Sous la surface des lacs et des eaux côtières se cache un monde caché de sédiments qui jouent un rôle crucial dans la santé des écosystèmes aquatiques. Les « flux benthiques » d'azote et de phosphore, tels que les rejets de ces nutriments dissous des sédiments vers les eaux sus-jacentes, peuvent alimenter la croissance d'algues et les proliférations d'algues toxiques et nocives (HAB), qui dégradent la qualité de l'eau, perturbent la faune et les loisirs et réduisent la valeur des propriétés.
Les sédiments agissent comme une archive naturelle, offrant un aperçu historique de la santé des écosystèmes. Cependant, pour bien comprendre les échanges de nutriments entre les sédiments et l’eau, les scientifiques s’appuient sur des mesures des flux benthiques, comme la quantité d’azote transportée à travers l’interface sédiment/eau en unités typiques de livres par mètre carré de surface de sédiments par jour.
Les méthodes de surveillance traditionnelles sont lentes, coûteuses et difficiles, et bien que les nouveaux systèmes autonomes soient prometteurs, peu d'études ont exploré comment ces systèmes peuvent révéler comment les sédiments contribuent aux HAB ou les maintiennent, une étape essentielle dans la gestion et la protection des écosystèmes aquatiques. Par exemple, dans le lac Okeechobee en Floride, les flux de nutriments benthiques sont la principale source de nutriments alimentant la croissance des algues dans ce plan d'eau peu profond et trouble.
Les chercheurs du Harbor Branch Oceanographic Institute de la Florida Atlantic University sont les premiers à suivre en permanence les échanges de différentes formes d'azote entre les sédiments du fond et l'eau sus-jacente. Plus important encore, leur nouvelle approche permet de mesurer la quantité d'ammonium (NH₄⁺) libérée par les sédiments en temps réel, plusieurs fois par jour, sur une période prolongée, offrant ainsi une vue détaillée sans précédent de cet échange critique de nutriments et de la source nutritive privilégiée des proliférations d'algues.
Leur arme secrète ? Un nouvel appareil appelé CAROSEL, abréviation de Chamber ARray for Observing Sediment Exchanges Long-term. Le CAROSEL est un système de surveillance sous-marin intelligent conçu pour étudier la façon dont les nutriments et autres produits chimiques se déplacent entre les sédiments des lacs ou des océans et l'eau au-dessus. Contrairement aux anciennes méthodes qui nécessitaient deux voyages en bateau (ou navire) et de la main d'œuvre pour déployer et récupérer des ensembles d'instruments afin d'obtenir un seul point temporel de données de flux benthique, le CAROSEL fonctionne automatiquement, prenant plusieurs mesures chaque jour sans aide humaine pendant des périodes de plusieurs semaines.
Pour l'étude, les chercheurs ont testé le CAROSEL dans un bassin de rétention d'eau douce peu profond sur le campus FAU Harbour Branch à Fort Pierce. L’objectif était de mieux comprendre l’interaction des nutriments et de l’oxygène au cours des cycles journaliers et plurijournaliers, permettant ainsi de mieux comprendre l’azote total disponible en fonction de l’heure de la journée et de la météo. Cependant, cela a également amélioré les estimations des éléments nutritifs retirés de ce système d’étang au fil du temps. Ces bassins de rétention, que l'on trouve partout en Floride, constituent une pratique de gestion optimale (BMP) courante utilisée dans le cadre de la réglementation de l'État dans le but précis d'éliminer les éléments nutritifs s'écoulant vers les estuaires côtiers.
Résultats de leurs recherches, publiés dans la revue Limnologie et océanographierévèlent également que les flux d'oxygène dans l'eau suivaient un rythme quotidien : augmentant pendant la journée à cause de la photosynthèse et diminuant la nuit à cause de la respiration. À l’inverse, les sédiments consommaient systématiquement l’oxygène de l’eau sus-jacente. Les sédiments ont également libéré du NH₄⁺ tout au long de l'étude, tandis que la colonne d'eau présentait des signes d'azote ajouté pendant la journée et décomposé la nuit – une découverte surprenante étant donné que la croissance photosynthétique pendant la journée devrait consommer des nutriments.
Après des pluies torrentielles, les flux de NH₄⁺ et de nitrate ont changé rapidement, montrant à quel point ces processus sont sensibles à l'environnement. Il était également clair que l’élimination de l’azote par nitrification/dénitrification – le principal processus souhaité dans ces systèmes BMP – était intense mais également très variable dans le temps.
De manière unique, le CAROSEL a capturé des données à haute fréquence en temps réel, révélant des fluctuations brusques et à court terme des échanges de nutriments et d'oxygène. Ces résultats remettent en question l’hypothèse courante selon laquelle les processus sédimentaires sont lents ou réguliers et soulignent comment des outils comme le CAROSEL peuvent découvrir les forces dynamiques cachées qui façonnent la qualité de l’eau.
« Ce qui est le plus excitant, c'est que CAROSEL nous a donné une vue détaillée, heure par heure, de la manière dont les changements météorologiques et environnementaux affectent directement la chimie entre le fond du lac et l'eau au-dessus », a déclaré Jordon Beckler, Ph.D., auteur principal, professeur de recherche associé à la FAU Harbour Branch et membre du FAU Sensing Institute (I-SENSE).
« Ce niveau de détail nous aide à démêler les réactions en chaîne complexes qui se produisent dans les lacs et les estuaires, ce qui a été incroyablement difficile à faire jusqu'à présent avec des données de flux benthiques conventionnelles à basse résolution. Nous considérons cette technologie comme un nouvel outil puissant pour comprendre comment ces flux déterminent la dynamique des écosystèmes, en particulier compte tenu de l'explosion des proliférations d'algues nuisibles à l'échelle mondiale au cours des dernières décennies.
« Je considère les sédiments, qui couvrent environ 70 % de la surface de la Terre, comme l'eau, le sol ou l'air, pour lesquels nous avons déjà développé une appréciation de leur santé et de leur conservation. »
Cette vue détaillée aidera les scientifiques à comprendre la rapidité du cycle des nutriments et comment des facteurs tels que la lumière, la température et les tempêtes déterminent ces changements, essentiels pour améliorer la surveillance et la gestion de la qualité de l'eau. Le CAROSEL présente un fort potentiel en tant qu'outil de suivi et de réponse à des problèmes tels que la pollution par les nutriments, les HAB, les « zones mortes » à faible teneur en oxygène, le cycle du carbone et même les contaminants organiques et les métaux lourds dans des conditions environnementales changeantes.
« Ce qui rend le CAROSEL particulièrement précieux, c'est sa polyvalence : il est conçu pour fonctionner à la fois dans les environnements d'eau douce et marins et peut être adapté pour surveiller un large éventail de substances, depuis les nutriments comme l'ammonium et le nitrate jusqu'à d'autres paramètres tels que le dioxyde de carbone ou le carbone organique dissous. Nous avons spécialement conçu le CAROSEL pour accepter n'importe quel capteur sous-marin existant aujourd'hui sur le marché », a déclaré Mason Thackston, premier auteur et assistant de recherche diplômé à la FAU Harbour Branch.
« Cette flexibilité signifie que nous pouvons adapter le système à différents écosystèmes et besoins de recherche. Je me prépare actuellement pour deux nouveaux projets, l'un visant à établir une référence pour les flux de nutriments benthiques dans une zone prévue pour être draguée dans la lagune de la rivière Northern Indian, et un autre pour surveiller directement les flux de nutriments hérités dans le lac Okeechobee. Nous voyons également de grandes promesses pour améliorer notre compréhension de la dynamique des nutriments des BMP en Floride, qui sont actuellement sous-performantes par rapport aux attentes. «
Les co-auteurs de l'étude sont Donald Nuzzio, Ph.D., président d'Analytical Instrument Systems, Inc. ; et Csaba Vaczo, ingénieur en mécanique à la succursale portuaire de FAU.
