Aquatic ecotoxicology and modelling biological effects. Final report
Ecotoxicologie aquatique et modélisation des effets biologiques. Rapport final
Résumé
Energy is a key concept to understand the biological and ecological functioning of living organisms. Our PNETOX project is based on this principle. Our study of Chironomus riparius, usually used in sediment toxicity tests, focused on energy from cellular level (measurements of sugar and lipids in the organisms) to population level (effects of toxicants on biomass and population growth rate). As for energetic biomarkers, measurements methods for sugars and lipids have been built. These methods can be transferred to other species. For Chironomus riparius, we showed that only lipids could account for toxicity or organic matter. More work is needed before using the biomarkers in the field. At individual level, biology?based models have been proposed and validated. In the absence of toxicant they permit to predict growth, emergence and reproduction patterns as a function of feeding and sediment characteristics. As for toxicity tests, they permit to estimate time independent parameters which are relevant from a biological point of view. They contribute to the determination of the physiological mode of action and propose toxicity patterns in accordance with the observed data. At population level, we proposed two complementary approaches. The first one is original and allow to deduce effects of toxicants on biomass and population density. This is crucial for aquatic ecosystems in which chironomids constitute a prominent part of the source of food for many fish and birds. Moreover, this approach permit to assess the consequences of toxicity independently from other factors like feeding or sediment characteristics. The second approach is the Leslie matrices approach. It focuses on population growth rate, and allow easy comparisons with other species population dynamics and mathematical studies of the contribution at population level of each life cycle parameter. Links between these three levels have been provided. Effects on lipid storage could account for an effect on reproduction. In the same way, change of scale models are based on the data modeled at individual level. This project could contribute to environment management in three ways. First, it provides methods for the use of energetic biomarkers. Second, it proposes models to analyze toxicity data with chironomids. Third, population modeling permit to integrate effects on many endpoints into effect on one unique endpoint.
L'énergie est l'une des principales clés de compréhension du fonctionnement biologique et écologique des organismes vivants. C'est en partant de ce principe général qu'a été élaboré ce projet PNETOX. Notre étude chez le chironome Chironomus riparius, fréquemment utilisé au cours des tests de toxicité comme indicateur de la qualité des sédiments, s'est intéressée à l'énergie, depuis le niveau individu, à l'aide de marquers métabolite et physiologiques (mesures de sucres et de lipides dans les organismes) jusqu'au niveau population (effets de toxiques sur la biomasse et taux d'accroissement de population). En ce qui concerne les marqueurs énergétiques, les mesures de sucres et de lipides ont été mises au point et les techniques sont transférables à d'autres espèces. Pour le chironome, il est apparu que seuls les lipides son à même de rendre compte de l'exposition à un toxique ou de l'influence de la nourriture et de la matière organique. Il semble que des travaux supplémentaires soient nécessaires avant d'envisager l'utilisation sur le terrain. Au niveau individuel, des modèles à fondement biologique ont été proposés et validés. En l'absence de toxique, ils permettent de prédire les courbes de croissance, les temps d'émergence et la fécondité des organismes en fonction de la quantité de nourriture disponible et du support sédimentaire. Pour les tests de toxicité, ils permettent l'estimation de paramètres de toxicité indépendants du temps et ayant une pertinence biologique. Ils aident à la détermination du mode d'action physiologique et permettent de simuler des effets et adéquation avec les données observées. Au niveau des populations, nous proposons deux approches. La première, originale, permet de déduire les effets des toxiques sur la biomasse et la densité de population. Ceci est d'une grande importance pour les écosystèmes aquatiques au sein desquels le chironome constitue une source de nourriture importante pour les poissons et les oiseaux. Cette approche permet en outre d'isoler l'influence de la part due au toxique sur la dynamique de population indépendamment des autres effets du milieu. La seconde approche est matricielle (Matrices de Leslie). Elle étudie en priorité le taux d'accroissement de la population et permet des comparaisons faciles avec les autres espèces ainsi qu'une étude mathématique poussée de l'influence de chaque composante du cycle de vie sur la dynamique de population. Le lien entre ces différentes échelles a été réalisé. Ainsi, les effets sur les marqueurs lipidiques pourraient rendre compte de l'atteinte de la fonction de reproduction. De la même manière, les modèles de changement d'échelle se fondent entièrement sur les données modélisées au niveau individuel. A partir de ce projet, le gestionnaire disposera, à terme, de techniques de mesures des biomarqueurs énergétiques chez les organismes, de modèles d'analyses des données de toxicité pour le chironome, et de modèles de changement d'échelle lui permettant d'intégrer en un unique paramètre l'ensemble des données de toxicité disponibles pour l'ensemble des paramètres du cycle de vie.