Ecological trajectories of phytoplankton communities in Mediterranean coastal lagoons during ecosystem restoration

A l’interface entre les milieux marins et continentaux, les lagunes côtières sont des écosystèmes très diversifiés et figurent parmi les milieux les plus productifs. Leur confinement les rend particulièrement vulnérables aux apports nutritifs qu’elles tendent à concentrer. En Languedoc-Roussillon, les lagunes ont été profondément dégradées par les pressions anthropiques, en particulier le complexe des étangs palavasiens qui a souffert d’un enrichissement nutritif intensif provenant des effluents de la station de traitement des eaux de l’agglomération montpelliéraine. Cet enrichissement a engendré un gradient d’eutrophisation dans ces huit lagunes, de la méso- à l’hypertrophie, altérant profondément la structure des producteurs primaires vers une dominance du compartiment phytoplanctonique.Le phytoplancton témoigne d’une réponse rapide à la variabilité environnementale, et son importante diversité spécifique et fonctionnelle reflète une grande diversité de processus écologiques et de fonctionnement écosystémiques. Grâce à ces caractéristiques, ce compartiment a été largement utilisé comme un indicateur du fonctionnement des écosystèmes aquatiques.Depuis décembre 2005, les effluents responsables de l’eutrophisation des lagunes palavasiennes ont été déviés en mer Méditerranée. Cette mesure a réduit de 70 à 83 % les apports en phosphore et azote inorganiques aux lagunes, initiant un processus de restauration écologique. Cette thèse vise à mieux comprendre les processus de restauration des lagunes méditerranéennes au travers de l’étude des trajectoires d’évolution des communautés phytoplanctoniques.L’analyse de 14 ans de données de 2000 à 2013 a permis de montrer que la restauration des lagunes a entrainé une amélioration de la qualité de l’eau principalement liée à la réduction drastique de la biomasse phytoplanctonique. Cette réduction a illustré la chute des abondances de Diatomées (3-5 µm), qui étaient particulièrement favorisées par les apports nutritifs diffus provenant des effluents. L’analyse des trajectoires des communautés phytoplanctoniques depuis la réduction des apports a mis en évidence une modification de leur composition exprimée par une hausse des abondances des Algues vertes et des Dinophytes. Cette modification reflète le changement de l’origine et de la forme des nutriments disponibles induit par la re-oligotrophisation. Elle traduit l’importance des flux d’ammonium et de phosphates sédimentaires dans les lagunes en voie de restauration, pour lesquels les Algues vertes sont très compétitives, et l’importance des stocks de matière organique favorisant les espèces mixotrophes. Le picophytoplancton qui dominait exclusivement les communautés est aujourd’hui transitoirement remplacé par le nano- et le microphytoplancton au cours des efflorescences saisonnières. La variabilité saisonnière de la diversité taxonomique et fonctionnelle (taille cellulaire, régime trophique, croissance) des communautés phytoplanctoniques de deux lagunes du complexe des étangs palavasiens aux niveaux trophiques contrastés a été approfondie, et comparée à celle d’une lagune oligotrophe. Cette analyse a mis en évidence des particularités des communautés, témoignant de fonctionnements écologiques distincts principalement liés à la dégradation des lagunes par l’eutrophisation. Les résultats de cette thèse indiquent que les processus de restauration restent inachevés. La biomasse phytoplanctonique tend à ré-augmenter depuis 2012 en réponse à des conditions climatiques favorables. Le phytoplancton des lagunes palavasiennes réponds toujours fortement à un pulse nutritif, illustrant la vulnérabilité de ces lagunes vis-à-vis de l’enrichissement d’origine anthropique.Located at the interface between marine and continental systems, coastal lagoons are among the most diverse and productive ecosystems. These semi-enclosed ecosystems are very vulnerable to nutrient enrichment. In the Languedoc-Roussillon region, anthropogenic pressures have profoundly damaged the coastal lagoons, especially those belonging to the Palavasian complex close to Montpellier. The latter lagoons have been affected by high nutrient loadings from the sewage treatment plant of the Montpellier agglomeration. This resulted in a trophic gradient among the eight lagoons in the complex, from mesotrophy to hypertrophy, with altered primary producer communities by favoring the predominance of the phytoplankton compartment.The phytoplankton responds very fast to environmental variability. The high specific and functional diversity of the phytoplankton carries information regarding the different ecological processes and ecosystem functioning. Hence, phytoplankton has been widely used as an efficient indicator of aquatic ecosystems functioning.In December 2005, the effluents responsible of the eutrophication of the Palavasian lagoons were diverted into the Mediterranean Sea. This measure resulted in a reduction of the inorganic phosphorous and nitrogen loadings to the lagoons from 70 to 83 %, respectively, and initiated a process of ecological restoration. This thesis aimed to improve the understanding of the restoration process of Mediterranean coastal lagoons by studying phytoplankton communities’ trajectories.The analysis of a database comprising fourteen years of observations from 2000 to 2013 established that the restoration of coastal lagoons gave rise to an improvement of the water quality, linked to a drastic reduction of phytoplankton biomass. The time series showed a sharp drop of the Diatoms (3-5 µm), which before the diversion had been particularly enhanced by the nutrient inputs from the effluents. The analysis of phytoplankton trajectories since the nutrient inputs reduction showed a modification of phytoplankton community composition characterized by an increase of the abundances of Green algae and Dinophytes. This modification reflects the change of the origin and the form of available nutrients caused by the re-oligotrophication. It especially emphasizes the importance of benthic fluxes of phosphate and ammonium, for which Green algae are the most competitive. In addition, the benthic stocks of organic matter may represent a resource for mixotrophic species. Picophytoplankton, which was exclusively dominant in the Palavasian lagoons before the diversion, is now temporarily replaced by nano- and microphytoplankton during seasonal blooms. This is related to their specific strategies to acquire and use nutrients. The seasonal variability of taxonomic and functional phytoplankton diversity (cell size, trophic regime, growth) of two lagoons from the Palavasian complex with contrasted trophic status was studied in more detail, and compared to that of an oligotrophic lagoon. This study showed some particularities of the phytoplankton communities to fit to distinct ecosystem functioning, which can be linked to the degradation caused by eutrophication. The restoration is still unfinished today. The phytoplankton biomass increases since 2012 in response to suitable climatic conditions. The phytoplankton of the Palavasian lagoons still quickly responds to a nutrient pulse, highlighting the lagoon vulnerability to an anthropogenic nutrient input