Le fer est un micronutriment essentiel pour la croissance du phytoplancton dans l'océan. Le cycle du fer est donc intimement lié au cycle du carbone et au climat. Dans certaines parties de l'océan, que l'on appelle les zones HNLC («High Nutrient Low Chlorophyll»), le fer est l'élément principal qui limite la production primaire en raison de ses très faibles concentrations en surface. Cependant, en dépit de son importance fondamentale, son cycle biogéochimique est encore très mal connu.
Les premières études sur les isotopes du fer ont permis de mettre en évidence de nouvelles sources potentielles de fer, à travers des mécanismes de libération de fer jusqu'alors ignorés. Il était suspecté que les sédiments des marges continentales pouvaient être une source de fer au moins aussi importante que celle des aérosols, qui ont longtemps été considérés comme la source principale de fer à l'océan. Les études sur les isotopes du fer ont permis de subdiviser cette source sédimentaire en 2 catégories, l'une impliquant une libération réductrice du fer depuis les sédiments, l'autre n'impliquant pas de processus redox. En moins d'une dizaine d'années, les isotopes du fer sont donc devenus un outil permettant de discriminer diverses sources de fer à l'océan.
C'est dans cette dynamique que s'est inscrit mon doctorat. J'ai analysé les compositions isotopiques du fer sur la fraction dissoute (<0,4µm) et sur la fraction particulaire (>0,4µm) d'échantillons d'eau de mer prélevés dans le cadre de la mission Bonus-GoodHope en 2008 entre l'Afrique du Sud et l'Antarctique. Lors de cette mission, une zone HNLC a été traversée. Les concentrations en fer dissous peuvent y descendre jusqu'à 0,03nmol/L. J'ai participé à l'amélioration des protocoles existants, permettant de réduire les contaminations lors du traitement chimique des échantillons, et aussi de gagner en productivité.
Les compositions isotopiques obtenues nous ont permis de caractériser chaque source de fer dans cette zone de l'océan Austral, mais également de mettre en évidence des processus que nous n'aurions pas pu repérer en utilisant seulement les données de concentrations de fer. Nous avons ainsi repéré principalement de la libération non réductrice de fer dissous depuis les sédiments de la marge sud-africaine, une légère contribution hydrothermale au-dessus de la ride médio-océanique, ainsi que des apports atmosphériques qui semblent différent entre le domaine de la Gyre de Weddell et le reste de la section. Des facteurs de fractionnement isotopique associés à divers processus clés du cycle du fer ont été estimés. Lors de l'assimilation biologique, le phytoplancton semble préférer assimiler le fer lourd dans les domaines de l'ACC (Antarctic Circumpolar Current) et de la Gyre de Weddell, mais le fer léger dans le domaine subtropical. La reminéralisation de la matière organique, à la fois dans la colonne d'eau mais également depuis les sédiments des marges continentales, favoriserait un enrichissement en isotopes légers dans la fraction dissoute, tandis que les processus de désorption (ou de dissolution) depuis les particules qui chutent favoriseraient un enrichissement en isotopes lourds dans la fraction dissoute. Nos résultats suggèrent que ce processus de désorption/dissolution depuis les particules serait la source principale de fer dans les masses d'eau profondes, contrairement à l'hypothèse communément admise selon laquelle il s'agirait de la reminéralisation de la matière organique.
Une estimation de la contribution de chaque source de fer à l'océan Austral à différentes profondeurs a également pu être réalisée à partir des compositions isotopiques que nous avons obtenues. Au total, la libération de fer depuis les sédiments serait bel et bien la principale source de fer dans cette zone de l'océan Austral.
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Iron is an essential micronutrient for phytoplankton growth in the ocean. Its cycle is therefore intimately linked to the carbon cycle and climate. In some parts of the ocean, the so called HNLC (High Nutrient Low Chlorophyll) areas, iron is the main element limiting primary production due to its low surface concentrations. However, despite its fundamental importance, its biogeochemical cycle is still poorly understood.
The first studies on iron isotopes permitted to reveal new potential iron sources and processes releasing iron that were so far ignored. Continental margin sediments were suspected to be an iron source as important as aerosols, which were long thought to be the main source of iron to the ocean. Studies on iron isotopes permitted to divide the sediment source into two categories, one involving reductive release of iron from the sediments, the other being without redox processes. In less than a decade, iron isotopes have thus become a powerful tool to discriminate iron sources to the ocean.
My PhD started in this context. I analysed the iron isotopic compositions both in the dissolved (<0.4µm) and the particulate phases (>0.4µm) of seawater samples taken during the Bonus-GoodHope cruise in 2008, between South Africa and Antarctica. During that cruise, a HNLC area was crossed, in which iron concentrations were as low as 0,03nmol/L. I participated to the improvements of the existing protocols, allowing both to reduce the contamination during the samples chemical treatments, but also to increase productivity.
Measured iron isotopic compositions allowed us to identify each iron source in this area of the Southern Ocean, but also to highlight processes that would go unnoticed using iron concentrations only. We notably evidenced non-reductive release of dissolved iron from the South-African margin sediments, a weak hydrothermal signal above the mid-oceanic ridge, and distinct atmospheric inputs in the Weddell Gyre and the rest of the section. Isotopic fractionation factors associated to various key processes of the iron cycle have also been estimated. During biological uptake, phytoplankton seems to favour heavy iron in the ACC (Antarctic Circumpolar Current) and Weddell Gyre domains, but light iron in the subtropical domain. Remineralization of organic matter, both in the water column and in the continental margin sediments, would produce a light iron enrichment in the dissolved phase, while desorption (or dissolution) from sinking particles would produce a heavy iron enrichment in the dissolved phase. Our data suggest that desorption/dissolution from sinking particles would be the main iron source in deep water masses. This goes against the commonly accepted paradigm according to which remineralization of organic matter is the main iron source in deep water masses.
An estimate of the contribution of each iron source to the Southern Ocean using the iron isotopic composition data indicates that the release of iron from sediments would be the main dissolved iron source in that sector of the Southern Ocean.
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