Santé et dynamique des environnements marins

Les chercheurs de l'ISMER cherchent à mieux comprendre l’évolution des environnements marins et de prédire les changements futurs dans leur fonctionnement.

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.

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COMPRENDRE LE PASSÉ POUR MIEUX PRÉDIRE L’AVENIR

Les projections du climat futur réalisées à partir de modèles numériques ont fait l'objet d'une compilation récente par le Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (GIEC). L'ensemble des modèles simule une diminution de l’étendue de la glace de mer dans l’Arctique au cours des prochaines décennies. Toutefois, les résultats illustrent une grande dispersion des projections et aucune simulation ne prédit la diminution du couvert de glace de mer telle qu'elle a été observée au cours des dernières années. De surcroît, les simulations sont réalisées sans prendre en compte le risque de fonte des calottes glaciaires actuelles, celle du Groenland notamment.

Il s'avère donc indispensable de développer des outils de validation des modèles de simulation numérique du climat et de la cryosphère. Une solution pour tester des hypothèses sur la dynamique climatique et valider les modèles développés à des fins prédictives est l'utilisation des variations climatiques passées, accessibles à partir des archives géologiques. Ces travaux, réalisés dans le cadre de programmes internationaux comme ArcticNet et Horizon 2020 (Baie de Baffin), l’International Ocean Drilling Program et l’International Continental Scientific Drilling Program, visent à comprendre la dynamique du climat et à documenter l’évolution des conditions océanographiques de surface (interactions océan-atmosphère). Ils tenteront de reconstituer l’évolution des variations climatiques et océanographiques passées à l’aide de carottes sédimentaires prélevées dans les zones d'accumulation des fonds marins et des marais côtiers en étudiant les propriétés sédimentologiques, minéralogiques, physiques, magnétiques, géochimiques et micropaléontologiques des sédiments.

Des expertises de pointe dans l’analyse des assemblages micro-faunistiques fossiles, en magnétostratigraphie, en minéralogie et en géochimie marine ont été développées au cours des dernières années et continueront d’être à l’avant‑garde. Les travaux des chercheurs de l’ISMER sont réalisés dans les hémisphères nord et sud de la planète afin de comprendre les processus et cycles naturels hémisphériques et les connexions inter-hémisphériques des différentes composantes des climats passés.

L’étude de la stratigraphie, des corps sédimentaires, des variations passées du niveau marin ainsi que de la mise en place des sédiments constituent une fenêtre sur tous les processus bio-physico-chimiques qui ont lieu sur la planète à diverses échelles de temps. Des travaux sont donc poursuivis par les chercheurs de l’ISMER dans le but de déterminer la stratigraphie des sédiments de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent, mais aussi ceux de la baie d’Hudson, de l’Arctique canadien et du golfe de San Jorge en Argentine. Ceci a pour but non seulement de reconstituer l’histoire quaternaire de façon plus complète et détaillée, mais aussi d’étudier les processus qui gouvernent les interactions inlandsis-océans durant les glaciations. Il s’agit de comprendre les mécanismes et les interactions entre plusieurs processus agissant de concert (dynamique des courants glaciaires, apports d’eaux de fonte sous-glaciaire, processus de vêlage, augmentation du niveau marin relatif, tendance au réchauffement, etc.), processus qui pourraient jouer un rôle critique dans les prochains siècles. Par ailleurs, les données stratigraphiques et sédimentologiques recueillies par les chercheurs de l’ISMER sont essentielles pour assurer l’installation et l’exploitation sécuritaire d’infrastructures pétrolières et gazières, tout en permettant de mieux définir le potentiel en hydrocarbures du golfe du Saint-Laurent, de la baie d’Hudson, de l’Arctique, et du golfe de San Jorge, en Argentine. Les données serviront non seulement de base à plusieurs autres chercheurs pour l’établissement du niveau zéro (par ex., biodiversité, aires marines protégées, etc.), mais pourront aussi être utilisées dans le futur pour évaluer les sources potentielles de pollution liées à l’exploitation pétrolière.

L’ISMER poursuivra également ses travaux en paléomagnétisme en étudiant des variations passées du champ magnétique terrestre. Sur le plan fondamental, le paléomagnétisme permet de comprendre la géodynamo interne de la Terre, processus fondamental de notre planète qui génère et maintient le champ magnétique terrestre, alors que sur le plan plus appliqué, le paléomagnétisme sert à établir la stratigraphie de séquences sédimentaires. Au cours des prochaines années, l’ISMER poursuivra des travaux en paléomagnétisme dans les deux hémisphères. Une attention particulière sera portée aux hautes latitudes (Arctique, Antarctique et Patagonie), où l’ISMER joue actuellement un rôle de leader, et aux variations rapides du champ magnétique terrestre.

En ce qui concerne l’étude des sédiments détritiques, une expertise récemment développée par les chercheurs en géologie marine inclut notamment l’étude minéralogique et géochimique de la fraction minérale du sédiment par diffraction et fluorescence aux rayons X et par spectrométrie de masse à plasma induit couplée à l’ablation laser. En effet, parmi les traceurs des transferts de particules sédimentaires allochtones, la minéralogie et géochimie des sédiments fins (<63 µm) sont des outils de grande utilité pour étudier la dynamique sédimentaire en milieu marin. La signature sédimentaire de ces traceurs varie en fonction de la lithologie et de la pétrologie des zones sources. Par ailleurs, les sédiments fins, comme les argiles et limons fins, peuvent être advectés sur de grandes distances par les rivières, courants océaniques et par le vent. Dans ce contexte, l’étude de la composition minéralogique et géochimique des sédiments détritiques permet de déterminer les zones sources du matériel terrigène, de déchiffrer les mécanismes de transport sédimentaire, de retracer la dynamique sédimentaire en milieu marin et de reconstituer les conditions hydrologiques et climatiques passées.

Une autre façon d’étudier le passé pour anticiper l’avenir est d’étudier les structures calcifiées des organismes, comme les coquilles de mollusques ou les vertèbres  et otolithes (pièces de l’oreille interne) de poissons.  Ces structures permettent de reconstruire l’histoire vécue par les organismes vivants et sont couramment utilisées pour déterminer leur âge (« sclérochronologie »).  Elles conservent des marques temporelles enregistrées au cours de la vie, et leur composition chimique (degré de calcification, concentration en minéraux traces et isotopes stables) reflète les conditions ambiantes rencontrées au cours de la croissance (température de l’eau, niveau d’alimentation, pH, teneur en oxygène dissous, composition de l’eau de mer). En utilisant la sclérochronologie et la sclérochimie, les chercheurs de l’ISMER reconstruisent le climat océanique dans lequel les organismes ont vécu.

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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.

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BIODIVERSITÉ ET POLLUTION

L’étude des processus fondamentaux implique également celle des interactions entre les espèces composant les différents niveaux trophiques, des microorganismes jusqu'aux prédateurs apicaux. Par ailleurs, les modifications des composantes biologiques dans le milieu pélagique ont une incidence sur le milieu benthique. Les études des chercheurs de l’ISMER visent à caractériser la dynamique de couplage physique/biologique structurant les relations prédateurs/proies à tous les niveaux du réseau trophique tout en considérant la variabilité des habitats benthiques et pélagiques en terme de diversité fonctionnelle et de résistance aux impacts anthropiques. L’étude des effets combinés de la hausse du CO2, de la température et de l’augmentation de l’exposition à la lumière seront une priorité pour comprendre comment le changement climatique affecte l’écosystème, et comment à son tour l’écosystème peut affecter le climat. De plus, les activités humaines sont devenues un important élément structurant les communautés algales et faunistique et sont étudiées, en même temps que les stress environnementaux, sous forme d’impacts cumulés.

Un volet « conservation » examine les conditions naturelles qui contribuent au maintien de la biodiversité via l’étude de l’adaptabilité des organismes à leur environnement et l’étude de l’écologie et de la dynamique des populations de poissons et d’invertébrés dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent. Ce volet contribue au choix des espèces exploitables par la pêche commerciale ou utilisables en fermes aquacoles. Les chercheurs y étudient les conditions optimales et critiques explicatives de l’évolution spatio-temporelle de la diversité spécifique des poissons démersaux dans le nord du golfe du Saint-Laurent et d’invertébrés benthiques et pélagiques dans l’estuaire du Saint-Laurent soumis aux conditions d’hypoxie et d’apports de contaminants. Un intérêt particulier est également porté aux espèces anadromes et catadromes qui utilisent les habitats côtiers durant certaines portions de leur cycle de vie et qui supportent des activités économiques d’importance pour plusieurs communautés côtières du Québec et de l’est du Canada. Des études poussées sur la reproduction d’invertébrés benthiques mettent également en relief les ressemblances et dissemblances des processus fonctionnels inter-espèces dans différents écosystèmes de hautes latitudes. Les résultats obtenus sont donc d’intérêt autant pour le volet conservation que pour le volet de production aquacole.

Les efforts de recherche visent également à analyser le système benthique en termes de diversité spécifique et fonctionnelle en fonction de la variabilité des habitats. Ces études permettront de modéliser l’évolution des habitats et des peuplements et de vérifier la résistance de ce système aux impacts anthropiques sous des conditions d’effets cumulés (par ex. pêches, hypoxie, pollution, acidification, bruit, etc.). De plus, les modifications côtières portent atteinte à la biodiversité marine entraînant des pertes de fonctions de l’écosystème. Ainsi, tout changement de biodiversité aura des effets, par exemple, sur les cycles de l’azote et du carbone et sur la résilience du milieu aux perturbations.

L’activité humaine innovante produit chaque année de nouvelles molécules et matériaux capables d’améliorer la qualité de vie. Ces nouveaux matériaux, souvent développés pour des besoins spécifiques, peuvent être utilisés, par la suite, dans de nombreuses applications inconnues lors de leur commercialisation initiale. Il en résulte une utilisation croissante qui conduit à la libération des nouveaux matériaux dans l’environnement, souvent sans que leurs effets toxicologiques soient connus. Les chercheurs de l’ISMER sont attentifs à la présence de nouvelles sources de pollution pour lesquelles la communauté scientifique a peu d’information sur leurs concentrations environnementales et sur leurs effets écotoxicologiques. À titre d’exemple, on peut citer les nanomatériaux de synthèse, dont la synthèse et les applications sont en croissance exponentielle, ou encore les drogues illicites dont on connait mal la distribution et les effets lorsqu’elles sont libérées dans la nature. Pour les contaminants émergents, les chercheurs de l’ISMER veulent contribuer à développer de nouvelles méthodes et techniques de caractérisation afin de mieux les mesurer et décrire leurs effets. De plus, les travaux récents en toxicologie environnementale montrent que les effets toxiques observés dans la nature proviennent de stresseurs cumulatifs qui conjuguent leurs actions en milieux naturels. Les chercheurs de l’ISMER travailleront sur l’identification et les effets des stresseurs cumulatifs dans les milieux de hautes latitudes comme l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent.

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