Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Permanent.Plot.ch - a database for Swiss permanent vegetation plots

The aim of the Permanent.Plot.ch project is the conservation of historical data about permanent plots in Switzerland and the monitoring of vegetation in a context of environmental changes (mainly climate and land use). Permanent plots are currently being recognized as valuable tools to monitor long-term effects of environmental changes on vegetation. Often used in short studies (3 to 5 years), they are generally abandoned at the end of projects. However, their full potential might only be revealed after 10 or more years, once the location is lost. For instance, some of the oldest permanent plots in Switzerland (first half of the 20th century) were nearly lost, although they are now very valuable data. The Permanent.Plot.ch national database (GIVD ID EU-CH-001), by storing historical and recent data, will allow to ensuring future access to data from permanent vegetation plots. As the database contains some private data, it is not directly available on internet but an overview of the data can be downloaded from internet (http://www.unil.ch/ppch) and precise data are available on request.

Reproducibility of species lists, visual cover estimates and frequency methods for recording high mountain vegetation

Question: When multiple observers record the same spatial units of alpine vegetation, how much variation is there in the records and what are the consequences of this variation for monitoring schemes to detect change? Location: One test summit in Switzerland (Alps) and one test summit in Scotland (Cairngorm Mountains). Method: Eight observers used the GLORIA protocols for species composition and visual cover estimates in percent on large summit sections (>100 m2) and species composition and frequency in nested quadrats (1 m2). Results: The multiple records from the same spatial unit for species composition and species cover showed considerable variation in the two countries. Estimates of pseudoturnover of composition and coefficients of variation of cover estimates for vascular plant species in 1m x 1m quadrats showed less variation than in previously published reports whereas our results in larger sections were broadly in line with previous reports. In Scotland, estimates for bryophytes and lichens were more variable than for vascular plants. Conclusions: Statistical power calculations indicated that, unless large numbers of plots were used, changes in cover or frequency were only likely to be detected for abundant species (exceeding 10% cover) or if relative changes were large (50% or more). Lower variation could be reached with the point methods and with larger numbers of small plots. However, as summits often strongly differ from each other, supplementary summits cannot be considered as a way of increasing statistical power without introducing a supplementary component of variance into the analysis and hence the power calculations.

Climate and vegetation history of western Portugal inferred from Albian near-shore deposits (Gale Formation, Lusitanian Basin)

The late Early Cretaceous greenhouse climate has been studied intensively based on proxy data derived essentially from open marine archives. In contrast, information on continental climatic conditions and on the accompanying response of vegetation is relatively scarce, most notably owing to the stratigraphic uncertainties associated with many Lower Cretaceous terrestrial deposits. Here, we present a palynological record from Albian near-shore deposits of the Lusitanian Basin of W Portugal, which have been independently dated using Sr-isotope signals derived from low-Mg oyster shell calcite. Sr-87/Sr-86 values fluctuate between 0.707373 +/- 0.00002 and 0.707456 +/- 0.00003; absolute values and the overall stratigraphic trend match well with the global open marine seawater signature during Albian times. Based on the new Sr-isotope data, existing biostratigraphic assignments of the succession are corroborated and partly revised. Spore-pollen data provide information on the vegetation community structure and are flanked by sedimentological and clay mineralogical data used to infer the overall climatic conditions prevailing on the adjacent continent. Variations in the distribution of climate-sensitive pollen and spores indicate distinct changes in moisture availability across the studied succession with a pronounced increase in hygrophilous spores in late Early Albian times. Comparison with time-equivalent palynofloras from the Algarve Basin of southern Portugal shows pronounced differences in the xerophyte/hygrophyte ratio, interpreted to reflect the effect of a broad arid climate belt covering southern and southeastern Iberia during Early Albian times.

Maintenance of biodiversity in vineyard-dominated landscapes: a case study on larval salamanders

Alteration of natural habitats as a result of agricultural intensification is detrimental for wildlife. There is, however, growing evidence that land use and management can be wildlife friendly. In Europe, agricultural areas cover two-thirds of the land and therefore play a major role in maintaining biodiversity. Agricultural land use is very intense in vineyard-dominated landscapes but there are no refuges for wildlife in the form of ecological compensation areas. In our study, we assessed spatial variation in abundance of salamander (Salamandra salamandra) larvae in relation to land use and stream characteristics in vineyard-dominated landscapes. Abundance of larval salamanders depended positively on weirs, amount of riparian vegetation along the streams and environment-friendly agricultural practice in the vineyards. Surprisingly, road density also had positive effects, presumably through indirect effects (stone walls along roads may serve as refugia). Thus, abundance is determined by characteristics of both the aquatic and terrestrial habitats. Our results suggest that fire salamanders can persist in landscapes dominated by intensive agriculture like viticulture, indicate wildlife-friendly management options and highlight that man-made habitat can be valuable for wildlife.

Continent wide response of mountain vegetation to climate change

Climate impact studies have indicated ecological fingerprints of recent global warming across a wide range of habitats. Whereas these studies have shown responses from various local case studies, a coherent large-scale account on temperature-driven changes of biotic communities has been lacking. Here we use 867 vegetation samples above the treeline from 60 summit sites in all major European mountain systems to show that ongoing climate change gradually transforms mountain plant communities. We provide evidence that the more cold-adapted species decline and the more warm-adapted species increase, a process described here as thermophilisation. At the scale of individual mountains this general trend may not be apparent, but at the¦larger, continental scale we observed a significantly higher abundance of thermophilic species in 2008, compared with 2001. Thermophilisation of mountain plant communities mirrors the degree of recent warming and is more pronounced in areas where the temperature increase has been higher. In view of the projected climate change the observed transformation suggests a progressive decline of cold mountain habitats and their biota.

Extending the canopy flow model for natural, highly flexible macrophyte canopies

Flow structures above vegetation canopies have received much attention within terrestrial and aquatic literature. This research has led to a good process understanding of mean and turbulent canopy flow structure. However, much of this research has focused on rigid or semi-rigid vegetation with relatively simple morphology. Aquatic macrophytes differ from this form, exhibiting more complex morphologies, predominantly horizontal posture in the flow and a different force balance. While some recent studies have investigated such canopies, there is still the need to examine the relevance and applicability of general canopy layer theory to these types of vegetation. Here, we report on a range of numerical experiments, using both semi-rigid and highly flexible canopies. The results for the semi-rigid canopies support existing canopy layer theory. However, for the highly flexible vegetation, the flow pattern is much more complex and suggests that a new canopy model may be required.

Testing the influence of topography and material properties on catchment-scale soil moisture patterns using remotely sensed vegetation patterns in a humid temperate catchment, northern Britain

In order to evaluate the relationship between the apparent complexity of hillslope soil moisture and the emergent patterns of catchment hydrological behaviour and water quality, we need fine-resolution catchment-wide data on soil moisture characteristics. This study proposes a methodology whereby vegetation patterns obtained from high-resolution orthorectified aerial photographs are used as an indicator of soil moisture characteristics. This enables us to examine a set of hypotheses regarding what drives the spatial patterns of soil moisture at the catchment scale (material properties or topography). We find that the pattern of Juncus effusus vegetation is controlled largely by topography and mediated by the catchment's material properties. Characterizing topography using the topographic index adds value to the soil moisture predictions relative to slope or upslope contributing area (UCA). However, these predictions depart from the observed soil moisture patterns at very steep slopes or low UCAs. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Emergent geomorphic-vegetation interactions on a subalpine alluvial fan

Following perturbation, an ecosystem (flora, fauna, soil) should evolve as a function of time at a rate conditioned by external variables (relief, climate, geology). More recently, biogeomorphologists have focused upon the notion of co-development of geomorphic processes with ecosystems over very short through to very long (evolutionary) timescales. Alpine environments have been a particular focus of this co-development. However, work in this field has tended to adopt a simplified view of the relationship between perturbation and succession, including: how the landform and ecosystem itself conditions the impact of a perturbation to create a complex spatial response impact; and how perturbations are not simply ecosystem destroyers but can be a significant source of ecosystem resources. What this means is that at the within landform scale, there may well be a complex and dynamic topographic and sedimentological template that co-develops with soil, flora and fauna. Here, we present and test a conceptual model of this template for a subalpine alluvial fan. We combine detailed floristic inventory with soil inventory, determination of edaphic variables and analysis of historical aerial imagery. Spatial variation in the probability of perturbation of sites on the fan surface was associated with down fan variability in the across-fan distribution of fan ages, fan surface channel characteristics and fan surface sedimentology. Floristic survey confirmed that these edaphic factors distinguished site floristic richness and plant communities up until the point that the soil-vegetation system was sufficiently developed to sustain plant communities regardless of edaphic conditions. Thus, the primary explanatory variable was the estimated age of each site, which could be tied back into perturbation history and its spatial expression due to the geometry of the fan: distinct plant communities were emergent both across fan and down fan, a distribution maintained by the way in which the fan dissipates potentially perturbing events.