[PDF] Compréhension et modélisation des relations entre les

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AVERTISSEMENT

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Laboratoire

d' THESE

Présentée

devant

L'UNIVERSITE

DE METZ

UFR

Sciences fondamentales et Appliquées

Pour l'obtention du grade de docteur en sciences de la vie

Spécialité

TOXICOLOGIE DE L'ENVIRONNEMENT

par

Virginie

DUCROT

Compréhension

et modélisation des relations entre les caractéristiques biologiques et écologiques et la sensibilité aux contaminants des communautés d'invertébrés benthiques : perspectives pour l'évaluation des effets des substances chimiques.EXCLU DU

PRÊTun|YersEe-

melz

Soutenue

le 2 décembre 2005 devant la commission d'examen suivante :

Directeur de

thèse

Co-Encadrant

Rapporteurs

ExaminateursJean-François

FERARD

Jeanne

GARRIC

Sylvain

DOLEDEC

Cédric

BACHER

Alexandre

PERY

Jean-Gabriel

WASSON

Kristin BECKER

VON SLOOTEN

tsIBLIOTHEOUE

UNIVERSITAIRE DE METZ| flil ililt ilt] ilil ]il Iilil tffi tffi tilt il|| tiil til031 536328 5Professeur,

Université de Metz

Directrice

de recherches, Cemagref

Professeur,

Université Lyon 1

Chargé

de recherches, lfremer

Chargé

de recherches, Cemagref

Directeur de

recherches, Cemagref

Chargée

de recherches, Ecole

Polytechnique

Fédérale de Lausanne

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Laboratoire

d'écotoxicologie THESE

Présentée

devant

L'UNIVERSITE

DE METZ

UFR Sciences

fondamentales et Appliquées Pour I'obtention du grade de docteur en sciences de la vie

Spécialité

TOXICOLOGI E DE L'ENVTRONNEMENT

par

Virginie

DUCROT

Compréhension

et modélisation des relations entre les caractéristiques biologiques et écologiques et la sensibilité aux contaminants des communautés d'invertébrés benthiques : perspectives pour l'évaluation des effets des substances chimiques.

Soutenue

le 2 décembre 2005 devant la commission d'examen suivante :EXCLU DU

PRÊTUN|VERSIrEPauI\rcdrine

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Cote Loc

Directeur

de thèse

Co-Encadrant

Rapporteurs

ExaminateursJean-François

FERARD

Jeanne

GARRIC

Sylvain

DOLEDEC

Cédric

BACHER

Alexandre

PERY

Jean-Gabriel

WASSON

Kristin BECKER VON SLOOTENProfesseur,

Université de MetzDirectrice de recherches, Cemagref ,

Professeur,

Université Lyon 1Chargé de recherches, lfremer

Chargé

de recherches, CemagrefDirecteur de recherches, CemagrefChargée de recherches, EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne

REMERCIEMENTS

Je

tiens tout d'abord à remercier Jean-François Férard, professeur à l'université de Metz etdirecteur de cette thèse, pour m'avoir conseillé et soutenu jusque dans les toutes dernièresheures de ce travail.

Un

grand merci à Jeanne Garric, directrice du laboratoire d'écotoxicologie du Cemagref etco-encadrante de ce travail, pour m'avoir accueilli dans son équipe de recherche en maîtriseet m'avoir renouvelé sa confiance jusqu'à la fin de la thèse. Sa présence, son écoute et sesconseils avisés m'ont énormément aidé à m'affirmer et à évoluer en tant que jeunechercheur. Je lui adresse ici toute ma reconnaissance et mon admiration.

Je ne sais

ô combien remercier Alexandre Péry, chargé de recherches et co-encadrant decette thèse, pour sa disponibilité et son soutien de chaque instant. A chaque étape du travail,il a su me guider avec une grande patience. ll a fait preuve de beaucoup de compréhensiondans les moments les plus difficiles et n'a jamais cessé de me soutenir et de m'encourager.Je lui témoigne ici ma profonde gratitude et toute mon amitié.

Je

suis très honorée que Messieurs Cédric Bacher, chargé de recherches à I'IFREMER etSylvain Dolédec, professeur à I'université Lyon 1, aient accepté la charge de rapporter cetravail. Je les en remercie chaleureusement.

Je

suis également très reconnaissante à Jean-Gabriel Wasson, directeur de recherches auCemagref, et Kristin Becker Van Slooten, chargée de recherches à l'école polytechniquefédérale de Lausanne, d'avoir accepté de participer au jury.

Tout ma

gratitude à I'ensemble des membres du comité de pilotage de la thèse: ThierryCaquet, Patrick Flammarion, Sandrine Charles, Jeanne Garric, Alexandre Péry et JeanFrançois Férard. Vos conseils et vos encouragements, toujours formulés dans la bonnehumeur, m'ont beaucoup aidé.

Je

tiens tout particulièrement à remercier Philippe Usseglio-Polatera et Sandrine Charlespour les heures de travail qu'ils m'ont consacrées tout au long de cette thèse, leurdisponibilité, leur patience et leur gentillesse.

Je remercie

par ailleurs, Jacques Mouthon, Michel Lafont et Marie-Claude Roger pour leuraide précieuse dans le cadre de mon initiation à la biologie et à l'écologie des invertébrésbenthiques, ainsi que Bas Kooijman et Tjalling Jager pour leur accueil dans leur laboratoireet leur aide dans le cadre de la modélisation des données.

Comment

ne pas remercier mes courageux stagiaires, Guillaume et Claudine, pour I'aidetechnique efficace et les moments agréables (et parfois pittoresques !) qu'ils m'ont apportéau cours de cette thèse ?

Du fond

du caeur, un grand merci à mes collègues et amis, Benoit, Bernard(s), Hervé,Olivier, Raphaë|, Sophie et Virginie, avec qui j'ai partagé tant de fous rires et d'instantsinoubliables.

Enfin,

un énorme merci à mes parents et mes saeurs, qui ont tant fait pour moi pendanttoutes ces années. Une pensée émue pour ma deuxième famille : Véro, Greg, Matthieu,Marion, Edwige, Nico, Céline, Anne-Laure, Thibo et Bes. Les mots me manquent pour vousdire à quel point je vous suis reconnaissante et combien je tiens à vous.

RESUME

Nous avons cherché à améliorer la pertinence écologique des méthodes existantes d'évaluation des effets des substances chimiques pour les communautés d'invertébrés benthiques.

Nous avons

tout d'abord mis au point une méthode qui permet de construire des batteries de test représentatives représentatives de la typologie de traits biologiques et

écologiques

renconhés dans les communautés naturelles, grâce à l'analyse statistique des combinaisons de 22 caractéristiques biologiques et écologiques pour 47g espèces d'invertébrés rencontrées en Europe de I'Ouest. Nous avons utilisé cette méthode afin de construire une batterie de test représentative de la communauté d'invertébrés inféodés aux sédiments de zone aval de cours d'eau et de lacs. Cette batterie est constituée de cinq espèces : Chironomus riparius, Valvata (Cincinna) piscinalis, Branchiura sowerbyi,

Lumbriculus

variegatus et Sericostoma pers onatum. Nous avons alors caractéisé la réponse biologique au zinc des populations de laboratoire pour C. riparius, T. piscinalis et B. sowerbyi. Potx ce faire, nous avons mis au point des méthodes d'élevage, décrit le cycle de vie en laboratoire en milieu non contaminé et réalisé des tests de toxicité afin de caractériser les effets d'une contamination du sédiment par

Ie zinc

sur la survie, la croissance et la reproduction des organismes. Ces effets ont été analysés au niveau individuel grâce à des modèles basés sur la perturbation de la gestion de l'énergie par le toxique. A partir de données individuelles, nous avons estimé les effets attendus au niveau des populations en couplant ces modèles d'effets sur les individus avec des modèles biodémographiques matriciels basés sur l'étude du cycle de vie des organismes.

L'étude

de la sensibilité au zinc des populations de C. riparius, V. piscinalis et B. sowerbyi nous a permis d'estimer une concentration sans effet du zinc sur les communautés benthiques qui est relativement fiable par rapport aux résultats observés sur le terrain. La validation et l'adaptation des outils proposés en vue d'une utilisation en routine pour l'évaluation des effets des substances chimiques représentent les perspectives majeures de la thèse. Mots clés: Invertébrés benthiques, Sensibilité, Traits biologiques, Traits écologiques,

Evaluation

du risque, Modélisation, Energie, populatio n, Zinc.

ABSTRACT

We sought to improve the ecological relevance of the existing effect assessment methods for benthic invertebrate communities. 'We have thus developed a method, which permits to build test batteries that represent the typology of biological and ecological traits occurring in natural communities. It is based on the statistical analysis of the combinations of 22 biological and ecological tra\ts lot 479 western European invertebrate species. We used this method in order to build a test battery that represents the range of biological and ecological traits in benthic communities that inhabit fine sediments of lowland rivers and lakes in Westem Europe. This battery gathers five species: Chironomus riparius, Valvata (Cincinna) piscinalis, Branchiura sowerbyi,

Lumbriculus

variegatus and Sericos toma pers onatum - We have then sought to characteize the biological response to zinc of lab populations for C. riparius, T. piscinah's and B. sowerbyi. For these species, we developed handling and breeding methods and described their life cycle at the lab in clean sediments. Then, we ran toxicity tests to characteize the effects of zinc on individual survival, growth and reproduction. Test data were first analyzed at the individual level using mechanistic models based on the perturbation of energy budgets by the toxicant. On the basis of both the data from toxicity tests and the effects models, we estimated the effects of zinc at the population level using matrix population models. Finally, we used population level results to derive a no- effect concentration for the benthic community.

The study

of population effects of zinc on C. riparius, V. piscinalis and B. sowerbyi allowed us to estimate a no-effect concentration for the benthic community, which is reliable when compared to field results. The validation and the adaptation the methods we used for routine effect assessment of chemicals represents the major prospect of our work.

Keywords:

Benthic Invertebrates, Sensitivity, Biological fiaits, Ecological traits, Ecological risk assessment,

Modeling, Energy, P opulatio n, Zinc.

TABLE

DES MATIERES

CHAPITRE I

: INTRODUCTION.. ............. 15

1. CONTEXTE DE L',ETUDE ..................... 15

1.1. Evaluation du risque des substances chimiques pour le milieu aquatique................ 15

1.2. Evaluation des effets toxiques : questions actue11es.... .......... 18

2. EVALUATION DES EFFETS TOXIQUES : ETAT DE L'ART .................22

2.1. Qu'est ce qui détermine la réponse biologique des organismes aux contaminants? 22

2.2. Approches

altematives pour le choix des espèces tests.......... ................28

2.3. Approches alternatives pour le calcul des valeurs seuil.......... ................34

r.3. PROBLEMATrQUE............... ............... 38r.4. DEMARCHE SCTENTTFTQUE .............39 I.5.

ORGANISATION DU MANUSCRIT ....................42

CHAPITRE II

: CONSTRUCTION D,UNE BATTERIE D'INVERTEBRES BENTHIQUES BASEE SUR L'ETUDE DES TRAITS BTOLOGIQUES ET ECOLOGIQUES ....................45

1. TRAITS BIOLOGIQUES & ECOLOGIQUES ET DIVERSITE FONCTIONNELLE

DES

COMMUNAUTES............. ............46

1.1. Définitions........... ............46

1.2. Pourquoi utiliser les traits biologiques et écologiques comme critère de sélection des

organismes composant une batterie de tests ?............... ...............47

2. CONSTRUCTION

D'UNE BATTERIE D'INVERTEBRES BENTHIQUES :

DEMARCHE & OUTILS .....49

2.1. Support et caractérisation de I'information biologique et écologique utilisée... .......49

2.2. Définition d'une communauté benthique théorique .............53

2.3. Typologique

des traits biologiques et écologiques rencontrés dans cette communauté : construction des groupes fonctionnels............... .....................56 2.4. Sélection de représentants des groupes fonctionnels : construction de la batterie de tests.......... .............62

3. CONSTRUCTION

D'UNE BATTERIE D'INVERTEBRES BENTHIQUES :

RESULTATS ............ ............64

3.1. Construction de la communauté benthique théorique................ .............64

3.2. Groupes fonctionnels obtenus ...........65

3.3. Caractérisation

synthétique des groupes fonctionnels obtenus ...............74

3.4. Sélection

de représentants des groupes fonctionnels .............. ................75

4. BIOLOGIE ET ECOLOGIE DE NOS ESPECES MODELES .....................81

4.1.

Chironomus riparius ............. ............81

4.2. Valvata (Cincinna) piscinalis.. ..........85

4.3. Branchiura

sowerbyi................ .........90

4.4. Comparaison des traits biologiques et écologiques de nos espèces modèles par

rapport aux caractéristiques moyerutes de leur groupe fonctionnel ................96

5. CONCLUSIONS

DU CHAPITRE II............... ..........99

CHAPITRE III

: ELEVAGE, CARACTERISATION ET MODELISATION DU CYCLE DE VIE EN LABORATOIRE DE NOS ESPECES MODELES ............. 101 I.PRELEVEMENTS,ACCLIMATATIONSETELEVAGES.......... ............102 I.l.

Chironomus riparius............. ..........102

1.2.

Valvata (Cincinna) piscinalis.. ........ 104

I.3. Branchiura sowerbyi............ ........... 108

2. CARACTERISATION ET MODELISATION DU

CYCLE DE VIE DES ESPECES

ETUDIEES EN LABORATOIRE

: PRINCIPES ET METHODES ............... .............ll2

2.1. Technique d'analyse des

données : la modélisation.......... ...-..............-.II2

2.2.Défrnition

des conditions expérimentales ............. .............. 119

2.3. Méthodes de caractérisation

des paramètres du cycle de vie : les bioessais...........l22

2.4.Méthodes

d'analyse des données ....I32 3. CARACTERISATION DU CYCLE DE VIE AU LABORATOIRE POUR LES TROIS ESPECES ETUDIEES : RESULTATS .................. 133 3.1. Cycle de vie de Chironomus riparius ............... 133

3.2. CycIe de vie de

Valvata (Cincinna) piscinalis .................... 138 3.3. Cycle de vie de Branchiura sowerbyi ................ .................162 3.4. SYNTHESE COMPARATIVE DES PARAMETRES VITAUX DE NOS TROIS

ORGANrSMES......... ........... 182

4. CONCLUSIONS DU CHAPITRE III.............. ........ 185

CHAPITRE IV : EVALUATION DE LA TOXICITE AU NTVEAU DE L'INDwIDU ..... 187

1. TOXIQUE DE REFERENCE

: LE ZINC........ ........ 188quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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