Soutenance de thèse de Subhadeep CHOWDHURY

La fixation biologique de l'azote (N2) par les diazotrophes favorise la productivité primaire et l'exportation du carbone dans environ 50 % de l'océan. Alors que ce processus a été largement étudié dans les basses latitudes des océans Atlantique et Pacifique, l'océan Indien (OI) a reçu moins d'attention. Alors qu’il correspond à 22% de la surface des océans, il ne représente qu'environ 4% de la base de données globale des diazotrophes. La compréhension de la fixation de N2 dans l'OI est cruciale pour améliorer les prévisions de la productivité primaire, en particulier en raison de l'incertitude des représentations de ce processus par les modèles du système terrestre dans le contexte du changement climatique. Cette thèse porte sur l'étude de l’importance et des contrôles de la fixation de N2 et de la biogéographie des diazotrophes dans l'OI. Afin de fournir une vue d'ensemble de la compréhension actuelle de la diazotrophie dans l'OI, nous avons premièrement compilé trois décennies de données sur la fixation de N2 et l'ADN des diazotrophes de cet océan. Cette analyse a révélé des taux annuels de fixation de N2 compris entre 7 et 13 Tg N y-1, avec une variabilité notable dans certains sous-bassins tels que la mer d'Arabie, le golfe du Bengale et l'OI oriental. Cette variabilité souligne la nécessité d'un échantillonnage spatio-temporel plus complet dans les études futures afin de mieux comprendre la variabilité des diazotrophes et leur endémicité potentielle. Nous avons ensuite mené des études plus détaillées dans les régions du sud et du nord de l'OI, qui présentent des schémas contrastés de circulation océanique et de biogéochimie. Le sud de l'OI comprend le gyre subtropical et une partie de l'océan Austral, tous deux séparés par des structures frontales marquées. Au nord des fronts, les eaux du gyre sont oligotrophes, tandis qu'au sud, une haute teneur en nutriments et une faible teneur en chlorophylle prévalent. Après caractérisation de la fixation de N2 et de la composition de la communauté de diazotrophes le long des gradients de nutriments et de métaux traces trouvés à travers les fronts, nos résultats révèlent un contraste marqué entre les taux de fixation de N2 et les groupes de diazotrophes. Les diazotrophes cyanobactériens (DC) dominent au nord des fronts alors que les diazotrophes non-cyanobactériens (DNC) y prédominent au sud. Le nord de l'OI est divisé en deux sous-bassins: la mer d'Arabie et le golfe du Bengale, tous deux fortement soumis à la variabilité saisonnière des moussons. Nous avons cherché à étudier l'impact des moussons dans ces régions sur la diazotrophie, en combinant les données de fixation de N2 et d'ADN avec des produits satellitaires tels que les vents, les courants et les dépôts de poussière. Nous avons identifié deux facteurs cruciaux influençant la dynamique des DC: la température de surface de l’océan et le dépôt de poussière. Le stress éolien et les précipitations jouent eux un rôle significatif pour les DNC. La plupart des études menées dans le nord de l'OI ont eu lieu pendant les périodes de mousson d'été ou d'hiver, mais nous avons constaté que pendant la période d’entre-mousson la fixation de N2 et la prédominance des DC atteignent leurs niveaux les plus hauts. Les conclusions tirées de cette thèse mettent en lumière le fait que certaines zones se révèlent être d'éventuels points chauds de diazotrophie, notamment dans les Agulhas, le dôme du Sri Lanka et l'est de la mer d'Arabie. Ces résultats comblent des lacunes dans notre compréhension de la diazotrophie dans l'OI, révélant des informations essentielles sur la dynamique des diazotrophes, et contribuant à une compréhension globale de leur importance écologique dans la région. Ces nouvelles informations sur la diazotrophie dans l'OI devraient aider à améliorer la paramétrisation des modèles climatiques et renforcer les contraintes sur les projections de la productivité primaire nette mondiale.

Biological dinitrogen (N2) fixation by diazotrophs supports primary productivity and carbon export in approximately 50% of the global ocean. While this process has been extensively studied in the low latitudes of the Atlantic and Pacific Oceans, the Indian Ocean (IO) has received relatively less attention: notably, the IO covers 22% of the ocean surface but represents only about 4% of the global diazotroph database. However, understanding N2 fixation in the IO is crucial for improving global net primary productivity predictions, especially given the uncertainty in Earth system models' representations of this process under climate change. This thesis focuses on investigating the magnitude and controls of N2 fixation and diazotroph biogeography in the IO. To provide an overview of the current understanding of diazotrophy in the IO and identify knowledge gaps to focus on in future research, we first compiled three decades of N2 fixation and diazotroph DNA data in the IO. This analysis revealed basin-scale yearly N2 fixation rates between 7 and 13 Tg N y-1, with notable variability in certain sub-basins such as the Arabian Sea, Bay of Bengal, and Eastern IO. This variability underscores the need for more comprehensive spatiotemporal sampling in future studies to better understand diazotroph variability and potential endemicity. We then conducted more detailed studies in the Southern and Northern IO regions, which have contrasted ocean circulation and biogeochemistry patterns. The Southern IO comprises the Indian Ocean Subtropical Gyre and the Indian sector of the Southern Ocean, both separated by sharp frontal structures. North of the fronts the gyre waters are oligotrophic, while south of the fronts high-nutrient, low-chlorophyll conditions prevail. We characterized N2 fixation and diazotroph community composition along the nutrient and trace metal gradients found across the fronts. Our findings reveal a sharp contrast in N2 fixation rates and diazotroph groups, with cyanobacterial diazotrophs dominating north of the fronts and non-cyanobacterial diazotrophs prevailing south of the fronts. The Northern IO is divided into two sub-basins: Arabian Sea and the Bay of Bengal, both strongly subjected to monsoon seasonal variability. We aimed at investigating the impact of monsoons on diazotrophy in this region, by combining N2 fixation and DNA data with satellite products reflecting monsoon variability such as winds, currents, and dust deposition. We identified sea surface temperature and dust deposition as crucial factors influencing cyanobacterial diazotroph dynamics, while wind stress curl and precipitation play significant roles for non-cyanobacterial diazotrophs. Interestingly, while most studies in the Northern IO have been conducted in either summer or winter monsoon periods, we found that the intermonsoon period shows the highest N2 fixation and prevalence of cyanobacterial diazotrophs in the region. Additionally, from the findings of the three chapters of this thesis, it becomes evident that certain regions stand out as potential hotspots for diazotrophy, including the Agulhas region, the Sri Lanka dome, and the eastern Arabian Sea. Overall findings of this thesis fill important gaps in our understanding of diazotrophy in the IO, revealing pivotal insights into the dynamics of diazotrophs, and contributing to a comprehensive understanding of their ecological significance in the region. Overall, our findings provide new insights into diazotrophy in the IO, which should aid in improving climate model parameterization and enhancing constraints on global net primary productivity projections.