Thèse Réponses des Écosystèmes Marins Austraux aux Changements Environnementaux Révélés par une Approche Isotopique Intégrée chez les Éléphants de Mer H/F - 31

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : GET - Geosciences Environnement Toulouse
Direction de la thèse : David POINT ORCID 0000000252187781
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Le suivi à long terme des prédateurs marins, utilisés comme espèces sentinelles, fournit des informations uniques sur la santé des écosystèmes et l'exposition des réseaux trophiques aux polluants tels que le mercure (Hg). L'océan Austral (OA), couvrant ~20 % de l'océan mondial, joue un rôle majeur dans l'absorption de chaleur et de CO grâce aux remontées d'eaux profondes, influençant le climat global. Cette région est particulièrement vulnérable aux changements environnementaux rapides, susceptibles d'affecter la structure des écosystèmes et les prédateurs qui y vivent, par exemple à travers des bifurcations trophiques. Le Hg, élément toxique d'origine naturelle et anthropique, pourrait devenir plus biodisponible sous l'effet du réchauffement climatique, favorisant sa méthylation et son transfert dans les réseaux trophiques. L'éléphant de mer du Sud (Mirounga leonina) des îles Kerguelen constitue un modèle idéal pour étudier ces phénomènes. Son haut niveau trophique, sa large aire de répartition, ses plongées profondes et répétées, son écologie alimentaire et ses retours réguliers à terre en font un bioindicateur naturel de l'état écologique et de la contamination au Hg des réseaux trophiques. En combinant bio-télémétrie, analyse isotopique en composés spécifiques du carbone et de l'azote sur les acides aminés et analyse isotopique bidimensionnelle (carbone, Hg) du methyl-Hg (MeHg), il est possible de relier les changements environnementaux, les comportements alimentaires et le cycle du Hg sur plusieurs décennies. Les données existantes montrent un réchauffement rapide de l'OA, une diminution de la profondeur de la couche de mélange et une baisse des valeurs isotopiques de carbone dans les protéines totales (13Cbulk)chez les éléphants de mer, suggérant un possible déclin relatif de la proportion de diatomées à la base du réseau trophique. Ce phénomène pourrait modifier les réseaux trophiques, et donc l'écologie alimentaire et les performances de pêche des éléphants de mer, et entraîner un déplacement de leur habitat de fourragement. L'analyse des isotopes d'acides aminés spécifiques permettra de distinguer les changements d'origine basale (phytoplancton) des modifications d'écologie trophique des éléphants de mer. L'analyse isotopique du MeHg constitue un traceur puissant pour étudier l'écologie trophique et la distribution verticale (MeHg-199Hg) et horizontale (MeHg-13C) des prédateurs en lien avec les gradients latitudinaux dans la colonne d'eau.
Cette thèse poursuivra trois objectifs principaux :
1.Biogéochimique : cartographier les signatures isotopiques du MeHg et les concentrations en Hg des éléphants de mer dans le secteur subantarctique indien et antarctique de l'OA sur 20 ans, afin de caractériser les sources de MeHg vers les prédateurs.
2.Écologique : comparer les variations de Hg entre mâles benthiques et femelles pélagiques, et étudier l'influence de l'âge, du sexe et de la mue sur l'accumulation de Hg.
3.Environnemental : analyser les séries temporelles isotopiques du MeHg et des acides aminés, couplées aux données de biomasse chlorophyllienne et de composition phytoplanctonique, pour quantifier les changements trophiques et détecter d'éventuelles bifurcations dans les réseaux alimentaires de l'OA.
En combinant approches bio-télémétriques, isotopiques et biogéochimiques, cette étude offrira une vision intégrée des impacts du changement environnemental sur les écosystèmes austraux et le cycle du Hg, tout en utilisant l'éléphant de mer comme bioindicateur de premier plan.

Le suivi à long terme des prédateurs marins, utilisés comme espèces sentinelles, fournit des indices cruciaux sur l'état de santé des écosystèmes marins. Les données collectées à l'échelle individuelle et populationnelle nous renseignent sur l'impact des stress environnementaux sur la vie marine et sur le niveau d'exposition de l'ensemble du réseau trophique aux polluants. Ainsi, une meilleure connaissance du statut des espèces sentinelles peut fournir des informations précieuses et des alertes précoces sur la santé des écosystèmes et leurs conséquences éventuelles sur les populations humaines, conformément à l'approche « One Health ».
L'océan Austral (OA), qui couvre environ 20% de l'Océan global, joue un rôle disproportionné dans l'absorption de la chaleur et du dioxyde de carbone à l'échelle planétaire. Ce rôle s'explique notamment par des remontées d'eaux froides profondes qui favorisent l'absorption de la chaleur et le dioxyde de carbone dans l'océan. Une étude récente suggère que l'OA contribuerait à l'échelle de l'Océan global à 43 ± 3% de l'absorption de carbone et 83 ± 33% de l'absorption de chaleur. Comme cet océan est circumpolaire et connecté à tous les autres océans, ces eaux sont ensuite redistribuées au reste de l'océan mondial en permanence. L'OA contribue ainsi plus que toute autre région océanique au contrôle du climat global de la Terre (Williams et al. 2024). Se pose néanmoins la question des conséquences écologiques des changements environnementaux à la fois sur les écosystèmes marins austraux et les prédateurs marins qui y vivent.
L'OA est en effet l'une des régions les plus vulnérables aux changements environnementaux, et où les changements sont les plus rapides (Rintoul et al. 2018). Le réchauffement du climat peut avoir, entre autres, des conséquences sur les cycles biogéochimiques des contaminants, notamment du mercure (Hg), un élément d'origine naturelle et anthropique, nonessentiel et toxique, capable de se bioamplifier dans les réseaux trophiques, et largement présent dans l'OA (Cossa et al. 2011, Carravieri et al. 2013). En particulier, il a été postulé que le Hg deviendra plus biodisponible pour les prédateurs marins sous l'influence combinée de l'augmentation de la température de l'Océan et de l'appauvrissement en oxygène en profondeur, des facteurs qui favorisent la méthylation de cet élément par les micro-organismes, et donc sa biodisponibilité (Cossa 2013). Les changements environnementaux en cours dans l'OA pourraient donc avoir des conséquences de nature multiple sur les écosystèmes.
L'utilisation des prédateurs marins comme sentinelles écologiques peut s'avérer être un moyen efficace d'évaluer et de suivre les changements environnementaux affectant l'OA. Dans ce contexte, l'éléphant de mer du Sud (SES) des iles Kerguelen, Mirounga leonina, constitue une espèce modèle optimale (Séon et al. 2025). Du fait de son haut niveau trophique, de l'étendue de son aire de répartition en mer, ses plongées profondes et répétées, son écologie alimentaire, combinées à des retours à terre réguliers (Bailleul et al. 2010), cette espèce constitue un échantillonneur naturel unique d'une large zone de l'OA via l'étude de son écologie, ainsi qu'un bioindicateur très pertinent de la contamination au Hg des réseaux trophiques austraux.
Combiner les approches bio-télémétriques, isotopiques et la prise en compte du Hg, chez les SES offre une vision intégrée particulièrement informative sur les changements populationnels et écosystémiques passés et en cours. Les balises de bio-télémétrie permettent des études longitudinales très détaillées au niveau individuel, fournissant des informations précises sur les mouvements en mer, l'écologie de la recherche de nourriture dans l'environnement marin, et offrent un outil puissant pour comprendre les dynamiques écologiques dans le temps et l'espace. Néanmoins, cette approche est coûteuse et ne s'applique généralement qu'à un nombre limité d'individus au niveau de la population, ce qui limite sa représentativité. Cette limitation peut être efficacement complétée par des indicateurs écologiques et comportementaux, tels que l'utilisation des isotopes stables du carbone et de l'azote des protéines totales (13Cbulk et 15Nbulk, Bailleul et al. 2010) et des contaminants tels que le Hg et ses isotopes (Carravieri et al. 2013, Renedo et al. 2020, Point et al. 2011).
Les travaux réalisés ces dernières décennies sur les SES des îles Kerguelen révèlent de profonds changements. Les données océanographiques collectées ont permis d'établir que l'OA se réchauffe rapidement et que la profondeur de la couche de mélange (i.e. couche superficielle de l'océan homogénéisée par l'action de l'atmosphère (vent et échanges thermiques), caractérisée par des propriétés physiques quasi constantes (température, salinité et densité de l'eau) diminue en hiver (Azarian et al. 2024). De plus, les analyses isotopiques des protéines totales du sang de SES révèlent une diminution continue de valeurs de 13Cbulk, suggérant un phénomène écosystémique d'ampleur et interprété comme résultant d'une baisse de la contribution relative des diatomées dans la production primaire de l'OA (Mestre et al. 2020 ; Séon et al. 2025), alors que cette production primaire a tendance à augmenter. En effet, l'enrichissement en 13Cbulk des différentes familles de phytoplancton étant fortement influencé par leur rapport surface-volume, et donc par leur taille, les espèces de grande taille, telles que les diatomées, sont enrichies en 13Cbulk. Une telle modification pourrait indiquer un changement considérable dans le fonctionnement des écosystèmes marins austraux, dans la mesure où les diatomées sont à la base des réseaux trophiques et à forte valeur nutritionnelle. La présence de diatomée sur les zones de recherche alimentaire influence fortement les performances de pêche des SES (Sari el Dine et al. 2025). Cependant, des processus alternatifs et non exclusifs, tels qu'une modification du régime alimentaire, de la distribution en mer des animaux, pourrait contribuer à expliquer cette diminution en 13Cbulk. En effet nous détectons par ailleurs un déplacement d'environ 350 km vers le sud de l'habitat de pêche des femelles SES dans les dernières décennies.
Afin de distinguer une variation d'origine basale (phytoplancton) d'un changement potentiel d'écologie trophique des SES, sera évalué la signature isotopique du carbone et de l'azote d'acides aminés spécifiques (13CAA et 15NAA), notamment les acides aminés sources' (e.g. phénylalanine), qui sont transférés du phytoplancton vers les niveaux trophiques supérieurs sans fractionnement isotopique significatif (McMahon et al. 2015). Ainsi, les signatures de 13CAA et 15NAA source' dans les tissus des prédateurs supérieurs sont révélatrices des valeurs isotopiques et des mécanismes d'intégration de la matière du phytoplancton (source). Ainsi, en analysant le 13CAAet 15NAAdans le sang de SES collecté sur plusieurs décennies, il sera possible de définir si la diminution à long terme observée des valeurs de 13Cbulkest la résultante d'une modification de la composition des communautés de phytoplancton à la base des réseaux trophiques dans le secteur indien de l'OA, ou d'un changement d'écologie trophique des SES.
Par ailleurs, la mesure des concentrations, de la spéciation du Hg (MeHg), et en CSIA sur la molécule de MeHg (MeHg- 199Hg, 200Hg, 202Hg, et 13C; Lecroizier et al., 2020, Queipo et al. 2020, Malberti-Quintero et al. 2025), qui représente la forme bioaccumulable du Hg permettrait de mettre en évidence si plusieurs sources de MeHg existent entre les environnements néritiques et benthiques, et/ou a plus large échelle entre la zone antarctique et subantarctique. Ces marqueurs isotopiques du MeHg, couplés avec le niveau trophique (15Nbulk et 15NAA) peuvent permettre de caractériser plus finement la distribution latitudinale, longitudinale et verticale (dans la colonne d'eau), et ainsi mieux comprendre l'écologie en mer de ce prédateur, en particulier, les changements comportementaux en cours.Cette thèse poursuivra trois objectifs principaux :
1.Biogéochimique : cartographier les signatures isotopiques du MeHg et les concentrations en Hg des éléphants de mer dans le secteur subantarctique indien et antarctique de l'OA sur 20 ans, afin de caractériser les sources de MeHg vers les prédateurs.
2.Écologique : comparer les variations de Hg entre mâles benthiques et femelles pélagiques, et étudier l'influence de l'âge, du sexe et de la mue sur l'accumulation de Hg.
3.Environnemental : analyser les séries temporelles isotopiques du MeHg et des acides aminés, couplées aux données de biomasse chlorophyllienne et de composition phytoplanctonique, pour quantifier les changements trophiques et détecter d'éventuelles bifurcations dans les réseaux alimentaires de l'OA.

Prépararation d'échantillon et mesures d'isotopes stables du Methylmercure (MC-ICP-MS, GCIRMS)
Couplage de données isotopiques, comportementales, et environnementales spatialisées,
Utilisation et développement de modèles statistiques