Le document traite des écosystèmes marins, définissant les concepts clés tels que le biotope, la biocénose et la chaîne alimentaire, ainsi que les relations entre les différents organismes marins. Il décrit également les facteurs limitants de la production primaire, tout en explorant les cycles des nutriments essentiels comme le phosphore, l'azote et le silicium dans l'eau de mer. Enfin, il aborde l'importance de la lumière pour la photosynthèse et son rôle dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques.

1. ÉCOSYSTÈMES MARINS

2.  Écosystème: unité naturelle constitué de tous ses composantes biotiques (animaux, plantes, micro-
organismes) et des facteurs physico-chimiques (abiotiques) avec lesquels ils interagissent
Un écosystème comprend trois éléments:
 Le biotope: région ayant des conditions environnementales cohérentes, et format le support abiotique
d'un écosystème.Le concept de biotope a été introduit par le biologiste allemand Ernst Haeckel en 1908.
 La biocénose: ensemble des êtres vivants qui interagissent entre eux dans un écosystème
 Les relations: qui peuvent exister et se développer à l’intérieur de ce système.

3.  Le biotope est formé de composants non vivants de l’écosystème, comme les roches, l’eau, l’air ou la
lumière, et de conditions de température, humidité, etc….
Il y a trois sortes d’écosystèmes:
Ecosystémes aquatiques:
Biotope couvert d’eau
Ecosystèmes terrestres:
Biotope qui n’est pas couvert d’eau
Ecosytèmes Mixtes:
Zones de rencontre entre la
Terre et l’Eau
LE BIOTOPE

4. LA BIOCENOSE
• C’est l’ensemble des êtres
vivants qui cohabitent dans un
écosytème donné.
• La population est l’ensemble
des individus d’une même
espèce présent dans une
biocénose
• Dans un écosytème, tous les
éléments dépendent les uns
des autres, sont en équilibre si
ses relations sont stables.
La
biocenose
La
population
L’équilibre

5. LES RELATIONS ALIMENTAIRES
Il y a trois groupes selon le type de relation qu’ils établissent pour obtenir les
nutriments:
LES PRODUCTEURS:
• Au début de la chaîne
alimentaire. Il y a les
végétaux et les algues.
• Leur nutrition est
autotrophe
LES CONSOMMATEURS:
• Ce sont les animaux et quelques
protistes.
• Leur nutrition est hétérotrophe
LES DÉCOMPOSEURS:
• Ce sont les champignons et
certaines bactéries
• Ils remettent au biotope la
matière qui était en
circulation dans l’écosystème
LA CHAÎNE ALIMENTAIRE

6. ECOSYSTÈME MARIN
Un Écosystème marin désigne un écosystème d'eau salée, y
compris les océans et les rivages. Les écosystèmes
océaniques comprennent les collectivités pélagiques (à la
surface de la mer) et benthiques (au fond de la mer).

7. PRINCIPAUX ÉCOSYSTÈMES MARINS
La biodiversité désigne la diversité naturelle des êtres vivants. Le
monde aquatique possède une très grande biodiversité.
On peut distinguer trois grands types d’écosystèmes aquatiques
d’eau salée qui ont chacun leur biodiversité spécifique.

8. • Les biocénoses sont structurées selon les relations proie-prédateur entre les différentes espèces qui les constituent.
• La chaîne trophique décrit la position des organismes au sein d'un système dynamique qui décrit qui mange qui, qui est mangé
par qui.
• Les producteurs primaires sont autotrophes et utilisent l'énergie solaire pour former leurs molécules organiques
(photosynthèse), ou éventuellement, l'énergie chimique (chimiosynthèse). Il s'agit des plantes (essentiellement des algues dans
la mer) et de certaines micro-organismes, bactéries ou archées.
• Les consommateur sont hétérotrophes et se nourrissent
d'autres organismes vivants.
• Les décomposeurs ou détritivores sont également
hétérotrophes, mais ils consomment de la matière
organique morte.
• Le passage d'un maillon à l'autre de la chaîne trophique
conduit à une consommation et à une production de
biomasse (quantité de matière vivante par unité de
surface ou de volume).
Chaîne trophique

9. LA PRODUCTION PRIMAIRE
 Elle est la base du fonctionnement énergétique des écosystèmes. Elle correspond à la synthèse de matière
organique à partir des éléments minéraux et d’une source d’énergie. Pour au moins 99 % de la biomasse produite
dans la biosphère, la production primaire est assurée par les organismes photoautotrophes (producteurs
primaires) via la photosynthèse. La photosynthèse conduit à la formation de maillons carbonés (-HCOH-) qui,
associés à d’autres éléments (azote, phosphore…), forment les molécules de la matière organique (protéines,
acides nucléiques…). Le niveau de production par les organismes photosynthétiques aquatiques est déterminé
par la variabilité dans l’espace et le temps de trois facteurs physico-chimiques : disponibilité en dioxyde de
carbone, apport d’éléments minéraux et disponibilité en lumière. Le dioxyde de carbone n’est jamais limitant. En
revanche, la disponibilité en énergie lumineuse dépend principalement de la profondeur de l’eau, de sa turbidité
(charge en particules en suspension) mais également de l’interception du rayonnement par les végétaux eux
mêmes (effet d’ombre). Les quantités en éléments minéraux (azote, phosphore, fer...) peuvent être limitantes.
Les écosystèmes aquatiques continentaux et marins littoraux sont rarement carencés du fait principalement des
apports transversaux. Par contre, dès que l’on s’éloigne d’écosystèmes riverains, les sources d’éléments minéraux
se raréfient, limitant le niveau de production primaire de telle sorte que des zones du domaine marin océanique
sont considérées comme oligotrophes. Dans les systèmes aquatiques, les producteurs primaires sont variés :
cyanobactéries, microalgues planctoniques ou benthiques (du périphyton et périlithon), macroalgues, mousses et
phanérogames hydrophytes.

10. Chaînes alimentaires et réseau trophique

11. Composition de l’eau de mer
Source: Dickson 2007, Best practices in ocean CO2 measurements (S = 35)
Espèce chimique mol kg-soln-1 g kg-soln-1 % du total
Cl- 0.54586 19.3524 55.03
SO4
-- 0.02824 2.7123 7.68
Br- 0.00084 0.0673 0.19
F- 0.00007 0.0013 0.003
Na+ 0.46906 10.7837 30.59
Mg++ 0.05282 1.2837 3.68
Ca++ 0.01028 0.4121 1.18
K+ 0.01021 0.3991 1.11
Sr++ 0.00009 0.0079 0.04
B(OH)3 0.00032 0.0198 0.06
B(OH)4
- 0.00010 0.0079 0.02
CO2* 0.00001 0.0004 < 0.01
HCO3
- 0.00177 0.1080 0.37
CO3
-- 0.00026 0.0156 0.04
OH- 0.00001 0.0002 < 0.01
Somme 1.1194 35.1717 > 99.99

12. Salinité – densité – masses d'eau
• La composition de l’eau de mer varie peu de manière relative.
• La salinité, actuellement exprimée selon une échelle pratique et mesurée sans unité indique la teneur
en sel globale d’une eau de mer (PSU = « practical salinity unit »).
• La densité de l’eau varie en fonction de sa température, de sa salinité et dans une bien moindre
mesure, de sa pression
• Des masses d’eau de mer de densité différentes se mélangent difficilement => structuration spatiale
des masses d’eau (ex : thermocline, halocline, …)

13. Pycnocline (thermo- ou halocline)
• Pycnocline : changement rapide de la densité de
l’eau avec la profondeur
• Si le changement de densité est principalement dû
à des différences de température, on parle de
thermocline. Lié au réchauffement des eaux de
surface par le soleil.
• L’halocline est une structuration verticale des eaux
de densité différente due à des salinités variables.
Elle se rencontre principalement au niveau des
estuaires.
A droite :
profil des températures
dans un océan tropical.
Notez la rapide chute
des températures
entre 100 et 200m
de profondeur.

14. La lumière dans les océans
• La lumière fournit l’énergie nécessaire
aux autotrophes photosynthétiques
pour produire des molécules
organiques.
• La photosynthèse est l’origine de plus
de 95% de la production primaire des
océans (le reste étant fourni par la
chimiosynthèse).
• Donc, la lumière est un facteur clé de
l’environnement.
• L’eau absorbe la lumière de manière
différente selon la longueur d’onde (voir
ci-contre).

15. La zone euphotique
• Zones euphotiques versus aphotiques. La profondeur de la zone euphotique varie en fonction de la
turbidité de l’eau (de moins d’un m dans les estuaires les plus troubles à 200 m ou plus dans les eaux
oligothrophes).

16. Étagement de la bordure côtière
• Supra-littoral : zone découverte exposée aux embruns
• Medio-littoral : zone de balancement des vagues et marées
• Infra-littoral : zone immergée et bien éclairée (limite inférieure des herbiers)
• Circa-littoral : zone profonde à faible éclairement (limité par le talus continental)

17. Le supra-littoral
balanes et littorines
ligie
Et aussi : cyanophycées, lichens, crabes…

18. Le medio-littoral
patelles
Rissoella
actinie chevaline
(tomate)
lithophyllum

19. L’infra-littoral
posidonie et biocénose associée
gorgone blanche et codium
aiptasie
acétabulaires
anémone verte

20. Le circa-littoral
gorgones rouges et jaunes pseudolithophyllum
cérianthe
peyssonnelia

21. Les nutriments
• La matière organique est constitué de C, H, O, N et P principalement.
• H et O sont disponibles en grandes quantités dans l’eau de mer (H2O, mais aussi, O2, CO2,
H+, OH-, …).
• C est présent également en quantités non négligeables dans l’eau de mer, nous venons de
le voir, principalement sous forme de DIC.
• Ainsi, N et P, en bien plus faibles quantités peuvent, et sont souvent les éléments limitants la
production primaire, et par conséquent, de la production tout au long de la chaîne trophique.
• Un autre élément souvent limitant est Si, pour les organismes formant un squelette siliceux
(diatomées).
• N, P et Si sont appelés nutriments. Il ont un caractère limitant prépondérant dans tous les
écosystèmes marins et ils peuvent provoquer des dérèglements (eutrophisation) lorsqu’ils
sont présents en trop fortes quantités (par ex. : pollution d’origine anthropique).

22. P dans l’eau de mer
• En milieu aérobie, P apparaît quasi exclusivement sous forme orthophosphate : H3PO4 /
H2PO4
- / HPO4
-- / PO4
---.
• HPO4
-- est le plus abondant d’un facteur 10 sur PO4
--- lui-même plus abondant d’un facteur
10 sur H2PO4
-. H3PO4 est présent en quantités négligeables. Leurs concentrations
respectives sont régies par des réactions acide-base dépendant évidemment du pH.
• P est oxydé à l’état +5 et n’intervient quasiment pas dans des réactions d’oxydo-réduction
(un peu en milieu anaérobie).
• P peut former des polyphosphates, et est facilement piégé dans les sédiments argileux ou
calcaires.
• Il précipite en présence de Ca++, Al+++ et Fe+++. A l’échelle géologique, ce sont ces réactions
de précipitation qui régulent les concentrations en P dans l’eau de mer.

23. P dans la matière vivante
• Dans la matière vivante, P est présent sous forme particulaire (60-70%), sous forme dissoute
organique (DOP) ou inorganique (DIP). Le rapport entre DIP et DOP varie d’un écosystème à l’autre,
et en fonction de la saison (blooms phytoplanctoniques)
conso. par algues dégradation
0.67 -> 2 ->
<- 0.41 <- 0.08
DIP  Part. P  DOP
0.35μM 3μM 0.6μM
Exemple de partitionnement de P (zone côtière, Nouvelle-Ecosse, Watt & Hayes,
1963 in Valiela, 1995, p. 429). Les flux sont exprimés en μM P/jour. Ce sont ensuite
les bactéries qui transforment DOP en DIP.

24. Cycle de P
• Le cycle de P en eau de mer est assez simple puisqu’il n’intervient pas de manière
significative dans des processus d’oxydo-réduction (donc, dans les réactions de
chimiosynthèse). Il s’agit seulement de l’incorporation et puis de la libération de P dans et
depuis la matière organique le long des chaînes trophiques.

25. N dans l’eau de mer
• Contrairement à P, N n’intervient pas dans des réactions acide-base, mais est systématiquement
impliqué dans des relations d’oxydo-réduction. C’est un oxydant ou réducteur prépondérant dans les
réactions chimiosynthétiques.
• Son cycle est encore compliqué par les échanges possibles avec l’atmosphère (oxydation de N2 =
fixation d’azote, ou réduction d’autres formes chimiques en N2 = dénitrification).
• La forme la plus oxydée en eau de mer, et la plus stable est NO3
- (nitrates). Les nitrates sont solubles
et peu toxiques. Ils ne représentent pas la forme N préférée pour la photosynthèse, mais les
organismes photosynthétiques peuvent l’utiliser quand même.
• Ensuite, les nitrites (NO3
-) forment l’étape de réduction suivante. Instable et insoluble, il est très
toxique (ex : métémoglobinémie).
• La forme NH3/NH4
+ (ammoniac/ammonium) est encore plus réduite. Son état d’oxydo-réduction
correspond au N organique. NH3 est une base moyennement forte et est la forme prépondérante au
pH de l’eau de mer. Elle est extrêmement toxique. Les ions ammonium ne sont pas toxiques.

26. • Les concentrations des différentes formes de N dans l’eau de mer sont fortement variables, de très faibles (eaux
oligothrophes) à très élevées (eaux eutrophes). En général, c’est dans les estuaires (apports terrigènes par les
eaux douces) que l’on rencontre les plus fortes teneurs en NH3/NH4
+.
Eaux océaniques Eaux côtières Estuaires
Espèce chimique Surface (0-100m) Fond (> 100m)
Nitrate 0.2 35 0-30 0-350
Nitrite 0.1 <0.1 0-2 0-30
Ammoniac/-onium <0.5 <0.1 0-25 0-600
N orga. Dissout 5 3 3-10 5-150
N orga. part. 0.4 <0.1 0.1-2 1-100
N2 gaseux 800 1150 700-1100 700-1100
Concentrations en N (μM) dans différentes eaux de mer. De Antia et al, 1991 in
Valiela, 1995, p. 436.

27. Cycle de N
• Cycle complexe faisant intervenir
les autotrophes photosynthétiques
(N inorganique -> N organique).
• Les bactéries aérobies oxydent N
(NH3 -> NO2
- par Nitrosomonas et
NO2
- -> NO3
- par Nitrobacter).
• Les bactéries anaérobies
chimiosynthétiques réduisent N
(NO3
- -> NO2
- -> N2) :
dénitrification.
• Cycle clé pour la mise en route
des écosystèmes artificiels (nous
y reviendrons).
Schéma tiré de http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/
current/lectures/kling/water_nitro/water_and_nitrogen_cycles.htm

28. Si dans l’eau de mer
• Si est important dans les écosystèmes marins par l’intermédiaire des diatomées (ci-dessous) qui forment une
thèque siliceuse (et dans une moindre mesure d’animaux comme les radiolaires).
• Il est présent sous forme de silicate dans l’eau, avec deux formes dont les proportions dépendent d’un équilibre
acide-base : Si(OH)4 et SiO(OH)3
-, que l’on appellera collectivement silice réactive totale SiT.
• Il précipite sous forme d’opale ou silicate opalin SiO2.nH2O, écrit simplement SiO2.

29. Cycle de Si
• Le cycle de Si en eau de mer fait intervenir
deux réactions : la précipitation biologique
dans les thèques de diatomées, et la
redissolution chimique de ces thèques dans
les sédiments de profondeurs.
• Un aspect clé de ce cycle est l’exportation de
silice de la surface vers les profondeurs par la
sédimentation des thèques à la mort des
diatomées.
• Le flux limitant dans le cycle est la remontée
des silicates dissous vers la zone euphotique
par les courants marins.
• Localement, les eaux douce apportent
également de la Si en zone estuarienne.
Cycle de Si en eau de mer. Flux exprimés en Tmol
Si/an. Wikipedia, adapté de Treguer et al, 1995.

30. Autres éléments importants
• S est également important. Il est présent en grandes quantités: SO4
--. Il peut être impliqué dans des réactions
d’oxydo-réduction en milieu anaérobie. Il est alors transformé en H2S extrêmement toxique et qui précipite le fer
sous forme réduite Fe++.
• Le fer est présent sous forme Fe+++ en milieu aérobie et Fe++ dans les sédiments anaérobie. Il est peu soluble
en eau de mer, ce qui limite sa concentration. Il est rarement limitant en milieu naturel, mais il faut y prêter
attention en écosystème artificiel : en raison de sa faible solubilité, il peut devenir limitant dans des systèmes à
volume restreint (microécosystèmes).
• De nombreux autres éléments chimiques sont présents à l’état de trace et sont nécessaires à la vie. Citons de
manière non exhaustive : I, Cu, Mn, Co, Sr, etc.
A noter que si leur concentration augmente (pollution industrielle), ils peuvent devenir très toxiques, en
particulier Cu.
• Certains éléments ne sont pas utiles à la vie (Hg, Cd, Pb, …) et également présents à l’état de trace dans l’eau
de mer. Encore une fois, un rejet massif dans des eaux industrielle de ces éléments peut être très toxique pour
les animaux marins.
• L’eau de mer contient également un cocktail de molécules organiques issues des êtres vivants. Des molécules
organiques d’origine anthropique y sont également présentes, à des doses parfois toxiques (pesticides, PCB,
hydrocarbures, etc.)

31. Espèces protégées, espèces menacées
• 100 espèces disparaîtraient chaque jour !!!
• Rythme 20 à 10000 x plus élevé que pendant les grandes crises « naturelles »
• Annexe 2 de la convention de Barcelone : espèces menacées
• 3 catégories :
– En danger : déclin très important, risque de disparition proche
– Vulnérable : déclin important, en danger sans mesures de protection
– Rare : vulnérable à un accident du fait de sa rareté naturelle