L’océan, qui contient environ 50 fois plus de carbone que l’atmosphère, joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de notre planète en étant un vecteur important du contrôle du CO2 atmosphérique. De nombreux processus sont à l’œuvre pour faire de l’océan un véritable puits de carbone naturel capable d’absorber, de transférer puis de stocker ce CO2 atmosphérique dans les grandes profondeurs océaniques. À l’lnstitut de Recherche pour le Développement au sein de l’Institut Méditerranéen d’Océanologie de Marseille, Ambroise Delisée étudie la capacité de l’océan tropical à séquestrer du CO2 par voie biologique grâce aux diazotrophes. Sa thèse, effectuée dans le cadre du projet européen ERC HOPE et financée pour trois ans par le Programme Prioritaire de Recherche « Océan et Climat », doit permettre à terme d’améliorer les prévisions sur le rôle de l’océan, actuel et futur, dans l’atténuation du changement climatique.
par Carole Saout-Grit
Photo de couverture : Efflorescence de diazotrophes (Trichodesmium) dans la mer de Corail, capturée le 1er septembre 2019 par le satellite Landsat 8. ©️Joshua Stevens/NASA
Depuis le début de l’ère industrielle, l’océan a absorbé près de 25% de nos émissions de CO2, lui conférant le rôle de modérateur du changement climatique. L’absorption du CO2 atmosphérique par l’océan se fait naturellement dans la couche de surface océanique, par dissolution chimique dans l’eau de mer. Le transfert du carbone de la surface vers les grandes profondeurs s’opère ensuite soit grâce aux courants marins, par l’intermédiaire d’une pompe à carbone dite « physique », soit grâce à la vie marine, via une pompe à carbone dite « biologique ». L’intensité de cette pompe biologique dépend fortement de l’activité de la vie marine, et notamment de la vitalité du phytoplancton situé à la base de la chaîne alimentaire.
Les diazotrophes, fertilisateurs naturels des océans tropicaux
Dans la couche éclairée de l’océan, une grande partie du CO2 est assimilée par le phytoplancton. Ces micro-organismes marins, invisibles à l’œil nu et en capacité de faire de la photosynthèse, convertissent le CO2 dissous en une forme de carbone organique. Ce processus est à la base de la pompe biologique à carbone dans l’océan et du transfert de CO2de la surface vers les plus grandes profondeurs.
Mais s’il a besoin de lumière pour réaliser la photosynthèse, le phytoplancton a aussi besoin d’azote, un élément nutritif essentiel à son développement. Cet azote est pourtant souvent limitant dans l’océan : les littoraux en reçoivent de l’azote par le biais des rivières ou des remontées d’eaux profondes qui en sont riches, mais la plus grande partie de l’océan au large ne bénéficie pas de ces sources.
Diazotrophe Trichodesmium spp. Vue en microscopie à épifluorescence. © S. Bonnet
L’océan tropical en particulier, avec ses eaux de surface chaudes et un faible mélange vertical avec les eaux profondes, est souvent qualifié de « désert océanique » pauvre en azote. Heureusement d’autres minuscules créatures existent pour pallier ce déficit : les diazotrophes. Comme leur nom le suggère, les diazotrophes sont des micro-organismes marins capables de fixer l’azote atmosphérique et de le transformer en azote disponible pour le phytoplancton. Ils fertilisent naturellement les océans tropicaux et soutiennent fortement la croissance du phytoplancton, activant ainsi la pompe biologique à carbone de manière significative.
Un processus hautement dynamique dans l’océan tropical
L’océan tropical situé entre 30°N et 30°S représente près de 50% de l’océan mondial. Dans cette région, les diazotrophes jouent un rôle majeur notamment pendant l’été austral, entre novembre et avril. Durant cette période, ces micro-organismes génèrent de majestueuses efflorescences et agissent comme un engrais naturel, stimulant la chaîne alimentaire et la pompe à carbone.
Mais l’intensité de cette pompe biologique à carbone dans l’océan tropical est encore mal comprise. Les voies biologiques et physiques permettant l’export des diazotrophes vers l’océan profond sont multiples et complexes, leur quantification et leurs facteurs de variabilité sont très difficiles à appréhender avec les méthodes actuelles de mesure dans l’océan.
Dans le cadre du projet ERC HOPE porté par l’IRD (Institut de Recherche pour le Développement, responsable scientifique Sophie Bonnet) à l’Institut Méditerranéen d’Océanologie (MIO) de Marseille, Ambroise Delisée se penche sur cette problématique. Il mène un programme d’expérimentations et de travaux scientifiques sur trois ans pour tenter de décrypter les mécanismes à l’œuvre dans l’une des voies d’export du carbone vers les profondeurs par la pompe biologique : celle d’une voie directe impliquant les diazotrophes eux-mêmes, récemment mise en évidence et encore peu connue.
©️ Ambroise Delisée
Une approche multidisciplinaire innovante
À l’interface entre la microbiologie, la géochimie, la physique et la technologie des capteurs innovants, les travaux menés par Ambroise Delisée ont pour ambition de faire avancer les connaissances sur l’intensité de la pompe biologique à carbone par les diazotrophes dans l’océan tropical grâce à une approche multidisciplinaire innovante. Ils s’articulent autour de trois objectifs scientifiques :
- Identifier les vitesses de chute de particules dérivées de diazotrophes et leurs facteurs de contrôle, en analysant la façon dont les différents diazotrophes s’agrègent, coulent et sont reminéralisés dans l’océan. Pour cela, Ambroise utilise une colonne d’eau expérimentale automatisée de 6 mètres de hauteur spécialement conçue pour ce projet.
- Comprendre la façon dont l’écosystème de surface façonne la qualité et la quantité de cet export, et comment les facteurs environnementaux contrôlent l’export des diazotrophes en surface. Pour cela, une bouée profileuse autonome et multi-instrumentée (« Smart buoy ») est déployée, en complément d’un quadrillage de mouillages fixes en réseau.
- Mesurer la contribution des vitesses verticales océaniques et le rôle des processus physiques dans le transport additionnel de carbone vers l’océan profond. Pour cela, les vitesses verticales sont mesurées dans l’océan grâce à l’analyse simultanée de structures physiques de petite échelle (tourbillons et fronts) et de mesures biogéochimiques collectées lors d’expéditions océanographiques menées en outre-mer, et dans le Pacifique Sud en particulier.
Déploiement d’une bouée profileuse autonome et multi-instrumentée (« Smart buoy ») – Projet ERC HOPE
Une thèse inscrite au sein d’un programme international d’envergure
Financée pour la période 2024-2027 par le PPR Océan et Climat, la thèse d’Ambroise Delisée est supervisée par Sophie Bonnet (directrice de recherche) et Anne Petrenko (maître de conférence) au laboratoire MIO de l’Université Aix-Marseille. Plus largement, ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet HOPE financé par le European Research Council (ERC) et porté depuis 2024 par Sophie Bonnet et l’IRD à Nouméa en Nouvelle-Calédonie.
Le projet HOPE vise à étudier la capacité des océans tropicaux à séquestrer du CO2 et a permis le déploiement dans le Pacifique Sud d’une très grande bouée instrumentée intelligente inédite. D’un diamètre de cinq mètres et munie de nombreux capteurs innovants, cette bouée permet d’échantillonner simultanément l’océan en surface et en profondeur toutes les quatre heures pendant quatre ans, avec envoi des données en temps réel aux océanographes à terre.
Ambroise à bord d’un navire océanographique durant la campagne en mer ©️A.Delisée
De nombreux travaux ont été réalisés par Ambroise durant cette première année de thèse, notamment 4 campagnes en mer et des visites régulières à la bouée HOPE. La saisonnalité des blooms diazotrophes a amené Ambroise à réaliser de nombreuses expériences de terrain et à interrompre temporairement les traitements de données. Bien que de nombreux résultats soient encore en cours d’analyse, tous les volets sont amorcés et laissent entrevoir de nombreuses perspectives de recherche durant les deux ans à venir.
Trois questions à Ambroise Delisée
Pourquoi avoir voulu faire une thèse en sciences marines ?
L’océan a toujours été un fil conducteur pour moi. Plus j’avançais dans mes études, plus je réalisais que c’est un acteur clé du système planétaire, capable d’absorber et de stocker une part importante du carbone. J’ai voulu faire une thèse en sciences marines pour aller au cœur de ces processus, combiner terrain, expériences et analyse de données, et produire des résultats utiles pour mieux anticiper l’évolution du climat.
Qu’est-ce qui t’a donné envie quand tu as postulé à ce sujet de thèse ? Quelles étaient tes motivations ?
Je voulais absolument travailler sur la pompe biologique à carbone à l’échelle mondiale, parce que c’est l’un des mécanismes majeurs qui relie directement l’océan au climat. Le sujet me motivait aussi par sa dimension « processus” : comprendre ce qui contrôle l’export de carbone, à quelles échelles, et avec quelles incertitudes. Enfin, l’approche du projet correspondait exactement à ce que j’avais envie de faire.
Comment imagines-tu ton futur après cette thèse ?
Après la thèse, j’aimerais faire un postdoctorat toujours centré sur la pompe biologique à carbone, idéalement en élargissant encore l’échelle. À plus long terme, mon objectif est de devenir chercheur, pour continuer à développer des projets sur ces questions et contribuer à la recherche sur le climat et l’océan.
Référence : Ambroise Delisée, « DIAZO-PUMP : Rôle des diazotrophes dans la pompe biologique à carbone : déchiffrage des voies d’export biologiques (pompe gravitationnelle) et physiques (vitesses verticales) grâce à un couplage de méthodes/capteurs innovants opérant à haute fréquence », thèse 2024-2027
Contact : ambroise.delisee@mio.osupytheas.fr