Role of sediments in the nutrient cycle and impact on eutrophication of coastal ecosystems

La relation entre l'eutrophisation des fleuves Loire et Vilaine et celle de la baie de Vilaine (BV) a été étudiée en analysant les tendances du phytoplancton et des nutriments durant les dernières décennies. L’abattement des concentrations de phosphore inorganique dissous (PID) dans les fleuves a entraîné une baisse de la biomasse phytoplanctonique. Les concentrations d'azote inorganique dissous (NID) ont diminué dans la Vilaine, mais ont cependant augmenté dans la Loire, surtout en été. Simultanément, le phytoplancton dans la BV a subi des changements avec 1) une augmentation de la biomasse, 2) un déplacement du maximum annuel du printemps à l'été, 3) une modification dans l’évolution saisonnière des diatomées et des dinoflagellés. Ces résultats peuvent s’expliquer par l’augmentation des apports estivaux de NID par la Loire dans la BV, soutenue par des apports de PID et de silicates (DSi) issus du recyclage benthique. L’étude des flux benthiques de NID, PID et DSi, associée à la modélisation à l’état stable des cycles de l’azote (N) et du phosphore (P) dans les sédiments, a permis de soutenir l’hypothèse que le recyclage benthique des nutriments pouvait générer une limitation de la production phytoplanctonique par le NID dans les eaux côtières en été. En l’absence d’une baisse significative des apports fluviaux de NID, l’eutrophisation dans les eaux côtières risque de se maintenir, notamment en période estivale, du fait du recyclage interne, en particulier de PID et DSi, par les sédiments. Le travail de modélisation réalisé permettra d’optimiser le modèle ECO-MARS3D et de mieux simuler les réponses des écosystèmes côtiers aux scénarios d’abattement de NID et PID dans les eaux fluviales.Eutrophication was studied in the coastal waters of Vilaine Bay (VB) in relation to that in the Loire and Vilaine rivers, by analyzing long-term trends of phytoplankton biomass and nutrient concentrations during the past decades. The reduction in dissolved riverine inorganic phosphorus concentrations (DIP) during the last two decades led to the significant decrease in chlorophyll a concentrations. However, dissolved inorganic nitrogen concentrations (DIN) decreased only slightly in the Vilaine and actually increased in the Loire, especially during summer. Simultaneously, phytoplankton in VB has undergone the following changes: 1) increase in biomass, 2) change in timing of the annual peak of biomass from spring to summer, 3) modification in seasonal course of diatoms and dinoflagellates. These results can be explained by increased summer DIN loads from the Loire, sustained by internal regeneration of DIP and dissolved silicate (DSi) from sediments. The study of benthic fluxes of DIN, DIP and DSi in VB, combined with steady state modeling of nitrogen (N) and phosphorus (P) cycles in sediments support the hypothesis that benthic nutrient regeneration could induce DIN limitation in coastal waters in summer. If DIN fluvial loads do not decrease significantly, eutrophication in VB coastal waters is likely to continue due to internal nutrient input, especially PID and DSi from sediments particularly during summer periods. The steady state modeling performed in this work should enable improvements of the existing ECO-MARS3D model and better simulation of coastal ecosystems responses to DIN and DIP reduction scenarios in river waters