216 - À bout de souffle – Raisons et conséquences de la baisse d'oxygène dans les milieux aquatiques

Une rencontre de titans entre le courant chaud du Gulf Stream et le courant froid du Labrador donne lieu à des processus de mélange océanique complexes dans la région située au sud des Grands Bancs de Terre-Neuve. Une partie des eaux résultant de ce mélange longe le talus continental vers l'ouest et pénètre dans l'embouchure du chenal Laurentien pour ensuite se rendre vers l'intérieur du golfe du Saint-Laurent. Les eaux du courant du Labrador, en plus d'être froides, sont caractérisées par une salinité faible, un fort contenu en oxygène et un pH relativement élevé. À l'inverse, les eaux du Gulf Stream sont chaudes, très salées, pauvres en oxygène et possèdent un pH plus faible (eaux plus acides). La proportion d'eaux du Gulf Stream pénétrant dans le chenal Laurentien est passé de 28% pendant les années 1930 à 47% à partir du milieu des années 1980, entraînant pour les eaux profondes du Golfe des hausses de température et salinité accompagnées de baisses en oxygène et pH. Il n'est pas possible pour l'instant d'attribuer ces changements majeurs au réchauffement climatique en raison d'une grille de calculs à résolution spatiale trop grossière dans les modèles couplés globaux océan-glace-atmosphère actuellement disponibles.

De nouvelles observations montrent que l'estuaire maritime profond est environ dix fois moins turbulent que ce qui était présumé précédemment. Ce fait, qui peut d'abord paraître anodin, bouleverse en fait notre compréhension de l'origine de l'hypoxie dans le Saint-Laurent profond. Il est démontré que ce faible niveau de turbulence est incompatible avec l'hypothèse prédominante qui attribuait au benthos de l'estuaire maritime le puits principal d'oxygène. La nouvelle hypothèse qui émerge est que le puits d'oxygène se trouverait principalement dans le pélagos dans le secteur du golfe. Cette nouvelle hypothèse ouvre la porte à de futures études multidisciplinaires, car les mécanismes biogéochimiques responsables de cette présumée consommation pélagique dans le golfe restent à identifier et à étudier.

Nous avons comparé la distribution et les concentrations totales et réactives d'éléments redox-sensibles (Mn, Fe, As) de carottes prélevées entre 1982 et 2007 dans l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL). Nos résultats révèlent que la distribution verticale et les concentrations de Mn solide et dissous, ainsi que les concentrations totales en Fe et As solides n'ont pas été modifiées de façon significative suite à l'établissement des conditions hypoxiques dans l'EMSL au début des années 80. En revanche, les profils de Fe et As dissous, ainsi que la spéciation de leurs phases solides ont été modifiés. La fraction des phases solides réactives de Fe et As a augmenté, tandis que leurs phases réfractaires et pyritiques ont diminué depuis 1982. Sous des conditions hypoxiques persistantes, le flux d'oxygène au sédiment est restreint. Nous proposons donc que la contribution relative des autres oxydants de la matière organique (Mn(IV), Fe(III) et sulfate) a augmenté. Dans des sédiments riches en fer, tels que ceux de l'EMSL, une production accrue de sulfure, issue de la réduction des sulfates, promeut l'attaque de phases ferriques réfractaires qui sont converties en phases plus réactives. Ces phases plus réactives vont,  à leur tour,  inhiber les réactions de pyritisation. Par conséquent, les éléments chalcophiles, tels que l'As, qui seraient normalement co-précipités avec la pyrite, sont plus susceptibles d'être recyclés à travers la frontière oxique-anoxique du sédiment.

Les données historiques sur la période 1930-2011 révèlent que la concentration d'oxygène dissous dans les eaux profondes de l'Estuaire Maritime du Saint-Laurent (EMSL) a progressivement diminuée au cours du siècle dernier et a atteint le seuil de l'hypoxie sévère dans les années 80 où elle se maintient depuis. Nous avons récemment démontré que la physique du système, les respirations benthique et pélagique ainsi que les propriétés de la masse d'eau entrant dans le chenal laurentien, en provenance de l'océan Atlantique Nord, représentent les principales causes de la diminution en oxygène dans l'EMSL. Les modèles climatiques prévoient une désoxygénation accrue des eaux de subsurface de l'Atlantique Nord au cours du siècle prochain, réduisant davantage l'apport d'oxygène dans le chenal laurentien. Nous utilisons quatre scénarios (RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0 and RCP 8.5) issus de modèles climatiques, dans lesquels la concentration de CO₂ atmosphérique est fonction des activités humaines, afin de déterminer les concentrations d'oxygène dans l'Atlantique Nord et à l'entrée du chenal laurentien. En modifiant les conditions aux frontières (propriétés physiques et biogéochimiques des eaux entrant dans le chenal laurentien) dans un modèle bidimensionnel d'advection-diffusion déjà validé pour la période actuelle, nous estimons l'évolution de l'hypoxie dans l'EMSL au cours du siècle prochain.

L'hypoxie pose une menace croissante pour les écosystèmes côtiers, où une faible teneur en oxygène dissous peut influencer les cycles de carbone et des nutriments et modifier les structures des réseaux trophiques. Il a été récemment suggéré que la bioturbation réduite due à l'épuisement d'oxygène peut favoriser les bactéries filamenteuses sulfoxydantes responsables du transport d'électrons à longue distance (LDET) et les processus biogéochimiques spatialement séparés. Ici nous avons examiné l'évolution temporelle de LDET dans des incubations de sédiments du lac Grevelingen, une retenue d'eau côtière dans le sud-ouest du Pays-Bas. Cet étude est basé sur les boues riches en matière organique qui s'accumulent dans les ravines profondes du lac Grevelingen, où l'hypoxie saisonnière se produit et où LDET a été observée.

Des incubations de sédiments homogénéisés nous ont permis de mesurer la distribution verticale et les flux benthiques de l'oxygène, nutriments, pH, alcalinité, calcium, fer et soufre durant une période de 13 semaines, afin d'examiner l'influence de LDET sur la biogéochimie des sédiments et le couplage pélagique–benthique. Le développement de LDET, indiqué par une distribution caractéristique de pH dans l'eau interstitielle, s'est accompagné d'une hausse de production d'alcalinité et de consommation d'oxygène dans les sédiments. Ces résultats donnent des aperçus importants de la récupération des écosystèmes de l'hypoxie et l'acidification.

L'enfouissement et la préservation de la matière organique (MO) dans les sédiments marins sont liés au cycle diagénétique de certains minéraux inorganiques. Environ 20% du carbone sédimentaire est intimement associé aux oxydes de fer réductibles (Lalonde et al., 2012). Cette  association entre le fer et la matière organique se forme à l'interface entre les zones oxiques et anoxiques des sédiments. Les complexes MO-Fe ainsi formés sont transportés jusqu'à la zone anoxique par des processus de sédimentation, d'altération physique et de bioturbation. Une fois intégrés dans la zone anoxique, ils deviennent métastables et peuvent limiter la dégradation de la MO sur des échelles de temps géologiques. Nous présentons ici les résultats d'une incubation à long-terme (400 jours) de sédiments marins dans le but d'étudier l'effet du fer sur la préservation de la MO soumise à différentes conditions rédox. De la MO planctonique fraîche et/ou du fer réactif ont été ajoutés à des sédiments du fleuve St-Laurent afin de déterminer le devenir de cette MO par la mesure de la concentration et la signature isotopique du carbone et de l'azote dans la phase solide et la phase dissoute, ainsi que différentes espèces d'azote organique et inorganique dans la phase aqueuse. Nous démontrons que le fer joue un rôle double sur la diagénèse de la MO en accélérant la dégradation de l'azote organique et en améliorant la préservation du carbone organique.

L'azote est un facteur clé dans l'eutrophisation et la sous-oxygénation des zones côtières. Seule l'élimination des formes fixées d'azote à travers la production puis la perte de N2 gazeux, permet aux systèmes de tamponner l'effet d'une charge excessive en N anthropique et de résister aux phénomènes d'eutrophisation. Dans les environnements anoxiques, la dénitrification et l'oxydation anaérobie de l'ammonium (anammox) sont deux processus qui convertissent l'azote benthique fixé en N2. Des études récentes montrent que l'hypoxie supporte la mise en place de tels processus dans les sédiments du chenal laurentien. Alors que la sous-oxygénation entraine une modification de la communauté benthique, l'impact des changements fonctionnels de la macrofaune sur les processus de nitrification, dénitrification et anammox sont mal connus. Notre objectif est de quantifier l'impact de différents groupes fonctionnels de la macrofaune benthique du St-Laurent sur le cycle de N. La complexité des interactions entre faune et processus biogéochimiques ainsi que l'hétérogénéité des sédiments naturels nous ont poussé à développer une approche expérimentale combinant incubations, micro-profils et marquages isotopiques. Les résultats de cinq traitements distincts seront présentés et analysés en termes de distribution verticale des espèces azotées, de flux à l'interface et de taux des différents processus. Des modifications importantes des processus de nitrification/dénitrification sont observées.