Physiological consequences of exposure to perfluoroalkyl substances, organochlorine compounds and mercury in an Arctic breeding seabird

par Pierre Blévin

Thèse de doctorat en Biologie de l'environnement, des populations, écologie

Sous la direction de Paco Bustamante et de Olivier Chastel.

Soutenue le 11-09-2018

à La Rochelle , dans le cadre de École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....) , en partenariat avec Centre d'études biologiques de Chizé - CEBC (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conséquences physiologiques d’une exposition aux substances perfluoroalkylées, aux composés organochlorés et au mercure chez un oiseau marin Arctique


  • Résumé

    A cause d’une anthropisation toujours plus forte des écosystèmes, de plus en plus de menaces pèsent sur la biodiversité. Parmi celles-ci, l’exposition aux contaminants est particulièrement problématique pour les organismes vivants. Emis et utilisés dans les pays industrialisés, ces contaminants hautement persistants dans l’environnement vont gagner les régions polaires puis se bio-accumuler dans les organismes vivants au cours du temps et se bio-amplifier le long du réseau trophique. Ainsi, les oiseaux marins, longévifs et situés dans les maillons supérieurs de la chaine alimentaire, sont particulièrement exposés et vulnérables à une exposition chronique à ces contaminants. A travers une perturbation endocrinienne, ces contaminants vont pouvoir impacter certains mécanismes physiologiques et traits comportementaux, entrainant in fine des conséquences à long-terme sur la fitness des individus et populations. Ma thèse s’articule autour de trois grandes familles de contaminants : i) les composés perfluoroalkylés (PFASs), encore largement utilisés dans plusieurs secteurs industriels et agricoles et en augmentation dans l’environnement ; (ii) les composés organochlorés dits « d’héritage » (OCs), interdits depuis des années mais entrainants toujours des effets délétères sur la biodiversité et (iii) le mercure (Hg), métal lourd non-essentiel ayant une origine à la fois anthropique et naturelle. Basé sur une approche corrélative in natura, je me suis intéressé aux conséquences physiologiques et comportementales d’une exposition chronique à ces trois grandes familles de contaminants présents chez la mouette tridactyle (Rissa tridactyla) de l’Arctique Norvégien (Svalbard) au cours de son cycle reproducteur (depuis l’accouplement jusqu’à l’élevage des poussins). Spécifiquement, j’ai étudié les relations entre ces contaminants et la fertilité (morphologie et motilité des spermatozoïdes), l’expression des signaux sexuels (visuel : coloration des téguments, olfactif : signature chimique), les comportements de soins parentaux (température d’incubation et rotation de l’œuf), le vieillissement cellulaire (longueur des télomères) et la dépense énergétique (métabolisme de base). Je me suis également penché sur de potentiels mécanismes sous-jacents permettant d’expliquer ces relations. Puisque ces mécanismes physiologiques et comportementaux sont fortement impliqués dans la valeur sélective des individus, les possibles conséquences à long terme de cette exposition sur la reproduction et survie des individus sont discutées. Ce travail permet de souligner la forte toxicité de certains composés organochlorés « historiques » (en particulier les chlordanes) et d’apporter de toutes nouvelles connaissances sur la toxicité très mal connue des PFASs chez la faune sauvage. Fait important, ce travail de thèse révèle que les PFASs et les OCs pourraient agir de manière contrastée sur plusieurs mécanismes physiologiques et traits comportementaux. Spécifiquement, une forte exposition à l’oxychlordane, un métabolite du chlordane, pesticide interdit depuis des décennies, est associée à des télomères plus courts, une réduction du métabolisme de base et à une moindre capacité à incuber les œufs. A l’inverse, on observe une élongation des télomères, une augmentation du métabolisme de base et une rotation des œufs accrue chez les individus les plus exposés aux PFASs. Le Hg, au moins en ce qui concerne les paramètres étudiés, ne semble pas jouer un rôle majeur. Cette étude souligne l'importance de tenir compte de plusieurs groupes de contaminants lorsqu'on étudie les conséquences de l'exposition aux contaminants environnementaux chez la faune sauvage.


  • Résumé

    Due to increasing human activities, a growing number of threats are challenging the fate of biodiversity. Among them, environmental contamination is particularly concerning for living organisms. Used and released in industrialized countries, these highly persistent contaminants can reach remote areas such as the Arctic ecosystem and will biomagnify though food webs and bioaccumulate in organisms. Long-lived seabirds are located in the upper levels of the food chains and thus particularly exposed and sensitive to a chronic contaminants exposure. Through endocrine disruption, these contaminants can impact physiological mechanisms and behavioural traits, inducing in fine, long-term fitness consequences on individuals and populations. My thesis focuses on three groups of contaminants: (i) poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs), still broadly used in a vast array of industrial processes and increasing in the Arctic; (ii) “legacy” organochlorine contaminants (OCs, pesticides and industrial compounds), banned from use but still well present in the Arctic and (iii) mercury (Hg), a non-essential metal coming of both natural and anthropic origins. Based on a correlative approach conducted in natura, I investigated the physiological and behavioural consequences of exposure to these contaminants during the whole breeding cycle (from pre-laying to chick-rearing period) in an Arctic seabird, the black-legged kittiwake (Rissa tridactyla) from Svalbard, Norwegian Arctic. Specifically, I examined the relationships between several PFASs, OCs, Hg and fertility (sperm morphology and motility), sexual signaling (visual: integument coloration and olfactory: chemical signature), parental care behaviors (incubation temperature and egg-turning), ageing (telomere length) and energy expenditure (basal metabolic rate). In addition, some potential underlying mechanisms were also studied to better understand the way through which contaminants can be detrimental for kittiwakes. Furthermore, since physiological mechanisms and behavioral traits investigated here are tightly involved in self maintenance and reproduction, possible effects on fitness are then discussed. This PhD work underlines the major role of certain legacy chlorinated organic compounds (e.g. chlordanes) and significantly contributes at documenting the poorly known toxicological consequences of PFASs exposure in wildlife. Importantly, this PhD shows that PFASs and OCs could impact ageing, energy expenditure and some parental care behaviors in a contrasted manner. Specifically, oxychlordane, a metabolite of a banned organochlorine pesticide was associated with decreased telomere length, lowered metabolic rate and reduced ability to incubate the eggs. Conversely, elongated telomere, increased BMR and enhanced egg rotation were observed in birds bearing the highest concentrations of PFASs. Finally, at least for the considered endpoints, Hg appears as a coming minor threat for kittiwakes. This study highlights the importance of considering several groups of contaminants when investigating the consequences of environmental contaminants exposure in wildlife.


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