VARIABILITY OF PHYTOPLANKTON LIGHT ABSORPTION IN CANADIAN ARCTIC SEAS

LES CONCEPTS FONDAMENTAUX

  Les facteurs déterminants du coefficient a<p (À) sont la taille des cellules, leur forme et leur composition pigmentaire (Kirk 1984). Il est possible de diviser en deux grandes classes les groupes phytoplanctoniques d’un point de vue optique soit; le groupe des prasinophyceae et chlorophycea (pigments de ChI b + MgDVP + prasinoxanthin +néoxanthin + violaxanthin) et ensuite le groupe des bacillariophyta, dinophyta,prymnesiophycea et chrysophycea (pigments de TChl c + fucoxanthin + diadinoxanthin) (Jeffrey et al. 1997, Vidussi et al. 2004). Ces deux groupes représentent en fait les algues vertes (contenant la Chl b) et les algues brunes (contenant la Chl c). Ces deux catégories sont également reliées respectivement aux petites cellules, caractérisées par les caroténoïdes photoprotectrices (PPC), et aux grandes cellules, caractérisées par les caroténoïdes photosynthétiques (PSC) (Vitz et al. 2006, Moreno et al. 2012). La figure a illustre que les cellules de petites tailles, provenant des milieux oligotrophes, sont naturellement caractérisées par des coefficients aq, * (À) élevés. Dans les milieux eutrophes, les cellules de plus grandes tailles sont caractérisées par des coefficients aq, * (À) faibles causés par l’effet d’empilement des pigments dans la cellule. D’un point de vue saisonnier, les espèces phytoplanctoniques peuvent s’adapter aux diminutions de l’éclairement et de la disponibilité en nutriments au cours de la saison en eaux libres. Pour ce faire, le nombre de pigment par cellules augmente de même que l’effet d ’empilement diminuant ainsi les coefficients aq, *(À). La figure a montre qu’une biomasse élevée au printemps non limitée en lumière et en nutriments possède des coefficients aq, * (À) élevés. À l’automne, les facteurs limitant la croissance du phytoplancton entraîneraient également une diminution du coefficient aq> *(À). Les communautés phytoplanctoniques peuvent donc s’adapter aux milieux de faibles intensités lumineuses, si les apports en nutriments sont insuffisants (Dubinsky & Stambler 2009). Il a été observé que les proportions de xanthophylles peuvent également être plus faibles si le cycle des xanthophylles, moyen rapide de photoacclimatation (Demers et al. 1991), est moins actif (Kashino et al. 2002).

Data Sampling

  Sampling was conducted in the Hudson Bay system from 22 September to 13 October 2005 and in northern Baffin Bay, Canadian Arctic Archipelago and in theAmundsen Gulf from 19 October to 15 November 2007, onboard the icebreaker CCGS Amundsen as part of the Canadian research program ArcticNet (Figure 1). Those three aforementioned oceanographic provinces are identified as the Canadian High Arctic.Additional data were obtained in the Amundsen Gulf from 8 May to 6 July 2008 during the International Polar Year-Circumpolar-Flaw Lead system study (IPY-CFL). In the present study, spring/surnrner and faU are defmed as the time period between 8 May and 6 July and between 22 September and 15 November, respectively. At each station, the depth of the euphotic zone was determined with a Secchi disk and vertical profiles of temperature (OC), salinity (psu) and in vivo fluorescence were performed using a Sea-Bird 911 plus CTD probe equipped with a SeaPoint chlorophyll fluorometer. Water samples were collected with 12 L Niskin-type bottles (OceanTest Equipment) at three optical depths (50%, 10% and 1 % of surface irradiance), at depth of the subsurface chlorophyIl fluorescence maximum (SCM) and at 60 m. In addition, surface samples (l00% surface irradiance) were also collected using a c1ean bucket. This strategy was used for aIl cruises except for Hudson Bay system where samples were only taken at the surface. The verticallight attenuation coefficient (k in m1 ) was calculated using the formulation of Holmes [1970] expressed as k = 1.44/ZSD, where ZSD is the Secchi disk depth.

Absorption Budget

   The light absorption budget can be used to characterize the water color. This budgetis composed of the relative absorption of aq,(À), ana(À) and acdom(À) (i.e. divided by the total nonwater absorption at-w(À)). Table 2 shows that near the phytoplankton absorption maximum, at 443 nrn, the eDOM is generally the major light absorbing compound in surface waters of aU regions, with ~(443) only contributing to 11% of total nonwater absorption in the Amundsen Gulf, 21 % in the Canadian Arctic Archipelago and 28% in northern Baffin Bay. During the fall, the absorption by non algal (ana(443)) matter was relatively weak except in the Amundsen Gulf (21 %). In return, the contribution of phytoplankton to light absorption was higher (21 %) than non algal matter (7%) during spring/surnrner in this region. In the Canadian High Arctic, the important contribution of CDOl\.1 (the J’uTiuudsen Gulf == 70~ , Cilil1adian .Lt.lsctic i\.rcrJpelago == 72~1o and ncrthern Baffin Bay = 60%) reflects the global influence of freshwater pathways from Arctic rivers through the area [Macdonald et al., 2005]. In the northern Baffin Bay, surface currents bring saltier Atlantic waters along the Greenland coast while there is a sustained southerly flow of fresher water along Ellesmere Island on the western side [Melling et al., 2001] characterized by higher CDOM concentrations. Near the Amundsen Gulf, the principal source of CDOM is the Mackenzie River outflow located 200 km to the west (418 km3 il) [Carmack et al., 2004; Macdonald et al., 2005; Lammers et al., 2001]. The highest CDOM proportion in percentage was observed in the Hudson Bay system (80%), a large estuarine-like inland sea that receives 760 km3 of freshwater per year from its tributaries [Déry et al., 2011]. The aq,(443) coefficients only contributing to 13% of absorption budget in the Hudson Bay (except for station ANOl) and up to 65% in the Hudson Strait (Table 2).

Regional variability

  Spatial variability was assessed using only the data taken at the surface during the faU period in order to include the Hudson Bay. Figure 3 shows the mean specific phytoplankton absorption coefficient spectra for each province with descriptive statistics at eight Sea WiFS wavelengths. The two absorption maxima of ChI a around 440 and 675 nm are easy to identify in the acjl * (À) spectra. Absorption maxima of ChI b at 465 nm and TChl c at 461 nm [Hoepffner and Sathyendranath, 1991; Bricaud et al., 2004] combined with photoprotective carotenoids (PPC) absorption maximum at 460 nm and the photosynthetic carotenoids (PSC) absorption maximum at 490 nm [Bricaud et al. , 2004] also contribute to the observed spectral shapes. The aq. *(443) average was lower (p < 0.05) in the Canadian High Arctic than in the Hudson Bay system. In the Hudson Bay system the observed values are similar to the aq.*(443) coefficients measured in 1) the Black Sea [Dmitriev et al. , 2009], 2) the North Atlantic waters dominated by pico- and nanophytoplankton [Bricaud et al., 2004] and 3) the Labrador Sea [Cota et al. , 2003]. The spectra measured are relatively flattened in the Canadian High Arctic. Thus, the blue-to-red ratio averages aq.(443):aq.(675) are also generaUy low (Figure 4a) [Bricaud et al. , 1995; Babin et al., 2003], especially in the Amundsen Gulf (l.8, SD = 0.3) and northem Baffin Bay (1.5 , SD = 0.3) (Figure 4b). Those ratios are similar to those observed in the Atlantic sector of the Southem Ocean (1.6 – 2.2) [Bracher and Ti/zer, 2001]. The highest averaged aq.(443):aq.(675) ratios have been observed in the Canadian Arctic Archipelago (2.0, SD = 0.3) and Hudson Bay system (2.5, SD = 0.7) (Figure 5b), but that last province had a really high spatial variability (Figure 4b). Consequently, the aq.(443) and aq.(675) coefficients are weIl correlated together in the Canadian High Arctic (r2= 0.93) but not in the Hudson Bay system (r2 = 0.17).

CONCLUSION

 Cette étude a démontré que la limitation en lumière et en nutriments, les différents groupes phytoplanctoniques et la taille des cellules, en grande partie déterminés par les processus physiques, étaient les principales causes de la variabilité du coefficient a<j> * (À) dans les mers arctiques canadiennes. Les résultats soutiennent l ‘hypothèse qui stipule que lors de l’automne et de l’hiver, les cellules phytoplanctoniques s’adaptent à un milieu faible en intensité lumineuse, et en nutriments, en augmentant et réorganisant les pigments photo synthétiques à l’intérieure de la cellule (i.e. effet d ’empilement) diminuant les coefficients a<j> *(À). À ce moment, le ratio entre les caroténoïdes photoprotecteurs et photosynthétiques (PPC:PSC) est faible. Dans le Haut-Arctique canadien, les cellules phytoplanctoniques au printemps seraient moins affectées par l’effet d ’empilement ayant des coefficients a<j> * (À) significativement plus élevés et similaires aux coefficients ~ * (À) mesurés dans le système de la baie d’Hudson. Les changements imminents de l’océan Arctique (diminution de l’étendue du couvert de glace l’été, augmentation des apports en eau douce et de la stratification thermale, etc.) auront donc probablement un impact considérable sur les communautés phytoplanctoniques et la chaîne alimentaire. Nos observations permettront donc d’améliorer les modèles bio-optiques et de production primaire, utilisés dans le domaine de la télédétection des eaux arctiques.

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Table des matières

AVANT -PROPOS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
1. INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1. LA PROBLÉMATIQUE
1.2. LES OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
1.3. LES CONCEPTS FONDAMENTAUX
2. VARIABILITY OF PHYTOPLANKTON LIGHT ABSORPTION IN CANADIAN ARCTIC SEAS
2.1 INTRODUCTION
2.2 MATERIALS AND METHODS
2.2.1 Data Sampling
2.2.2. Pigment composition and taxonomy
2.2.3. Phytoplankton size structure
2.2.4. Particulate and aIgaI absorption measurements
2.2.5. Colored dissolved organic matter (CDOM) absorption measurements
2.2.6. Data processing and statisticaI analyses
2.3 RESULTS AND DISCUSSION
2.3.1. Absorption Budget
2.3.2. Regional variability
2.3.3. Vertical variability
2.3.4. Seasonality
2.4. CONCLUSION
3. CONCLUSION
4. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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