Thèse Comment Saisir la Surface de l'Eau Rationalisation et Optimisation des Techniques d'Échantillonnage pour la Mesure de la Composition de la Microcouche de Surface Marine Sml. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : LGC - Laboratoire de Génie Chimique Direction de la thèse : Benjamin LALANNE ORCID 0000000210740219 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'Université de Toulouse en France (UT, organisme d'accueil principal) et l'Université des Îles Baléares en Espagne (UIB, organisme d'accueil associé). Le projet vise à comprendre et à quantifier le transport des espèces en suspension pendant l'échantillonnage de la microcouche de surface marine (SML) - le premier millimètre à la surface de l'océan.

La SML, interface entre l'océan et l'atmosphère, joue un rôle clé dans la régulation de processus climatiques comme les échanges de CO ou la formation d'aérosols marins. Cette couche est un environnement complexe et hétérogène, contenant différentes espèces chimiques, particules et organismes vivants, dans des proportions variant avec la profondeur. Sur le terrain, la composition du SML est souvent mesurée en utilisant une technique de dip-coating (revêtement par trempage) : une plaque est tirée à travers la surface et le liquide entraîné dessus est recueilli. Ces mesures souffrent cependant de biais de sélectivité : la vitesse de retrait influence la profondeur d'échantillonnage, tandis que particules et microbes sont filtrés selon leur taille, faussant ainsi les résultats.

Ce projet propose d'appliquer des outils du génie chimique et la mécanique des fluides pour quantifier ces effets. Pour cela, nous combinerons expériences en laboratoire et modélisation numérique, selon des proportions pouvant être adaptées au parcours et aux aspirations du·de la candidat·e. Les simulations numériques modéliseront le procédé de dip-coating en 1D et 2D avec des bains multicouches émulant la structure du SML, de manière à quantifier la sélectivité en profondeur d'échantillonnage. Des simulations séparées permettront de traiter l'effet de sélectivité lié à la taille des particules. Les expériences en laboratoire porteront sur le dip-coating de compositions liquides simplifiées (couches non miscibles ou gradients) et de suspensions bactériennes. Des techniques optiques nous permettront alors de mesurer l'épaisseur du film entraîné et sa composition, ainsi que le champ d'écoulement dans le bain.

Ces stratégies numériques et/ou expérimentales (et leur combinaison) devraient aboutir à une description quantitative des sélectivités à l'oeuvre lors du dip-coating - ce qui est essentiel pour améliorer la fiabilité des mesures de composition de la SML. L'applicabilité et les limites de nos résultats sur des systèmes modèles pourront enfin être évaluées en réalisant des expériences contrôlées de dip-coating en laboratoire avec de véritables échantillons de SML, recueillis sur le terrain. The sea surface microlayer covers most of the ocean surface and represents the ultimate boundary that links the atmosphere and the hydrosphere. It therefore plays an important role in regulating biogeochemical cycles and climate-related processes. For example, the SML mediates the exchange of carbon dioxide between the ocean and the atmosphere. It is also the source of marine aerosols, which are involved in cloud formation and shape the transport of bacteria to terrestrial environments [1].
All these processes depend heavily on SML composition, which is very heterogeneous. It includes chemical species such as carbohydrates, lipids, proteins, heavy metals, as well as bigger objects like microplastics and living matter like bacteria, zoo- and phyto-plankton, that actively modify physico-chemical properties of the SML [7]. Additionally, these components are found in different amounts depending on the depth in the SML (distance to the surface) [4].

A classical method currently used to collect SML samples consists in immersing a vertical glass plate into the water and withdrawing it at constant speed - a process also known as dip coating [3]. The liquid film deposited on the plate is then recovered to be analyzed as an SML sample. However, sample reproducibility and comparison across collection techniques remain challenging [2]. This may be attributed to a combination of external factors (operator dependency, wind, waves) and intrinsic limitations of the sampling techniques.
For instance, the withdrawal speed of the plate is known to affect the thickness of the coated film [3] and thus, arguably, the depth of sampling. Since the SML has a layered structure, this in turn biases the contents of the sample, introducing a depth selectivity. Perhaps less known is the size selectivity introduced by the dip coating process: depending on their size relative to the coated film thickness, objects suspended in the liquid may be entrained on the plate or, on the contrary, remain in the sea [5]. As a result of the SML heterogeneity, current sampling methods introduce uncontrolled selectivity, and only bring out a partial picture of the SML composition and structure. This selectivity is enhanced by microbial communities located at the SML (bacterioneuston) that actively modify the local structure of the SML, altering the spatio-temporal physicochemical properties of the SML as they actively produce and consume compounds dissolved at the SML. The Sea Surface Microlayer (SML) is the thin, uppermost layer of oceans and seas, typically ranging from 1 to 1000 micrometers in thickness. As compared to the underlying water, this skin is enriched with organic matter, microorganisms, and pollutants, making it a unique and complex environment [1]. However, robust, quantitative methods and protocols to sample its composition are still lacking today - this is the research challenge we propose to address in this PhD project.

Classical methods for SML collection consist in withdrawing objects from the sea surface and recovering the liquid thus captured to analyze its composition [2]. We propose to bring tools from the fields of chemical engineering and fluid mechanics - where this process is known as dip coating [3] - to achieve the following objectives:
Assess quantitatively how the collection process affects the contents of the collected SML sample - this will shed light on what exactly existing data on SLM composition is measuring.
Propose guidelines for modified sampling protocols and methods to achieve more reproducible SML measurements - this will help obtaining cleaner data in the future.
Depth and size selectivity critically affect our ability to characterize the contents of the SML. The approach we propose consists in bringing tools from chemical engineering and fluid mechanics to properly understand and quantify these effects. The methods combine model experiments at reduced scale (in the lab) and numerical modelling, as detailed below. The exact balance between theoretical and experimental work will depend on the aspirations and background of the candidate.

Numerical modelling - the dip coating process will be modeled numerically in 1D (lubrication approximation) and 2D, building on the abundant literature on the topic [3]. The challenge will consist in implementing the description of a multilayer/gradient bath, emulating the multilayer nature of the SML. An existing formulation for a 2-layers bath will serve as a starting point [6]. Following numerically fluid elements dragged on the plate will allow us to describe and quantify the depth selectivity. The particle size selectivity will be implemented separately, first in the case of a single layer bath, trying to reproduce the experimental observations from the literature [5].

Experiments - the experiments will consist of lab-scale dip coating experiments with simplified liquid compositions. The liquid bath will be made of two-immiscible liquid layers or with a gradient of composition near the surface of the bath - a configuration closely matching the one of the simulations in order to allow quantitative comparison of depth selectivity. Moving up one step in complexity, dip coating experiments with motile and non-motile bacterial suspensions will be performed with typical species encountered at the SML, such as Vibrio and Pseudoalteromonas species. In all cases, the entrained film thickness and flow field in the bath will be measured using optical techniques (interferometry and Particle Image Velocimetry, respectively).

Some field work may also be possible during the stay at UIB in order to retrieve SML samples in real conditions, to be later used for more controlled dip coating experiments in the lab.

Nous recherchons un-e candidat-e enthousiaste, titulaire d'un master en ingénierie (génie chimique, mécanique, etc.), en physique ou en mathématiques appliquées. Des connaissances préalables en mécanique des fluides sont vivement recommandées. Les profils numériques/théoriques ou expérimentaux sont tous deux les bienvenus, idéalement avec une ouverture d'esprit vis-à-vis des compétences complémentaires (par exemple, un profil numérique ouvert à l'expérimentation, ou un profil expérimental ouvert à la simulation numérique). Une expérience préalable en laboratoire et un intérêt pour les sciences de la vie et de l'environnement constitueront des atouts. Le-a candidat-e devra maîtriser l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, et avoir démontré sa capacité à travailler en réseau.

Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/