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Écotoxicologie aquatique : effets des xénobiotiques sur la biodiversité des communautés d'invertébrés aquatiques et conséquences fonctionnelles
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : crustacé, gastéropode, macroinvertébré, mollusque, mollusques, periphyton, phytoplancton
Question sociétale et finalité, contexte : diversité
Démarche, discipline : Ecotoxicologie
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Objet d'étude : crustacé, gastéropode, macroinvertébré, mollusque, mollusques, periphyton, phytoplancton
Question sociétale et finalité, contexte : diversité
Démarche, discipline : Ecotoxicologie
Echelle d'étude : benthos, competition, microcosme
Localisation géographique : cours d'eau
Dispositif technique et méthode d'étude : bioindication, biométrie, écologie des communautés, mésocosme, modélisation
Composé chimique, Facteur du milieu : groupe fonctionnel, pesticide
Phénomène, processus et fonction : colonisation, dégradation de la litière, effet direct, effet indirect, emergence, émergence, prédation, recolonisation, redondance fonctionnelle
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- Description détaillée :
Approches biocénotiques (analyse structurelle et fonctionnelle des communautés).
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Approches biocénotiques (analyse structurelle et fonctionnelle des communautés).
Expérimentations en écosystèmes aquatiques artificiels (microcosmes et mésocosmes).
Études en milieu naturel (cours d'eau, zones humides littorales).
Caractérisation des conditions environnementales abiotiques (niveau de trophie du milieu, caractéristiques physico-chimiques de l'eau, etc.) et biotiques (mesure de la concentration en chlorophylle a dans l'eau ou à la surface de substrats immergés, etc.).
Échantillonnage actif (carottiers, filet Surber) ou passif (pièges, substrats artificiels) des communautés.
Identification taxonomique des invertébrés et prise en compte des traits biologiques et écologiques des taxons identifiés.
Détermination de la signature isotopique (isotopes stables du carbone et de l'azote) pour la caractérisation des réseaux trophiques.
Mesure du taux de dégradation de la litière.
Analyse statistique uni- et multivariée (analyses sous contrainte, courbe de réponse principale, etc.) des données.
Modélisation des réponses biologiques (régressions linéaire et non linéaire ; mise en oeuvre de logiciels dédiés à l'évaluation du risque écotoxicologique : Aquatox, TerraSys).
De par leur diversité taxonomique et fonctionnelle et en raison de leur importance en tant que niveau trophique intermédiaire entre les producteurs primaires et les espèces d'intérêt aquacole, les invertébrés aquatiques constituent de bons modèles pour la réalisation d'études sur l'effet des facteurs environnementaux (y compris les polluants) sur la structuration et le fonctionnement des communautés, et pour la mise au point d'outils de diagnostic environnemental.
Au sein d'une même communauté peuvent coexister des espèces qui présentent des sensibilités très différentes vis-à-vis d'un même toxique. Ce gradient de sensibilité conduit souvent à une réponse graduée lors d'une pollution, qui s'accompagne de modifications structurelles et fonctionnelles susceptibles d'être utilisées comme des indicateurs d'effet des polluants.
Les modifications au niveau des communautés découlent aussi bien d'effets directs (mortalité, perturbations de la croissance ou de la reproduction des espèces sensibles) que d'effets indirects (prolifération d'espèces plus tolérantes que leurs prédateurs ou leurs compétiteurs par exemple). Afin d'interpréter et de comprendre les effets observés au niveau des communautés, il est nécessaire de prendre en compte les processus qui sous-tendent la structuration et le fonctionnement des communautés benthiques : contrôle par les ressources (bottom-up) ou par la prédation (top-down), redondance fonctionnelle, rôle de l'hétérogénéité spatio-temporelle des ressources (Patch dynamics model) et des perturbations moyennes (Intermediate disturbance hypothesis), etc. En particulier, l'analyse de la composition taxonomique des communautés et la capitalisation des connaissances sur l'autoécologie des espèces (régime alimentaire, phénologie, etc.) facilitent la mise en évidence des effets indirects.
Les études en micro/mésocosmes sont réalisées dans les infrastructures de l'Unité Expérimentale d'Écologie et d'Écotoxicologie Aquatiques (U3E). Les travaux en milieu naturel sont effectués dans les sites ateliers de l'U3E ou dans divers écosystèmes aquatiques de Bretagne (étiers de la baie de Vilaine, zones humides littorales du Morbihan, etc.).
Les techniques mises en oeuvre sont relatives à l'échantillonnage des invertébrés, à leur détermination taxonomique (observations à la loupe binoculaire ou au microscope) et à la mesure quantitative de diverses variables biométriques (taille, poids, etc.). L'analyse statistique des données et de façon plus récente, la modélisation, occupent un rôle central dans l'éventail des techniques utilisées.
Accroître la pertinence écologique de l'évaluation du risque écotoxicologique pour les écosystèmes aquatiques, que ce soit dans le cas d'une démarche a priori (évaluation réglementaire en vue de l'obtention d'une autorisation de mise sur le marché) ou a posteriori (diagnostic environnemental).
Proposer aux gestionnaires de l'environnement des outils de diagnostic de la qualité des milieux aquatiques.
Cf. Présentation de l'équipe Écotoxicologie et Qualité des Milieux aquatiques de l'UMR 985 Écobiologie et qualité des hydrosystèmes continentauxComprendre comment les communautés d'invertébrés aquatiques répondent aux perturbations toxiques en termes de structure (biodiversité) et de fonctionnalité, et analyser la dynamique de ces réponses (y compris la restauration après l'arrêt d'une pollution).
Mettre en relation les effets au niveau des communautés avec ceux observés à des niveaux inférieurs d'organisation biologique (individus, populations).
Mettre en évidence les facteurs écologiques naturels qui tempèrent ou au contraire renforcent l'effet des polluants au niveau des communautés.
Identifier, au sein des assemblages, les espèces susceptibles d'être utilisées comme des espèces sentinelles pour l'évaluation de la qualité des milieux aquatiques.
Proposer des outils (métriques) de caractérisation de la qualité des milieux aquatiques.
Les études réalisées en mésocosmes et dans le milieu naturel ont notamment permis de montrer que :
(1) Les réponses des communautés aux toxiques ne sont pas univoques. Dans certaines conditions, les substances toxiques favorisent la diversification des communautés, conformément à l'hypothèse de la perturbation moyenne (Intermediate Disturbance Hypothesis). Ceci a été observé dans le cas de communautés phytoplanctoniques exposées à un herbicide en mésocosmes [Caquet et al., 2004. Environ. Toxicol. Chem., 24, 1116-1124]. Par ailleurs, l'existence d'une redondance fonctionnelle a été mise en évidence au sein des communautés de microalgues (production primaire) et de macro-invertébrés (dégradation de la litière) exposées à des pesticides [Hanson et al., soumis] .Pour que ces phénomènes se produisent, il est nécessaire qu'il existe dans la communauté un gradient de sensibilité au toxique considéré.
(2) Les fluctuations naturelles des conditions environnementales (baisse du niveau de l'eau, fluctuations de salinité, etc.) ont parfois un impact plus important que celui des xénobiotiques. C'est par exemple le cas dans les zones humides littorales. La prise en compte des effets des facteurs environnementaux dans l'évaluation du risque écotoxicologique est une problématique en émergence et nos résultats confirment l'intérêt d'intégrer (ou de confronter) l'analyse des effets spécifiquement liés à la présence de xénobiotiques à celle de l'impact de tous les facteurs environnementaux.
(3) L'analyse du niveau d'enrichissement en isotopes stables du carbone (d13C) et de l'azote (d15N) de prédateurs pourrait être utilisée pour la mise en évidence de modifications de la structure des réseaux trophiques en réponse à une pollution par les pesticides. Cet outil a été appliqué à des insectes (notonectes) prélevés dans des mésocosmes témoins et contaminés par des pesticides. Les réponses du d13C reflètent les modifications de la structure du phytoplancton induites par les traitements, tandis que celles du d15N traduisent les effets indirects sur le zooplancton et le benthos [Caquet, 2006. Environ. Pollut., 141, 54-59].
(4) La prise en compte des caractéristiques spatiales dans l'analyse du risque écotoxicologique est importante. En particulier, la connectivité des habitats joue un rôle majeur dans les possibilités de restauration de certaines communautés (insectes par exemple) dans des écosystèmes aquatiques contaminés par des pesticides [Hanson et al., soumis].
Les travaux entrepris concernent l'analyse des réponses structurelles (abondance des groupes taxonomiques, diversité/équitabilité, etc.) et fonctionnelles (abondance des groupes trophiques, relations trophiques, dégradation de la litière, etc.) des communautés d'invertébrés aquatiques à la présence de xénobiotiques, et plus particulièrement de pesticides.
La démarche adoptée consiste en un couplage d'approches descriptives et expérimentales, mises en oeuvre dans des écosystèmes expérimentaux (micro/mésocosmes) et/ou dans le milieu naturel. Les expérimentations permettent notamment d'agir, de façon contrôlée, sur la pression exercée par des xénobiotiques (pesticides), de mieux comprendre comment les effets des perturbations s'expriment au niveau des communautés en intégrant les phénomènes de compétition et de prédation, et d'évaluer les relations qui existent entre les caractéristiques des communautés et la forme de leur réponse aux perturbations (résilience, résistance, etc.).
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