Biodiversité et fonctionnement des réseaux trophiques terrestres : application aux transferts d’éléments traces métalliques.

Biodiversity and functioning of terrestrial food webs : application to transfers of trace metals.

• Auteur / Autrice : Shinji Ozaki
• Direction : Renaud Scheifler, Francis Raoul, Clémentine Fritsch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des populations et écologie
• Date : Soutenance le 18/06/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire chrono-environnement (Besançon) - Laboratoire Chrono-environnement - UFC (UMR 6249) / LCE
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Charles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Scheifler, Francis Raoul, Clémentine Fritsch, Sandrine Charles, Elena Gomez-Diaz, Nico Van Den Brink
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena Gomez-Diaz, Nico Van Den Brink

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des métaux lourds

Chaînes alimentaires

Mots clés libres

Biodiversité

Réseaux trophiques

Éléments traces métalliques

Écotoxicologie

Réponse trophique

Fonctionnement des écosystèmes

Biodiversity

Food webs

Trace metals

Ecotoxicology

Trophic response

Ecosystem functioning

Résumé

Les effets de la biodiversité sur le risque de transmission de maladies zoonotiques est l'un des sujets scientifiques débattus sur les rôles fonctionnels de la biodiversité sur le fonctionnement et les services écosystèmiques. Une grande diversité dans la communauté d'hôtes peut augmenter (effet d'amplification) ou réduire (effet de dilution) la transmission des agents pathogènes, en raison des différences contextuelles des trais d’histoire de vie entre les hôtes. Les éléments traces métalliques (ETM) circulent de la ressource au consommateur par des liens trophiques. Étant donné la diversité des traits d’histoire de vie des ressources, il est supposé que la diversité des ressources joue un rôle fonctionnel dans le transfert des ETM au sein des réseaux trophiques. Le but de cette thèse est de tester cette hypothèse et de déterminer les mécanismes sous-jacents en utilisant les mulots sylvestres (Apodemus sylvaticus) comme modèle biologique. L'échantillonnage a été effectué autour de l'ancienne fonderie Metaleurop Nord dans le nord de la France où les sols sont contaminés par du cadmium (Cd), du plomb (Pb) et du zinc (Zn).Les analyses sur la répartition des ressources des mulots, plantes et invertébrés, ont montré que la diversité n'était pas, ou légèrement positivement, corrélée aux niveaux de contamination des ETM dans les sols. La composition des ressources sur le terrain a été légèrement modifiée en fonction des propriétés physico-chimiques des sols, y compris la concentration en ETM. La diversité et la composition des invertébrés étaient plus influencées par la diversité des plantes que par les propriétés physico-chimiques des sols.La richesse en plantes dans le régime alimentaire des mulots est corrélée positivement à la richesse en plantes sur le terrain à l’automne, mais pas au printemps. La tendance saisonnière était opposée pour les invertébrés. Certaines ressources végétales, comme les Salicaceae, les Sapindaceae ou les Adoxaceae, sont préférablement consommées par les mulots, mais avec une différence saisonnière. La préférence pour les Salicaceae est réduite le long du gradient de contamination en ETM dans les sols au printemps. Les relations entre la richesse sur le terrain et la richesse dans le régime alimentaire ont également été affectées aux deux saisons.Le type de ressources consommées par les mulots influence leur exposition aux ETM. La consommation de Salicaceae, plantes accumulatrices d’ETM, augmente l'exposition au Cd et au Zn. Cependant, l'exposition au Cd par ingestion de Salicaceae est réduite lorsqu'un grand nombre d'autres ressources est consommé.[...]Il a finalement été démontré que l'exposition au Pb et l'accumulation en Cd dans le foie et dans les reins des mulots diminuent le long du gradient de richesse des plantes sur le terrain, ce qui suggère un effet de dilution. La présence de certaines ressources sur le terrain, telles que les Adoxaceae, les Cornacae ou les Salicaceae, réduit l'exposition aux ETM, tandis que la présence d’Asteraceae augmente l'accumulation des ETM. La présence de ces ressources est liée au gradient de richesse en plantes sur le terrain.En résumé, il a été montré que le transfert des ETM des sols aux mulots est contrôlé par une combinaison complexe de facteurs environnementaux et biologiques, y compris la contamination des sols par les ETM, le trait d’histoire de vie des ressources et le comportement alimentaire des mulots. Dans la plupart des cas, ces facteurs sont liés à la biodiversité. La dilution du transfert des ETM par la biodiversité des ressources a été démontrée. Ces travaux permettent d’envisager des approches écologiques pour le contrôle des impacts de la pollution par les métaux sur la faune.

Effects of biodiversity on zoonotic disease transmission is one of the currently hot scientific topics about the functional roles of biodiversity on ecosystem functioning and services. High diversity in host community can increase (amplification effect) or reduce (dilution effect) the transmission of pathogens, due to context-dependent differences in life history traits between hosts. Trace metals (TMs) circulate from resources to consumers via trophic links. Given the variety of life history traits within resources, it is hypothesized that their diversity would play functional roles on the transfer of TMs to consumers. The aim of this work was to test this hypothesis and to determine the underlying mechanisms, using the wood mouse (Apodemus sylvaticus) as a model consumer. Sampling was undertaken around the former smelter Metaleurop Nord in Northern France where soils were contaminated by cadmium (Cd), lead (Pb) and zinc (Zn).Analyses about mice resources’ distribution in the field (plants and invertebrates) showed that diversity was not, or slightly positively, correlated with soil TM contamination levels. Community composition of resources was also slightly modified according to soil physico-chemical properties including TM concentrations. Diversity and composition of invertebrate communities were more influenced by diversity of plants than by soil physico-chemical properties.Plant richness in the diet was positively correlated to plant richness in the field in autumn, but not in spring. The seasonal pattern was opposite for invertebrates. Some plant resources, such as Salicaceae, Sapindaceae or Adoxaceae families, were preferred by mice but with seasonal differences. Soil TM contamination reduced mice preference for Salicaceae plants in spring and also modified relationships between richness in the field and diet richness at both seasons.The type of food items consumed by mice affected their trophic exposure to TMs. Consumption of Salicaceae resources, known as TM accumulator plants, increased exposure to Cd and Zn. However, high exposure to Cd induced by Salicaceae was dampened when a large number of other resources were consumed.Concentrations of TMs in plant leaves increased along the gradient of soil TM concentrations in both Salicaceae and Sapindaceae, and concentrations of Cd and Zn in leaves were higher in Salicaceae than in Sapindaceae. Higher bioconcentration factor was observed for Cd in leaves of Salicaceae than in those of Sapindaceae. No change in bioconcentration factor was observed in relation to biodiversity.We finally demonstrated that oral exposure to Pb and accumulation of Cd in the liver and in kidneys of mice decreased along the gradient of plant richness in the field, suggesting a dilution effect. Occurrence of some resources in the field, such as Adoxaceae, Cornacae or Salicaceae families, reduced exposure to TMs, whereas occurrence of Asteraceae family increased accumulation of TMs. Occurrence of these resources was related to the gradient of plant richness.To sum up, we showed that transfer of TMs from soils to mice was controlled by a complex combination of environmental and biological factors, including soil TM contamination, life history traits of resources, and feeding behavior of wood mice. In most cases, these factors were related to biodiversity. A dilution of TMs transfer to wood mice by a high resource diversity has been shown. This work paves the way for nature-based solutions for the control of metal pollution impacts on wildlife.