Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

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PRESENTATION OF THE INTERDISCIPLINARY OPERATION MELISSA 

(FRENCH NATIONAL PROGRAMME PROOF)

Christophe Migon, 

Laboratoire d’Océanographie de Villefranche, Université Paris 6, CNRS-INSUE, La Darse, BP 8, F-06238 Villefranche-sur-mer Cedex,

France - migon@oceane.obs-vlfr.fr

Abstract

The Mediterranean interdisciplinary MELISSA project (MEditerranée LImitationS SAisonnières) is part of the French national PROOF

programme. Its objective is to better understand the causal relationship between a given chemical forcing (availability of nutrients) and

assimilation processes, phytoplankton dynamics, trophic functioning and carbon ?uxes. The temporal variability of these parameters is

studied at the DYFAMED time-series station (Ligurian Sea). The project is scheduled on 12 monthly campaigns (2004), 3 seasonal

campaigns (2005) and a fertilising experiment in 2006 or 2007. 

Keywords: nutrient availability; assimilation processes; trophic status; carbon ?ux.

Planktonic growth depends among others on the availability of

several chemical species. As the surface layer of the western

Mediterranean is subjected to seasonal succession of nutrient inputs,

the main objective of the MELISSA project (MEditerranée

LImitationS SAisonnières) is to better understand causal relationships

between chemical constraints and the functioning of the trophic chain.

Climatic changes partly determine the evolutions of such constraints,

which have consequences on carbon ?uxes. In this way, this project

will provide data for the study of retroaction of chemical limitation of

the biological production on the fate of CO

2

, and, thus, on climatic

evolutions.

The MELISSA project integrates time-series data acquired at the

DYFAMED site (central Ligurian Sea) since 1991. The seasonal

evolution of N/P ratios clearly indicates a succession of the limiting

factor between N and P. This seasonal pattern is linked to the temporal

variability of nutrient inputs in the western Mediterranean Sea.

Certain phenomena are not well identified, and the characterisation of

seasonal features is not easy (e.g., the rapid and early P to N limitation

at the end of the stratification period).

MELISSA proposes multidisciplinary approaches: nutrient inputs

and their availability in the euphotic zone, concomitant evolutions of

the trophic system (impact of a given limitation on planktonic dyna-

mics), and consequences on carbon ?uxes. These data will be simulta-

neously taken into account, which will permit to better understand the

involved processes, from the input of nutrient to the exported ?uxes.

Reciprocally, measurements of microbial respiration will provide data

on the retroaction of seasonal limitations on pCO

2

variations.

Experimental and field data (processes of stimulation of the

biological production, of trophic transfers, of recycling, etc.) will

provide informations for the conception and development of process

models.

Environmental evolutions, in particular anthropogenic

perturbations, in?uence the C:N:P:Si ratios and the abundance of

dissolved iron. Results acquired after three years in the present project

(including in vitroand in situfertilising experiments), completed by

the DYFAMED time-series, will feed predictive models.

The characterisation of seasonal situations implies the

understanding of the impact of events (e.g., significant atmospheric

events) and assimilation processes. The different fields on which

studies will focus are:

- Atmospheric inputs

Atmospheric ?uxes of N, P, Si and Fe will be characterised and

quantified, and their temporal variability (event/season) will be

assessed. Solubilisation kinetics will be studied, since the physico-

chemical form under which nutrients are introduced into the surface

layer determines their assimilation by biota.

- Stocks and ?uxes of biogenic elements

The seasonal succession of nutrient concentrations will be

measured in surface waters together with matter ?uxes. Ultra-

sensitive analytical methods will be used for the stratification period.

Vertical profiles will be measured in the water column at the

DYFAMED site to assess the distribution of dissolved mineral and

organic stoks of N, P, Si, Fe and C.

- Production

Primary production (particulate + dissolved) monthly data from the

Service d’Observation DYFAMED will be used, as well as specific

measurements during monthly campaigns in 2004. New and

regenerated production will be measured. Bacterial activity will be

measured in the surface water column (0-200 m). The temporal

variability of exported carbon ?uxes will be studied through monthly

data from the Service d’Observation DYFAMED, and through

specific measurements during the 2004 campaigns.

- Biomass

Seasonal variations of phytoplanktonic biomass (total + specific)

will be monthly measured, and also during the 2004 campaigns.

Seasonal variations of picoplankton abundance will be studied by ?ux

cytometry, and the genetic diversity of populations will be studied in

the water column. 

- DOM-TEP

The biogeochemical significance of dissolved organic matter

(DOM) will be addressed by chemically characterising its high

molecular weight (HWM) fraction. The role of different factors that

could contribute to seasonal and interannual variations in the

production and sinks of this material such as variations in sources

(algal and bacterial) in the availability of inorganic nutrients, and the

ability of different bacterial species to hydrolyse specific dissolved

biomolecules at different depths will be investigated. Transparent

Exopolymeric Particles (TEP), which may be a significant source of

carbon, and may be a favourable support for bacterial development,

will be particularly studied.

- Assimilation processes

Although the observed P-limitation in several oceanic zones is due

to the biological fixation of N

2

, the quantification of this process has

not yet been carried out in the Mediterranean. This process will be

studied here by 

15

N measurements. Genetics studies (characterisation

of the genus nifH) will be complementary. The study of the N

2

fixation process will be carried out in relation with the quantification

of other nutrient ?uxes, in particular P and Fe.

The relation between nutrient limitation and microbial population

diversity will be assessed. This will be studied through experiments

based upon the concept of competitive assimilation of phosphate, in

case of P-limitation.

The efficiency of bacterial growth will be estimated in the surface

layer (0-200 m) by measuring the microbial production and

respiration. Heterotrophic metabolism will be studied in relation with

particulate organic carbon and dissolved organic carbon ?uxes.

- Fertilising experiments

On the basis of nutrient atmospheric ?uxes measured at the Cap

Ferrat sampling station, fertilising experiments will be carried out at

the DYFAMED site: LET GO apparatuses (4.5 L) will be spiked and

incubated in situ with nutrient concentrations calculated from wet

atmospheric events. The role of mineral dust (Fe, Si, P) will be also

examined through in vitroexperiments. 

- Modelling

The processes involved in the successive chemical limitations will

be modelled. The data acquired in this project will allow to follow the

evolutions of the stoichiometric ratios in the exported material. On the

basis of stoichiometric variations, the vertical export of carbon out of

the euphotic zone will be constrained by values of i) primary

production, ii) heterotrophic respiration, iii) net carbon fixation, iv)

chemical composition of the dissolved and particulate exported

material (C:N or C:P).

The impact of external inputs of nutrients on P:Si:N:C ratios will be

modelled to forecast the trends of a system driven by climate change

and anthropogenic activities (e.g., what are the consequences of the

evolution of molar ratios on the planktonic populations at the decenal

scale?). Neural network models will be used in order to model

stochastic processes of the ecosystem.

Continuous atmospheric sampling (Cap Ferrat coastal site, SE

France) and monthly campaigns are planned in 2004; 3 seasonal

campaigns are planned in 2005; a in situfertilisation (simulation of a

natural nutrient-rich atmospheric event) is planned in 2006 or 2007.

The MELISSA project gathers 44 persons and 9 French laboratories.