Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Réponse de la végétation riveraine et littorale aux variations forcées de niveaux d’eau lacustres dans les Laurentides méridionales

La végétation riveraine et littorale de l’est du Canada a été sévèrement altérée par la drave et plusieurs barrages lacustres subsistent, mais leurs effets et ceux de leur retrait sont peu documentés. Cette étude visait à: i) mesurer les changements de la structure et de la composition végétale des zones riveraines et littorales en fonction de l’élévation par rapport au plan d’eau, ii) évaluer le temps de retour de la végétation à son état de référence naturel suite au retrait de barrages et iii) déterminer les facteurs régissant les réponses de la végétation à ces variations de niveaux d’eau. La structure et la composition végétale suite à la restauration d’un barrage a été comparée sur deux lacs : un témoin et un comprenant quatre bassins présentant un gradient d’influence du barrage. Suite au retrait de barrage, la végétation a été examinée sur quatre lacs, dont un témoin. Les principaux facteurs qui influençaient la végétation riveraine et littorale en présence d’un barrage étaient l’élévation actuelle par rapport au lac et l’ampleur de l’influence du barrage. Suite à un démantèlement de barrage, les principaux facteurs d’influence étaient l’élévation par rapport au rivage et le nombre d’années depuis le retrait de barrage. En présence d’un barrage, la végétation riveraine était caractérisée par la transformation de hautes terres en forêt humide riveraine qui partageait des caractéristiques avec le témoin. À partir de 1 m d’élévation, la végétation était caractérisée par une forêt sèche. Dans les premières années suivant le retrait de barrage, la végétation littorale était composée d’herbiers submergés mixtes à faible densité avec une forte diversité spécifique près du rivage. La structure et la composition végétale étaient similaires au témoin après 16 ans. Il n’y avait pas d’évidence que les communautés végétales déviaient de leur trajectoire successionnelle naturelle sous l’influence des nouvelles conditions environnementales.

Influence des conditions climatiques sur la croissance du sapin baumier et de l'épinette noire

L’effet du climat sur la croissance de la végétation est depuis longtemps un fait acquis. Les changements climatiques globaux ont entrainé une augmentation des efforts de recherche sur l’impact de ces changements en milieux naturels, à la fois en termes de distribution et d’abondance des espèces, mais également à travers l’étude des rendements des espèces commerciales. La présente étude vise à déterminer, à travers l’utilisation de relevés dendrochronologiques, les effets de variables climatiques sur la croissance de l’épinette noire et du sapin baumier à l’échelle de la forêt boréale du Québec. Le but est d’identifier les principaux modificateurs climatiques responsables de la croissance des peuplements boréaux en fonction de leur âge et de leur localisation. Se focalisant sur un modèle non-linéaire des moindres carrés incorporant les modificateurs climatiques et un modificateur d’âge, la modélisation de la croissance en surface terrière en fonction de ces critères a permis de détecter des différences entre le sapin baumier et l’épinette noire. Les résultats montrent que les deux espèces réagissent surtout à la longueur de la saison de croissance et aux températures estivales maximales. L’épinette noire semble également plus sensible aux conditions de sécheresse. Les modèles basés sur l’âge ainsi que sur la localisation le long d’un gradient nord-sud révèlent quelques différences, notamment concernant la réaction plus prononcée des jeunes peuplements au climat, en particulier aux températures, tandis que les vieux peuplements sont sensibles au rayonnement solaire. L’étude démontre tout de même une relative indépendance de l’épinette vis-à-vis du gradient latitudinal, à l’inverse du sapin. Les résultats permettent de discuter des modifications de productivité de ces espèces liées à l’allongement de la saison de croissance (gain pour les deux essences) et aux températures croissantes en conjonction avec les précipitations (perte due à la sécheresse pour l’épinette), dans un contexte de changements climatiques.

Génomique des populations et association génotype-phénotype des écotypes de touladi du Lac Supérieur

L’apparition et le maintien d’écotypes adaptés à différentes niches écologiques, en situation de sympatrie, est régit par une multitude de facteurs. Ceux-ci sont essentiels pour la compréhension des processus évolutifs impliqués mais aussi pour la gestion et la conservation des populations en question. Le touladi (Salvelinus namaycush) est un salmonidé reconnu pour la présence d’écotypes liée à l’utilisation des ressources et de l’habitat à travers l’Amérique du Nord. Un total de quatre écotypes a été décrit vivant dans le lac Supérieur, se différenciant par l’habitat utilisé, l’alimentation, la morphologie ainsi que l’ostéologie. L’objectif principal de la présente étude était de quantifier l’étendue de la différentiation génétique entre les différents sites d’échantillonnage ainsi qu’entre les différents écotypes. Un second objectif était d’identifier des marqueurs potentiellement sous sélection entre les différents écotypes reflétant de possibles adaptations locales. Pour ce faire, un total de 486 individus, représentant les quatre écotypes pour chacun des quatre sites d’échantillonnages, a été génotypé à 6822 SNPs (polymorphisme de nucléotide simple). De plus, des analyses morphométriques ont été effectuées afin de caractériser l’ampleur de la divergence morphologique entre les écotypes à chacun des sites. Les résultats ont montré une différentiation génétique, bien que faible, plus prononcée entre les sites d’échantillonnage qu’entre les écotypes à chacun de ces sites. Des indices indiquant la présence de sélection divergente ont aussi été décelés entre les écotypes ou en association avec des variations morphologiques, dont certains marqueurs représentant des traits importants dans la divergence des différents écotypes. Les résultats de cette étude permettront une meilleure gestion et conservation des populations de touladi du lac Supérieur en plus d’éclairer le choix possible de populations sources pour l’ensemencement des autres Grands Lacs.

Diversité microbienne associée au cycle du méthane dans les mares de fonte du pergélisol subarctique

La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles.