Risk assessment of herbicide mixtures in a large European lake

Lake Geneva is one of the largest European lakes with a surface area of 580 km2. Its catchment area covers 7400 km2, of which approximately 20% is arable land. Monitoring campaigns have been carried out in 2004 and 2005 to determine the contamination of the lake by pesticides. The results highlight the widespread presence of herbicides in water, the measured concentrations for most substances remaining constant in 2004 and 2005. However, for some individual herbicides the concentrations increased drastically (e.g., the herbicide foramsulfuron). We assessed the environmental risk of the herbicides detected in the lake using water quality criteria recently determined for the Swiss environmental protection agency. Furthermore, we assessed the risk of herbicide mixtures, grouped based upon their mode of action. Generally, the risk estimated for all single substances is low, except for some sulfonylurea compounds. For these substances, the measured concentrations are higher than the predicted no-effect concentration. Impact on the flora of the lake can therefore not be excluded. When mixtures of pesticides with similar mode of action are taken into account, the risk remains lower than the mixture water quality criteria for all groups, but can reach as high as one third of this quality criteria. A further step would therefore be to assess the risk of the total pesticide mixture, including similar and dissimilar modes of action

Risk Assessement of Herbicide Mixtures

Lake Geneva is one of the largest European lakes with a surface area of 580 km2. Its catchment area covers 7400 km2, of which approximately 20% is arable land. Monitoring campaigns have been carried out in 2004 and 2005 to determine the contamination of the lake by pesticides. The results highlight the widespread presence of herbicides in water, the measured concentrations for most substances remaining constant in 2004 and 2005. However, for some individual herbicides the concentrations increased drastically (e.g., the herbicide foramsulfuron). We assessed the environmental risk of the herbicides detected in the lake using water quality criteria recently determined for the Swiss environmental protection agency. Furthermore, we assessed the risk of herbicide mixtures, grouped based upon their mode of action. Generally, the risk estimated for all single substances is low, except for some sulfonylurea compounds. For these substances, the measured concentrations are higher than the predicted no-effect concentration. Impact on the flora of the lake can therefore not be excluded. When mixtures of pesticides with similar mode of action are taken into account, the risk remains lower than the mixture water quality criteria for all groups, but can reach as high as one third of this quality criteria. A further step would therefore be to assess the risk of the total pesticide mixture, including similar and dissimilar modes of action.

Fate of the herbicide glyphosate and its metabolite AMPA in soils and their transfer to surface waters: A multi-scale approach in the Lavaux vineyards, western Switzerland

The use of herbicides in agriculture may lead to environmental problems, such as surface water pollution, with a potential risk for aquatic organisms. The herbicide glyphosate is the most used active ingredient in the world and in Switzerland. In the Lavaux vineyards it is nearly the only molecule applied. This work aimed at studying its fate in soils and its transfer to surface waters, using a multi-scale approach: from molecular (10-9 m) and microscopic scales (10-6 m), to macroscopic (m) and landscape ones (103 m). First of all, an analytical method was developed for the trace level quantification of this widely used herbicide and its main by-product, aminomethylphosphonic acid (AMPA). Due to their polar nature, their derivatization with 9-fluorenylmethyl chloroformate (FMOC-Cl) was done prior to their concentration and purification by solid phase extraction. They were then analyzed by ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS). The method was tested in different aqueous matrices with spiking tests and validated for the matrix effect correction in relevant environmental samples. Calibration curves established between 10 and 1000ng/l showed r2 values above 0.989, mean recoveries varied between 86 and 133% and limits of detection and quantification of the method were as low as 5 and 10ng/l respectively. At the parcel scale, two parcels of the Lavaux vineyard area, located near the Lutrive River at 6km to the east of Lausanne, were monitored to assess to which extent glyphosate and AMPA were retained in the soil or exported to surface waters. They were equipped at their bottom with porous ceramic cups and runoff collectors, which allowed retrieving water samples for the growing seasons 2010 and 2011. Results revealed that the mobility of glyphosate and AMPA in the unsaturated zone was likely driven by the precipitation regime and the soil characteristics, such as slope, porosity structure and layer permeability discrepancy. Elevated glyphosate and AMPA concentrations were measured at 60 and 80 cm depth at parcel bottoms, suggesting their infiltration in the upper parts of the parcels and the presence of preferential flow in the studied parcels. Indeed, the succession of rainy days induced the gradual saturation of the soil porosity, leading to rapid infiltration through macropores, as well as surface runoff formation. Furthermore, the presence of more impervious weathered marls at 100 cm depth induced throughflows, the importance of which for the lateral transport of the herbicide molecules was determined by the slope steepness. Important rainfall events (>10 mm/day) were clearly exporting molecules from the soil top layer, as indicated by important concentrations in runoff samples. A mass balance showed that total loss (10-20%) mainly occurred through surface runoff (96%) and, to a minor extent, by throughflows in soils (4%), with subsequent exfiltration to surface waters. Observations made in the Lutrive River revealed interesting details of glyphosate and AMPA dynamics in urbanized landscapes, such as the Lavaux vineyards. Indeed, besides their physical and chemical properties, herbicide dynamics at the catchment level strongly depend on application rates, precipitation regime, land use and also on the presence of drains or constructed channels. Elevated concentrations, up to 4970 ng/l, observed just after the application, confirmed the diffuse export of these compounds from the vineyard area by surface runoff during main rain events. From April to September 2011, a total load of 7.1 kg was calculated, with 85% coming from vineyards and minor urban sources and 15% from arable crops. Small vineyard surfaces could generate high concentrations of herbicides and contribute considerably to the total load calculated at the outlet, due to their steep slopes (~10%). The extrapolated total amount transferred yearly from the Lavaux vineyards to the Lake of Geneva was of 190kg. At the molecular scale, the possible involvement of dissolved organic matter (DOM) in glyphosate and copper transport was studied using UV/Vis fluorescence spectroscopy. Combined with parallel factor (PARAFAC) analysis, this technique allowed characterizing DOM of soil and surface water samples from the studied vineyard area. Glyphosate concentrations were linked to the fulvic-like spectroscopic signature of DOM in soil water samples, as well as to copper, suggesting the formation of ternary complexes. In surface water samples, its concentrations were also correlated to copper ones, but not in a significant way to the fulvic-like signature. Quenching experiments with standards confirmed field tendencies in the laboratory, with a stronger decrease in fluorescence intensity for fulvic-like fluorophore than for more aromatic ones. Lastly, based on maximum concentrations measured in the river, an environmental risk for these compounds was assessed, using laboratory tests and ecotoxicity data from the literature. In our case and with the methodology applied, the risk towards aquatic species was found negligible (RF<1).

The Use of Passive Samplers to Reveal Industrial and Agricultural Pollution Trends in Swiss Rivers

This study shows the efficiency of passive sampling to reveal industrial and agricultural pollution trends. Two practical applications for nonpolar and polar contaminants are presented. Low-density polyethylene (LDPE) samplers were deployed for one year in the Venoge River (VD) to monitor indicator PCBs (iPCBs, IUPAC nos. 28, 52, 101, 138, 153 and 180). The results showed that the impact of PCB emissions into the river is higher in summer than in other seasons due to the low flow rate of the river during this period. P,olar organic chemical integrative samplers (POCIS) were deployed for 4 months in the Sion-Riddes canal (VS) to investigate herbicides (terbuthylazine, diuron and linuron). Desisopropylatrazine-d5 (DIA-d5) was tested as a performance reference compound (PRC) to estimate aqueous concentration. The results showed an increase of water contamination due to the studied agricultural area. The maximal contamination was observed in April and corresponds to the period of herbicide application on the crops.

Seasonal fluctuations of bacterial community diversity in agricultural soil and experimental validation by laboratory disturbance experiments.

Natural fluctuations in soil microbial communities are poorly documented because of the inherent difficulty to perform a simultaneous analysis of the relative abundances of multiple populations over a long time period. Yet, it is important to understand the magnitudes of community composition variability as a function of natural influences (e.g., temperature, plant growth, or rainfall) because this forms the reference or baseline against which external disturbances (e.g., anthropogenic emissions) can be judged. Second, definition of baseline fluctuations in complex microbial communities may help to understand at which point the systems become unbalanced and cannot return to their original composition. In this paper, we examined the seasonal fluctuations in the bacterial community of an agricultural soil used for regular plant crop production by using terminal restriction fragment length polymorphism profiling (T-RFLP) of the amplified 16S ribosomal ribonucleic acid (rRNA) gene diversity. Cluster and statistical analysis of T-RFLP data showed that soil bacterial communities fluctuated very little during the seasons (similarity indices between 0.835 and 0.997) with insignificant variations in 16S rRNA gene richness and diversity indices. Despite overall insignificant fluctuations, between 8 and 30% of all terminal restriction fragments changed their relative intensity in a significant manner among consecutive time samples. To determine the magnitude of community variations induced by external factors, soil samples were subjected to either inoculation with a pure bacterial culture, addition of the herbicide mecoprop, or addition of nutrients. All treatments resulted in statistically measurable changes of T-RFLP profiles of the communities. Addition of nutrients or bacteria plus mecoprop resulted in bacteria composition, which did not return to the original profile within 14 days. We propose that at less than 70% similarity in T-RFLP, the bacterial communities risk to drift apart to inherently different states.

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Bacteria adapt and become quite rapidly selected to xenobiotic compounds introduced into the environment, mainly via the usage of the compound as carbon, energy or nitrogen source. Important examples include chlorobenzenes, the herbicide 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, chloroalkanes, lindane, atrazine and nitroaromatic compounds. At the genomic level, such bacteria show evidence for genetic rearrangements mediated by transposable elements or general recombination, the result being most often an expansion of existing catabolic properties with additional gene modules from outside sources. DNA from outside sources appears to have been trapped and mobilized via conjugative plasmids and genomic islands. Genomic evidence further shows that most bacterial genomes contain considerable numbers of insertion elements, integrases, prophages and/or plasmids, which in general can contribute to their adaptation capacities.

New vineyard cultivation practices create patchy ground vegetation, favouring Woodlarks

Intensive agriculture, in which detrimental farming practices lessen food abundance and/or reduce food accessibility for many animal species, has led to a widespread collapse of farmland biodiversity. Vineyards in central and southern Europe are intensively cultivated; though they may still harbour several rare plant and animal species, they remain little studied. Over the past decades, there has been a considerable reduction in the application of insecticides in wine production, with a progressive shift to biological control (integrated production) and, to a lesser extent, organic production. Spraying of herbicides has also diminished, which has led to more vegetation cover on the ground, although most vineyards remain bare, especially in southern Europe. The effects of these potentially positive environmental trends upon biodiversity remain mostly unknown as regards vertebrates. The Woodlark (Lullula arborea) is an endangered, short-distance migratory bird that forages and breeds on the ground. In southern Switzerland (Valais), it occurs mostly in vineyards. We used radiotracking and mixed effects logistic regression models to assess Woodlark response to modern vineyard farming practices, study factors driving foraging micro-habitat selection, and determine optimal habitat profile to inform management. The presence of ground vegetation cover was the main factor dictating the selection of foraging locations, with an optimum around 55% at the foraging patch scale. These conditions are met in integrated production vineyards, but only when grass is tolerated on part of the ground surface, which is the case on ca. 5% of the total Valais vineyard area. In contrast, conventionally managed vineyards covering a parts per thousand yen95% of the vineyard area are too bare because of systematic application of herbicides all over the ground, whilst the rare organic vineyards usually have a too-dense sward. The optimal mosaic with ca. 50% ground vegetation cover is currently achieved in integrated production vineyards where herbicide is applied every second row. In organic production, ca. 50% ground vegetation cover should be promoted, which requires regular mechanical removal of ground vegetation. These measures are likely to benefit general biodiversity in vineyards.

Cost-effective experimental design to support modeling of concentration-response functions

Modeling concentration-response function became extremely popular in ecotoxicology during the last decade. Indeed, modeling allows determining the total response pattern of a given substance. However, reliable modeling is consuming in term of data, which is in contradiction with the current trend in ecotoxicology, which aims to reduce, for cost and ethical reasons, the number of data produced during an experiment. It is therefore crucial to determine experimental design in a cost-effective manner. In this paper, we propose to use the theory of locally D-optimal designs to determine the set of concentrations to be tested so that the parameters of the concentration-response function can be estimated with high precision. We illustrated this approach by determining the locally D-optimal designs to estimate the toxicity of the herbicide dinoseb on daphnids and algae. The results show that the number of concentrations to be tested is often equal to the number of parameters and often related to the their meaning, i.e. they are located close to the parameters. Furthermore, the results show that the locally D-optimal design often has the minimal number of support points and is not much sensitive to small changes in nominal values of the parameters. In order to reduce the experimental cost and the use of test organisms, especially in case of long-term studies, reliable nominal values may therefore be fixed based on prior knowledge and literature research instead of on preliminary experiments

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

Study and modelling of the effect of herbicides pulse exposure on freshwater microalgae

De plus en plus de substances chimiques sont émises et détectées dans l'environnement.Parmi ces substances, on trouve les herbicides qui sont utilisés en agriculture pour luttercontre la présence des mauvaises herbes. Après leur application sur les sols, les herbicidespeuvent être entrainés par les eaux de pluie jusque dans les ruisseaux et les rivières. Lesconcentrations de ces substances varient donc de manière importante dans les systèmesaquatiques en période de pluie ou en période de temps sec. Des pics élevés de concentrationssont suivis de période de concentrations très faibles ou nulles. Les herbicides présents dans lescours d'eau peuvent engendrer des effets toxiques sur les algues et les plantes aquatiques. Orles tests classiques d'écotoxicologie effectués en laboratoire sont réalisés en exposant lesespèces vivantes à des polluants de manière continue. Ils ne permettent donc pas d'évaluer leseffets des concentrations fluctuantes comme celles des herbicides. Le but de cette thèse estd'étudier et de modéliser les effets des concentrations fluctuantes d'herbicide sur les espècesde microalgues vertes Scenedesmus vacuolatus et Pseudokirchneriella subcapitata. Desexpériences en laboratoire ont également été effectuées dans le but de valider le modèle.Quatre herbicides ont été testés. Il s'agit de l'atrazine (utilisé jusqu'à récemment pour lemaïs), du diuron (utilisé dans la vigne), de l'isoproturon (utilisé pour les céréales) et du Smétolachlore(utilisé pour le maïs). Les résultats de ce travail de thèse indiquent que les effetsdes concentrations fluctuantes d'herbicide peuvent être modélisés sur des algues d'eau douce.Le modèle est relativement simple pour les inhibiteurs de la photosynthèse tels que l'atrazine,le diuron ou l'isoproturon. Il nécessite la connaissance de deux paramètres, le taux decroissance de l'algue sans polluant et la courbe dose-réponse pour chaque substance.Cependant, des expériences supplémentaires doivent être réalisées si la substance étudiéeinduit un délai de l'effet et du rétablissement ou si une algue est cultivée avec une autre alguedans le même milieu de croissance. Le modèle pourrait également être adapté pour tenircompte des mélanges de substances. Appliqué pour prédire les effets sur les algues descénarios réels, le modèle montre que les longs pics de concentrations jouent le rôle le plusimportant. Il est donc crucial de les mesurer lors du monitoring des cours d'eau. D'autre part,une évaluation du risque effectuée avec ce modèle montre que l'impact des pics deconcentrations sur les espèces les plus sensibles est total. Cela met en évidence, une fois deplus, l'importance de tenir compte de ces concentrations fluctuantes dans l'évaluation durisque environnemental des herbicides, mais également des autres polluants.