Contexte scientifique

Loup tacheté Le loup tacheté est maintenant considéré comme une espèce menacée au Canada et il est très peu abondant dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent. Pour assurer le rétablissement de l’espèce, Pêches et Océans Canada souhaite mieux connaître ses habitats essentiels. Une équipe de scientifiques de l’Institut Maurice-Lamontagne s’est donc intéressée aux relations entre le loup, les autres espèces de la faune démersale et les caractéristiques de leur milieu, notamment l’oxygène. Dans les chenaux profonds de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent, les eaux sont hypoxiques (faible teneur en oxygène), ce qui peut avoir un impact non négligeable sur l’aire de distribution et le cycle vital du loup.

Cottidae
Cottidae
Liparidae
Liparidae
Zoarcidae
Zoarcidae

L’oxygène dissous a été mesuré à l’aide d’un nouvel appareil comportant une sonde optode Aanderaa modèle 3830. Grâce à ce nouvel outil dans l’arsenal océanographique, on peut désormais explorer les liens entre le loup, les communautés démersales et l’oxygène dissous, un élément clé des habitats benthiques dans le Saint-Laurent. Cet instrument a été déployé avec succès lors du relevé annuel de poissons de fond dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent à des profondeurs atteignant 500 m. On peut d’ailleurs l’utiliser en parallèle avec le système de caméra remorquée. Attaché à la ralingue supérieure du chalut, l’appareil enregistre la concentration d’oxygène, la profondeur et la température pendant le chalutage.

Les poissons capturés par le chalut, incluant plusieurs espèces de petite taille appartenant principalement à trois familles méconnues de la faune démersale, soit les Cottidae, les Liparidae et les Zoarcidae, ont été identifiés.

Les habitats propices au loup ont été définis en recoupant les informations de plusieurs sources : relevés acoustiques multifaisceaux, relevés par caméra remorquée, chalutage, relevé annuel de poisson de fond et bases de données océanographiques (salinité, température et oxygène dissous).

 

Défis techniques et solutions

Trois méthodes sont disponibles pour mesurer l’oxygène dissous.

La méthode chimique (Winkler 1888, modifications de 1965) fournit une valeur absolue d’oxygène; elle est très précise et exacte et demeure la référence pour l'étalonnage des autres méthodes. Bien qu’elle ait été partiellement automatisée, elle comporte certains désavantages. Elle exige de rapporter à la surface des échantillons d’eau dans lesquels l’oxygène sera dosé et d'apporter un grand soin à la qualité des réactifs, aux méthodes de prélèvement et au titrage, ce qui n’est pas toujours possible en mer. La minutie de l’opérateur peut aussi jouer beaucoup sur la qualité des résultats. Elle ne permet pas d’effectuer des mesures en continu.

Optode Aanderaa
Optode Aanderaa

La méthode la plus répandue pour mesurer l’oxygène en continu est l’utilisation de sondes galvaniques ou polarographiques (Leland C. Clark, 1954). Dans ces sondes, la présence d’oxygène induit un courant dans une solution d’électrolytes entre une anode et une cathode situées derrière une membrane perméable à l’oxygène. Ces sondes présentent de grands avantages tels que leur facilité d’utilisation et permettent des mesures en continu. Il s’agit d’une technologie bien éprouvée ayant subit plusieurs perfectionnements. Ses principaux inconvénients ont été éliminés ou réduits, par exemple en utilisant des sondes pulsées, en réduisant la taille des senseurs, en forcant une circulation d’eau sur la membrane, etc. Cependant, certains inconvénients ne sont jamais totalement éliminés. Ces sondes consomment de l’oxygène durant la lecture, la membrane et l’électrolyte se dégradent rapidement et plusieurs facteurs affectent la lecture (salinité, température, pression).

La méthode la plus récente pour mesurer l’oxygène dissous implique l’utilisation de fluorosenseurs ou optodes (Lubber & Opitz, 1975; Aanderaa, 2002). Cette technologie est basée sur un complexe fluorescent dont la fluorescence diminue en fonction de la quantité d’oxygène présente dans l’eau. Il n’y a pas de consommation d’oxygène par la sonde, donc il n’est pas requis de renouveler l’eau ou d’agiter comme pour les sondes électro-chimiques. L’effet de la pression est prévisible et il n’y a pas de membrane ou de solutions d’électrolytes pouvant se dégrader ou se salir. L’étalonnage est requis mais rarement plus fréquemment qu’une fois par année. Ces sondes sont extrêmement stables.

Pour faciliter l’acquisition de données d’oxygène lors du chalutage, il a été nécessaire de concevoir un système autonome qui serait sans entretien et aussi simple et robuste que les thermographes utilisés de façon routinière sur des engins de pêche. Le système devait aussi comporter une sonde de pression pour permettre de déterminer le moment exact où l’engin touche le fond. Des trois méthodes de mesure existantes, seul le fluorosenseur pouvait s’adapter aux contraintes imposées par l’usage sur un chalut.

Bouteilles pour titrages avec méthode chimique de Winkler
Bouteilles pour titrages avec
méthode chimique de Winkler
Sonde galvanique typique
Sonde galvanique typique

Conception d'un nouvel instrument

Le prototype baptisé OPT (oxygène, pression, température) comporte une optode à oxygène (Aanderaa 3830) et une sonde de pression couplées à un enregistreur de données polyvalent enregistrant les données sur de la mémoire flash non-volatile, le tout dans un caisson étanche en acétal (Delrin). Ce système est autonome, ne requiert pas d’être relié à la surface pour fonctionner et il peut enregistrer pendant plus de 96 heures sans intervention. Les sondes d’oxygène, de température et de pression sont robustes et ne nécessitent pas d’étalonnage fréquent. L’ensemble ne comporte aucune pièce mobile et peut résister à une pression statique de 600 mètres en plus de résister aux chocs subits par un chalut benthique.

Intérieur de caisson

Intérieur du caisson :

  • Une cage de protection fermée à l'exception de six trous qui laissent passer l'eau.
  • Branchement de l'optode.
  • Un enregistreur programmable basé sur un micro-contrôleur et qui enregistre les données sur carte Compact-Flash amovible.
  • Une sonde de pression en acier inoxydable.
  • Un bloc de piles NiMH rechargeables de 2 000 ou 2 200 mAh qui permettent une autonomie de 24 à 96 heures selon le taux d'échantillonnage choisi.
Caisson

Caisson. Le système prêt à mettre à l’eau se présente sous la forme d’un cylindre de 31 cm de long par 16 cm de diamètre pourvu de points d’attaches.

Un chalut à perche sur le NGCC Calanus II Un chalut à fond Campelen sur le  NGCC Teleost

Deux utilisations typiques de l’OPT, un chalut à perche sur le NGCC Calanus II (gauche) et un chalut de fond Campelen sur le NGCC Teleost (droite).

Validation du nouvel instrument

Des tests en bassins ont été réalisés pour évaluer le comportement de l’optode et pour déterminer les temps d'atteinte de l'équilibre dans un fort gradient d'oxygène à température constante. Des valeurs extrêmes ont été choisies pour couvrir toutes les conditions possibles qu’on peut retrouver dans l’estuaire et le golfe. La sonde a été soumise à un passage rapide d’eau saturée à 100 % en oxygène à de l’eau à 5 % de saturation. L’opération inverse a ensuite été réalisée.

Trois indicateurs d’équilibre ont été calculés. Le temps requis pour atteindre 63 % de la valeur d’équilibre (e-folding time scale), et les temps requis pour atteindre 95% et 99 % de l’équilibre, autant lors des diminutions d’oxygène que lors des augmentations. Il a été déterminé que la valeur à 63% est d’environ 50 secondes et 95% de la valeur d’équilibre est atteint après un peu moins de 150 secondes.

Temps d'adaptation lors d'un passage de faible à haute concentration

Temps d'adaptation lors d'un passage de faible à haute concentration

Bien que ce délai dans la réaction de la sonde limite l’utilité de l’optode pour effectuer des mesures dans des zones de fort gradient, par exemple lors d'un profil vertical rapide, un temps d’équilibre maximal de 5 minutes est compatible avec l’usage sur un chalut.

De nombreux tests de comparaison avec la méthode chimique de Winkler ont été réalisés, autant en laboratoire qu’en situation de terrain à différentes profondeurs, températures et salinités. Il en est ressorti que lorsque bien étalonnée, l’OPT fournit des données fiables, reproductibles et d’une grande précision.

Comparaison des méthodes : optode vs méthode chimique (Winkler).

Oxygène mesuré par optode vs méthode chimique (Winkler)

Les essais en mer du prototype ayant été positifs autant du point de vue de sa robustesse que de la qualité des données, il est à prévoir que l’usage de ce type d’instrument se généralisera.