisation des matières organiques.
En général, la limitation du phytoplancton résulte de l'action combinée
de deux ou plusieurs facteurs physico-chimiques qui l'obligent à trouver un
endroit optimum pour sa croissance (voir fig. 2).
Cependant, des phénomènes biologiques comme le broutage ou la sédimen-
tation peuvent également intervenir dans ce processus.
Ainsi, la connaissance des facteurs limi.tants d'une biomasse phytoplanc-
tonique devraient permettre de prévoir le gradient spat:io-temporel des popu-
lations présentes.
Le travail effectué dans ce mémoire nous permet donc d'avoir une meil-
leure approche pour le programme "mécanismes de production dans les eaux sé-
négalaises",
en nous orientant :
- d'une part sur les éléments physico-chimiques 1imitant.s de la produc-
tion primaire que nous devons étudier notamment les sels nutritifs majeurs
(nitrate, phosphate, silicate),
-d'autre part sur les méthodes à utiliser pour la détermination de cette
biomasse.
B I B L I O G R A P H I E
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ESTIMATION ET FACTEURS
LIMITANTS, REVUE ET ANALYSE
BIBLIOGRAPHIQUE
Par
Itaf DEME GNING
CENTRE DE RECHERCHES OCE~OG~HIQUES DE DAjQ+THIA:ROYE
BIOMASSE -PHYTOPLANCTONI.&JE : E S T I M A T I O N E T F A C T E U R S
L I M I T A N T S a
REVUE ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I taf DEME GNING
S O M M A I R E
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ESTIMATEURS DU PHYTOPLANCTON
1. ESTIMATEUR DIRECT DU PHYTOPLANCTON
1.1. Concentration des échantillons
1.1.1. La centrifugation
1.1.2. La filtration
1.1.2.1. Choix des filtres
1.1.2.2. Conservation des filtres
1.1.3. La sédimentation
1.2. Technique de numération
1.2.1. Microscopie
1.2.2. Holographie
1.2.3. Comptage de particules
1.3. Traitements et interprétation des données de numération
2. ESTIMATEURS INDIRECTS DU PHYTOPLANCTON
2.1. La chlorophylle
2.1.1. Dosage de la chlorophylle
2.1.1.1. Chlorophylle in vivo
2.1.1.2. Chlorophylle extraite
a) Extraction
b) Mesure par fluorimétrie
c) Mesure par spectrophotométrie
d) Acidification
e) Mesure de la chlorophylle par chromatographie
e.1) Chromatographie sur couche mince
e.2) Chromatographie en phase liquide
e.3) Chromatographie sur papier
2.1.2. Résultats et interprétation
2.2. 1'ATP
2.2.1. Mesure de 1'ATP
2.2.1.1. Extraction
2.2.1.2. Dosage de 1'ATP
2.2.2. Interprétation des résultats
2.3. Les matières particulaires
2.3.1. Le carbone particulaire
2.3.2. Le phosphore particulaire
2.3.3. L'azote particulaire
2.4. Relation entre les différents estimateurs de biomasse
3. PRODUCTION PRIMAIRE
3.1. Mesure de la production primaire
3.1.1. Méthodes indirectes
3.1.1.1. A partir des variations de la biomasse
3.1.1.2. A partir du bilan des sels nutritifs
3.1.1.3. A partir des variations de la teneur en oxygène
3.1.1.4. A partir des variations du gaz carbonique
3.1.2. Méthodes directes
3.1.2.1. Méthode de l'oxygène
3.1.2.2. Méthode à l'azote 15
3.1.12.3. Méthode au carbone 14
a) Principe
b) Mode opératoire
c) Interprétation des resultats
4. CONCLUSION SUR LES ESTIMATEURS DE BIOMASSE
CHAPITRE 2 : FACTEURS LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
1. FACTEURS PHYSIQUES LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
1.1. La temperature
1.2. La lumière
1.3. Turbulence de l'eau
2. FACTEURS CHIMIQUES.LIMITANTS DU PHYTOPLANCTON
2.1. Le phosphore
2.2. L'azote
2.3. La silice
2.4. Les éléments en état de trace
3. CONCLUSION SUR LES FACTEURS LIMITANTS
I N T R O D U C T I O N
Le phytoplancton est le premier maillon de la chaîne alimentaire dans
les milieux aquatiques, d'où l'intérêt que lui portent les océanographes et
limnologistes.
Organisme
unicellulaire et microscopique existant dans l'eau en très
faibles concentrations, le phytoplancton est difficile à estimer. De ce fait
plusieurs techniques de détermination ont été utilisées pour la quantifica-
tion et l'identification des espèces. Chacune de ces méthodes donne plus ou
moins satisfaction quant à cet objectif. De nombreux travaux y ont été con-
sacrés.
Parce
-que le phytoplancton est l'élément dominant de la production pri-
maire dans les cours d'eau et les océans,
la connaissance de son comporte-
ment dans ces milieux est importante. L'étude de son évolution a montré que
certains facteurs du milieu conditionnent son développement. L'identifica-
tion précise du ou de ces facteurs dont dépend la productivité a fait l'objet
de quelques travaux que nous essaierons de passer en revue.
Cependant, les publications concernant le phytoplancton sont trSs nom-
breuses et nous ne pouvons faire une revue exhaustive de l'ensemble des tra-
vaux, mais seulement d'une partie composée des plus récents dont nous dispo-
sons.
CHAPITRE 1 : ESTIMATEURS DU P~~YTOPLANCTON
L'hétérogénéité de sa répartition et ses faibles concentrations dans
les eaux naturelles font que le phytoplancton est difficile à estimer. Ce-
ci explique également l'existante des méthodes d'estimation directes ou
indirectes.
1.
E S T I M A T E C R
D I R E C T Dü
P H Y T O P L A N C T O N
L'unique méthode d'estimation directe du phytoplancton est la numéra-
tion qui consiste à un dénombrement des cellules phytoplanctoniques exis-
tantes dans l'eau analysée. Cependant pour les raisons données ci-dessus
(notamment la faible concentration), les échantillons doivent subir une
préconcentration.
1.1. CONCENTRATION DES ECHANTILLONS
Il existe trois différentes méthodes pour concentrer les échantillons
d'eau : la filtration, la centrifugation et la sédimentation.
1.1.1. La centrifugation
Pour la numération des cellules de phytoplancton, la centrifugation
a été jugée comme une méthode efficace pour concentrer
les échantil-
lons (WOOD, 1962). Cette efficacité a été testée et confirmée par les tra-
vaux de KIMBALL et WOOD (1964) par la comparaison des quantités de chlo-
rophylleobtenues avec différentes populations après filtration sur filtre
Whatman GF/C ou centrifugation en continu. La centrifugation permet de con-
server le matériel vivant, et peut ainsi être utilisée avantageusement asso-
ciée à la microscopie épifluorescente (WOOD,
1962). Pour une centrifugation
simple, JACQUES (1978), préconise l'utilisation d'un coagulant pour facili-
ter la précipitation et une vitesse de 1DQQ à 1500 tr/mn pendant 20 mn pour
un echantillon de 1Oml à 50 ml.
1.1.2. La filtration
C'est la méthode la plus utilisée en océanographie mais moins souvent pour
le comptage des cellules phytoplanctoniques (JACQUES, 1978).
La filtration s'effectue sous vide à une dépression qui ne doit pas
dépasser l/lOe d'atmosphère (AARONSON, 1978 ; SHARP, 1978 ; HOLM HANSEN et
,RIEMAN, 1978).
1.1.2.1. Choix des filtres
-----------------
Elément déterminant pour l'interprétation des résultats, le filtre uti-
lisé revêt une grande importance.
VOLLENWEIDER (1969) a proposé l'utilisation des filtres en fibre de
verre à la place des membranes, ce que de nombreux océanographes et limno-
logistes ont longtemps hésité à faire, du fait que les filtres ne peuvent
3
séparer des organismes de différentes tailles,avantage que donne les membra-
nes (FAUST et CORREL, 1976, VENRICK et al., 1977).
Par comparaison des tailles moyennes des particules retenues par les
filtres GF/C Whatman, HA Millipore, Reeve Ange1 984 H et les membranes nuclé-
pores, SHELDON (1972) canclue qu'en fait , seules les membranes nuclépores
sont réellement calibrées.
LONG et COOKE (1971) ainsi que HOLM-HANSEN et RIEMAN (1978) ont observé
que les filtres en fibre de verre retenaient autant ou même plus d’organismes
chlorophylliens que les membranes. Par contre MUNAWAR et al. (1982) trouvent
que les membranes cellulose 0,45 y
retiennent plus de chzrophylles que les
filtres en fibre de verre I LENZ et FRITZ (1980) affirment que si les filtres
er: fibre de verre sont actuellement préférés aux membranes, c'est parce
qu'ils donnent plus d'avantages en colmatant moins vite avec une filtration
plus rapide, donnant des résultats très reproductibles et constituant d'excel-
lents abrasifs pour un broyage des cellules.
Cependant, tous les filtres en fibre de verre n'ont pas la même effica-
cité et leur classement fait l'objet de nombreuses discussions.
Les filtres Reeve Ange1 984 H qui retiennent beaucoup de bactéries, sont
considérés comme efficaces à 100 % pour toutes les cellules phytoplanctoni-
ques (HOLM-HANSEN et RIEMAN, 1978).
Il semble aussi qu'ils soient plus efficaces que les filtres GE'/C What-
man (HOLM-HANSEN, 1978), ces derniers laissant passer une partie du phytoplanc-
t:on surtout dans les zones oligotrophes (MUNAWAR et al., 1982).
HERBLAND(comm.pers.)trouve les filtres GF/FrWhatman plus efficaces que les filtres
GF/i: zhatman quieux aussi retiennent plus de phytoplancton que les filtres Gelman Ne >i.,
1.1.2.2. Conservation des filtres
--_--------------------
STRICKLAND et PARSONS (1968) et BLASCO (1973) affirment que les filtres
doivent subir l'extraction sans délai, toute conservation aboutissant à des
pertes, même en cas de lyophilisation (LENZ et FRITSCHE, 1980). Des filtres
conservés à -20°C pendant deux à trois semaines avant extraction à l'acétone
90 % n'ont montré aucune perte (HOLM-HANSEN, 1969b).
Une bonne conservation (-de 20 % de perte) à -15°C sur gel de silice
pendant dix mois a été observée par DUFOUR (1972).
On ajoute parfois du MgCO
dans l'eau 2 filtrer ou sur le filtre pour
une meilleure conservation (HOT?M-HANSEN et RIEMAN, 1978).
1.1.3. La sédimentation
Le principe de La méthode repose sur la sédimentation de l'échantillon
préalablement fixé. Pour cela on utilise souvent le lugol qui à côté de son
rôle fixateur-conservateur favorise la sédimentation des algues (JACQUES,
1978).Les chambres tubulaires employés sont simples pour des volumes infé-
rieurs à 10 ml et composézsde plaques pour les volumes supérieurs. La gamme
d'échantillons observée est limitée (5 à 100 ml) sauf en cas d'adaptation
(JACQUES, 1978). Cependant, la méthode est très utilisée pour les communau-
t& naturelles (SIEBURTH, 1978). Elle permet une bonne reproductibilité,
une standardisation poussée et une préparation aisée des échant;llons. Elle
nécessite cependant l'utilisation d'un microscope inversé, les pertes étant
importantes en cas d'utilisation d'un microscope simple(JACQUES, 1978).
--
-,,-
---.l.,,“/-
.-
4
1.2. TECHNIQUE DE NUMBRATION
La numération est une méthode très utilisée pour le phytoplancton (WOOD,
1962 ; SOROKIN, 1977
; MAESTRINI et KOSSUT, 1981a). Elle peut se faire avec
différentes techniques : microscopie et comptage de particules ;qui sont les
courantes etholographie.
1.2.1. Microscopie
C'est une technique très employée qui outre le dénombrement des cellules
permet une détermination qualitative des populations phytoplanctoniques
@ROCK, 1976 ; SOROKIN, 1977). La détermination quantitative est basée sur
l'autofluorescence de la chlorophylle contenue dans les cellules phytoplanc-
toniques,celle-ciestrouge-brilkmt sous lumière bleu violet et verte quand elle
est colorée
à l'acridine orange chez les chloroplastes vivants (WOOD,
1962). Beaucoup d'espèces peuvent être déterminées par examen direct, mais
certaines autres nécessitent des préparations particulières (JACQUES, 1978).
Par exemple pour les diatomées, l'examen direct du matériel brut monté dans
l'eau suffit pour l'identification de nombreuses espèces, et un montage per-
manent avec la résine Pleurax pour les autres ; pour
les dinofla-
gellés sans thèque, l'identification nécessite l'observation de la ceinture
et des sillons grâce à des objectifs à faible (distance focale. Pour les for-
mes à plaques, le microscope électronique à balayage est le plus adapté et
l'examen nécessite parfois une coloration des plaques.
En microscopie, la quantité de cellules dénombrée q est fonction du
nombre recensé N, de l'aire explorée S et du facteur de concentration K qui
est le rapport du volume initial de l'échantillon sur le volume final.
Q = f(N,S,K)
1.2.2. L'holographie
C'est une technique qui consiste en un enregistrement tridimensionnel
du plancton sur des films. Les images sont obtenues à partir de l'intersec-
tion d'une lumière cohérente
(1 aser) et dwfaisceau laser diffracté(JACQUES,
1978). Cette méthode est réservée aux organismes dont la dimension dépasse
30y (BEER~ et al., 1970) mais devrait connaître un bon développement (JAC-
QUES, 1978).
Les données numériques obtenues avec cette méthode permettent après
les transformations les plus courantes de donner : la surface, le volume
total et le volume plasmique de la cellule.
Les rés-ultats sont exprimés en
unité de volume ou en unité de poids algal,
1,~3 de volume plasmique étant
égal à 1 picogramme de poids algal.
1.2.3. Comptage de particules
Il est basé sur la modification du champ électrique au passage d'une
particule par un orifice et permet une étude fine de la distribution en con-
tinu du seston. Cependant la présence de bulles d'air et les effets de::coinci-
dence ou le colmatage du trou constituent les limites de la méthode (JACQUES,
1978). Les méthodes de couplage :
mesure automatique des cellules - analyse
en fluorescence, ou analyse automatique d'images-microordinateurs qui permet-
tent de compter et de reconnaître les formes simples sont en exploitation.
En choisissant correctement le diamètre de l'ouverture et la gamme de
sensibilite, on peut obtenir par cette méthode des densités réelles SUT d&
cultures axéniques mais 1'opGration est plus délicate dans le cas des commu-
nautés naturelles (EL SAYED et LEE,
1963) pour lesquelles le nanoplancton
&.T, nl3n.3 mâmn a 15 tJS+w+inn RII microscoDe @EjJRL. 1977).
5
1.3. TRAITEMENTS ET INTERPRETATION DES DONNEES DE NUMERATION
Pour tirer des conclusions valables à partir des différences. entre échan-
tillons, il faut que les écarts entre le nombre de cellules recensées dé-
passent les erreurs statistiques de la méthode de dénombrement et la varia-
bilité de la distribution du phytoplancton.
Ces erreurs affectent l'exactitu-
de des résultats (GRALL, 1978), alors que les erreurs qui s'échelonnent tout
au long de la chaine des opérations, jouent sur la précision de ces résul-
tats. Par exemple, une erreur sur la distribution sur le fond de cuve à sé-
dimentation conduit à une surdispersion significative pour un seuil compris
entre 4000 et 7000 cellules pour 10 ml, alors que si l'erreur est due à
l'échantillonnage ou à un SO= échantillonnage répétés au même point, la sur-
dispersion apparaît plus vite avec un effectif critique moyen de 300 indivi-
dus/litre(GRALL, 1978).
Dans les communautés naturelles, il y a une importante source de varia-
tion due à la répartition spatiale des individus (DOTY et OGURI, 1958 ; CU-
SHING, 1962 ; PLATT et al' 1970).
2 .
E S T I M A T E U R S
I N D I R E C T S D U
P H Y T O P L A N C T O N
L'estimation indirecte du phytoplancton est une détermination basée sur
laquantification d'un composant de cette biomasse (chlorophylle, ATP, car-
bone, phosphore et azote particulaires).
2.1. LA CHLOROPHYLLE
Pigment spécifique du règne végétal, la chlorophylle constitue le fac-
teur estimatif du phytoplancton le plus connu et le plus utilisé. Cependant,
la transformation des résultats de chlorophylle en biomasse suscite de
nombreuses critiques (NEVEUX, 1978), le rapport carbone sur chlorophylle
étant très variable (CHAN, 1980) entre 30 et 150 (HERBLAND, comm. pers.). Le
choix de la chlorophylle est lié à la facilité de son dosage qui ne nécessi-
te pas de séparation d'aveclesautres éléments du matériel particulaire
(NEVEUX, 1978). Son rôle dans la photosynthèse constitue également 'un critè-
re essentiel (LORENZEN, 1981), de même que la masse de renseignements que
peut fournir sa détermination (NEVEUX, 1978, HERBLAND et al., 1985).
Certains auteurs utilisent les proportions relatives de la chlorophylle
"a" et de ses dérivés comme indice de broutage du zooplancton herbivore.
CURRIE (1962) et JEFFREY (1974) signalent la présence de dérivées chloro-
phylliens dans les pelotes fécales des Copépodes.
2.1.1. Dosage de la chlorophylle
2.1.1.1. Chlorophylle in vivo
------ - -----------
Le dosage de la chlorophylle par la fluorescence in vivo introduit par
LORENZEN (1966) , présente l'avantage d'être plus simple et beaucoup plus
rapide que le dosage classique de la chlorophylle après extraction. Cette mé-
thode permet ainsi de faire une couverture rapide (cartographie) d'une zone
donnée aussi bien en surface qu'en profil selon le choix (ARMSTRONG et al.,
6
Chea en
JJsp
.2 4 .2 ‘4
l 2 4
.2 04
.2.4.6
.2.4 .6 .a
.2*4
\\ '1'
20
;
40
60
2
80
L 100
; 120
z 149
0 160
c0 lE0
p: 280
2 4 6 8 2468 246:
24E8
2468
clli.tatrl
U n i t é s d e
va riosens
fraction(l5ym
t r a c é d e v r r i o s e n s
F i g u r e 1 .- 1’ rofil.es d e chloropllyllt “;ir4 (Ch1 a t o t a l e et Ch1 a d e l a
f r a c t i o n
15 uni) composfc ‘2 l a f l u o r e s c e n c e i n vive (va-
r i o s e u s ) 9 tout.es l e s stat IC:I~?~ d’écl~antillonnagc
de phy-
top1 ancton (d ’ après JEFl’Rl~Y c t f-li\\.I,I,~ÇRA!1~F~, 1980) .
A-
O -
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- tracé d e v r r i o s e n s
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+ - - . nbre d e c e l l u l e s
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2 4 6 1
24611112141618
Unités de variosens
Unités de variosens
Figure 2.- Nombre d'espèces de phytoplancton dominantes comparé aux
profiles de Chi. a et de la fluorescence in vivo <ians les
stations 290 et 298 (JEFFREI' et HELLECRAEFF, 1980).
7
1967 ; FLEMER z 1969 ; BELLEY et al., 1975). CULLEN et EPPLEY (1981) l'ont
utilisée pour déterminer les mécazsmes possibles de la formation et la per-
sistance des maximas de chlorophylle dans la baie sud de :La Californie.
HERBLAND et VOITURIER (1977) ont montré que dans les régions tropicales,
la fluorescence in vivo peut être utilisée comme mesure de la chlorophylle
II ,t
a . Cependant, la fluorescence in vivo est d'une grande variabilite :
HERMAN et DENHAM (1977), estime la variation de 1 à 5 selon les populations
présentes et KARABASHEV et SOLOVYW (1977) ainsi que HEANEY (1978) ont cons-
taté qu'elle diminuait avec l'intensité lumineuse.
JEFFREY et HALLEGRAEF (1980) ont montré que malgré cette variabilite
liée aux espèces, la fluorescence in vivo donne une bonne approximation de
la chlorophylle "a" présente(fig. 1 et 2).
2.1.1.2. Chlorophylle extraite
------ - ------------
La mesure de la chlorophylle extraite est la méthode la plus Utilis&e
pour la détermination du phytoplancton. Elle nécessite au préalable, la con-
centration de l'échantillon par filtration (voir chapitre précédent sur numé-
ration), étape d'une grande importance pour l'interprétation et la précision
du résultat. La chlorophylle est ensuite extraite au moyen d'un solvant et
dosée par fluorimétrie ou spectrophotométrie.
a) Extraction
----------
L'extraction des pigments chlorophylliens peut se faire par divers sol-
vants. La plupart des océanographes, limnologistes et même écologistes ter-
restres (LINDER, 1974) utilisent l'acétone pour l'extraction des pigments.
le mélange le plus fréquent est l'acétone 90 % (qui contient 10 % d'eau).
Certains auteurs utilisent- des mélanges 85 ou 80 %. BAUDOIN et SCOPPA (1971)
utilisent l'acétone 85 % saturée de Mg C03. Afin d'améliorer l'efficacité
de l‘extraction par l'acétone, STAUFFER et al.
(1979) préconisent un mélange
-
-
acétone - DMS@(50/50).
Cependant, de nombreux auteurs attestent une faible efficacité de l'acé-
tone sur certains groupes phytoplanctoniques comme les chlorophyceae ou cyno-
phycae (STEEMAN-NrELsl~y1961 ; SCDR UNESCO, 1966 ; GOLTERMAN, 1969 ; FtiI, 1973 ;
RIEMAN, 1976 ; SAND JENSEN, 1976). DUFOUR (1972) ajoute que l'acétone augmen-
te la variabilité.
De ce fait beaucoup d'auteurs ont préconisé le méthanol utilisé par les
biochimistes et physiologistes des algues.
HOLM-HANSEN et RIEMAN (1978) ont
montré que le méthano:L extrait plus rapidement et mieux que l'acétone les
pigments du phytoplancton. De plus, ils ont montré qu'il n'y a aucun problè-
me inhérent à l'utilisation du méthanol pour la détermination des concentra-
tions de pigments que ce soit en spectrophotométrie
ou en fluorimétrie. Avec
une extraction au méthanol le broyage n'est pas nécessaire comme c'est le cas
avec l'acétone (HOM-HANSEN et RIEMAN, 1978). Beaucoup d'auteurs préconisent
l'utilisation du méthanol bouillant pendant 30 s (HEANEY, 1978; STAUFFER et
al., 1979 ; RIEMAN, 1980). Une utilisation à froid a été préconisée (HOLM-
-SEN et RIEMAN, 1978 ; MARKER et al., 1980 a et b). Cependant le compor-
tement des pigments dans le méthanolacidifié peut être.à l'origine de cer-
tains problèmes (MARmR et al., 1980 a ; NUSCH, 1980). Les vapeurs de métha-
no1 sont également toxiques (NUSCH, 1980).
*DMSO : dimethyl sulfoxide
1 0
e.3) Chromatographie sur papier
i----e-- -_ _------- - -_-
Cette technique a été utilisée pour étudier les pigments dans des eaux
riches comme les estuaires et les lacs (JENSEN et LIAAEN-JENSEN, 1959 ; JEF-
FREY, 1961 ; JENSEN et SACKSHAUG, 1973 ; HALLEGRAFF,. 1977), mais requiert
l'utilisation d'une importante quantité de pigments (plusieurs microgrammes
contre moins de 1 microgramme pour la chromatographie sur couche mince).
2.1.2. Résultats et interprétation
La plupart des méthodes d'analyse de la chlorophylle donnent le résultat
en quantité de chlorophylle "a" (STRICKLAND et PARSONS, 1972) qui est quan-
titativement la plus importante dans le phytoplancton, du fait qu'elle est
contenue dans presque toutes les espèces.
Dans l'upwelling de la baie de Gorée (Sénégal), TOURE (1983) a trouvé
des valeurs de chlorophylle variant entre 0,5 mg/m3 (au large) et 15 mg/m3
en surface au maximum de l'upwelling. OUDOT(comm. pers.) affirme qu'.on a
observé des valeurs de plus de 30 mg/m3 dans l'upwelling de Mauritanie. Dans
le Pacifique, CULLEN et EPPLEY (1981) ont trouvé des valeurs de chlorophylle
"a" entre 0,05,ug/l et 1,2yg/l. Dans le golfe de Guinée, UERBLAND et VOITU-
RIER (1977) ont trouvé des valeurs inférieures à 0,07 mg/m3.
La transformation des valeurs de chlorophylle e'n biomasse phytoplancto-
nique est difficile du fait de l'extrême variabilité des rapports carbone
sur chlorophylle"a!' CHAN (1980) estime ce rapport à 32,9 et 35,2 pour deux
espèces de diatomées
à 92,6 et 120,O pour deux autres de dinoflagelles.
CURL et SMALL (1965) ont estimé ce rapport entre 6 et 21 en lumière saturante
tandis que EPPLEY (1968) l'estime entre 10 et 230 pour des cultures de phyto-
plancton analysées en laboratoire. -
Toutes ces variations du rapport carbone sur chlorophylle "a" viennent
surtout du fait que la détermination-de la chlorophylle est influencée par
les nombreuses conditions environnementales dont la température, l'intensi-
té lumineuse et la déficience
en nutriments (MULLIN et al., 1966).
-
2.2. L'ATP
2.2.1. Mesure de 1'ATP
2.2.1.1. Extraction
---------
L'ATP est extraite par éclatement des cellules (FIALA, 1978). L'extrac-
tion doit se faire rapidement aussitôt après le prélèvement. Les échantillons
sont filtrés sur membranes sous vide. L'assèchement des filtres provoque
l'action de 1'ATP ase. On peut projeter un jet de gaz FREON pour bloquer la
dégradation de 1'ATP (LABORDE, 1972). Le filtre est ensuite plongé dans une
solution tampon légèrement basique et bouillante.
Plusieurs produits d'extrae-
tion peuvent être utilisés : alcool, eau distillée, acide perchlorique, aci-
de trichloracétique et butanol. L'extraction se fait en 5 mn et le surnageant
congelé (-20°C) peut être ainsi.gardé pendant plusieurs mois (STRICKLAND et
. PARSONS, 1972).
2.2.1.2. Dosage de 1'ATP
v -----v--w-
Des travaux effectués sur les organismes lumineux de la luciole ont mis
en évidence l'intervention de 1'ATP dans les réactions enzymatiques de l'émis-
sion lumineuse (Mc EL ROY, 1947). Le mécanisme de cette bioluminescence fut
démontré Dar la suite mx
Me E
L
ROY’ pt SSFIT.Tf%R Cl QC;11 T.n l~v~iFn~-in~ rTmhnl;-
1 1
sé par L(o) ou LH2 selon son état d'oxydorédnction réagit avec 1'ATP en pré-
sence d'ions Magnesium Mg++ et de l'enzyme luciférase pour donner l'adényl-
luciférine LH2AMP et du pyrophosphate.
Luciférase
ATP + LH2 ,p>
LH2 AMP = P-P
Mg++
En présence d'oxygène l'adenyl-luciférine est oxydée avec émission
d'un éclair lumineux :
LH2AMP + O2 Luc'f:rase> L(o)AMP + H20 + Photons
Cette émission lumineuse est proportionnelle à la quantité d'AT'P
entrant dans la réaction. Sa mesure permet d'évaluer la quantité d'b'TP con-
tenu dans un échantillon mis en présence d'extraits de lucioles.
L'émission lumineuse obtenue lors du dosage peut être mesurée p.ar dif-
férents appareils comportant un photomultiplicateur d'électrons et a,yant un
seuil de détection très bas. FIALA (1978), cite un certain nombre d',appa-
reils conçus pour ce dosage. LEMASSON et al., (1981) ont utilisé un *compteur
à
scintillation liquide (Intertechnique E 30) avec un étalonnage de I'ATP
sous forme de sel sodique.
Le dosage peut être perturbé par la présence d'ions monovalents ou par
la turbidité et il est alors nécessaire d'employer un étalon interne en
ajoutant une quantité connu d'ATP à l'extrait analysé, ce qui permet de dé-
celer toute action inhibitrice (FIALA, 1978).
2.2.2. Interprétation des résultats
L'ATP ou adénosine triphosphate est une substance présente dans tous
les organismes vivants et une source d'énergie destinée à entrer dans les
différentes réactions chimiques qui ont lieu dans la cellule.
L'ATP possède la particularité d'être présente exclusivement dans la
cellule vivante à un taux constant d'où elle disparait très rapidement à la
mort (50 % en 5 mn d'après FIALA, 1978). Ces caractéristiques font de 1'ATP
un indicateur de la biomasse vivante mais qui ne permet pas de distinguer le
phytoplancton des bactéries (PERRY et al., 1979).
Tous les résultats de biomasse devant être convertis en carbone., le
rapport Cp/ATP est très utilisé en mesure de biomasse (LEMASSON et al., 1981 ;
PAGES et al., 1981; PAGES et LEMASSON, 1981). Cependant, ce rapport-&t très
variable 7'il peut représenter la proportion de matière vivante dans des
eaux non carencées, mais est très sensible aux déficiences surtout à celles
en phosphore (LEMASSON et al.,
1981). Ce rapport donne des renseignements
sur l'état physiologique düphytoplancton (MAESTRINI et KOSSUT, 1981),
2.,3. LES MATIERES PARTICULAIRES
2.3.1. Le carbone particulaire
Le carbone est un composant de la biomasse tant animale que vég&tale.
Dans une étude sur le phytoplancton , il est indispensable de connaître
la part que celui-ci représente dans le seston par rapport à la biomasse des
hétérotrophes et aux particules détritiques. Le broutage du seston par le
macrozooplancton et le macrobenthos s'effectue uniformément sur les particu-
1 2
les inertes et vivantes (POULET, 1976) et leur valeur nutritive varie en fonc-
tion de leur état physiologique (CtIEVRIN,
1978). Le carbone particulaire con-~
tient aussi la partie détritique du seston qui peut représenter 10 à plus de
50 % du carbone particulaire total ( KORRINGA et POSTMA,
19s7 ;
RILEY, 1959 ; PARSONS et STRICKLAND,1959 ; BEERS et STEWART, 1969 ; SAUDEPS,
1972; LEMASSON et al., 1981). En outre, le carbone vivant représente globa-
lement la biomasse<utotrophe et hétérotrophe.
Le carbone particulaire peut donner de nombreux renseignements sur la
biomasse phytoplanctonique :
- avec son extrême variabilité, (BANSE, 1977
; BANNISTER et LAWS, 1980;
GOLDMAN, 1980 ; CHAN, 1980), le rapport carbone particulaire sur chlorophyl-
le "a" indique l'état physiologique du phytoplancton ; un rapport carbone sur
chlorophylle entre 25 et 75 est typique d'une population d'algues saine
qu'elle soit uniforme ou mélangée (H~BS~N, 1971).
STRd;THMAN,(1967) a donné diverses équations de conversion du carbone
phytoplanctonique à partir des volumes de cellule ou de plasma. Cependant,
pour certaines espèces comme les diatomées, qui ont une grande vacuole, il
est préférable de les traiter séparément des autres espèces de phytoplancton.
MULLIN et a1.(1966) suggèrent que même la chlorophylle "ari doit donner une
meilleure estimation du carbone organique si des facteurs appropriés sont
utilisés pour tenir compte de la lumière,
de la température et des nutriments.
ANTIA et al. (1963) ont constaté une baisse de plus de 50 % du carbone par
unité de volume cellulaire avec la baisse du nitrate dans l'eau. Ces baisses
ne peuvent être expliquées par le seul changement de la composition des espè-
ces pendant l'expérience.
L'estimation du carbone à partir du plasma donne de meilleurs résultats
avec les diatomées. Les différences entre espèces constituent une importante source
d'erreur quand on estime le carbone des cellules à. partir du volume (STRATHMAN,
1967).
2 .3.2. Le phosphore particulaire
11 est plus rarement utilisé comme indicateur de biomasse. Cependant,
il peut être intéressant de l'utiliser dans les eaux tropicales où il est
rapidement reminéralisé et où les concentrations en phosphore dans les dé-
tritus sont faibles OU nulles (HERBLAND et LEBOUTEILLER, 1981). Le phosphore
particulaire comporte les mêmes inconvénients que le carbone particulaire,
les biomasses autotrophe et hétérotrophe ne pouvant être séparées (LEMASSON
et al., 1981).
HERBLAND et LEBOUTEILLER (1981) ont montré que le rapport carbone par-
titulaire sur phosphore particulaire est très dépendant des conditions du
milieu. De même, LE&XASSON et a1.(1981), ont constaté que ce rapport pouvait
être de 300 atome sur atome
G cas de déficience
en nutriments.
2.3.3. L'azote particulaire
-----_-- -__---_----
L'azote est un composant du phytoplançton,
son dosage est pour cela inté-
ressant surtout associé à celui du carbone.C:omme les autres matières particulai-
res, l'azote ne peut être caractéristique du seul phytoplancton.SLAWYK et al(1978)
ont trouvé que les rapports Cp/Np élevés correspondent à des eaux froides et ri-
ches en nutriments. Par contre, LEMASSON et al.(l98l)trouvent que cet accroisse-
ment du rapport Cp/Np vers les extrémités dela lagune Ebrié pouvait indiquer un
déséquilibre nutritionnel du phytoplancton,
une sénescence des populations et
ou une partie détritique croissante vers les extrémités.
1 3
2.4. RELATION ENTRE LES DIFFERENTS ESTIMATEIJRS DE BIOMASSE
L'estimation d'une biomasse comprend la détermination quantitative mais
aussi qualitative (groupe taxonomique, état physiologique) des populations
présentes. Cependant, aucun des estimateurs indirects ne peut donner isolé-
ment une réponse satisfaisante à toutes ces questions. Pour celà, les rap-
ports entre estimateurs sont de plus en plus utilisés.
- Les rapports carbone particulaire sur ATP nous renseignent sur l'état
physiologique.
Quand ils sont faibles, le carbone particulaire détritique
e;t moins élevé et quand ils sont élevés,
cela correspotid à un changement dans
la composition du seston ou àune augmentation de la charge détritique, ou à
une forte carence du milieu en éléments nutritifs particulièrement en phospho-
re. - Les rapports chlorophylle Ilallsur ATP nous informent sur certaines carac-
téristiques du milieu ; quand ils sont forts on a une forte déficience en
sels nutritifs surtout en phosphore. Par contre, un rapport faible indique
que le.milieu est très riche en phosphore (LEMASSON et al., 1981).
- Les rapports carbone particulaire sur chlorophylle "a" augmentent en
cas de carence en azote et/ou en phosphore.
- L'ATP et le phosphore particulaire sont interdépendants. Les rapports
ATP sur phosphore particulaire sont d'environ 1,37 par lu?/1 d'ATP (LEMASSON
et al., 1981). En dessous de O,OSpg/l d'ATP il n'y a plus de phosphore
par&ulaire détritique.
- Dans les eaux pauvres ou moyennement riches en sels nutritifs, les
relations chloronhylle'Yet phosphore particulaire sont linéaires.
- Quand les rapports carbone particulaire sur azote particulairle augmen-
tat fortement,cela correspond à un apport de détritus de végétaux supérieurs
dont le rapport C/N dépasse 20 (LEMGSON et al, 1981). Quand ce rapport est
faible, on a une proportion importante de maxère vivante par rapport aux
détritus.
Les rapports C/N/P élevés indiquent une matière organique fortement dé-
gradée donc beaucoup plus réfractaire (LEMASSOL! et al., 1981).
-
3 .
P R O D U C T I O N
P R I M A I R E
La production primaire n'est pas un estimateur du phytoplancton mais
un indicateur du flux de biomasse. Sa présence dans ce chapitre, s'explique
par le fait qu'elle est souvent associée aux estimateurs dans l'étude du
phytoplancton.
3.1. MESURE DE LA PRODUCTION PRIMAIRE
Toutes les méthodes de mesure de la production primaire découlent du
processus photosynthétique de la biomasse phytoplanctonique (STEEMAE! NIELSEN,
19'75) l
3.1.1. Méthodes indirectes
3.1.1.1. A partir des variations de biomasse
-- -----------c-------w ------
Il est possible d'apprécier la production primaire par des mesures répé-
tées de la biomasse avec les techniques d'estimation que nous venons de passer
en revue, afin de suivre son évolution au cours du temnn- Ilan~nJpn+ *a--- --
1 4
cas, les erreurs, en dehors de celles liges aux méthodes d'estimation ont
des causes multiples, liées aux déplacements des masses d'eau, à la consom-
mation par le zooplancton et à la sédimentation du phytoplancton.
STEEMAN NIXLSEN (1975) signale que les variations de la chlorophylle ne
doivent pas être utilisées du fait de la grande variabilité du rapport chlo-
rophylle sur biomasse qui peut être d'un facteur de 5 à lO.De même, pour
l'ATP, la variabilité par rapport à la biomasse est à peu près la même que
pour la chlorophylle. Cependant, BANNISTER (1974)ainsique RYTHER et YENTSCH(19ii)
supportent une autre version, donnant des équations de production en fonction
des variations de chlorophylle et de la lumière qui peuvent être vala'bles
malgré certaines faiblesses.
3.1.1.2. A partir du bilan des sels nutritifs
- ---------------------------------
Du fait de leur faible concentration dans l'eau, les sels nutritifs
limitent la taille des cellules (STEEMAN NIELSEN, 1975). De ce fait, il
existe une relation entre la production du phytoplancton et l'assimilation
des sels nutritifs, d'où l'utilisation possible de ces derniers pour appré-
cier la production.
Cette méthode repose sur trois conditions indispensables (JACQUES,
1978) :
- connaître les taux d'échange de l'élément avec le milieu (recyclage
ou sédimentation);
- connaître le taux d'absorption des formes organiques du composé qui
doit être faible ;
- la faible importance du recyclage de cet élément.
COSTE et al. (1972) ont trouvé ces circonstances favorables en Méditer-
ranée nord-occzentale lors du mélange vertical d'hiver. En effet, l'apport
d'sléments minéraux dans la couche euphotique et la consommation de ces élé-
ments par le phytoplancton ont lieu successivement; la première phase (apport)
étant liée aux mouvements verticaux, la seconde à l'établissement d'une stra-
tification thermique. Ils ont travaillé pendant un mois avec les variations
des quantités de phosphates en déterminant la superficie et l'épaisseur
d'eau considérées. Le calcul de la production a été basée sur les rapports
atomiques habituels dans le plancton (P/N/C = 1/16/106).Comparant cette
valeur à celle au 14 C, ils ont constaté que 28 % de la phc*tosynthèse s'est
effectuée à partir d'éléments minéraux recycléset 72 % correspondent 5 la
production de base qui donne une idée juste de la fertilité. Ce type de cal-
cul s'applique bien en cas de mélange d'eau comme c'est le cas en upwelling.
3.1.1.3. A partir des variations de la teneur en oxygène
______--------------_____I______________--
---
La croissance du phytoplaneton par photosynthèse conduit à la production
d'un volume d'oxygène similaire à celui du gaz carbonique assimilé. Cependant,
le rapport gaz carbonique sur oxygène est variable selon la source d'éléments
nutritifs utilisée (par exemple pour l'azote,
il change selon qu'on utilise
le nitrate ou l'ammoniac) (HARVEY et CAPERON, 1976). Ainsi, la production pri-
maire s'accompagne de .celle d'oxygène qui augmente dans le milieu de façon pro-
portionnelle et à la disparition du gaz carbonique.
La production moyenne dans les océans est de 150 mg C/m2 et par jour dans
la zone euphotique, la production journalière moyenne est de 2 mgC par litre
et par jour correspondant à 6 ug d'oxygène.
Cela veut dire que I/l0000 de gaz
carbonique total est assimilé par jour correspondant à l/lOOO d'oxygène produit
(STBEMAN NIELSEN, 1975).
De ce fait, la mesure de la production primaire par l'intermédiaire de
l'oxygène est souvent utilisée, soit par incubation à la lumière et à l'obscu-
rité et moins souvent par la mesure de la production brute d'oxygène. PAGES
1 5
des résultats comparables pour les deux. En Méditerranée, RILEY (1956) et MI-
NAS (1970) ont utilisé conjointement les données d'oxygène et de sels nutri-
tifs pour dériver des bilans de production.
Par contre JACQUES (1978) affirme que sauf pour des cas simples comme
celui des Fjords, il est difficile d'utiliser les variations de la teneur
en oxygène pour établir des bilans de production.
3.1.1.4. A partir des variations du gaz
- -------------------II_
carbonique
-------- --
Pour les raisons données dans le paragraphe précédent, STEEMAN NIELSEN
(1975) affirme que du fait des faibles quantités de gaz carbonique assimilé,
il est impossible d'utiliser les variations de gaz carbonique dans l'eau
pour mesurer la production primaire sauf dans des cas extrêmes.
JACQUES (1978) soutient que la méthode ne peut donner des résultats que
dans les aires de haute production où le système tampon des carbonates ne
peut totalement rétablir l'équilibre.
3.1.2. Méthodes directes
Ce sont des techniques qui nécessitent des temps beaucoup plus courts
que les premières, de l'ordre de la journée solaire (JACQUES, 1978). Ceci
permet d'éliminer partiellement les problèmes liés aux mouvements des masses
d'eau, au broutage et à la sédimentation.
3.1.2.1. Méthode de l'oxygène
---s---e------ ---
L'eau prélevée à la bouteille est placée dans les flacons en verre mis
e'n incubation aux immersions mêmes du prélèvement ou à un éclairement simulé
de ces immersions. La différence de teneur en oxygène entre les flacons
clairs et les flacons obscurs, correspond à la. production brute. Cette mé-
thode est basée sur la respiration du phytoplancton et la photosynthèse.
JONES (1977) a utilisé cette méthode pour évaluer les parts de la production
et de la respiration dans la production d'oxygène par le phytoplancton. Ses
résultats ont montré que 85 % de l'oxygène produit correspond B la production
primaire. Cette méthode donne de bons résultats dans les zones de hautes
productions mais est substituéede plus en plus par la méthode au carbone 14.
3.1.2.2. Méthode à l'azote 15
-------------------
L'emploi de l'azote 15 comme traceur (DUGDALE et GOERING, 1967 ; LAWS,
1984) suppose une technique voisine de celle du carbone 14 mais nécessite des
dispositions supplémentaires dont un travail sur de grands volumes (5 à 10 l),
la disponibilité d'un
spectrographe de masse (isotope stable), la transfor-
mation de 1"azote organique en azote gazeux et le dosage indispensable de
l'azote particulaire.
Contrairement au C02, l'azote minéral est fréquemment limitant en mer.
Pour cela, il doit être mesuré avant la production afin de ne pas ajouter
avec l'isotope plus de 10 X de la teneur naturelle (JACQUES, 1978). En mer,
l'azote organique vient de l'oxydation progressive de l'azote gazeux en nitr-te
NO2 puis en nitrate N03. La fraction de la production primaire supportée
par les sels nutritifs recyclés au sein même de la couche euphotique, cons-
titue la production par recyclage, qui. n'est pas Un gain réel de
matière organique pour le réseau trophique.
Quand, il y a utilisation des réserves minérales par le phytoplancton
dans les eaux profondes, il y a une production nouvelle qui est un bon indi-
ce de fertilité des océans. La méthode a l'azote 15 permet de mesurer les
deux différents types de production. L'es résultats donnés par un spectrogra-
phe de masse sont exprimés en milligrammes d'azote assimilé par milligramme
16
d'azote particulaire. Cette méthode est souvent utilisée :pour déterminer
les taux d'assimilation ou de regénération des éléments nutritifs azotés
(SLAWYK, 1979 ; G'LIBERT et al., 1982 ; LAUS, 1984). Cependant, l'interpréta-
tion des résultats obtenus pose
parfois des problèmes liés le plus souvent
aux pertes d'azote 15 inhérentes au cycle de l'azote (GLIBERT et al., 1982 ;
-
LAVS, 1984).
3.1.2.3. Méthode au carbone 14
__-__----------------.
Cette méthode introduite par STEEMAN NIELSEN (1952) est actuellement
la plus utilisée en production primaire.
Ce succès est lié en partie aux
difficultés de détermination du carbone naturel du phytoplancton (STRICKLAND,
1960 ; EPPLEY, 1968, 1980 ; BANSE, 1977), mais aussi à La facilité de mise
en œuvre de la méthode (JACQUES, 1978).
a) Pi-incipe
------i-
La méthode repose sur le marquage du dioxyde de carbone atssimilé lors
de la production d'où le marquage des cellules produites. Le taux de marqua-
ge sur le carbone particulaire au bout d'un certain temps apprécié par comp-
tage de la radio activité correspond à la production primaire pendant cette
durée.
b) K-ode opératoire
------ -----_--
Le mode opératoire le plus proche de la technique standard consiste à
introduire une quantité de carbone 14 connue dans un échantillon d'eau qu'o.rL
incube à la lumière pendant un temps donné.
- Marquage : WELSCHMEYER et LORENZEN (1984) ont montré que quand le phy-
toplancton subit des dédoublements dans un milieu marqué au carbone 14, le
carbone cellulaire devient uniformément marque. L'activité spkifique augmen-
te avec les dédoublements (87,5 % de celle du carbone inorganique au bout de
trois dédoublements).
- Incubation : L'incubation se fait soi.t au soleil soit en lumière arti-
ficielle. La méthode de référence est l'incubation in situ qui est cependant
irréalisable dans la plupart des cas du fait de la fragilité du matériel
(bouteilles en verre), du confinement du phytoplancton, du maintien artifi-
ciel à une profondeur donnée et surtout du temps d'incubation qui est sou-
vent long (entre 12 et 24 h) (JACQUES, 1978).
L'incubation in situ simulé qui essaie de restituer 2 l'khantillon les
conditions thermiques et lumineuses d'origine par u'ne exposition au soleil
vendant une demi-journée solaire au maximum,est la .plus utilisée (PETERSON,
1980). L'incubation en lumière artificielle permet jde déterminer la capacité
de photosynthèse à lumière satuxante.Les productions ca'lrulées par cette mé-
thode sont similaires à celles obtenues par in situ réel
(JITTS et al.,
1976).
- Filtration et conservatioh des filtres : après lacubation, les échan-
tillons sont filtrés sur des filtres en fibre de verre. Pour minimiser les
risques dûs B la filtration, JACQUES (1978) recammande d'utiliser un vide
léger inférieur à 400 mm ou même à 150 mm de mercure, de rincer l"apparei1
à l'eau de mer filtr&,de peindre les appareils de filtration en noir et de
placer quelques pastilles de soude dans l'erlenmeyer à vide pour absorber le
CO2 dégagé. La filtration doit se faire dès la fin de l'incubation et si elle
doit impérieusement être différée, l'échantillon doit.être fixé. Pour cela,
1 7
LEHMUSLUOTO et NIEMI (1977) préconisent le formol (0,5 ml 2 40 %) ou le lugol
(2 à 5 gouttes) qui conduisent à une perte de radioactivité de seulement 10 %
si la filtration est faite dans les six heures alors que HgC12 conduit à des
pertes beaucoup plus grandes.ARTHUK et RIGLER (1967) ont montré que l'acti-
vité spécifique diminue quand le volume filtré augmente. L'éclatement des cel-
lules provoque également une diminution de l'activité spécifique (STEEMAN
NIELSEN, 1975).
- Comptage : pendant longtemps, le comptage de la radioactivité a été
faite au compteur GEIGER MULLER. Cependant du fait de la difficulté de son
étalonnage et de son faible rendement (30 X) (JACQUES, 1978) il est de plus
en nlus remplacé par les compteurs à scintillation liquidec
c) Internrétation des résultats
--------------~---------~~~~
L'interprétation des résultats obtenus par la méthode au carbone 14
soulève de nombreuses discussions (STEEMAN NIELSEN, 1960 ; ARTHUR et RIGLER,
1967 ; JACQUES,1978
; GIESKES et al., 1979 j PETERSON, 1980 ; k?SLSCHMEYER
-
et LORENZEN, 1984).
En effet, de nombreuses sources d'erreurs ont été mises en évidence
liées au pH,à la conservation des filtres, à la filtration, au comptage,
au séchage, etc...
D'autre part, de nombreux auteurs ont discuté la signification de la
mesure au 14C (STEEMAN NIELSEN, 1960, 1975 ; GIESKES et al., 1979 ; PETERSON,
1980).Certains auteurs trouvent que la méthode surestimeTa production pri-
maire et les autres soutiennent le contraire. De ce fait, la durée d'incu-
bation devrait être choisie selon le taux de croissance, la respiration et
l'excrétion -des cellules algales.
Cependant, cette durée est variable selon les auteurs (entre 2 et 48
h e u r e s ) .
4.CONCLLJSION
S U R
L E S
E S T 1 M A T E U R S
D E
B 1 OMAS SE
La plupart des travaux dans lesquels on estime !ia biomasse d'une popula-
tion naturelle, notamment de façon quantitative
se r6Ssument à l'évaluation de
la biomasse chlorophyllienne. Pour ce qui concerne la détermination qualitati-
ve, la numération est la méthode la plus frequente, surtout pour l'identifi-
cation des espèces.
Actuellement,
les océanographes utilisent de plus en plus l'association
de plusieurs estimateurs indirects pour la détermination complète des popula-
tions phytoplanctoniques ; les rapports et correlations entre estimateurs
fournissent beaucoup plus de renseignements que la numération.
Les travaux sur la détermination de la chlorophylle dans les eaux sont
très nombreux. Cependant peu de publications font part de la signification de
cette mesure qui ne correspond pas exactement à la quantité de biomasse mais
varie selon certaines conditions.
La chlorophylle "a" est le pigment le plus représentatif pour le phyto-
plancton ; cependant, les autres chlorophylles et les phaeopigments interfè-
rent souvent dans sa mesure introduisant des erreurs dans le résultat, C'est
la raison pour laquelle on essaie de les déSterminer pour avoir un résultat
de chlorophylle "a" précis, ce qui réduira en partie les variabilités du rap-
port carbone sur chlorophylle "a", caractéristique de la biomasse.
i
0-s
l
*
1 0
l-
0
20
30
T e m p é r a t u r e “C
<igure 3.- Variation dans 1~: taux de
croissance spéicifique (u) d'une
algue unicellulaire photoautotrophe avec la température
(EPPLEY, 197-2).
Detonu la confervacea
Chlore lla pyrenoiclosa
Skeletonema COS ta tum
Dunaliella tertiolecta
Di tylum Brightwellii
T e m p é r a t u r e “C
Figure 4.- Courbes des taux de croissance sur la température pour
cinq algues unicellulaires à différentes températures
optimales (EPPLEY, 1972).
CHAPITRE 2 : FACTEURS LIMITANT~ DU PHYTOPLANCTON
Les milieux aquatiques sont le siège de (divers phénomènes physiques, chi-
miques et biologiques d'où leur complexité.
Les organismes vivants dans cet
environnement suivent la loi biologique de la chaine alimentaire, dont le pre-
mier maillon ici est le phytoplancton. Constitué de cellules vivantes, le phy-
toplancton est sensible à son environnement notamment à certains facteurs phy-
siques et chimiques qui contrôlent sa croissance selon leur disponibilité.
1 .
F A C T E U R S
P H Y S IQUES
L I M I T A N T S D U
P H Y T 0 P L, A N C T 0 N
1.1. LA TEMPERATURE
L'idée que la température revêt peu d'importance pour la croissance du
phytoplancton était très répandue parmi les océanographes (HARRISON et PLATT,
1983 ; EPPLEY, 1972). Cependant, sans énoncer clairement l'importance de son
influence de nombreux auteurs ont signalé une certaine relation existant entre
la température et la production du phytoplancton (LORENZEN, 1967 ; PLATT et
al., 1970 ; TONT, 1981 ; FALKOWSKI, 1981).
-
EPPLEY (1972) en passant en revue beaucoup de travaux sur la relation
température-phytoplancton a montré que la température peut limiter la crois-
sance du phytoplancton (fig. 3 et 4).
FALKOWSKI (1981) note l'influence de la température sur le nombre d'assi-
milation (taux d'assimilation du carbone photosynthétique par poids de chlo-
rophylle " "
a ), phénomène qu'il attribue â son effet sur l'action enzymatique
de la fixation du carbone ou sur le temps d'adaptation aux variations lumi-
neuses.
Ses observations confirment les travaux d'EPPLEY (1972).
HARRISON et PLATT (1988) mettent en évidence un gradient latidunal de la
production primaire qui covarie partiellement avec la température dans l'arc-
tique. Ils concluents alors que la température est aussi importante que la
lumière ou les sels nutritifs dans la production primaire.
1.2. LA LUMIERE
L'influence de la lumière sur la production primaire est une notion admi-
se et connue des océanographes et limnologistes depuis bien longtemps. Mais,
elle n'en demeure pas moins une préoccupation actuelle du fait de la mécon-
naissance de la nature des relations qui existent entre elles (BARBER et al.,
1971 ; FALKOWSKI, 1981 ; LEWIS et SMITH, 1983 ; WELSCHMEYER et LORENZEN, x84),
Cependant il est connu que de la relation lumière-phytoplancton vient de
celle empirique, existant entre la photosynthèse et l'irradiation (STEEMAN-
NIELSEN et:I@LM HANSEN, 1959 ; RYTHER et J%NZEL, 1959 ) STEEMAN-NIELSEN et
PARK, 1964 g BEARDALLL et MORRIS, 1976 ; MARRA, 1978 ; FALKOWSKI, 1980 ; CHAN,
1980).
21
LEGE NO E
0 1 0 0 % d e p r o f o n d e u r l u m i è r e
A 6 0 % d e
II
Il
a 35% de
II
II
. 15% d e
Il
I
D 6 % d e p r o f o n d e u r l u m i è r e
4 0
6 0
8 0
100
P o u r c e n t a g e Ii,
Figure 5.- Courbe P vs 1 pour du phytoplancton pris à d.ifférenLes
profondeurs de lumière pendant le début de l.“hiver à
New York Bight (FALKOWSKI, 1981).
2 2
Par la mise en évidence de la relation de proportionalité entre les
variations diurnes de la lumière et la périodicité journalière du rapport
carbone sur chlorophylle ou du nombre d’assimila.tion,
FALKOWSKI ( 19 75 )
montré la limitation de la production du phytoplancton par l’intensité lumi-
neuse.Ses travaux dans le “New York Bight” (FALKOWSKI, 198 1) révèlent que le
nombre d’assimilation est maximal à 40 % de lumière (fig. 5a) et diminue ou
se stabilise au-delà, quelle que soit la profondeur à laquelle l’échantillon
a été prélevé. Ce résultat met en évidence deux propriétés importantes de la
relation lumière-assimilation du carbone dans une eau mélangée :
- le comportement d’un échantillon soumis à la lumière est indépendant
de son origine ;
- une très grande intensi.té lumineuse n’est pas bénéfique à la croissan-
ce du phytoplancton.
Cette dernière remarque a été appuyée par les travaux de LEWIS et SMITH
(1983) qui montrent que la relation lumière-photosynthèse n’est pas linéaire
et que la photosynthèse n’augmente plus au-delà d’une certaine irradiante.
Par contre dans les eaux stratifiées, les échantillons provenant des
zones de faible luminosité sont caractérisés par une faible assimilation du
carbone et une inhibition par les fortes intensités lumineuses tandis que les
échantillons de surface ont des caractéri.stiques opposées (fig. 5b).
La photoadaptabilité du phytoplancton est directement liée aux taux de
mélange des eaux (LEWIS et&., 1984), d’où. le comportement identique des
organismes phytoplanctoniques dans l’ensemble de la couche d’eau mélangée.
Malgré un bon comportement à des intensités lumineuses supérieures, ces orga-
ni,smes ont le même maximum d’assimilation du carbone que ceux des zones lmal
éclairées dans les eaux stratifiées lequel est plus faible (PLATT et JASSBY,
1976). La plupart des travaux sur le rôle de la lumière comme facteur limitant
de la croissance du phytoplancton mettent, en cause la forte illumination
(BANNISTER, 1974 ; PLATT et JASSBY, 1976 ; FALKOWSKI, 1981), la faible lumi-
no,sité n’étant presque jamais l’objet d’un tel phénomène.
Les travaux de SOURNIA (1981) mettent en évidence l’existence de certai-
nes espèces de phytoplancton qui se développent à l’ombre, ce qui explique
probablement qu’il n’y ait presque pas de limitation aux faibles luminosités.
Cependant, POST et al. (1984) signalent que la cinétique de photoadap-
tation du phytoplancton est fonction de l’espèce présente, donc la résistance
à de très fortes ou de très faibles luminosités dépendrait aussi de l’espèce.
La lumière peut agir également par voies indirectes pour limiter :Le phytoplanc-
ton. HIPKIN et al. (1983) ont constaté que dans certaines conditions, le ni-
trate devient limitant sous 1 ‘influence de la lumière.
1. .3. TURBULENCE DE L’EAU
Dans les lacs et les océans, les populations phytoplanctoniques sont
soumises à divers mouvements dûs aux déplacements verticaux ou horizontaux
de la colonne d’eau, induits par la turbulence du fluide.
Cette situation conditionne la structure hydrologique du milieu abou-
tissant à une stratification ou un mélange des couches d’eau.
Les mouvements de l’eau limitent la croissance du phytoplancton en agis-
sant sur la distribution de la lumière ou/et des nutriments (PERRY et al.,
1983 ; FALKOWSKI, 1983 ; VENRICK, 1984 ; L:EWIS et al., 19841 ; POST et z.,
-
1984 ; ABOTT et al., 1984).
Les travauxyur les relations entre la photoadaptabilité du phytoplanc-
ton et le mélange vertical (FALK~wsKI, 1983)) ont mis en évidence l’impor-
2 3
tance du rôle que joue ce phénomène dans la régulation de la production pri-
maire. Ce rôle se traduit surtout par l'effet produit par les mouvements ver-
ticaux sur la répartition de l‘intensité lumineuse le long de la couche d'eau
et le comportement du phytoplancton vis-à-vis de ces variations induites.
Cette théorie est confirmée par les travaux de LEWIS et al. (1984) qui
donnent un modèle définissant la relation photoadaptabilité drphytoplancton
et mélange vertical, laquelle traduit l'importance des mouvements verticaux.
Ce modèle définit le cœfficient de la diffusion verticale de la turbu-
lence
KV = 12
(1 - e-ksl)
à partir du taux de photoadaptabilité
de la profondeur de la couche homo-
gène 1 et du taux d'atténuation de l'irradiante s.
FALKOWSKI (1983) a également montré qu'à petite échelle, on peut com-
prendre le phénomène de turbulence à partir des caractéristiques physiologi-
ques du phytoplancton. Ainsi l'état physiologique agirait aussi sur la photo-
adaptabilité selon la relation définie par le modèle de LEWIS et al. (1984).
Il est à noter que cette conclusion met en évidence une insuffisace du mo-
dèle de LEWIS et a1.(1984) qui se focalise sur la seule distribution des pro-
priétés photoadaptatives et néglige les variations des paramètres qui condi-
tionnent la production primaire, comme lîétat physiologique des cellules.
La structure hydrologique, principalement le phénomène de mélange, dimi-
nue le taux d'adaptation du phytoplancton aux fortes intensités lumineuses
en le faisant passer de façon cyclique de l'ombre à la lumière (POST et al.
1984). Cette interprétation de la diminution de la photoadaptabilité du phy-
toplancton est en accord avec les- résultats de FALKOWSKI (1981) qui montrent
que les organismes de la couche mélangée ont des nombres d'assimilation infé-
rieurs à ceux des couches superficielles dans les eaux stratifiées. Outre la
limitation par la lumière, le phytoplancton desccu;3hes mélangées peut être
perturbé dans sa croissance par la déficience en nutriments (PERRY et al.,
1984)) ces derniers étant peu concentrés dans cette zone (VENRICK, 1984).
Les travaux de ABBOT et a1.(1984) ont montré que ces deux théories de la
limitation du phytoplancton par la structure hydrologique sont valables. Ils
en conclurent que le maximum profond de chloroptrylle est régulé par la lumière
et les flux de nitrate dépendants des mouvements de l'eau, lesquels mouve-
ments agissent sur leur disponibilité.
2.
F A C T E U R S
C H I M I Q U E S
L I M I T A N T S
D 17
PHYTOPi,LANCTON
Certains composés chimiques, naturels du milieu aquatique peuvent li-
miter les populations phytoplanctoniques par leur concentration.
Tous les auteurs qui se sont penchés sur l'étude des facteurs chimiques
des eaux naturelles, ont défini un certain nombre d'éléments qui sont déter-
minants pour le phytoplancton. THOMAS (1966) affirme que parmi les nutriments
des plantes, le phosphore, l'azote et probablement la silice, les métaux et
les vitamines à 1"état de trace sont les plus importants pour la production
du phytoplancton marin.
Dans les lacs arctiques de l'Alaska, les facteurs chimiques limitants du
phytoplancton ont été définis comme étant : la nitrate, le magnésium et dans
une moindre mesure le phosphate (GOLDMAN, 1960, 1972).
2 4
+N+P
-
Lac E
-
Lac C
+P
: a d d i t i o n d e p h o s p h o r e
-FN : a d d i t i o n d ’ a z o t e
+NtP
+N+P
: a d d i t i o n d ’ a z o t e e t d e
f-4
phosphore
+N
2 0
3 0 5 10
20
3 0
9
19
2 9
8
16
J U I N
i
J U I L L E T
l
A O U T
I SE PTEMHRE
. .
llct ~ a o û t <>t
b igurc 6. ~- C o n c e n t r a t i o n e n p h y t o p l a n c t o n pendan
septembre 1980 (Mc COY, 1983).
t:
. Oans un milieu n i t r a t e
:
n OanS un m i l i e u SSSS azOt@
z
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4
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0
2
4
6
H e u r e s
F i g u r e 7.- DunuZielZa primoZecta (A:) et Chi,oreILa stigmatophora
B : e f f e t d u m a n q u e d ’ a z o t e s u r l ’ a c t i v i t é d e la
nitri.te réducatse.
2 5
KALFF (1971) a défini les mêmes facteurs limitants que GOLDMAN (1960,
1972) ainsi que certains éléments à 1 '(état de trace et les facteurs de
croissance comme la vitamine B12.
2.1. LE PHOSPHORE
THOMAS (1966) estime que le phosphore est étudié dans toutes les campa-
gnes océanographiques pour la facilité de dosage de sa forme inorganique mais
aussi pour servir comme index de la disponibilité des éléments nutritifs des
masses d'eau.
A certaines concentrations le phosphore limite la croissance du phyto-
.plancton : la diatomée AstzrioneZZa jq3onkc~ est limitée à 0,25 uatg/l de
phosphore (GOLDBERG et al., 1951) ; la dinoflagellée Gymnodium sirnpkc ne
croît plus à 0,05,uatg/lde phosphore (Mc COY, 1983).
Ainsi, on observe que la concentration limite de la production du phy-
toplancton varie selon l'espèce en présence,
chaque population ayant ses
besoins propres.
De ce fait, il serait utopique de vouloir généraliser la concentration
limite d'un facteur chimique (Mc ALLISTER et al., 1960). La limitation de la
production du phytoplancton par le nhosphore aeté démontrée dans de nombreux
lacs (Mc COY, 1983 ; CHOW-FRASER et DUTHIE, 1983 ; STOCKNER et SHORTREED,
1.98.5). Ces auteurs ont abordé le problème avec différentes méthodes :
- CHOW-FRASER et DUTHIE (1983) ont utilisé l'absorption du 32Phosphore
qui mieux que le phosphore ambiant a permis la mise en évidence de la période
de limitation. En effet, par l'absorption du 32Phosphore on arrive à démontrer
que la limitation par le phosphore s'effectue pendant la majeure pa-rtie de
l'été, alors qu'avec les analyses du phosphore total et du phosphore réactif
soluble, on n'arrive qu'à déterminer des périodes probables de limitation
vers la fin de l'été. Cette différence vient du fait que la détermination de
la demande en phosphore par l'assimilation du phosphore 32 augmente la sensi-
bilité alors qu'il est plutôt difficile d'interpréter les résultats obtenus
à partir des analyses du phosphore surtout quand il y a une grande concentra-
tion dans le milieu comme c'est le cas en mi-juillet.
- Mc COY(1983) ainsi que STOCKNER etZORTREED(1985) ont utilise les bio
essais d'abord sur cultures d'algues pures,
ensuite dans les lacs pour déter-
miner la limitation nar le phosphore. L'avantage de leur méthode est qu'elle
donne des résultats in situ. Leurs travaux ont démontré que le phosphore
conditionne la production primaire dans ces lacs : son addition permet d'aug-
menter la croissance du phytoplancton.
Ils ont également montré que l'accest
sibilité de l'azote détermine cette augmentation (fig. 6).
RILEY et PREPAS (1985) indiquent que le phosphore est généralement limi-
tant dans les lacs tempérés.
La limitation par le phosphore augmente le rapport azote sur phosphore
qui devient supérieur à 10/1 valeur maximale en eau naturelle (MYERS et IVER-
SON, 1981). Cette augmentation du rapport correspond à une inhibition de
l'assimilation du nitrate par le phosphate (TERRY, 1982).
STOCKNER et SHORTREED (1985) ont observé un rapport carbone sur azote
sur phosphore (C/N/P) de 152/20/1 dans les lacs, ce qui indique une grande
déficience en phosphore. BIENFANG et HARRISSON (1984) ont montré que la limi-
tation par le phosphore entraine une augmentation du taux de sédimentation
dans les eaux tempérées surtout pour les diatomées centriques ; dans les eaux
2 6
tropicales, l'augmentation du taux de sédimentation est moindre. Une telle
situation provoque une diminution de la population phytoplanctonique de la
masse d'eau. Ces résultats concordent avec ceux de PARSLOW et a1.(1984) qui
ont observé la cessation de la division cellulaire après 48 heures de manque
en phosphore dans le Nord-Est Pacifique. Dans les eaux oligotrophes, le
phosphate est rapidement recyclé (PARSLOW et al., 1984). Dans les eaux
mélangées des lacs, le phosphore total recycleaugmente la concentration en
phosphore dans le milieu et évite la limitation par ce dernier (RILEY et
PREPAS, 1985).
2.2. L'AZOTE
Dans les eaux naturelles, on retrouve l'azote sous quatre formes :
l'urée, le nitrite, le nitrate et l'ammoniac.
Le phytoplancton utilise outre l'azote gazeux [algues bleue-vertes), ces
quatre sources azotées selon leur disponibilité E!t la facilité de leur assi-
milation.
L'assimilation des nutriments azotés a fait l'objet de nombreux travaux
(PALE:~wSKI et STONE, 1975 ; SLAwyk: et al., 1978 ; 'TERRY, 1982. ; PARSLOW et
al., 1984 ; HARRISON et al., 1983 ; CAPSENTER et DUNHAM, 1985). Certains
d'entre eux ont montré que l'ammoniac est absorbe préf~~rentiellement par le
phytoplancton (HARRISON et al., 1983 ; CARPENTER et DUNHAM, 1985).
L'urée est une source azotée de remplacement ~qu'utilise le phytoplanceon
dans les eaux profondes, sombres où l'activité de la nitrate réductase est
réduite.
Le nitrite est présent dans l'eau en faible quantité (THOMAS, 1966). De
ce fait, il représente une source azotée mineure.
Des maximas de nitrites ont
été observés dans les couches subsurface. Ainsi, en dehors de l'ammoniac, Le
nitrate est la source azotée la plus utilisée par le phytoplancton. En outre,
c'est la source azotée la plus représentative
(78 :% de l’azote annuellement
disponible d'après CARPENTER et DUNHAM, 1985).
De ce fait, le nitrate joue
un rôle de premier ordre dans la production
primaire et peut même limiter la croissance du phytoplancton dans certaines
conditions. Cette limitation s'effectue par blocage de la production primaire.
L'assimilation du nitrate par le phytoplancton présente certaines difficultés :
il a été démontré qu'il existe une certaine compétition entre l'assimilation
du nitrate et la fixation du carbone particulaire pour l'utilisation de 1'ATP
comme source d'énergie (FALKOWSKI, 1975 ; SLAWYK et al., 1978).
TERRY (1982) a mis en évidence une interinhibitzn entre le nitrate et
le phosphate dans leur cinétique d'assimilation. De même, CARPENTER et DUNHAM
(1985) ont montré qu'il y a une inhibition de
l'assimilation du nitrate par
l'ammoniac.
Ainsi, outre sa disponibilité quantitative dans le milieu, le nitrate
peut devenir limitant du fait d'une inhibition de son assimilation.
La limitation par le nitrate est un phénomène courant (BERLAND et al.,
1980) que de nombreux auteurs ont essayé de démontrer. Certains ont utilzé
des tests biologiques qui consistent à évaluer la croissance des algues dans
des eaux enrichies en comparaison avec celle des mêmes algués dans leur mi-
lieu initial (MAESTRINI et KOSSUT, 1981 ; Mc COY, 1983 ; WURSTBAUGH et HORNE
1983.; STOCJKNER et SHORTREED, 1985). Cette méthode permet de déterminer la
limitation par l'élément en éliminant les autres dont les concentrations ne
peuvent être limitantes. D'autres utilisent des méthodes descriptives avec
des modèles mathématiques permettant de déterminer la limitation (HARRISON et
DAVIS, 1977 ; PARSLOW et a&, 1984). Ces méthodes descriptives utilisent les
2 7
variations temporelles des éléments et de la biomasse et les taux d'assimila-
tion pour determiner l'élément limitant.
BERIAND ets(1980) ont passé en revue de nombreux travaux qui ontdemontre que Le
nitrate est le premier élément limitant de la production primaire surtout en
mer et dans les eaux océaniques.
Mc COY (1983) ainsi que STOCKNER et SHORTREED (1985) ont démontré la li-
mitation du phytoplancton par le nitrate dans les lacs de l'Alaska et en Co-
lombie britanique (fig. 6 et 7).
WURTSBAUGH et HORNE (1983) ont montré la limitation des algues bleu-ve,r-
tes par le nitrate dont la présence empêche la fixation de l'azote atmosphé-
rique, ce qui bloque ainsi la principale source azotée poilr ces organismes.
MAESTRINI et KOSSUT (1981) ont démontré la limitation de la production
primaire par le nitrate en Méditerranée en utilisant des sacs à dyalise et les
bioessais. PARSLOW et al. (1984) ont diimontré la même chose avec la diatomée
Yhai'.assiasira pseudona%â provenant du Pacifique.
De même HARRISON et DAVIS (1977) ont observé le même phénomène à partir
des taux d'assimilation du nitrate par les organismes phytoplanctoniques. Les
travaux de BIENFANG et HARRISON (1984) ainsi que ceux de 1IYPKIN et al. (1983)
-
sur les effets de la limitation par les; nitrates respectivement sur les taux
de sédimentation du phytoplancton et sur l'activité de la nitrate reductase
confirment l'existence de ce phénomène.
2.3. LA SILICE
Le silicium n'est pas un composant de la matière vivante mais un consti-
tuant essentiel des squelettes de divers organismes marins dont une partie du
phytoplancton notament les diatom&es dont il forme les frustules (IVANOFF,
1972).La silice est contenue en faibles quantités dans les eaux océaniques nor-
males (SCHINK et GUINASSO, 1975) ; ceci, combiné à leur faible solubilité,
fait que cet élément est parfois limitatif de la croissance du phytoplancton.
Ce dernier critère semble la principale cause de déficience et le nombre de
travaux qui y ont été consacrés est édifiant quant à l'importance de son rôle.
La solubilité de la silice contenue dans les frustules des diatomées varie
selon l'espèce, l'âge de l'organisme
et la concentration des sels de sodium,
calcium et magnésium présents (KAMATANI, 1971).Mc CORMICK et TARAPCHAK (1984)
attribuent aux facteurs physiques de transport des masses d'eau le ,rôle prin-
cipal dans la variabilité de la régénération des nutriments notament de celle
des silicates.De meme SCHINK et GUXNASSO(1975)jugent la structure hydrologi-
que, comme responsable de la distributi'on des silicates le long des couches
d'eau.
Ainsi , pour plusieurs raisons, la concentration en silicium dissout peut
devenir trop faible en mer et ainsi bloquer la croissance du phytoplancton,
notamment celle des diatomées (KATAMANI et TAKANO, 1984). Le phénomene de li-
mitation de la croissance des diatomées par le silicium dissout a ét2 démontré
par de nombreux auteurs et à différents endroits : THOMAS et DODSON (1975)
l'ont prouvé dans le Nord-Est de l'océan Pacifique en utilisant la methode de
perturbation et la comparaison des vitesses d'assimilation du silicium dissout
dans les cultures de diatomées.
PARSLOW et g., (1984) ont également démontré ce phénomène au m$me endroit
après enrichissement des milieux de culture et comparaison des taux d'assimi-
lation en cas de manque et après enrichissement.
HARRISON et DAVIS (1977) ont utilisé la même méthode dans l'upwelling du
Nord-Ouest africain.
----
-l-l<“---_--“__*.>_..---l-”
.-
IV
1
E()TA*Fe + M.T. -traité au charbon
Fe + M.T. traité au charbon
S a n s a d d i t i o n
Sans addition t r a i t é a u Charb#on
O//H/- DeferriferrioXamineB- traité au charbon
1 2 3 4
5 Temps en jours
Figure 8.- Effet des niGtaux et clltlators dans la crrjissance du phyto-
plancton dans de l'eau de 15 m filtré sur i:harhon de bois
(BARBER et. al., 19ii),
-
- UV. sans addition
P
-
-
1
2
3
4
j o u r s
Figure 9.- L'effet du transport organique via la photoxidation UV
et l'enrichissement en EDTA, Fe et Mn sur la croissance
du phytoplancton (BARBER, 1973).
2 3
KAMATANI et TAKANO (1984) ont observé une limitation des diatomées par
les silicates dans la baie de TOKYO en étudiant le recyclage et la distribu-
tion de cet élément dans cette zone à différentes périodes de l'année. De
même, BAKKER et DEVRIES(1984) ont mis en évidence la limitation des diato-
mées par les silicates dans le lac Grevelingen en étudiant la disponibilité
de cet élément selon différentes structures hydrologiques.
Selon WERNER (1977), la limitation des diatomées par la silice s'expli-
que par la cessation de la division cellulaire, les frustules ne pouvant
être complétées.
Les travaux de BIENFANG et HARRISON (1984) font état d'une stabilisation
du nombre de cellules en cas de manque en silicates et appuient ainsi la théo-
rie de WERNER (1977). De plus,
ils ont constaté une forte augmentation du
taux de sédimentation des diatomées, ce qui contribue à aggraver l'effet
sur la croissance en diminuant encore la concentrationen diatomées de la cou-
che d'eau considérée.
2.4. LES ELEMENTS EN ETAT DE TRACE
Les milieux marins contiennent différents métaux à des concentrations
variant entre 1 mg par kilogramme et 10-10 mg par kilogramme d'eau (IVANOFF,
L972). Mais malgré leur faible concentration dans l'eau naturelle, ces me-
taux jouent un rôle important dans la production primaire et certains d'entre
eux arrivent même à limiter la croissance-du phytoplancton. En outre, les
eaux naturelles contiennent des complexants organiques qui semblent jouer
un rôle important dans la disponibilité et la toxicité de ces métaux (BARBER
et c., 1971 ; BARBER, 1973). BARBER et RYTHER (1969) ont mis en évidence
l'importance des complexants organiques en montrant qu'ils limitent la crois-
sance du phytoplancton dans les eaux nouvellement upwellées du Nord--Est de
l'océan Pacifique. En utilisant la technique des enrichissements, BARBER et
al., (1971) ont montré que les métaux sont responsables de la réduction de la
-Croissance du phytoplancton dans l'upwelling côtier du Pérou (fig. 8). Leurs
résultats ont montré également que l'addition du charbon 'de bois pour éliminer
les solutés organiques ne diminue pas la production, ce q;ri indique que les
complexants ne sont pas limitants dans ce cas.
Les travaux de BARBER (1973) ont éclairci certains points liés à la limi-
tation du phytoplancton par les complexants organiques. Ils ont montré que
si l'ajout de métaux sans complexant augmente la croissance, c'est parce que
le phytoplancton substitue les métaux présents par ceux a.joutés qui sont plus
disponibles du fait que les métaux nouvellement dissous sont plus disponibles
que ceux d'une vieille solution. Ceci explique l'augmentation de la croissance
du phytoplancton en cas d'addition de complexant EDTA* car ce dernier augmen-
te la disponibilité des métaux (fig. 9).
Dans le lac Clear de Californie, WLJRSTBAUGH et HORNE (1983) ont mis en
évidence le blocage de la fixation de l'azote atmosphérique par les algues
bleu-vertes dû à un manque de fer.Ils ont utilisé les bioessais et la méthode
par enrichissements pour montrer l'effet limitant du fer qui agit par aggra-
vation de l'effet de l'azote et diminue ainsi la croissance du phytoplancton.
Outre la limitation par absence de certains métaux, le phytoplancton peut
également être bloqué dans sa croissance par un effet toxique des mfitaux.
"EDTA :
P r o d u c t i o n p r i m a i r e
L
1
I
I
i
8
I
t--l-----l-l-l--‘
0
3 0
6 0
9 0
0
3 0
6 0
9 0
ps Zn/t
,p cl z n / 1
Figure lO.- Production primaire et concentration de chlorophylle "a" en
relation avec les concentrations de zinc ajoutees dans l'eau:
première expérience dose-reponscr (80-I) et deuxième (80-2).
D'après MARSHALL et a1.(1983).
-
31
RIDE et al., (1979) ont montré que les métaux lourds sont toxiques pour
le phytoplancton,
réduisant la production pour les organismes les plus tolé-
rants et tuant les plus sensibles. Ces résultats sont en accord avec ceux de
MARSHALL et al., (1983) qui ont montré que le zinc est très toxique pour le
phytoplanctoÏ?-et qu'une faible concentration en zinc réduit significativement
la production primaire (fig. 10).
C O N C L U S I O N
G E N E R A L E
Comme premier maillon de la chaîne alimentaire des milieux aquatiques,
le phytoplancton constitue la base de tout l'écosystème.
En production primaire, le phytoplancton est l'unique constituant. Au
niveau du zooplancton, son rôle d'aliment explique son importance, d.'où
également son intérêt pour les poissons.
De ce fait, apparaît l'importance du déve1oppemen.t phytoplanctonique
pour la compréhension de l'ensemble des mécanismes de production qui ont
lieu en mer.
La revue bibliographique sur les facteurs estimatifs de la biomasse
phytoplanctoni.que a permis de désigner la chl.orophylle comme meilleur esti-
mateur de cette biomasse :
- d'une part par la facilité et la rapidité de son dosage par rapport
aux autres estimateurs
- d'autre part, grâce au nombre de renseignements qu'elle peut fourni.r,
seule ou combinée avec d'autres estimateurs sur la quantité et l'état physio-
logique du phytoplancton.
De plus, comparée aux autres estimateurs, comme 1'ATP ou les matières
particulaires, la chlorophylle est plus specifique du phytoplancton, les
autres étant d.es composants de la plupart des organismes vivaats végétaux ou
animaux,
Cependant, les rapports entre
estimateurs sont très intéressants, d'où
l'utilisation des matières particulaires en dehors de la chlorophylle.
Organisme autotrophe, le phytoplancton utilise les éléme,nts naturels de
l'eau et la lumière pour synthétiser ce dont il a besoin. De ce fait, il
épuise les éléments nutritifs de l'eau par laquelle il est approvisionné en
partie par les phénomènes d'enrichissement et: pour le reste par la réminéra-
lisation des matières organiques.
En général, la limitation du phytoplancton résulte de l'action combinée
de deux ou plusieurs facteurs physico-chimiques qui l'obligent à trouver un
endroit optimum pour sa croissance (voir fig. 2).
Cependant, des phénomènes biologiques comme le broutage ou la sédimen-
tation peuvent également intervenir dans ce processus.
Ainsi, la connaissance des facteurs limi.tants d'une biomasse phytoplanc-
tonique devraient permettre de prévoir le gradient spat:io-temporel des popu-
lations présentes.
Le travail effectué dans ce mémoire nous permet donc d'avoir une meil-
leure approche pour le programme "mécanismes de production dans les eaux sé-
négalaises",
en nous orientant :
- d'une part sur les éléments physico-chimiques 1imitant.s de la produc-
tion primaire que nous devons étudier notamment les sels nutritifs majeurs
(nitrate, phosphate, silicate),
-d'autre part sur les méthodes à utiliser pour la détermination de cette
biomasse.
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