Santé et dynamique des environnements marins

Il existe un vaste consensus au sein de la communauté scientifique reconnaissant que les émissions des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone –CO2 – et méthane) ont sensiblement contribué à la modification du climat de notre planète depuis le début de l’ère industrielle. Ce consensus est fondé non seulement sur des modélisations numériques, mais aussi sur des résultats d’analyse de séries chronologiques provenant de longues séries temporelles.

L’étude concertée des changements climatiques à l’échelle planétaire a mis en évidence l’existence de liens étroits et complexes entre les différentes sphères du système climatique (hydrosphère, lithosphère, atmosphère, biosphère, cryosphère). Les effets parfois brutaux des changements climatiques apportent aux milieux côtiers toute une panoplie de nouveaux stresseurs physiques qui s’ajoutent aux menaces qui pesaient déjà sur ces milieux à cause des intenses activités humaines depuis le transport maritime jusqu’aux rejets d’eaux usées toxiques.

De leur côté, les écosystèmes côtiers semblent être plus adaptés à subir des fluctuations physiques et chimiques beaucoup plus intenses que le milieu océanique. Ces environnements demandent des études plus poussées et plus détaillées afin de déterminer les seuils de tolérance des différentes espèces marines par rapport aux prévisions liées au changement climatique. De nouvelles menaces émergent, comme, par exemple l’utilisation récente, mais largement répandue, des nanoparticules dans de nombreux procédés industriels, nanoparticules qui se retrouvent dans les sédiments estuariens et marins et dont les effets sont encore peu connus. Bien sûr, tous ces phénomènes ont des effets sur la biodiversité.

Selon l’Union internationale pour la Conservation de la Nature (UICN) et le Census of Marine Life (réseau de recherche auquel l’ISMER a participé activement), le rythme de disparitions des espèces est actuellement inquiétant. Au cours de la dernière décennie, ces disparitions se sont accentuées de telle sorte que le rythme auquel les espèces disparaissent est maintenant supérieur au rythme de découvertes de nouvelles espèces. Les changements de biodiversité, la protection, la conservation et la valorisation sont ainsi devenus les mots clés qui orientent les activités de recherche dans le vaste domaine de connaissance que constituent l’écotoxicologie marine, les impacts cumulés et l’évaluation des risques environnementaux.

Dans ce contexte, les chercheurs de l’ISMER tentent de mieux comprendre l’évolution des environnements marins et de prédire les changements futurs dans leur fonctionnement. Leurs actions s’insèrent à différents niveaux organisationnels.

Les grands processus fondamentaux à la base du fonctionnement des écosystèmes

Les chercheurs de l’ISMER favorisent une approche holistique permettant l’intégration des composantes biologique, géologique et chimique aux modèles régionaux et climatiques, conformément aux problématiques de recherche définies dans les grands programmes nationaux et internationaux, comme ARTICNET, CHONeII, ASP-ICE, BeBest et Past4Future, approche qui inclut l’effet global de l’activité humaine sur les écosystèmes.

La connaissance des variations des conditions physiques et dynamiques du milieu (température, stratification, courants, glaces, éclairements, intensité de la lumière réfléchie), concentration du carbone organique dissous (COD), flux de CO2, pénétration des rayons ultraviolets, fonte du pergélisol et remise en suspension des hydrates de méthane, etc., permettront de caractériser les couplages étroits qui existent entre les processus physiques et biologiques. La production des écosystèmes pélagiques et benthiques marins (structure et abondance de la biomasse) et des flux de carbone associés aux mers glacées de l’est du Canada (golfe du Saint-Laurent, baie d’Hudson, mer de Baffin) est étudiée dans le contexte des changements climatiques à l’aide des outils de modélisation, de prises de mesures in situ, de l’expérimentation avec des écosystèmes simulés (mésocosmes) et de l’expertise disponible à l’ISMER.

L’océan est un fluide turbulent en mouvement à différentes échelles spatiales et temporelles qui interagissent entre elles, allant de la circulation à l’échelle des bassins océaniques jusqu’aux plus petits tourbillons de l’ordre du centimètre. Cependant, les modèles numériques de la circulation océanique globale utilisés pour prédire les changements climatiques ne peuvent résoudre les échelles horizontales inférieures à quelques dizaines de kilomètres. Même les modèles numériques régionaux sont limités à des échelles supérieures à quelques centaines de mètres. Les effets collectifs des échelles non résolues sur les plus grandes échelles sont représentés par des paramétrages assez crus, qui souvent ne prennent pas en compte la dynamique des mouvements non-résolus. Les chercheurs de l’ISMER tentent donc de comprendre la dynamique fondamentale des processus physiques tels que les vagues et leurs interactions avec la glace de mer, la turbulence quasi-géostrophique à méso- et subméso-échelles, la turbulence à petites échelles, les ondes internes et la convection dans les milieux côtiers et océaniques. Les moyens mis en œuvre incluent les mesures en mer, la télédétection, les expériences de laboratoire et de modélisations numériques, et le développement de nouvelles théories.

Une composante essentielle de la dynamique complexe du carbone organique marin et des éléments nutritifs est la photochimie du carbone organique chromophorique (« la matière organique colorée ») dissous et particulaire (CDOM et CPOM). Les systèmes marins nordiques, incluant l’océan Arctique et le système estuarien du Saint-Laurent, sont des environnements propices pour étudier la photochimie de la matière organique en relation avec les changements climatiques. Ceux-ci provoquent, entre autres, un accroissement des apports en eau douce et en matière organique à la surface des mers nordiques, augmentant ainsi la stratification de la colonne d’eau et la concentration des substrats organiques. L’accroissement combiné des rayons ultraviolets (UV), de l’apport de matière organique et de la stratification de la colonne d’eau amplifie de façon synergique la possibilité d’oxydation de la matière organique chromophorique. L’objectif des recherches à l’ISMER dans ce domaine est d’évaluer comment la photochimie de la matière organique peut affecter le fonctionnement des écosystèmes marins nordiques dans un contexte de changements climatiques. Entre autres, on cherchera à comprendre l’influence de la photochimie du CDOM et du CPOM sur le cycle des gaz en traces (comme le monoxyde de carbone, CO, et le sulfure de diméthyle, DMS) et sur le cycle de l’azote. On examinera aussi les implications de l’activité photochimique dans la glace de mer sur le cycle du carbone océanique. On suivra également la distribution des concentrations de méthane à la fois dans l’eau et l’air des régions arctiques et subarctiques canadiennes afin d’identifier des « points chauds » associés à la fonte du permafrost, à la déstabilisation des hydrates de méthane et l’infiltration d’hydrocarbures sous-marins.

Les évidences scientifiques d’hypoxie, d’eutrophisation et d’acidification dans les eaux côtières à travers le monde, incluant l’estuaire maritime et le golfe du Saint-Laurent, ont augmenté ces dernières décennies. Environ 40% de la population mondiale habite près des côtes, ce qui provoque diverses sources de stress anthropique dans les écosystèmes côtiers qui, à leur tour, rendent des biens et services aux industries et communautés locales. La charge excessive de nutriments, comme l’azote et le phosphore, dans les bassins versants accélère la production algale et la décomposition de la matière organique, provoquant ainsi une plus forte consommation d’oxygène et production de CO2 et favorisant l’hypoxie et l’acidification dans les eaux côtières. Divers autres changements environnementaux, par exemple la hausse de température et les changements de circulation des masses d’eau, contribuent aussi à ces effets. De plus, la solubilité plus élevée du CO2 aux basses températures implique que les régions en haute latitude sont naturellement plus sensibles à l’acidification, ce qui a des conséquences négatives tant sur les organismes calcifiants que non-calcifiants.

Les sédiments sont un site important pour la reminéralisation de la matière organique et des nutriments dans les écosystèmes des marges océaniques. Les cycles d’éléments dans ces sédiments sont dominés par des réactions chimiques, souvent induites par des bactéries, et ils sont fortement influencés par les activités de la macrofaune et la composition de l’eau de fond. En même temps, la composition de cette eau est directement affectée par la production ou la consommation de composés dissous dans le fond marin par ces réactions chimiques. Les chercheurs de l’ISMER visent à étudier les mécanismes de rétroaction dans le couplage entre les domaines benthique et pélagique qui peuvent produire des changements environnementaux dans les écosystèmes côtiers. Entre autres, une attention particulière est portée à la respiration benthique et la reminéralisation de l’azote afin de mieux comprendre le rôle des sédiments dans le métabolisme net, le bilan de nutriments, et l’appauvrissement en oxygène dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent. L’étude de la sensibilité des processus benthiques à l’eutrophisation permettra de prédire comment le rôle des sédiments dans un écosystème pourra être modifié par les changements environnementaux. Les chercheurs s’intéressent aussi à la production de CO2 et d’alcalinité dans les sédiments côtiers, production qui affecte les échanges de CO2 à l’interface eau-atmosphère. Il importe donc de quantifier ces flux et de connaître leurs sources et leur variabilité spatio-temporelle.

Une étude exhaustive des processus océanographiques fondamentaux implique l’observation de différents types d’écosystèmes à partir des systèmes côtiers (estuaire et golfe du Saint-Laurent, fjord du Saguenay, baie d’Hudson¸ baie de Baffin, golfe de San Jorge) jusqu’aux environnements polaires, avec une attention particulière portée sur les milieux critiques (par ex., marais côtiers, lagunes, et zones de protection marine). Un regard attentif est porté à l’évolution de la zone côtière, en particulier l’érosion littorale, afin de pouvoir prédire son impact sur les écosystèmes et les infrastructures littorales. L’évaluation qui sera réalisée de la fréquence de certains risques naturels comme les crues, les tempêtes, les glissements de terrains et les tremblements de terre au cours des derniers millénaires est cruciale pour une modélisation juste de leurs impacts.

Les chercheurs de l’ISMER s’intéressent également aux effets des apports en nutriments et de l’eutrophisation dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent ainsi qu’à la diversité des communautés bactériennes marines et à leur dynamique dans le cycle de l’azote dans les marais côtiers. Ces marais, hôtes d’une communauté benthique abondante, sont des zones critiques car les échanges d’eau y demeurent limités et ils sont soumis à des apports importants d’azote anthropique provenant d’un développement intensif de l’agriculture et des rejets urbains et industriels. La prévision du devenir de ces marais à la suite des bouleversements climatiques en cours passe par la compréhension des échanges des espèces de l’azote entre l’estuaire du Saint-Laurent et les marais côtiers qui le bordent pour en déterminer l’impact sur l’ensemble du biogéocycle de l’azote dans le système Saint-Laurent.

La matière organique dissoute, comme les substances humiques, contrôle en partie la lumière pénétrant la zone photique, en affectant l’intensité et la composition spectrale du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) ainsi que le rayonnement UV. Ces substances, produites par une grande diversité de réactions biogéochimiques conduisent à une « mutation chimique » des biopolymères naturels (lipides, protéines, sucres) synthétisés par les organismes. Les molécules transformées forment les substances humiques. Elles ouvrent un nouveau champ de formes et de réactivités chimiques qui réécrit le devenir de la matière organique dans l’environnement. Comme l’abondance de ces substances est reliée au bon fonctionnement des écosystèmes, les chercheurs de l’ISMER s’efforceront de comprendre les effets des changements globaux sur les services d’écosystèmes associés à ces substances. Par exemple, si un réchauffement climatique produit des climats plus chauds et secs, cela entraînera moins de drainage de substances humiques vers les écosystèmes aquatiques, ce qui affectera les caractéristiques physico-chimiques de l’eau. L’effet de filtre solaire associé à la présence des substances humiques en sera modifié. Ces substances humiques peuvent aussi avoir des effets indésirables, comme favoriser le développement d’efflorescences d’algues nuisibles ou toxiques.

Des découvertes récentes concernant le cycle du carbone font aussi partie des intérêts des chercheurs de l’ISMER. En particulier, la production et l’importance des particules exopolymériques produites par le phytoplancton et les bactéries semblent jouer un rôle central dans les flux de carbone à l’intérieur de la colonne d’eau. Ces particules pourraient entraîner, dans le futur, une augmentation importante de l’intensité du pompage biologique du gaz carbonique dans l’océan. Le système du Saint-Laurent, l’un des plus grands de la planète, pourrait contribuer de façon non négligeable aux flux globaux de carbone, mais cette contribution reste très peu connue.