Hydrological variability and biogeochemistry of particulate organic matter in a large tropical rift lake, Lake Kivu (East Africa).

  • Amisi Fabrice Muvundja

Thèse de l'étudiant: Doc typesDocteur en Sciences

Résumé

La conservation de grands lacs dans le but de pérenniser leurs services écologiques est devenue
une question importante de recherche. Les lacs peuvent être sensibles aux variations et
changements climatiques ainsi qu’aux modifications imposées par l’homme. Les perturbations
hydrologiques d’un lac affectent sa limnologie etses cycles biogéochimiques, pouvant conduire
à des conséquences notables dansson fonctionnement en tant qu’écosystème. Cette thèse analyse
les données hydrologiques récentes du lac Kivu en relation avec les variations météorologiques
de son bassin versant. Elle étudie en plus la dynamique du cycle de la matière organique
particulaire en se focalisant sur ses sources, son transport vertical et son devenir lors de la
sédimentation, ainsi que son importance dans la reconstruction de l’histoire du lac Kivu. Le lac
Kivu est mieux connu grace à son enorme contenu en gas dissous (CO2 + CH4). Cette importante
resource en CH4 est produite biogéochimiquement par des bactéries méthanogènes en milieu
anaerobique suivant deux voies a savoir : (1) la reduction du CO2géogénique (~2/3) pouvant
utiliser la matière organique comme donneur d’électron et (2) la fermentation de celle-ci (~1/3).
Le niveau d’eau du lac Kivu a été reconstitué sur base d’une importante base de données de
précipitations en utilisant un modèle mathématique simple de bilan d’eau aussi bien pour le
bassin versant que pour le lac lui-même. Pour la période avec une bonne couverture par de
données de pluies, les niveaux d’eau calculés ainsi que leur variation saisonnière ont reflété les
observations enregistrées sur le terrain ; ce qui signifie que les variations observées dans les
niveaux d’eau du lac étaient essentiellement liéesaux variations des précipitations. Le manque
de données pour la période d’après 1991 a sérieusement impacté la capacité du modèle à prédire
les niveaux d’eau du lac. Ceci démontre sans équivoque la nécessité d’un monitoring
hydrométrique et météorologique du lac et du bassin versant afin d’améliorer la précision des
estimations de bilan hydrique des Grands lacs de l’Afrique de l’Est. La construction d’un barrage
hydroélectrique à l’exutoire du lac à la fin des années 1950 n’a pas eu d’effet manifeste sur la
dynamique du niveau d’eau du lac. Cependant lamodification apportée à la morphologie de
l’exutoire en 1977 semble avoir induit une certaine variabilité interannuelle des niveaux d’eau.
Le système d’eaux souterraines subaquatiques est une composante importante de l’hydrologie de
ce lac du Rift en termes d’apports en eau, en sels dissous et en chaleur injectés en dessous de la
surface du lac permettant ainsi une stratification permanente du lac et un flux ascendant de
nutriments en provenance des eaux profondes versle mixolimnion. Ces nutriments apportés par
une recharge interne des eaux de surface stimulent la croissance du phytoplancton. Bien avant
cette étude, relativement peu d’informations étaient connues à propos du devenir de la matière
organique particulaire, ni sur l’importance de son exportation vers les eaux profondes
comparativement à la production primaire, lors de lasédimentation dans la colonne d’eau et de la
formation des dépôts sédimentaires. Rien n’était connu non plus sur la signification
paléolimnologique de différentesarchives sédimentaires, comme les molécules organiques
préservées dans les sédiments et les signatures isotopiques etélémentaires. Ces « proxies »
peuvent donner des informations sur les changements de productivité, de composition de la
communauté phytoplanctonique, ainsi que sur l’origine et la préservation de la matière
organique, le cycle des nutriments etle régime de mélange des eaux.
Ainsi que l’indiquent des biomarqueurs isotopiques et moléculaires, la matière organique du lac
Kivu est essentiellement d’origine autochtone . Sa production et son accumulation dans les eaux
profondes varient en fonction des saisons, qui déterminent les alternances de périodes. de
mélange et de stratification de la partie supérieure, oxique, de la colonne d’eau, appelée
mixolimnion. Des mesures de pigments phytoplanctoniques, dont la chlorophylle a et ses
dérivés, montrent qu’une dégradation importante se produit sous la zone photique, entre 30 m et
60 m de profondeur. L’analyse de la matière organique dans des trappes à sédiments disposés
sous le mixolimnion suggère que le flux de carbone vers les sédiments représente environ 6% de
la production primaire. Ceci suggère qu’une fraction majeure de la matière organique produite
par le plancton de la zone pélagique est recyclée dans le mixolimnion par les microorganismes
hétérotrophes.
L’analyse de la matière particulaire accumulée dans les trappes montre une bonne préservation
des pigments caroténoïdes du phytoplancton. Ainsi, la lutéine, l’alloxanthine et la zéaxanthine
sont bien préservés dans la colonne d’eau et dans les sédiments, indiquant leur potentiel en tant
qu’outils paléolimnologiques utilisables comme traceurs des modification de la composition du
phytoplancton du lac au cours du temps. D’autres pigments comme la péridinine, la fucoxanthine
et la diadinoxanthine, présents dans les trappes, ne sont pas retrouvés dansles sédiments, suite à
leur dégradation au cours de la sédimentation dans les eaux profondes ou à la surface du
sédiment. Les différents marqueurs paléolimnologiques étudiés montrentque le lac Kivu a
présenté, au cours de l’Holocène, des variationsde productivité, résultant de changements de
disponibilité de nutriments. Une variation dans l’accumulation des carbonates dans les sédiments
est aussi observée. Des périodes d’accumulation desédiments riches en carbone organique mais
pauvres en carbonates alternent avec des périodes de concentrations plus faibles de carbone
organique mais beaucoup plus riches en carbonates. Il est possible qu’une forte déposition de
carbonates dans le monimolimnion se soit produitependant des périodes de forte stratification.
La faible concentration en carbonate de la strate sédimentaire tres riche en carbone organique
était interprétée comme une conséquence de lare-dissolution provoquée par l’apparition d’une
acidité relativement forte due à la fermentation, lors de la diagenèse, de l’abondante matière
organique enfouie dans les sédiments.
la date de réponse25 mars 2015
langue originaleAnglais
L'institution diplômante
  • Universite de Namur
SuperviseurJean-Pierre DESCY (Promoteur), Eric Depiereux (Président), Martin Schmid (Promoteur), Steven Bouillon (Jury), Wim Vyverman (Jury) & Pascal Isumbisho Mwapu (Jury)

mots-clés

  • Lac Kivu
  • variabilitéhydrologique
  • biogéochimie
  • matière organique particulaire
  • biomarqueurs
  • paléolimnologie

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