Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

Dans les vastes couches supérieures et ensoleillées de l'océan, de minuscules plantes appelées phytoplancton croissent et se multiplient, formant la base de la chaîne alimentaire marine. Lorsque ces organismes meurent, ou lorsque les animaux les consomment et produisent des déchets, ce matériel organique coule comme des flocons de neige vers les profondeurs sombres. En tombant, les bactéries et d'autres microbes le décomposent, un processus qui consomme de l'oxygène. Dans la plupart des parties de l'océan, cet oxygène est rapidement reconstitué par les courants et le mélange des eaux. Cependant, dans certaines régions proches de l'équateur, l'eau est si stable et la consommation d'oxygène si intense qu'une épaisse couche d'eau se forme là où l'oxygène est presque absent. Les scientifiques appellent ces zones appelées zones de déficit d'oxygène. Dans ces environnements sombres et sans air, un autre type de vie microbienne prend le relais. Au lieu de respirer l'oxygène, ces microbes utilisent des composés azotés pour survivre, un processus qui libère finalement du gaz d'azote dans l'atmosphère. Cette élimination de l'azote est une partie critique de la chimie de l'océan, agissant comme un frein sur la quantité de vie végétale que l'océan peut supporter à l'échelle mondiale.

Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de comprendre exactement quelle quantité d'azote est perdue dans ces zones et d'où provient le carburant de ce processus. La vision prédominante était que la perte d'azote est principalement pilotée par la matière organique qui coule de la surface ensoleillée, tel une pluie constante de plantes et d'animaux morts tombant d'en haut. Pour mesurer cela, les chercheurs ont traditionnellement utilisé des pièges amarrés à long terme qui reposent sur le fond de l'océan ou dérivent à des profondeurs fixes, collectant ces débris tombants sur des semaines ou des mois. Cependant, ces déploiements prolongés ont tendance à lisser les poussées d'activité à court terme qui pourraient être cruciales pour le système. De plus, ramener des échantillons d'eau de ces zones profondes et privées d'oxygène vers la surface pour analyse est notoirement difficile ; dès que l'eau touche l'air, elle peut être contaminée par l'oxygène, ruinant l'équilibre chimique délicat nécessaire à l'étude des microbes qu'elle contient.

Une équipe de chercheurs dirigée par Megan Duffy a entrepris de résoudre ces problèmes en emportant le laboratoire dans l'océan profond, plutôt que de ramener l'océan profond au laboratoire. Ils ont déployé un nouveau type d'instrument dans le Pacifique Nord-Est tropical, qui abrite la plus grande zone de déficit d'oxygène au monde. Ces instruments étaient des pièges à sédiments sophistiqués, flottants et équipés de chambres d'incubation. Au lieu de simplement collecter les particules en chute, ces pièges pouvaient fermer leurs portes à une profondeur spécifique, emprisonner l'eau et les particules en mouvement à l'intérieur, puis injecter un traceur spécial pour mesurer la vitesse à laquelle les microbes convertissent l'azote en gaz, tout en restant sous la pression froide, sombre et sans oxygène de leur habitat naturel. L'équipe a mené ces expériences au cours de trois croisières distinctes en 2017, 2018 et 2019, capturant des données à diverses profondeurs au sein de la couche appauvrie en oxygène.

Les résultats ont révélé une image de l'océan bien plus dynamique et surprenante que ne le prédisaient les modèles standards. Les chercheurs ont découvert que le flux de particules en chute ne suivait pas la diminution lisse et prévisible qui était attendue depuis des décennies. Au lieu de simplement s'amincir en tombant plus profondément, la quantité de matière organique augmentait en fait à certaines profondeurs au sein de la zone déficiente en oxygène. Ce « flux inversé » signifiait que de la matière organique fraîche était injectée au milieu de la zone sombre à partir de sources situées directement là, dans l'eau, plutôt que de simplement tomber de la surface. L'équipe a identifié deux sources principales pour cette production locale. Premièrement, au sommet de la zone de déficit d'oxygène, une couche secondaire d'algues vertes, spécifiquement un type de cyanobactérie adapté à la faible luminosité, poussait et ajoutait du matériel frais au courant descendant. Deuxièmement, plus bas, des animaux migrateurs comme le zooplancton et de petits poissons se déplaçant de haut en bas dans la colonne d'eau, libéraient des déchets et des fragments qui ajoutaient à la matière organique à ces profondeurs spécifiques.

Lorsque les chercheurs ont mesuré le taux de production de gaz d'azote, ils ont constaté que ces sources locales de matière organique alimentaient le processus plus qu'on ne le pensait auparavant. Les expériences ont montré que les microbes vivant sur les particules en chute étaient responsables d'une part massive de la perte d'azote. En fait, les taux de production d'azote mesurés directement dans l'océan profond étaient plus élevés que ceux mesurés dans des études précédentes qui reposaient sur le remontage d'échantillons d'eau vers la surface. Cela suggère que les méthodes d'échantillonnage traditionnelles auraient pu manquer les points chauds les plus actifs de la vie microbienne, probablement parce que les grosses particules qui alimentent ces réactions coulent trop vite pour être capturées dans les bouteilles d'échantillonnage d'eau standard. En gardant les particules et l'eau ensemble dans leur environnement naturel, les nouveaux pièges ont capturé l'intensité réelle de l'activité biologique.

L'étude a également remis en question l'idée que la quantité d'azote perdue est strictement liée à la quantité de vie végétale qui croît à la surface même de l'océan. Bien que la productivité de surface soit importante, les chercheurs ont constaté que le flux descendant de particules restait souvent constant, même lorsque la croissance en surface variait considérablement. C'est parce que le système est alimenté non seulement par ce qui tombe d'en haut, mais aussi par ce qui est créé au sein même de la zone sombre. Les cyanobactéries et les animaux migrateurs agissent comme des moteurs internes, générant de la matière organique fraîche qui nourrit les microbes responsables de la suppression de l'azote, même lorsque les eaux de surface sont calmes. Cette découverte modifie la compréhension du fonctionnement du budget azoté de l'océan. Elle suggère qu'à mesure que le changement climatique provoque l'expansion et le déplacement de ces zones de déficit d'oxygène vers de nouvelles régions, l'océan pourrait continuer à perdre de l'azote à des taux élevés, piloté par ces sources de nourriture internes, plutôt que de ralentir comme la productivité de surface pourrait autrement le dicter.

Les chercheurs ont calculé la quantité totale d'azote perdue dans cette région sur une année en se basant sur leurs mesures. Ils ont estimé que les particules en chute représentent à elles seules la perte d'environ 24,0 téragrammes d'azote par an, et en incluant les composants dissous de l'eau, la perte totale atteint 40,7 téragrammes. Ces chiffres concordent étroitement avec les estimations antérieures établies à l'aide de méthodes différentes, ce qui donne aux scientifiques confiance dans la nouvelle approche. Cependant, l'idée clé n'est pas seulement le montant total, mais le mécanisme. L'étude prouve que l'océan n'est pas un simple récepteur passif de débris de surface ; c'est un système actif et auto-entretenu où la vie dans l'obscurité crée sa propre nourriture pour piloter le cycle mondial de l'azote. En observant l'océan dans son état naturel, sans le dérangement du transport vers la surface, l'équipe a fourni une vue plus claire et plus précise de l'un des processus chimiques les plus importants de la planète.