chapitre i aspects physico-chimiques du milieu marin format pdf
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Chapitre ILa mer, La vie:
Aspects physico -chimiques
L. GUENTAS Chapitre I , Master 2 Hanoï 2012
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• Océan : 2 milliard de Km3 soit 71% de la surface du Globe
• Planète Terre = Planète Mer = seule planète avec eau liquide
• Origine de la mer : 3,8 milliards d’année � eau expulsée des volcans et prise au piège dans l’atmosphère puis lors du refroidissement � condensation
Océan = couche très mince où est apparue la vie !
I– La Terre : planète océane?
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• Océan = ONDE ; en perpétuel mouvement autour du globe �courants de surface et sous-marins
Chaleur
OCEANS Zones tropicales
AIR AMBIANT
Naissance du vent poussant les
courants de surface
Rotation de la Terre
TOURBILLONS = GYRES
Courant marins entre profondeur et surface dûs à la variation de la densité et la salinité
d eau froide > d eau chaude et d eau salée > d eau douce
Courants : indispensables à l’éclosion de la vie marine rôle clé dans l’équilibre du climat
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Océan = explosion de vie
80% de la biodiversité de la planète : � 275000 espèces marines� 30 millions d’espèces inconnues dont 10 dans les grandes profondeurs
430 milliards de tonnes de biomasse (animale et végétale)
Océans : réserve de biodiversité = forêt tropicale
Espace vital : 250 fois plus vaste que la vie terrestre
Mais Nourriture + dispersée et Reproduction plus difficile
Biodiversité terrestre = 85% espèce animale mais 20% des ord resBiodiversité marine = 15% des espèces mais 80% des ordres
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Zones océaniques
Profondeurs (m) Superficie (10 6 Km2) % de la surface immergée
Plateaux continentaux
0-200 27,5 7,6
Talus continentaux
200-30003000-4000
55,2 15,319,3
Fosses abyssales
4000-50005000-60006000-7000
> 7000
278,333231,60,2
Tab. 1 : Répartition des surfaces immergées selon leur profondeurs (Kornprobst, 2005)
La répartition des superficies immergées selon les profond eursest très inégales
≅≅≅≅ 75%
24 <S <30 millions Km 2
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• La vie marine inégalement répartie
» 60% à moins de 200m de profondeur» 95% à moins de 350m des côtes
• Haute mer : océan = vaste désert
• Grand désert océanique au niveau des gyres des régions subtropicales des océans Pacifique, Atlantique et Indien
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II – La composition chimique de l’eau de mer
• Tous les éléments sont représentés à ≠≠≠≠ [ C ]• Parmi 90 éléments :
� 73 détectables / techniques chimiques classiques� 17 détectables / techniques + fines = éléments trac es (< 0,01 ppm)
Loi de Murray (Dittman ou principe de Marcet)
Salinité (quantité totale de sels/kg H 2O) : variable selon l’espace
Globalement : 35 +/- 2 g.L -1 (35°/°°)
Mais % de chaque éléments reste constant
II – 1. La salinité
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Chimiodiversité : métabolites primaires et secondair es
Chimiodiversité marine : présence d’éléments inhabit uels ou rares dans les organismes dulcçaquacoles ou terrestres
���� Spécificité marine pour certains organismes
Océan surtout H 2O (96,5%) + halogènes et sulfates
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55
44
1,51,5
BB
SiSi
FF
10 10 àà 11
6565
3030
1515
BrBr
CC
SrSr
10102 2 àà 1010
0,10,1
0,050,05
0,020,02
Li, PLi, P
Ba, IBa, I
AsAs
1010--11 àà 1010--2 2
0,70,7
0,50,5
0,20,2
NN
AlAl
RbRb
1 1 àà 1010--1 1
885885
400400
380380
SS
CaCa
KK
10103 3 àà 101022
1898018980
1056010560
12751275
ClCl
NaNa
MgMg
>10>1033
ppm ppm (mg/kg)(mg/kg)
ElEléémentsmentsOrdre de Ordre de grandeurgrandeur
55
44
1,51,5
BB
SiSi
FF
10 10 àà 11
6565
3030
1515
BrBr
CC
SrSr
10102 2 àà 1010
0,10,1
0,050,05
0,020,02
Li, PLi, P
Ba, IBa, I
AsAs
1010--11 àà 1010--2 2
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0,50,5
0,20,2
NN
AlAl
RbRb
1 1 àà 1010--1 1
885885
400400
380380
SS
CaCa
KK
10103 3 àà 101022
1898018980
1056010560
12751275
ClCl
NaNa
MgMg
>10>1033
ppm ppm (mg/kg)(mg/kg)
ElEléémentsmentsOrdre de Ordre de grandeurgrandeur
Tab. 2 : Concentration des 20 éléments les plus abondants dans l’eau de mer sauf H et O(Kornprobst, 2005)
Mg : 2nd élément métallique après Na
� présents dans toutes le chlorophylles
S : 2nd élément non métallique après Cl
� dérivés soufrés abondants et diversifiés dans les organismes marins
Halogènes : présents [ ] ≠≠≠≠Cl >Br > F>I
Substances halogénées : répartition des halogènes ≠≠≠≠
Br, Cl > I >> F
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Halogènes
Eléments Molécules Organismes producteurs
Chlore et Brome Dérivés lipidiques (AG, stérols, terpènes) Tepènes et méroterpènes (hydrocarbures)Alcaloïdes Indoliques
Eponges, Cnidaires
Algues vertes et rouges
Cyanobactéries, algues vertes etrouges, spongiaires, cnidaires,hexacorolliaires, mollusques,bryozoaires, urochordés
Iode Rare dans métabolites secondaires : Terpènes et stérols
Forte concentration chez algues brunes
Fluor Rares dans la nature : analogues du 5-fluoro-uracile (produit de synthèse contre certains cancers)
Eponge d’origine chinoise
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Fig. 4 : Exemples de dérivés halogénés atypiques d’algues rouges (Laurencia paniculata, Qatar)
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• Le silicium : élément non métallique important
• Avec O et Al, élément composant la couche terrestre
• Peu abondant dans l’eau de mer : � 4 ppm pour Al� 0.5 ppm pour Si
• Si élément fondamental du squelette de 2 organismes :
� Exosquelette des Diatomées (eucaryotes, monocellulaires photosynthétiques)
� Endosquelette des Eponges (vie animale pluricellulaire primitive)
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Oxygène, soufre
Les + originaux sans équivalent terrestre : hydrop eroxydes et peroxydes linéaires et cycliques.
� Composés instables = explosifs pour les chimistes
� Eponges Homosclérophorma + autres invertébrés
� Biosynthèse et fonctions méconnues
Toxines polyoxygénées ( polyether ladders) :
� Dinoflagéllés (responsables marées rouges toxiques)
�Biosynthèse ?
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« Il est très intriguant que les dinoflagéllés synthétisent des polykétides de différentes façons, comme s’il s’agissait d’organismes de planètes différentes » Y. Shimizu (chimiste Japonais), 1993
Fig.5 : maitotoxine
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Le Soufre : Omniprésents dans les organismes marins
���� Métabolites primaires : PS sulfatés (algues rouges et brunes
� Métabolites secondaires d’algues ou invertébrés
� Majorité : Esters sulfuriques des stérols et triter pènes d’éponges
Saponines d’échinoderme
Fig.6 : Exemple d’une saponine d’une Holoturie. S. BHATNAGAR et coll. BULLETIN DE LA SOCIÉTÉ CHIMIQUE DE FRANCE 1985 No 1
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Fig. 7 : Exemples de dérivés atypiques de l’oxygène et du soufre retrouvés chez les éponges.
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Azote, Phosphore, Arsenic
Terpènes orignaux avec Azote engagé dans des groupes fonctionnels inhabituels ou inconnus au niveau terrestre.Plusieurs éponges appartenant aux ordres des Halichondrida et Haplosclérida
Substitution par : groupes isonitrile –NC
isothiocyanate –N = C = S
N-Formylamino – NHCHOCes 3 groupes présents sur le même squelette carbon é d’1 sesquiterpène ou d’1 diterpène ���� Eponges
Alcaloïdes indoliques substitués/ groupes isonitril es et isothiocyanates
���� Certaines cyanobactéries marines
Azote également présent dans dérivés nitrosés, nitré s et des esters nitriquesd’autres phylums d’invertébrés marins.
Azote :
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Phosphore :
Métabolite primaire (AN, phospholipides mb)
Métabolite secondaire : rare dans stérols et cérami des
���� phosphocéramides et phosphostérols chez échinodermes
Arsenic : Présence exceptionnelle car élément toxiqu eIncorporation dans dérivés glucidiques (algues brun es) consommés / mollusques herbivoresArsénobétaïne des carapaces de langouste : Palinurus longipes cygnus
Arsénicine A : isolé d’une éponge ; squelette arséno -oxo-carboné de l’adamantane = hydrocarbure tricyclique isolé de cer tains pétroles.
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Fig. 8 : Exemples de dérivés atypiques de l’azote, phosphore et de l’arsenic.
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Pour les éléments traces :� exprimés en ppb (partie par billion, µg.L-1)� accumulés dans algues et quelques invertébrés
Fe(20-2ppb) > Mn > Cu > Zn > Se > Mo > Ga > Va > Ni > Co (1- 0.1 ppb)
On définit : Y = facteur de concentration
Facteur de concentration Y = [X] dans l’organisme / [X] dans le milieu
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Elément Concentration moyenne dans l’eau de mer (ppm)
Algue concentrant l’élément
Facteur de concentration
Ga 5.10-4 Sargassum fulvellum 1200
Co 1.10-4 Caulerpa okamurai 25000
V 3.10-4 Caulerpa okamurai 33000
Ni 1.10-4 Caulerpa okamurai 56000
As 2.10-2 Gigartina mammilosa 180000
I 5.10-2 Laminaria hyperborea 400000
Tab. 3 : Exemples de facteurs de concentration pour quelques algues (Yamamotoet al., 1979)
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L’eau = solution saline dont la concentration moyenne = 35 +/-2 g.L-1
Salinité varie dans l’espace avec la latitude :
� Voisinage des pôles : 34 g.L-1
� Tropiques : 36-37 g.L-1
� Equateur : 34,56 g.L-1
� Anomalies locales : « Doigts de sels » (Schmitt, 1995)
NB : La latitude agit également sur la température
30 °C à -2°C selon les latitudes, en surface de l’équateur au pôle
A partir de 1000m de profondeur : + 2°C (Pérès et Devèze 1963, Pérès 1961, Biju-Duval 1994)
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Evaporation eau de mer = 54 sels identifiésComposition ionique simple :
Na+ et Cl - = + de 50% du total
Sels Mg/Kg
NaCl 27313
MgCl 2 3807
MgSO4 1658
CaSO4 1260
K2SO4 823
CaCO3 123
Anions Mg/Kg % Cations Mg/Kg %
Cl- 18980 55.2 Na+ 10556 30.4
SO42- 2648 7.7 Mg2+ 1272 3.7
CO32- +
HCO3-
134 0.35 Ca2+ 400 1.16
Br - 65 0.19 K+ 380 1.1
Tab. 4 : Concentrations des principaux selsprésents dans l’eau de mer (Levring et al., 1969)
Tab. 5: Teneurs comparées des principaux ions de l’eau de mer (Levring et al., 1969)
Eau de mer estune solution dechlorures et desulfates
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II – 2 . Les sources de Carbone et d’Azote2 sources de C : organique et inorganique
� C inorganique représenté par la dissolution CO2 dans H2O
CO2 + 2 H2O HCO3- + H3O+
HCO3- + H2O CO3
2- + H3O+
� Equilibre dépendant :
� Température
� Pression (reliée à la profondeur)
� pH (variation faible; # 8,2)
pH s’acidifie avec la profondeur, stabilisation à 8 entre 500 et 1500m
pH varie fortement (de 5 à 8) à proximité des sources sous- marines hydrothermales (2500-3000m) car variation de température (350°C à 2°C)
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� C organique
Ensemble des composés provenant de la dégradation des organismes
Soit : 4g.m -3 pour les carbohydrates
Citons aussi (Saliot 1981, Suess et al. 1999) :
� « Marées noires naturelles » (fuites naturelles d’hyd rocarbures)
� Hydrates de méthanes
2 sources de N : organique et inorganique
� N inorganique : azote gazeux dissous et sels diverses
� N organique : acides aminés et protéines
Soit : Albumine dissoute = 1.5 g.m -3
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III – Les propriétés optiques de l’eau de merPropriété importante dans la zone des plateaux continentaux
Car lumière = facteur principal de la photosynthèse
⇒ base de la production Iaire
⇒ base de la chaîne alimentaireIntervention de 2 phénomènes :
1- Absorption très rapide de la lumière avec la prof ondeur :
Il = I0 e-kl ; k #2,7
Exponentielle inverse avec coefficient exponentiel élevé = loi de Clark
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l (mètre) I/I 0 Absorption (%)
0 1 0
1 0,40 60
2 0,25 75
10 0,14 86
20 0,07 93
40 0,015 98
Tab. 6 : Absorption de la lumière par l’eau de mer en fonction d e laprofondeur (Kornprobst , 2005)
1er mètre : absorption de + de la moitié de la lumière incidente
40 mètres : reste 2% de la lumière incidente
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2- L’absorption sélective des longueurs d’ondes
10m
20m
30m
40m
50m
Surface : Rouge Orange Jaune Vert Bleu Indigo Violet
Fig.1 : Absorption sélective des longueurs d’onde d e la lumière blanche (Kornprobst , 2005)
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Rouge rapidement absorbées par l'eau⇒ pénètre peu en profondeur,⇒ Les végétaux chlorophylliens cantonnés à rester prèsde la surface.
Orange et jaune descendent plus profond, ce qui profite auxalgues brunes possédant des phycocyanines et des caroténoï des
Vert pénètre le plus en profondeur (jusqu'à 90 m). Seules lesalgues rouges, qui possèdent des phycoérythrines, peuventutiliser ces radiations.
L’eau de mer va jouer le rôle d'un filtre vis-à-vis des longueurs d'ondes.