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Biological Understanding of the CO2 and O2 LeveL in the ocEan

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L’influence du fer sur les niveaux de CO2 dans la respiration microbienne océanique

En découvrant pour la première fois que la disponibilité du fer dans les océans influe sur les niveaux de CO2 dans la respiration microbienne, les travaux de BULLE contribuent à affiner les calculs du cycle du carbone et de l’oxygène à l’échelle planétaire.

Changement climatique et Environnement icon Changement climatique et Environnement

La majeure partie de la biomasse océanique est constituée de micro-organismes tels que le phytoplancton et de bactéries. À la surface de l’océan, le phytoplancton capte l’énergie solaire et, grâce à la photosynthèse, absorbe le dioxyde de carbone (CO2) et libère du dioxygène (O2). À l’inverse, les bactéries utilisent l’O2 pour leur croissance et libèrent du CO2 en respirant. «Environ 10 milliards de tonnes de carbone sont capturées à la surface des océans chaque année, soit la même quantité que les émissions mondiales de CO2 imputables à l’activité humaine», explique Marion Fourquez, boursière Marie Skłodowska-Curie du projet BULLE, financé par l’UE. «Mais nous ignorons ce qu’il adviendra de tout ce CO2. Au lieu d’être séquestré dans les profondeurs de l’océan par les bactéries, celles-ci pourraient le respirer.» Le «bilan métabolique» de l’océan — la différence entre le taux de piégeage du CO2 par la photosynthèse et le taux de rejet du CO2 dans l’atmosphère par la respiration — a d’importantes conséquences climatiques. «Alors que la respiration bactérienne représente environ 50 à 90 % de la respiration totale dans les océans, son rôle central dans la séquestration du CO2 océanique demeure sous-exploré», ajoute Marion Fourquez d’Aix-Marseille Université, l’hôte du projet. BULLE a évalué le «quotient respiratoire» (QR) — le rapport entre le volume de CO2 consommé et d’O2 produit, pour aider à estimer la capture du carbone océanique.

Bilan métabolique océanique

Si la photosynthèse prédomine, l’océan est dans un état «d’autotrophie» nette, où le phytoplancton produit plus d’O2 et de matière organique qu’il n’en consomme via d’autres organismes, tels que les bactéries durant la respiration. Lorsque la respiration prédomine, l’océan peut devenir un contributeur net de CO2 atmosphérique, une dynamique moins bien comprise en partie parce que les techniques traditionnelles ne peuvent mesurer correctement le CO2 libéré par la respiration microbienne. Ainsi, les taux de respiration sont toujours mesurés en tant que taux de consommation d’O2, puis convertis en taux de CO2 en appliquant un QR, la plupart des études supposant un QR fixe de 1. «La source de carbone utilisée dans la respiration bactérienne modifie théoriquement le QR, le rendant variable. Je suis partie de l’hypothèse que des voies métaboliques alternatives, peut-être en tant qu’adaptation au stress, pouvaient également affecter le QR», explique Marion Fourquez. «Nous avons été les premiers à découvrir que le QR diminue nettement lorsque les cellules bactériennes sont privées de fer — ce qui est important, car jusqu’à un tiers des océans de la planète sont pauvres en fer, ce qui crée une incertitude dans les calculs actuels du cycle du carbone.»

Études cellulaires et communautaires

BULLE a combiné différentes techniques de mesure du QR dans les bactéries marines, à la fois en laboratoire (conditions contrôlées avec plus de biomasse et donc un signal plus élevé) et sur le terrain (biomasse plus faible, donc signal plus faible détecté par les capteurs). En laboratoire, la production de CO2 et la consommation d’O2 au cours de la respiration bactérienne ont été mesurées par spectrométrie de masse à membrane. «Cette méthode n’avait jamais été utilisée auparavant, mais nous avons pu la mettre en œuvre avec plusieurs capteurs, notamment pour la température et le pH», explique Marion Fourquez. La scientifique a également mis au point une nouvelle méthode en mer, lors de l’expédition SWINGS dans l’océan Austral, en utilisant le marquage isotopique stable (13C) pour mesurer la production de CO2 et l’assimilation du carbone dans les cellules bactériennes au cours de la respiration. «Cela m’a permis de suivre le carbone de l’environnement à la cellule, puis à l’extérieur après la respiration», explique-t-elle. Pour estimer avec précision le QR sur plusieurs sites, elle a utilisé une combinaison de techniques, principalement: NanoSIMS, la spectrométrie de masse à rapport isotopique, la méthode traditionnelle de Winkler et des capteurs d’O2 modernes.

Vers une modélisation du bilan carbone mondial

L’ampleur et la variabilité de la respiration microbienne sont des facteurs de désoxygénation des océans qui réduisent la vie aquatique. D’autres pertes d’oxygène sont prévues aux latitudes moyennes et élevées, exacerbées par l’augmentation de la respiration. «Notre combinaison innovante de spectrométrie de masse et de technologies biomoléculaires peut à présent contribuer à améliorer la compréhension du cycle de l’oxygène dans l’océan», ajoute Marion Fourquez. Celle-ci a maintenant l’intention de modéliser le bilan carbone mondial, en plus de mettre au point des bio-indicateurs conviviaux destinés à surveiller et à prévenir les événements épisodiques de désoxygénation.

Mots‑clés

BULLE, photosynthèse, phytoplancton, respiration microbienne, carbone, océan, fer, oxygène, spectrométrie de masse

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