Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie rural

Etude et modélisation des effets écotoxiques d'un micropolluant organique sur "Daphnia magna" et "Pseudokirchneriella subcapitata"

Chèvre, Nathalie ; Tarradellas, Joseph (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2117.

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    Summary
    The aim of this work is the modelling of the effects of a pollutant on an organism including time as a variable. The model developed will permit the evaluation of the toxicity globally, at short or long term, for low or high concentrations. This approach would permit the determination of values for very small effects or values for no-effect which could be utilised in the extrapolation of the laboratory results to the environment. To develop this approach, two organisms were chosen, a microcrustacea (Daphnia magna) and a green algae (Pseudokirchneriella subcapitata). The pollutant tested is a pesticide, dinoseb, which acts as a herbicide and as an insecticide. The measured effects are survival and reproduction for daphnids as well as growth, pH, chlorophyll a, photosynthesis and respiration for algae. To introduce time as a variable for the interpretation of the results, these parameters are measured during the life-cycle of daphnids and during the entire culture of algae. In the first part of this work, daphnids and algae cultures are studied to obtain a better knowledge of the biology of the organisms in laboratory conditions and to evaluate the natural variability of the measured parameters. For daphnids, this work permits us to establish a typical behaviour for survival and reproduction. This behaviour allows the evaluation of the quality of the cultures (and consequently of the test organisms) and the quality of a test, comparing the controls to the cultures. For algae, the study of the cultures permits us to establish the growth curve and the variability of the parameters measured during the test. In the second part, the effects of the pollutant on the different parameters are measured regularly to introduce time as a variable. The results show that dinoseb has an abrupt effect on daphnids and on algae, which could be attributed to the fact that the number of processes affected increases with the concentration. Indeed, dinoseb is a pesticide with a non specific mode of action. The range of concentrations producing effects on daphnids and algae are similar. For daphnids, the reproduction is slightly more sensitive than survival, and for algae, the growth is the most sensitive parameter. These parameters are therefore retained for the modelling. The variable time is directly taken into account in the survival time of daphnids. However, for the reproduction of daphnids and the growth of algae, the time must be introduced as a supplementary axis (longitudinal data). This results in a three dimensional graph with the effects measured as functions of time and concentration. In the third part, a model is adjusted to the survival data of daphnids. The model chosen is a simple logistic model with three interpretable parameters. It enables a global evaluation of dinoseb toxicity on survival. The model points out the effects on life-cycle time and on population for high and low concentrations. Its application permits us to define effects values (ECx, LCx), and especially a statistical no effect value which is more sensible then the NOEC (No Observed Effect Concentration). We propose to call this value SNEC (Statistical No Effect Concentration).The SNEC, as well as the other effect values, could be used for the evaluation of the impact of pollutants on the environment. This constitutes an interesting tool for ecotoxicology.
    Résumé
    Le but de ce travail est de modéliser les effets d'un polluant sur un organisme déterminé en incluant le temps comme variable. Le modèle développé permettra ainsi d'évaluer la toxicité de manière globale, aussi bien à court terme qu'à long terme, pour les fortes concentrations comme pour les faibles concentrations. Cette approche devra permettre de déterminer des valeurs de très petits effets ou de non-effets qui peuvent être utilisées pour l'extrapolation des résultats des tests à l'environnement. Pour développer cette approche, deux organismes ont été choisis, un microcrustacé (Daphnia magna) et une algue verte (Pseudokirchneriella subcapitata). Le polluant testé est un pesticide, le dinosèbe, agissant aussi bien comme herbicide que comme insecticide. Les effets mesurés sont la survie et la reproduction pour les daphnies et la croissance, le pH, la chlorophylle a, la photosynthèse et la respiration pour les algues. Afin de pouvoir introduire le temps comme variable supplémentaire dans l'interprétation des résultats, ces paramètres sont mesurés régulièrement pendant tout le cycle de vie pour les daphnies et toute la durée des cultures pour les algues. Dans la première partie de ce travail, les cultures de daphnies et d'algues ont été étudiées pour connaître la biologie de ces organismes en laboratoire et pour évaluer la variabilité naturelle des paramètres qui seront mesurés lors des tests. Pour les daphnies, ce travail permet de mettre en évidence un comportement "type" pour la survie et la reproduction. Ce comportement permet non seulement de juger de la qualité des cultures (et donc des organismes testés), mais également de la qualité d'un test par comparaison avec le comportement des contrôles. Pour les algues, l'étude des cultures permet de mieux connaître la courbe de croissance et la variabilité des différents paramètres mesurés lors des tests. Dans la deuxième partie, les effets du polluant ont été mesurés sur les différents paramètres et ceci régulièrement, afin d'introduire le temps comme variable. Les résultats montrent que le dinosèbe a un effet très abrupt aussi bien sur les daphnies que sur les algues, ce qui peut être attribué au fait que le nombre de processus affectés augmente avec la concentration. En effet, il s'agit d'un pesticide dont l'action n'est pas spécifique. Les daphnies et les algues réagissent pour des concentrations très proches. Aucune des deux espèces n'est donc plus sensible que l'autre au polluant. Concernant les effets spécifiques à chacun des organismes, la reproduction est légèrement plus sensible que la durée de vie pour les daphnies. Pour les algues, c'est la croissance qui est le paramètre le plus sensible. Ils ont donc été retenus pour la modélisation. L'introduction du temps comme variable se fait directement au travers de la durée de vie pour les daphnies. Par contre, pour la reproduction des daphnies et la croissance des algues, la prise en compte du temps nécessite l'introduction d'un troisième axe (données longitudinales). Il en résulte un graphique en 3 dimensions représentant le paramètre mesuré en fonction du temps et de la concentration. Dans la troisième partie, un modèle a été ajusté aux données de survie des daphnies. Le modèle choisi est un modèle logistique simple à 3 paramètres interprétables qui permet d'avoir une vue d'ensemble de la toxicité du dinosèbe sur la survie. Il met en évidence aussi bien des effets sur la durée de vie totale que sur la population, ceci pour les faibles et les fortes concentrations. Son application permet la définition de valeurs remarquables (ECx, LCx), et notamment d'une valeur de non effet statistique plus sensible que la NOEC (No Observed Effect Concentration). Nous proposons d'appeler cette valeur SNEC (Statistical No Effect Concentration). Cette SNEC, de même que les autres valeurs pourraient être utilisées dans le cadre de la prévision de l'impact du polluant testé sur l'environnement. Ce modèle constitue donc un outil particulièrement intéressant pour l'écotoxicologue.