Origin-related, environmental, sex, and age determinants of immunocompetence, susceptibility to ectoparasites, and disease symptoms in the barn owl

Knowledge of the role of origin-related, environmental, sex, and age factors on host defence mechanisms is important to understand variation in parasite intensity. Because alternative components of parasite defence may be differently sensitive to various factors, they may not necessarily covary. Many components should therefore be considered to tackle the evolution of host-parasite interactions. In a population of barn owls (Tyto alba), we investigated the role of origin-related, environmental (i.e. year, season, nest of rearing, and body condition), sex, and age factors on 12 traits linked to immune responses [humoral immune responses towards sheep red blood cells (SRBC), human serum albumin (HSA) and toxoid toxin TT, T-cell mediated immune response towards the mitogen phytohemagglutinin (PHA)], susceptibility to ectoparasites (number and fecundity of Carnus haemapterus, number of Ixodes ricinus), and disease symptoms (size of the bursa of Fabricius and spleen, proportion of proteins that are immunoglobulins, haematocrit and blood concentration in leucocytes). Cross-fostering experiments allowed us to detect a heritable component of variation in only four out of nine immune and parasitic parameters (i.e. SRBC- and HSA-responses, haematocrit, and number of C. haemapterus). However, because nestlings were not always cross-fostered just after hatching, the finding that 44% of the immune and parasitic parameters were heritable is probably an overestimation. These experiments also showed that five out of these nine parameters were sensitive to the nest environment (i.e. SRBC- and PHA-responses, number of C. haemapterus, haematocrit and blood concentration in leucocytes). Female nestlings were more infested by the blood-sucking fly C. haemapterus than their male nestmates, and their blood was less concentrated in leucocytes. The effect of year, season, age (i.e. reflecting the degree of maturation of the immune system), brood size, position in the within-brood age hierarchy, and body mass strongly differed between the 12 parameters. Different components of host defence mechanisms are therefore not equally heritable and sensitive to environmental, sex, and age factors, potentially explaining why most of these components did not covary.

Forest insects and environmental variation in stand edges

Summary

Ecotoxicological approaches to assess the long-term effects of four anticancer drugs and metabolites on Daphnia pulex

The aquatic environment is exposed continuously and increasingly to chemical substances such as pharmaceuticals. These medical compounds are released into the environment after having being consumed and body-excreted by patients. Pharmaceutical residues are synthetic molecules that are not always removed by traditional sewage treatment processes and thus escape degradation. Among pharmaceuticals that escape sewage treatment plants (STPs), the anticancer drugs were measured in STP effluents and natural waters. In the aquatic environment, their long-term effects at low concentrations are sparsely known on non-target species. Tamoxifen is an anticancer drug that is widely prescribed worldwide for the prevention and treatment of hormone receptor-positive breast cancers. Two of its metabolites, i.e., endoxifen and 4-hydroxy- tamoxifen (4OHTam), have high pharmacological potency in vivo and such as tamoxifen, they are excreted via faeces by patients. Tamoxifen was measured in STP effluents and natural waters but, to the best of our knowledge, its metabolites concentrations in waters have never been reported. Imatinib is another and recent anticancer compound that targets specific tumour cells. This pharmaceutical is also body excreted and because of its increasing use in cancer treatment, imatinib may reach the natural water. The effects of tamoxifen and imatinib are unknown upon more than one generation of aquatic species. And the effects of 4OHTam, endoxifen have never been studied in ecotoxicology so far. The aims of this thesis were threefold. First, the sensitivity of D. pulex exposed to tamoxifen, 4OHTam, endoxifen or imatinib was assessed using ecotoxicological experiments. Ecotoxicology is the science that considers the toxic effects of natural or synthetic substances, such as pharmaceuticals, on organisms, populations, community and ecosystem. Acute and multigenerational (2-4 generations) tests were performed on daphnids considering several studied endpoints, such as immobilisation, size, reproduction, viability and intrinsic rate of natural increase. Additional prospective assays were designed to evaluate whether 1) low concentrations of tamoxifen and 4OHTam were able to induce toxic effects when used in combination, and 2) daphnids were able to recover when offspring were withdrawn from solutions carrying the pharmaceutical. Second, the stability of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen in incubation medium was evaluated in solution exempted from daphnids. Because the nominal concentrations of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen did not correspond to the measured, we provide a predictive method to estimate the concentrations of these chemicals during long-term ecotoxicological tests. Finally, changes in protein expressions were analysed in D. pulex exposed 2 or 7 seven days to tamoxifen using ecotoxicoproteomic experiments with a shot-gun approach inducing a peptide fractionation step. Our results show that tamoxifen, 4OHTam and endoxifen induced adverse effects in D. pulex at environmentally relevant concentrations. At very low concentrations, these molecules displayed unusual and teratogenic effects because morphological abnormalities were observed in offspring, such as thick and short antennas, curved spines, premature neonates and aborted eggs. Tamoxifen was the most toxic compound among the test chemicals, followed by 4OHTam, endoxifen and imatinib. Tamoxifen no-observed effect concentrations (NOECs) that were calculated for size, reproduction and intrinsic rate were below or in the range of the concentrations measured in natural waters, i.e., between 0.12 µg/L and 0.67 µg/L. For instance, the tamoxifen NOECs that were calculated for reproduction were between 0.67 and 0.72 µg/L, whereas the NOEC was < 0.15 µg/L when based on morphological abnormalities. The NOECs of 4OHTam were higher but still in the same order of magnitude as tamoxifen environmental concentrations, with a value of 1.48 µg/L. Endoxifen NOEC for the intrinsic rate of natural increase (r) and the reproduction were 0.4 and 4.3 µg/L, respectively. Daphnids that were withdrawn from tamoxifen and 4OHTam were not able to recover. Also, the reproduction of D. pulex was reduced when the treated animals were exposed to the combination of tamoxifen and 4OHTam while no effects were observed when these chemicals were tested individually at the same concentration. Among the anticancer drugs that were tested during this thesis, imatinib was the less toxic molecule towards D. pulex. No effects on size and reproduction were observed within two generations, except for the first whose reproduction decreased at the highest test concentration, i.e., 626 µg/L. Our results also underline the need to use measured or predicted concentrations instead of the nominal during aquatic experiments, particularly when lipophilic molecules are tested. Indeed, notable differences between nominal (i.e., theoretical) and measured concentrations were found with tamoxifen, 4OHTam and endoxifen at all test concentrations. A cost and time sustainable method was proposed to predict the test exposure levels of these chemicals during long-term experiments. This predictive method was efficient particularly for low concentrations, which corresponded to the test concentrations in multigenerational tests. In the ecotoxicoproteomic experiments a total of 3940 proteins were identified and quantified in D. pulex exposed to tamoxifen. These results are currently the largest dataset from D. pulex that is published and the results of proteomic analyses are available for the scientific community. Among these 3940 proteins, 189 were significantly different from controls. After protein annotation, we assumed that treated daphnids with tamoxifen had shifted cost-energy functions, such as reproduction, to maintain their basic metabolism necessary to survive. This metabolic cost hypothesis was supported by the presence of proteins involved in oxidative stress. Biomarkers for early detection of tamoxifen harmful effects on D. pulex were not discovered but the proteins of the vitellogenin-2 family (E9H8K5) and the ryanodine receptor (E9FTU9) are promising potential biomarkers because their expression was already modified after 2 days of treatment. In this thesis, the effects of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen on daphnids raise questions about the potential impact of tamoxifen and 4OHTam in other aquatic ecosystems, and therefore, about metabolites in ecotoxicology. Because the NOECs were environmentally relevant, these results suggest that tamoxifen and 4OHTam may be interesting pharmaceuticals to consider in risk assessment. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and of considering multi-endpoints instead of the standard reproductive endpoint. Finally, we open the discussion about the importance to measure test exposures or not, during ecotoxicological studies. -- Les milieux aquatiques sont exposés continuellement à un nombre croissant de substances chimiques, notamment les médicaments issus de la médecine vétérinaire et humaine. Chez les patients, les substances administrées sont utilisées par le corps avant d'être éliminées par l'intermédiaire des excrétas dans le système d'eaux usées de la ville. Ces eaux rejoignent ensuite une station de traitement afin d'y éliminer les déchets. Dans le cas des molécules chimiques, il arrive que les processus de traitement d'eaux usées ne soient pas suffisamment efficaces et que ces molécules ne soient pas dégradées. Elles sont alors libérées dans le milieu aquatique avec les effluents de la station d'épuration. Une fois dans l'environnement, ces résidus de médicaments sont susceptibles d'induire des effets sur la faune et la flore aquatique, dont les conséquences à long terme et à faibles concentrations sont peu connues. Les anticancéreux sont une famille de médicaments qui peuvent échapper aux traitements des stations d'épuration et qui sont retrouvées dans le milieu aquatique naturel. Parmi ces substances, le tamoxifen est une molécule utilisée dans le monde entier pour prévenir et traiter les cancers hormonaux dépendant du sein, notamment. Une fois ingéré, le tamoxifen est transformé par le foie en métabolites dont deux d'entre eux, le 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) et l'endoxifen, possèdent un affinité pour les récepteurs aux estrogènes et une efficacité sur les cellules tumorales supérieure au tamoxifen lui- même. Tout comme la molécule mère, ces métabolites sont principalement éliminés par l'intermédiaire des fèces. Le tamoxifen a déjà été mesuré dans les effluents de stations d'épuration et dans les eaux naturelles, mais aucune valeur n'a été reportée pour ses métabolites jusqu'à présent. Un autre anticancéreux, également éliminé par voie biliaire et susceptible d'atteindre l'environnement, est l'imatinib. Cette récente molécule a révolutionné le traitement et la survie des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeur stromales gastrointestinales. Les effets du tamoxifen et de l'imatinib sur plusieurs générations d'organismes aquatiques, tels que les microcrustacés Daphnia, sont inconnus et le 4OHTam et l'endoxifen n'ont même jamais été testés en écotoxicologie. Cette thèse s'est articulée autour de trois objectifs principaux. Premièrement, la sensibilité des D. pulex exposés au tamoxifen, 4OHTam, endoxifen et imatinib a été évaluée par l'intermédiaire de tests aigus et de tests sur deux à quatre générations. La mobilité, la taille, la reproduction, la viabilité et la croissance potentielle de la population ont été relevées au cours de ces expériences. Des tests supplémentaires, à but prospectifs, ont également été réalisés afin d'évaluer 1) la capacité de récupération des daphnies, lorsque leurs descendants ont été placés dans un milieu exempté de tamoxifen ou de 4OHTam, 2) les effets chez les daphnies exposées à une solution contenant de faibles concentration de tamoxifen et de 4OHTam mélangés. Le deuxième objectif a été d'évaluer la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dilué dans le milieu des daphnies. Après analyses, les concentrations mesurées ne correspondaient pas aux concentrations nominales (c.-à-d., théoriques) et il a été nécessaire de développer une méthode efficace de prédiction des niveaux d'exposition lors de tests de longue durée réalisés avec ces trois molécules. Finalement, des changements dans l'expression des protéines chez des daphnies exposées au tamoxifen ont été investigués par l'intermédiaire d'expériences écotoxicoprotéomiques avec une approche dite de shot-gun avec une étape de fractionnement des protéines. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le tamoxifen, le 4OHTam et l'endoxifen induisent des effets indésirables chez les daphnies à des niveaux d'exposition proches ou identiques aux concentrations du tamoxifen mesurées dans l'environnement, c'est-à-dire 0.12 et 0.67 µg/L de tamoxifen. Ces molécules ont induit des effets inhabituels tels que la production de : nouveau-nés anormaux, avec des antennes et des queues déformées, des prématurés et des oeufs avortés. Le tamoxifen fut la molécule la plus toxique pour les D. pulex suivie du 4OHTam, de l'endoxifen et enfin de l'imatinib. Lors des expériences sur plusieurs générations, les concentrations n'ayant statistiquement pas d'effet (c.à.d. NOEC en anglais) sur la taille, la reproduction et la croissance intrinsèque de la population étaient du même ordre de grandeur que les concentrations environnementales du tamoxifen. Par exemple, les NOECs du tamoxifen calculées pour la reproduction étaient de 0.67 et 0.72 µg/L, tandis que celle calculée sur la base des anomalies chez les nouveau-nés était < 0.15 µg/L. Les NOECs du 4OHTam se situaient entre 0.16 et 1.48 µg/L et celles de l'endoxifen pour la croissance intrinsèque de la population, ainsi que pour la reproduction, étaient de 0.4 et 4.3 µg/L, respectivement. Dans l'expérience basée sur la récupération des daphnies, la taille et la reproduction ont diminué bien que la descendance fût placée dans un milieu sans substances chimiques. Les daphnies exposées au mélange de tamoxifen et de 4OHTam ont produit moins de nouveau-nés que les contrôles, alors que ces concentrations n'ont pas induit d'effets lorsque testées individuellement. Finalement, l'imatinib n'a pas montré d'effets sur les deux générations testées. Seule la première génération exposée à la plus haute concentration (626 µg/L) a montré une diminution de la reproduction. Les résultats obtenus lors de l'évaluation de la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dans le milieu des daphnies ont souligné l'importance d'utiliser des concentrations mesurées ou prédites en écotoxicologie. En effet, des différences notables entre concentrations nominales et mesurées ont été observées à toutes les concentrations et l'hypothèse d'un phénomène d'adsorption sur le verre des récipients a été posée. De ce fait, il a été nécessaire d'élaborer une méthode prédictive efficace et acceptable, en terme de temps et de coûts. Une régression polynomiale basée sur des concentrations mesurées et nominales a permis de prédire avec efficacité les faibles niveaux d'exposition utilisés lors d'expériences écotoxicologiques à long terme, sur plusieurs générations. Suite aux expériences d'écotoxicoprotéomiques, un total de 3940 protéines ont été identifiées et quantifiées chez des daphnies exposées au tamoxifen. Ce nombre est actuellement la plus large série de données publiées et mises à disposition pour la communauté scientifique. Parmi ces protéines, 189 sont significatives et possiblement reliées à des processus de reproduction et de stress. Sur cette base, nous avons émis l'hypothèse que les individus subissant un stress, lié à l'exposition au tamoxifen, ont utilisé leur énergie de base pour favoriser leur survie plutôt que la reproduction. Enfin, la détermination de bio-marqueurs exprimant des dommages précoces des daphnies exposées au tamoxifen n'a pas abouti en tant que telle, mais des protéines prometteuses, telle que la famille de viellogenin-2 (E9H8K5) et le récepteur à la ryanodine (E9FTU9), ont été exprimées après deux jours d'exposition déjà. Ces protéines pourraient faire l'objet d'investigations écotoxicoprotéomiques futures. Les résultats de cette thèse posent certaines questions quant au risque du tamoxifen, du 4OHTam et de l'endoxifen sur la faune et la flore aquatique et plus particulièrement sur les anticancéreux présents dans l'environnement. Les effets toxiques de ces molécules ont été observés à des concentrations environnementales et sur plusieurs générations. La question de considérer les métabolites, et ainsi les pro-médicaments, en écotoxicologie est soulevée, notamment parce que ces molécules peuvent être plus actives et efficaces que la molécule mère. Les expériences chroniques, sur plusieurs générations sont également à favoriser car elles offrent un meilleur reflet de la réalité environnementale que des essais aigus ou d'une génération. L'utilisation de la protéomique permet d'agrandir les connaissances sur les effets des médicaments à un niveau inférieur de l'organisation biologique et ainsi, de mieux comprendre de potentiels mécanismes d'action ou de déterminer de potentiels biomarqueurs. Finalement, il semble important de discuter de l'opportunité de mesurer les concentrations qui sont testées en écotoxicologie afin de ne pas sous-estimer le risque pour la faune et la flore aquatique.

Plant species distributions along environmental gradients: do belowground interactions with fungi matter?

The distribution of plants along environmental gradients is constrained by abiotic and biotic factors. Cumulative evidence attests of the impact of biotic factors on plant distributions, but only few studies discuss the role of belowground communities. Soil fungi, in particular, are thought to play an important role in how plant species assemble locally into communities. We first review existing evidence, and then test the effect of the number of soil fungal operational taxonomic units (OTUs) on plant species distributions using a recently collected dataset of plant and metagenomic information on soil fungi in the Western Swiss Alps. Using species distribution models (SDMs), we investigated whether the distribution of individual plant species is correlated to the number of OTUs of two important soil fungal classes known to interact with plants: the Glomeromycetes, that are obligatory symbionts of plants, and the Agaricomycetes, that may be facultative plant symbionts, pathogens, or wood decayers. We show that including the fungal richness information in the models of plant species distributions improves predictive accuracy. Number of fungal OTUs is especially correlated to the distribution of high elevation plant species. We suggest that high elevation soil show greater variation in fungal assemblages that may in turn impact plant turnover among communities. We finally discuss how to move beyond correlative analyses, through the design of field experiments manipulating plant and fungal communities along environmental gradients.

Multitask learning of environmental spatial data

The present research deals with an application of artificial neural networks for multitask learning from spatial environmental data. The real case study (sediments contamination of Geneva Lake) consists of 8 pollutants. There are different relationships between these variables, from linear correlations to strong nonlinear dependencies. The main idea is to construct a subsets of pollutants which can be efficiently modeled together within the multitask framework. The proposed two-step approach is based on: 1) the criterion of nonlinear predictability of each variable ?k? by analyzing all possible models composed from the rest of the variables by using a General Regression Neural Network (GRNN) as a model; 2) a multitask learning of the best model using multilayer perceptron and spatial predictions. The results of the study are analyzed using both machine learning and geostatistical tools.

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

Growth decrease in Alpine whitefish: investigating the relative contribution of fishing induced selection and environmental change and its implication for conservation measures

La pression exercée par les activités humaines menace pratiquement tous les écosystèmes aquatiques du globe. Ainsi, sous l'effet de divers facteurs tels que la pollution, le réchauffement climatique ou encore la pêche industrielle, de nombreuses populations de poissons ont vu leurs effectifs chuter et divers changements morphologiques ont été observés. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à une menace particulière: la sélection induite par la pêche sur la croissance des poissons. En effet, la génétique des populations prédit que la soustraction régulière des individus les plus gros peut entraîner des modifications rapides de certains traits physiques comme la croissance individuelle. Cela a par ailleurs été observé dans de nombreuses populations marines ou lacustres, dont les populations de féras, bondelles et autres corégones des lacs suisses. Toutefois, malgré un nombre croissant d'études décrivant ce phénomène, peu de plans de gestion en tiennent compte, car l'importance des effets génétiques liés à la pêche est le plus souvent négligée par rapport à l'impact des changements environnementaux. Le but premier de cette étude a donc été de quantifier l'importance des facteurs génétiques et environnementaux. Dans le premier chapitre, nous avons étudié la population de palée du lac de Joux (Coregonus palaea). Nous avons déterminé les différentiels de sélection dus à la pêche, c'est-à-dire l'intensité de la sélection sur le taux de croissance, ainsi que les changements nets de croissance au cours du temps. Nous avons observé une baisse marquée de croissance et un différentiel de sélection important indiquant qu'au moins 30% de la diminution de croissance observée était due à la pression de sélection induite par la pêche. Dans le deuxième chapitre, nous avons effectué les mêmes analyses sur deux espèces proches du lac de Brienz (C. albellus et C. fatioi) et avons observé des effets similaires dont l'intensité était spécifique à chaque espèce. Dans le troisième chapitre, nous avons analysé deux autres espèces : C. palaea et C. confusus du lac de Bienne, et avons constaté que le lien entre la pression de sélection et la diminution de croissance était influencé par des facteurs environnementaux. Finalement, dans le dernier chapitre, nous avons étudié les effets potentiels de différentes modifications de la taille des mailles des filets utilisés pour la pêche à l'aide de modèles mathématiques. Nous concluons que la pêche a un effet génétique non négligeable (et donc peu réversible) sur la croissance individuelle dans les populations observée, que cet effet est lié à la compétition pour la nourriture et à la qualité de l'environnement, et que certaines modifications simples de la taille des mailles des filets de pêche pourraient nettement diminuer l'effet de sélection et ainsi ralentir, voir même renverser la diminution de croissance observée.

Record of Decision Council Bluffs Interstate System (I-29, I-80 and I-480) Improvements Project TIER 1 Environmental Impact Statement Council Bluffs, Iowa to Omaha, Nebraska FHWA-IA- EIS-04-01F Project Number: IM-029-3(62)54—13-78 Submitted Pursuant to 42 USC 4332(2)(c) and 49 USC 303, October 2008

The Federal Highway Administration (FHWA) approves the selection of the Reconstruction of All or Part of the Interstate (Construction Alternative) as the Preferred Alternative to provide improvements to the interstate system in the Omaha/Council Bluffs metropolitan area, extending across the Missouri River on Interstate 80 to east of the Interstate 480 interchange in Omaha, Nebraska. The study considered long-term, broad-based transportation improvements along Interstate I-29 (I-29), I-80, and I-480, including approximately 18 mainline miles of interstate and 14 interchanges (3 system, 11 service), that would add capacity and correct functional issues along the mainline and interchanges and upgrade the I-80 Missouri River Crossing. FHWA also approves the decisions to provide full access between West Broadway and I-29, design the I-80/I-29 overlap section as a dual-divided freeway, and locating the new I-80 Missouri River Bridge north of the existing bridge. Improvements to the interstate system, once implemented, would bring the segments of I-80 and I-29 (see Figure 1) up to current engineering standards and accommodate future traffic needs. This Record of Decision (ROD) concludes Tier 1 of the Council Bluffs Interstate System (CBIS) Improvements Project. Tier 1 included an examination of the area’s transportation needs, a study of alternatives to satisfy them, and broad consideration of potential environmental and social impacts. The Tier 1 evaluation consisted of a sufficient level of engineering and environmental detail to assist decision makers in selecting a preferred transportation strategy. During Tier 1 a Draft EIS (FHWA-IA- EIS-04-01D) was developed which was approved by FHWA, Iowa DOT, and Nebraska Department of Roads (NDOR) in November 2004 with comments accepted through March 15, 2005. The Draft EIS summarized the alternatives that were considered to address the transportation needs around Council Bluffs; identified reconstruction of all or part of the interstate, the “Construction Alternative,” as the Preferred Alternative; identified three system-level decisions that needed to be made at the Tier 1 level; and invited comment on the issues. The Final EIS (FHWA-IA- EIS-04-01F) further documented the Construction Alternative as the Preferred Alternative and identified the recommended decisions for the three system level decisions that needed to be made in Tier 1. This ROD defines the Selected Alternative determined in the Tier 1 studies.

Council Bluffs Interstate System Improvement Project Tier 2, Segment 3 Pottawatomie County, Iowa Environmental Assessment, March 2011

This Tier 2 Environmental Assessment (EA) presents the results of studies and analyses conducted to determine the potential impacts of proposed improvements in Segment 3 of the Council Bluffs Interstate System (CBIS) in the Council Bluffs metropolitan area. This document is tiered to the Tier 1 Draft and Final Environmental Impact Statements (EIS) that evaluated impacts of the overall CBIS Improvements Project, which includes five segments of independent utility1 This EA on Segment 3 of the Project is divided into the following sections: and encompasses 18 mainline miles of Interstate and 14 interchanges along Interstate 80 (I-80), Interstate 29 (I-29), and Interstate 480 (I-480). More information about the tiering process is found below under Project Background. • Section 1 provides background information on the Project and discusses the relationship between the earlier Tier 1 EIS and this Tier 2 EA. It also discusses the proposed action and the area studied, the purpose of the Project, and the need for the Project based on transportation problems that currently exist or are expected in the future. • Section 2, Alternatives, identifies the range of alternatives considered for Segment 3 to address the transportation problems identified in Section 1. It also identifies the alternatives retained for further study in this EA and the preferred Segment 3 alternative. • Section 3, Affected Environment and Environmental Consequences, describes the general environment for each resource affected by the proposed improvements. It also describes the potential environmental impacts of the Segment 3 Project and methods to avoid, minimize, and mitigate impacts. • Section 4, Disposition, lists the agencies and organizations that will receive copies of this EA and the locations at which this EA will be available for public review. • Section 5, Comments and Coordination, summarizes the agency coordination and public involvement efforts in conjunction with the Segment 3 Project. • Section 6, Conclusion and Recommendation, summarizes resource impacts. • Section 7, References, lists the sources cited in this EA. For Segment 3, the Federal Highway Administration (FHWA) and Iowa Department of Transportation (Iowa DOT) determined that an EA is the appropriate level of Tier 2 study to comply with the National Environmental Policy Act (NEPA) requirements. The primary purpose of an EA is to clearly establish the significance of a project’s environmental impacts. That analysis is included in this document.

SOIL PHOSPHORUS THRESHOLDS IN EVALUATING RISK OF ENVIRONMENTAL TRANSFER TO SURFACE WATERS IN SANTA CATARINA, BRAZIL

The State of Santa Catarina, Brazil, has agricultural and livestock activities, such as pig farming, that are responsible for adding large amounts of phosphorus (P) to soils. However, a method is required to evaluate the environmental risk of these high soil P levels. One possible method for evaluating the environmental risk of P fertilization, whether organic or mineral, is to establish threshold levels of soil available P, measured by Mehlich-1 extractions, below which there is not a high risk of P transfer from the soil to surface waters. However, the Mehlich-1 extractant is sensitive to soil clay content, and that factor should be considered when establishing such P-thresholds. The objective of this study was to determine P-thresholds using the Mehlich-1 extractant for soils with different clay contents in the State of Santa Catarina, Brazil. Soil from the B-horizon of an Oxisol with 800 g kg-1 clay was mixed with different amounts of sand to prepare artificial soils with 200, 400, 600, and 800 g kg-1 clay. The artificial soils were incubated for 30 days with moisture content at 80 % of field capacity to stabilize their physicochemical properties, followed by additional incubation for 30 days after liming to raise the pH(H2O) to 6.0. Soil P sorption curves were produced, and the maximum sorption (Pmax) was determined using the Langmuir model for each soil texture evaluated. Based on the Pmax values, seven rates of P were added to four replicates of each soil, and incubated for 20 days more. Following incubation, available P contents (P-Mehlich-1) and P dissolved in the soil solution (P-water) were determined. A change-point value (the P-Mehlich-1 value above which P-water starts increasing sharply) was calculated through the use of segmented equations. The maximum level of P that a soil might safely adsorb (P-threshold) was defined as 80 % of the change-point value to maintain a margin for environmental safety. The P-threshold value, in mg dm-3, was dependent on the soil clay content according to the model P-threshold = 40 + Clay, where the soil clay content is expressed as a percentage. The model was tested in 82 diverse soil samples from the State of Santa Catarina and was able to distinguish samples with high and low environmental risk.