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

Characterising avian haemosporidian communities : ecological factors, parasite persistence and co-infection

Les parasites jouent un rôle clef dans l'évolution des comportements et des traits d'histoire de vie de leurs hôtes. Le parasitisme s'avère parfois dévastateur à l'échelle de population d'hôtes, et peut également altérer certains traits associés à la valeur sélective d'un individu infecté, tels que son succès reproducteur ou encore son taux de mortalité. La coévolution hôte/parasite, qui représente l'une des forces sélectives les plus puissantes dans l'évolution des organismes, peut également conduire les partenaires de l'association parasitaire à s'adapter localement à des environnements hétérogènes. Cette thèse porte sur l'étude de parasites aviaires, du genre Plasmodium, Haemopro- teus et Leucocytozoon (Haemosporidae), naturellement associés à différentes populations de mésanges charbonnières (Parus major) et d'hirondelles des fenêtres (Delichon ur- bicum). Dans un premier temps, nous avons cherché à déterminer comment se distribuent ces parasites au sein de différentes populations hôtes et si ces communautés de parasites sont structurées. Par la suite, la principale question à laquelle nous voulions répondre était de savoir comment ces parasites, et notamment après coexistence de plusieurs lignées génétiques d'Haemosporidae au sein dun même-individu (i.e. co-infection), affectent la physiologie et le succès de reproducteur des hôtes. Nos résultats suggèrent que la distribution des Haemosporidae est principalement gouvernée par la présence d'insectes vecteurs et que la persistance de l'infection chez les hôtes varie en fonction du genre d'Haemosporidae (Chapitre 1-2). Par ailleurs, nous avons trouvé que des lignées de parasite génétiquement distinctes peuvent avoir des effets contrastés sur leurs hôtes. Par exemple, les hôtes exhibent des différences de parasitémie marquées en fonction des lignées de parasites responsable de l'infection. De plus, le succès reproducteur ainsi que la charge parasitaire des mésanges infectées par Plasmodium ou Haemoproteus n'étaient pas affecté par l'infection simultanée avec Leucocytozoon (Chapitre 2-3). Dans le Chapitre 4, j'ai examiné la capacité immunitaire de mésanges charbonnières infectées par des hémosporidies. Les résultats n'ont pas été concluant, et je suggère fortement une réévaluation de ceux-ci dans de futures études. Les mésanges charbonnières ne semblent pas signaler leur statut infectieux par la coloration de leur plumage (Chapitre 5); toutefois, la coloration noire des plumes reflète l'état de stress oxydatif des mésanges, qui dépend lui-même de l'infection parasitaire. La coloration verte pourrait également indiquer la qualité des soins paxentaux délivrés par les mésanges adultes femelles à leurs petits, comme le suggère la corrélation que nous avons observée entre la masse des jeunes d'une nichée et la coloration de leur mère. Les hirondelles capturées en Algérie souffrent plus de l'infection que celles échantillon¬nées en Europe (Chapitre 6). Les similitudes observées entre les communautés de par¬asites affectant les populations européennes et celles des populations nord-africaines suggèrent que la transmission des parasites a lieu lors de la migration vers le sud. A l'instar de nos observations sur les mésanges dans les chapitres 2 et 3, les hirondelles co-infectées ne montrent pas d'altérations de leur condition physique. Cette thèse démontre qu'il existe, au sein des populations de mésanges charbonnières, des interactions antagonistes entre, d'une part, les parasites et leurs hôtes et d'autre part, entre différent parasites. Le résultat de ces interactions antagonistes varie en fonction des espèces et de la zone géographique considérée. Nous avons démontré que les interactions ne suivent pas toujours la théorie, puisque la coevolution qui, en suivant le concept de la virulence, devrait augmenter la charge parasitaire et diminuer la condition physique des hôtes, ne montre pourtant pas d'impact négatif sur les populations de mésanges. Nous pouvons maintenant concentrer nos efforts à la caractérisation des interactions antagonistes. De plus, grâce aux avancées des méthodes moléculaires, nous pouvons suivre et étudier en détails comment ces interactions se manifestent et quels sont leurs effets sur la condition physique des hôtes. - Parasites are key in shaping various behavioural and life-history traits of their hosts. The influence of parasitism on host populations varies from slight to devastating and might influence such parameters as mortality rates or reproductive success. Host-parasite coevolution is one of the most powerful selective forces in evolution and can lead to local adaptation of parasites and hosts in spatially structured environments. In this thesis, I studied haemosporidian parasites in different populations of great tits (Parus major) and house martins (Delichon urbicum). Firstly, I wanted to determine how parasites are distributed and if parasite communities are structured. The main question I wanted to address hereafter was how parasites, and specifically infection with multiple genera of parasites (i.e. co-infection) influenced host physiology and reproductive success. I found that parasite distribution is environmentally driven and could therefore be closely linked to vector prevalence; and that the stability of parasite infection over time is genus-dependent (Chapter 1 - 2). I further found that different haemosporidian lineages might interact differently with their hosts as parasitaemia was strongly lineage-specific and that the presence of Leucocytozoon parasites showed no correlation to Plasmodium or Haemoproteus parasitaemia, nor to great tit reproductive success (Chapter 2-3). In Chapter 4 I examined immune capacity of haemosporidian-infected great tits. The results proved inconclusive, and I strongly suggest re-evaluation hereof in future work. Great tits do not appear to signal parasite infection through plumage colouration (Chapter 5); however, infection did have a link to oxidative stress resistance which is strongly signalled through the black breast stripe, with darker males being more resistant and darker females less resistant. Females might incur different costs associated with darker stripes. This would allow reversal of signaling function. Green colouration could also serve as a cue for female provisioning quality as indicated by the strong correlation between colouration and chick body mass. Breeding house martins caught in Algeria suffer greater haemosporidian infection than European populations (Chapter 6). Similar parasite communities in European and North-African populations suggest transmission of parasites may occur during southward migration. Similarly to what was observed in great tits in Chapter 2 and 3, no relationship was found between parasite co-infection and Swiss house martin body condition. This thesis demonstrates that host-parasite and inter-parasite antagonistic interac¬tions exist in great tit populations. How these interactions play out is species dependent and varies geographically. I have demonstrated that interactions do not always follow the theory, as co-infection - which under the concept of virulence should increase parasitaemia and decrease body condition - showed no negative impact on great tit populations. We can now concentrate our efforts on characterising these antagonistic interactions, and with the advance in molecular methods, track and investigate how these interactions play out and what the effect on host fitness is.

Modelling ecological niches with support vector machines

1. The ecological niche is a fundamental biological concept. Modelling species' niches is central to numerous ecological applications, including predicting species invasions, identifying reservoirs for disease, nature reserve design and forecasting the effects of anthropogenic and natural climate change on species' ranges. 2. A computational analogue of Hutchinson's ecological niche concept (the multidimensional hyperspace of species' environmental requirements) is the support of the distribution of environments in which the species persist. Recently developed machine-learning algorithms can estimate the support of such high-dimensional distributions. We show how support vector machines can be used to map ecological niches using only observations of species presence to train distribution models for 106 species of woody plants and trees in a montane environment using up to nine environmental covariates. 3. We compared the accuracy of three methods that differ in their approaches to reducing model complexity. We tested models with independent observations of both species presence and species absence. We found that the simplest procedure, which uses all available variables and no pre-processing to reduce correlation, was best overall. Ecological niche models based on support vector machines are theoretically superior to models that rely on simulating pseudo-absence data and are comparable in empirical tests. 4. Synthesis and applications. Accurate species distribution models are crucial for effective environmental planning, management and conservation, and for unravelling the role of the environment in human health and welfare. Models based on distribution estimation rather than classification overcome theoretical and practical obstacles that pervade species distribution modelling. In particular, ecological niche models based on machine-learning algorithms for estimating the support of a statistical distribution provide a promising new approach to identifying species' potential distributions and to project changes in these distributions as a result of climate change, land use and landscape alteration.

Towards an ecological index for tropical soil quality based on soil macrofauna

The objective of this work was to construct a simple index based on the presence/absence of different groups of soil macrofauna to determine the ecological quality of soils. The index was tested with data from 20 sites in South and Central Tabasco, Mexico, and a positive relation between the model and the field observations was detected. The index showed that diverse agroforestry systems had the highest soil quality index (1.00), and monocrops without trees, such as pineapple, showed the lowest soil quality index (0.08). Further research is required to improve this model for natural systems that have very low earthworm biomass (<10 g m-2) and a high number of earthworm species (5-7), as it is in the tropical rain forest, whose soil quality index was medium (0.5). The application of this index will require an illustrated guide for its users. Further studies are required in order to test the use of this index by farmers.

Morphological, hydrological, biogeochemical and ecological changes and challenges in river restoration - the Thur River case study

River restoration can enhance river dynamics, environmental heterogeneity and biodiversity, but the underlying processes governing the dynamic changes need to be understood to ensure that restoration projects meet their goals, and adverse effects are prevented. In particular, we need to comprehend how hydromorphological variability quantitatively relates to ecosystem functioning and services, biodiversity as well as ground-and surface water quality in restored river corridors. This involves (i) physical processes and structural properties, determining erosion and sedimentation, as well as solute and heat transport behavior in surface water and within the subsurface; (ii) biogeochemical processes and characteristics, including the turnover of nutrients and natural water constituents; and (iii) ecological processes and indicators related to biodiversity and ecological functioning. All these aspects are interlinked, requiring an interdisciplinary investigation approach. Here, we present an overview of the recently completed RECORD (REstored CORridor Dynamics) project in which we combined physical, chemical, and biological observations with modeling at a restored river corridor of the perialpine Thur River in Switzerland. Our results show that river restoration, beyond inducing morphologic changes that reshape the river bed and banks, triggered complex spatial patterns of bank infiltration, and affected habitat type, biotic communities and biogeochemical processes. We adopted an interdisciplinary approach of monitoring the continuing changes due to restoration measures to address the following questions: How stable is the morphological variability established by restoration? Does morphological variability guarantee an improvement in biodiversity? How does morphological variability affect biogeochemical transformations in the river corridor? What are some potential adverse effects of river restoration? How is river restoration influenced by catchment-scale hydraulics [GRAPHICS] and which feedbacks exist on the large scale? Beyond summarizing the major results of individual studies within the project, we show that these overarching questions could only be addressed in an interdisciplinary framework.

Vulnerability of stream biota to climate change in mediterranean climate regions: a synthesis of ecological responses and conservation challenges

Freshwater species worldwide are experiencing dramatic declines partly attributable to ongoing climate change. It is expected that the future effects of climate change could be particularly severe in mediterranean climate (med-) regions, which host many endemic species already under great stress from the high level of human development. In this article, we review the climate and climate-induced changes in streams of med-regions and the responses of stream biota, focusing on both observed and anticipated ecological responses. We also discuss current knowledge gaps and conservation challenges. Expected climate alterations have already been observed in the last decades, and include: increased annual average air temperatures; decreased annual average precipitation; hydrologic alterations; and an increase in frequency, intensity and duration of extreme events, such as floods, droughts and fires. Recent observations, which are concordant with forecasts built, show stream biota of med-regions when facing climate changes tend to be displaced towards higher elevations and upper latitudes, communities tend to change their composition and homogenize, while some life-history traits seem to provide biota with resilience and resistance to adapt to the new conditions (as being short-lived, small, and resistant to low streamflow and desiccation). Nevertheless, such responses may be insufficient to cope with current and future environmental changes. Accurate forecasts of biotic changes and possible adaptations are difficult to obtain in med-regions mainly because of the difficulty of distinguishing disturbances due to natural variability from the effects of climate change, particularly regarding hydrology. Long-term studies are needed to disentangle such variability and improve knowledge regarding the ecological responses and the detection of early warning signals to climate change. Investments should focus on taxa beyond fish and macroinvertebrates, and in covering the less studied regions of Chile and South Africa. Scientists, policy makers and water managers must be involved in the climate change dialogue because the freshwater conservation concerns are huge.

Brand Identity of an Ecological Oriented SME

Tämän eksploratiivisen tutkimuksen tarkoituksena on tutkia yrittäjän persoonallisuuden roolia ekologisesti suuntautuneen brändin identiteetin ja assosiaatioiden rakentamisessa. Tutkimus on tehty yrittäjän näkökulmasta, jonka kontekstina ovat pienet ja keskisuuret yritykset. Tämä tutkimus pyrkii laajentamaan ja saamaan ymmärrystä keskeisistä käsitteistä, ja samalla edistämään PK-yrityksiin liittyvää kirjallisuutta. Tämän lisäksi tutkimus tarkastelee mitä assosiaatioita ekologisesti suuntautunut brändi korostaa identiteetissään. Tutkimus suoritettiin tapaustutkimuksena. Laadullista primääridataa kerättiin teemahaastattelemalla yrittäjää, havainnoimalla yhtä case-yrityksen messuosastoa, sekä keräämällä yrittäjän persoonallisuusattribuutteja. Jotta tutkimus saavuttaisi myös datan triangulaation, sekundääristä dataa kerättiin vahvistamaan aiempaa tutkimusta. Yhtenä sekundäärilähteenä toimivat kaksi artikkelia, jotka auttoivat vahvistamaan aiemmin esiin nostetut yrittäjän persoonallisuusattribuutit. Persoonallisuusattribuutteja verrattiin case-yrityksen brändin identiteettiin, jotta yrittäjän persoonallisuuden rooli brändin identiteetin rakentamisessa saataisiin selville. Tulokset osoittivat yhteyden brändin identiteetin ja yrittäjän persoonallisuuden välillä ekologisesti suuntautuneessa case-yrityksessä. Tulokset paljastivat myös joitakin yleisiä assosiaatioita joita luodaan ja vahvistetaan brändin identiteetin eri osa-alueiden avulla.

Modelling ecological values in heterogeneous and dynamic landscapes with geospatial data

Our surrounding landscape is in a constantly dynamic state, but recently the rate of changes and their effects on the environment have considerably increased. In terms of the impact on nature, this development has not been entirely positive, but has rather caused a decline in valuable species, habitats, and general biodiversity. Regardless of recognizing the problem and its high importance, plans and actions of how to stop the detrimental development are largely lacking. This partly originates from a lack of genuine will, but is also due to difficulties in detecting many valuable landscape components and their consequent neglect. To support knowledge extraction, various digital environmental data sources may be of substantial help, but only if all the relevant background factors are known and the data is processed in a suitable way. This dissertation concentrates on detecting ecologically valuable landscape components by using geospatial data sources, and applies this knowledge to support spatial planning and management activities. In other words, the focus is on observing regionally valuable species, habitats, and biotopes with GIS and remote sensing data, using suitable methods for their analysis. Primary emphasis is given to the hemiboreal vegetation zone and the drastic decline in its semi-natural grasslands, which were created by a long trajectory of traditional grazing and management activities. However, the applied perspective is largely methodological, and allows for the application of the obtained results in various contexts. Models based on statistical dependencies and correlations of multiple variables, which are able to extract desired properties from a large mass of initial data, are emphasized in the dissertation. In addition, the papers included combine several data sets from different sources and dates together, with the aim of detecting a wider range of environmental characteristics, as well as pointing out their temporal dynamics. The results of the dissertation emphasise the multidimensionality and dynamics of landscapes, which need to be understood in order to be able to recognise their ecologically valuable components. This not only requires knowledge about the emergence of these components and an understanding of the used data, but also the need to focus the observations on minute details that are able to indicate the existence of fragmented and partly overlapping landscape targets. In addition, this pinpoints the fact that most of the existing classifications are too generalised as such to provide all the required details, but they can be utilized at various steps along a longer processing chain. The dissertation also emphases the importance of landscape history as an important factor, which both creates and preserves ecological values, and which sets an essential standpoint for understanding the present landscape characteristics. The obtained results are significant both in terms of preserving semi-natural grasslands, as well as general methodological development, giving support to science-based framework in order to evaluate ecological values and guide spatial planning.

Study of baleen whales’ ecology and interaction with maritime traffic activities to support management of a complex socio-ecological system

Thesis written in co-mentorship with Robert Michaud.

INDIAN AND ANTARCTIC BRYOZOANS - TAXONOMY AND OBSERVATIONS ON TOXICOLOGY

This thesis embodies findings on a taxonomical investigation of a group of lower marine invertebrates belonging to the category coelomata. Bryozoans are well known both in fossil and recent taxonomical history. They comprise of about 5,000 living and 16000 fossil species. Bryozoans are well known for their taxonomic abundance and structural diversity,representing the various ecological niches ranging from the intertidal to the abyssal benthic. At a time when global marine biological diversity has become a concern of not only to the scientists but also to the policy makers,an understanding of species diversity and abundance are cardinal aspects of biological studies. Geological time scales which is known that by Pre-Cambrian, marine invertebrate diversity reach the maximum and this diversity has become more comprehensive as time advanced. Taxonomists a vanishing species of scientists have become more concerned in discerning patterns of species diversity. The basic tool for this is identification fo animals. with this idea in mind a detailed study of taxonomy of bryozoan was undertaken . The major part of this thesis is devoted to describe various species of bryozoans with detailed description and ecotypical variations.The pattern of distribution and abundance which are important aspects of animal groups have also been documented. Possible effects of heavy metal contamination on the tolerance and growth of bryozoans, a few species of which have been eliminated from the chronically polluted areas of Cochin backwaters have also been documented.

Some observations on the ecology and biochemical aspects of the seaweeds of Kerala coast

In the present thesis , observations on the ecology of seaweed flora of Kerala, their distribution and zonation pattern, monthly/seasonal density of seaweeds at each station, frequency of occurrence, standing crop, monthly/seasonal/place-wise data on physico—chemical characters of ambient waters at the stations and their influence on seaweed density have been made. This data will help us in the farming of economically important seaweeds, by providing information on the ideal conditions of seaweed biomass production. Biochemical observations on protein, carbohydrate and lipid contents of different species of nutritive value. Seaweeds with high content of proteins, carbohydrates and lipids can be recommended for food and feed formulations after subjecting them to toxicological studies. The study on monthly/seasonal/placewise variation in biochemical composition of seaweeds will provide necessary information on the appropriate time and place of harvesting the algal species for exploiting its constituents .

Urban integrated meteorological observations: practice and experience in Shanghai, China

Observations of atmospheric conditions and processes in citiesare fundamental to understanding the interactions between the urban surface and weather/climate, improving the performance of urban weather, air quality and climate models, and providing key information for city end-users (e.g. decision-makers, stakeholders, public). In this paper, Shanghai's urban integrated meteorological observation network (SUIMON) and some examples of intended applications are introduced. Its characteristics include being: multi- purpose (e.g. forecast, research, service), multi-function (high impact weather, city climate, special end-users), multi-scale (e.g. macro/meso-, urban-, neighborhood, street canyon), multi-variable (e.g. thermal, dynamic, chemical, bio-meteorological, ecological), and multi- platform (e.g. radar, wind profiler, ground-based, satellite based, in-situ observation/ sampling). Underlying SUIMON is a data management system to facilitate exchange of data and information. The overall aim of the network is to improve coordination strategies and instruments; to identify data gaps based on science and user driven requirements; and to intelligently combine observations from a variety of platforms by using a data assimilation system that is tuned to produce the best estimate of the current state of the urban atmosphere.

Geotechnical systems that evolve with ecological processes

Geotechnical systems, such as landfills, mine tailings storage facilities (TSFs), slopes, and levees, are required to perform safely throughout their service life, which can span from decades for levees to “in perpetuity” for TSFs. The conventional design practice by geotechnical engineers for these systems utilizes the as-built material properties to predict its performance throughout the required service life. The implicit assumption in this design methodology is that the soil properties are stable through time. This is counter to long-term field observations of these systems, particularly where ecological processes such as plant, animal, biological, and geochemical activity are present. Plant roots can densify soil and/or increase hydraulic conductivity, burrowing animals can increase seepage, biological activity can strengthen soil, geochemical processes can increase stiffness, etc. The engineering soil properties naturally change as a stable ecological system is gradually established following initial construction, and these changes alter system performance. This paper presents an integrated perspective and new approach to this issue, considering ecological, geotechnical, and mining demands and constraints. A series of data sets and case histories are utilized to examine these issues and to propose a more integrated design approach, and consideration is given to future opportunities to manage engineered landscapes as ecological systems. We conclude that soil scientists and restoration ecologists must be engaged in initial project design and geotechnical engineers must be active in long-term management during the facility’s service life. For near-surface geotechnical structures in particular, this requires an interdisciplinary perspective and the embracing of soil as a living ecological system rather than an inert construction material.

Ecological distribution of the shrimp Nematopalaemon schmitti (Crustacea: Decapoda: Caridea) in three bays on the south-eastern coast of Brazil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ecological distribution of the prawn Nematopalaemon schmitii (Crustacea: Decapoda: Caridea) in three bays on the southeastern coat of Brazil

The relationships between the spatial and temporal variations in the abundance of the shrimp Nematopalaemon schmitti and water temperature, salinity, and texture and organic-matter content of the sediment, were analysed in Ubatumirim, Ubatuba and Mar Virado bays on the northern coast of São Paulo, Brazil. Sampling was carried out monthly, from January 1998 through December 1999, from a shrimp boat equipped with double-rig nets, along six transects in each bay. In total, 2 116 specimens of N. schmitti were caught. Their distribution differed among bays, transects and seasons (ANOVA, p < 0.05). Highest total abundance was found in areas of high organicmatter content, in substrate composed mainly of very fine sand and silt and clay, and during winter and autumn. Although multiple regression analysis showed no significant relationship (p > 0.05), observations suggest that water tempera ture, sediment texture, organic-matter content, and the presence of biodetritus and plant fragments, provided favourable environmental conditions for the establishment of N. schmitti in the region.