UTILISATION INTEGREE DE BIOINDICATEURS POUR LA SURVEILLANCE DES SOLS ET DES ECOSYSTEMES TERRESTRES - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

INTEGRATED USE OF BIOMONITORS FOR SOIL AND TERRESTRIAL ECOSYSTEM SURVEY

UTILISATION INTEGREE DE BIOINDICATEURS POUR LA SURVEILLANCE DES SOLS ET DES ECOSYSTEMES TERRESTRES

Résumé

Transfer and effects of 3 metal trace elements (MTEs: Cd, Pb and Zn) in terrestrial food webs were studied over a 40 km2-area polluted by the former smelter Metaleurop Nord (France). The objectives were (i) to identify main factors explaining MTE concentrations in soils and studied animals, to determine scales of action of these variables and whether landscape modulate contaminations; (ii) to measure responses of considered species at various biological organization levels and to investigate relationships between responses of individuals and/or populations. Samplings of soils in woody habitats (suitable habitats for studied species), and several species of land snails and small mammals were performed during 3 consecutive years over two seasons. The spatial distribution analysis of soil contamination shows that variables explaining total soil concentrations (distance from the source, frequency of wind) act at relatively large spatial scales, while local factors (soil characteristics, notably pH) determine CaCl2-extracted soil concentrations (considered as available). Geostatistical methods of spatial interpolation, namely ordinary and universal kriging, allowed to produce soil contamination maps covering the whole study area and to establish a spatial risk assessment for invertebrates and vertebrates of woody habitats (based on US EPA Eco-SSLs). Relationships between MTE concentrations in animals and in soils were studied in sympatric snail species (Cepaea sp and Oxychilus draparnaudi) and small mammal species (the greater white-toothed shrew Crocidura russula and the bank vole Myodes glareolus) having contrasted diet. Internal concentrations increase with soil contamination and are always better explained by total rather than CaCl2-extracted soil MTE concentrations, except in Cepaea sp. Landscape influences accumulated MTE levels and their increase along soil pollution gradient. The spatial scale for which correlation between internal and soil MTE concentrations was at best differed between species and landscape types. Both physiological and ecological factors, such as diet and also habitat preference and habitat exploitation, modulate MTE bioaccumulation. The influence of receptor characteristics (sex, age, diet...) on accumulation and sequestration of MTEs was studied in several sympatric small mammals (wood mouse Apodemus sylvaticus, bank vole, common shrew Sorex araneus and pygmy shrew Sorex minutus). Age more than gender, and species more than trophic level, influence MTE and metallothionein (MT) levels and their relationships. Three patterns of relationships between MTE accumulation abilities and MTs production were identified. Individual health assessments suggest that receptor sensibility to MTEs (shrew < vole < wild mice) decrease when their MT production capability increase. Measure of MTs solely does not constitute a relevant exposure biomarker, however is necessary for interpretation of deleterious effect probability of occurrence. Temporal variability of MTE accumulation was studied in the bank vole, showing inter-annual and inter-seasonal differences. Whereas Pb (liver and kidneys) exhibit inter-seasonal variations (spring < autumn), both Cd and Zn have different patterns among organs, and inter-annual variations without straight seasonal effect. Potential adaptation to pollution in two autochthonous land snail species of study site, common garden snail Cantareus aspersus (formerly Helix aspersa) and grove (or brown-lipped) snail Cepaea nemoralis was investigated: offspring of parents from 2 origins (exposed to MTEs or not) were exposed in in situ microcosms within a cross-transplantation study. Analysis of MTE accumulation (biota-soil accumulation factor, kinetic modelling) does not show adaptation. However, shell characteristics suggest both acclimatization and adaptive processes through Ca metabolism modification. Present work show that analysis of organism responses to environmental pollution must be based on several parameters (bioaccumulation, biomarker, health index, population...), and that understanding the significance of a single measure necessitate to put it in perspective within its global context, moving across perception levels (biological organization level, temporal and spatial contexts). Within ecological risk assessment framework and pollution biomonitoring, our work emphasizes the need of long-term monitoring and the necessity to develop procedures over relevant spatial ranges in respect with ecological processes which participate in observed responses, and taking landscape into account.
Le transfert et les effets de 3 éléments traces métalliques (ETMs : Cd, Pb et Zn) dans les réseaux trophiques terrestres ont été étudiés sur une zone de 40 km2 polluée par l'ancienne fonderie de Metaleurop Nord (France). Les objectifs étaient (i) d'identifier les principaux facteurs expliquant les concentrations en ETMs dans les sols et les animaux étudiés, de déterminer à quelles échelles spatiales ces facteurs interviennent et si le paysage module les contaminations; (ii) de mesurer les réponses des espèces étudiées à différents niveaux d'organisation biologique et de rechercher des liens entre réponses individuelles et/ou populationnelles. Des échantillonnages portant sur les sols d'habitats ligneux (milieux boisés favorables pour les espèces étudiées) et plusieurs espèces d'escargots et de micromammifères ont été menés durant 3 années consécutives à plusieurs saisons. L'analyse de la distribution spatiale de la contamination des sols montre que les variables expliquant les concentrations totales en ETMs dans les sols (distance à la source, fréquence du vent) agissent à des échelles spatiales relativement larges, alors que des facteurs locaux (caractéristiques des sols, notamment le pH) déterminent les concentrations extractibles au CaCl2 (considérées comme disponibles). Des méthodes géostatistiques d'interpolation spatiale, krigeage ordinaire et universel, ont permis de générer des cartes de contamination des sols sur l'ensemble de la zone d'étude et d'établir une évaluation du risque spatialisée pour les invertébrés et vertébrés des habitats ligneux (basée sur les Eco-SSLs de l'US EPA). Les relations entre les concentrations en ETMs des animaux et des sols ont été étudiées chez 2 espèces d'escargots (Cepaea sp et Oxychilus draparnaudi) et 2 espèces de micromammifères (Crocidure musette Crocidura russula et Campagnol roussâtre Myodes glareolus) sympatriques ayant des régimes alimentaires contrastés. Les concentrations internes augmentent avec la contamination des sols et sont toujours mieux expliquées par les concentrations totales qu'extractibles, sauf pour Cepaea sp. Le paysage influence les niveaux d'ETMs accumulées et leur augmentation le long du gradient de pollution. L'échelle spatiale à laquelle la corrélation entre les concentrations en ETMs dans les animaux et les sols est la meilleure varie entre espèces et entre paysages. Les facteurs physiologiques et écologiques, tels que le régime alimentaire mais aussi la préférence et l'exploitation d'habitat, modulent la bioaccumulation des ETMs. L'influence des caractéristiques du récepteur (sexe, âge, régime alimentaire...) sur l'accumulation et la séquestration des ETMs a été étudiée chez plusieurs micromammifères sympatriques (Mulot sylvestre Apodemus sylvaticus, Campagnol roussâtre, Musaraigne carrelet Sorex araneus et Musaraigne pygmée Sorex minutus). L'âge plus que le sexe, et l'espèce plus que le niveau trophique, influencent les niveaux d'ETMs et de métallothionéines (MTs) et leurs relations. Trois patrons de relations entre capacité d'accumulation des ETMs et production de MTs ont été identifiés. Des mesures de santé individuelle suggèrent que la sensibilité des récepteurs aux ETMs (musaraigne < campagnol < mulot) décroît quand leur capacité de production de MTs augmente. La mesure des MTs seule ne constitue pas un biomarqueur d'exposition pertinent, mais elle est nécessaire pour interpréter la probabilité d'occurrence d'effets délétères. La variabilité temporelle de l'accumulation des ETMs a été étudiée chez le Campagnol roussâtre, mettant en évidence des différences inter-annuelles et inter-saisonnières. Tandis que le Pb (foie et reins) montre des variations inter-saisonnières (printemps < automne), le Cd et le Zn ont des patrons différents entre organes, et des variations inter-annuelles sans effet saisonnier net. L'adaptation potentielle à la pollution métallique de 2 escargots autochtones du site d'étude, l'escargot petit-gris Cantareus aspersus et l'escargot des bois Cepaea nemoralis, a été examinée : des individus issus de 2 origines (parents exposés ou non aux ETMs) ont été exposés in situ en microcosmes dans une expérience de transplantation croisée. L'analyse de l'accumulation des ETMs (facteur de bioaccumulation, paramètres cinétiques) ne montrent pas d'adaptation. Cependant, les caractéristiques de la coquille suggèrent des processus d'acclimatation et d'adaptation à travers une modification du métabolisme du Ca. Ce travail montre que l'analyse de la réponse d'un organisme à la pollution doit s'appuyer sur la mesure de plusieurs paramètres (bioaccumulation, biomarqueur, indice de santé, population...), et que l'interprétation d'une mesure nécessite sa mise en perspective dans son contexte global en changeant de niveaux de perception (niveau d'organisation biologique, contextes temporel et spatial). Dans le cadre de l'évaluation du risque environnemental et de la biosurveillance, nos travaux soulignent la nécessité des suivis à long terme, et de la mise en place de procédures sur des étendues pertinentes par rapport aux processus écologiques qui participent aux réponses observées et tenant compte du paysage.
Fichier principal
Vignette du fichier
ThA_se_C_Fritsch.pdf (19.37 Mo) Télécharger le fichier

Dates et versions

tel-00524516 , version 1 (08-10-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00524516 , version 1

Citer

Clémentine Fritsch. UTILISATION INTEGREE DE BIOINDICATEURS POUR LA SURVEILLANCE DES SOLS ET DES ECOSYSTEMES TERRESTRES. Ecologie, Environnement. Université de Franche-Comté, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00524516⟩
1044 Consultations
4404 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More