Suivi spatio-temporel de la pollution de MP dans la Garonne et potentiel transfert dans le réseau trophique

Spatio-temporal monitoring of MP pollution in the Garonne and potential transfer in the food web

• Auteur / Autrice : Aline Reis de Carvalho
• Direction : Alexandra Ter Halle, Julien Cucherousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire
• Date : Soutenance le 27/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes (Toulouse ; 2023-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Franck Benoist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Ter Halle, Julien Cucherousset, Eric Franck Benoist, Guillaume Duflos, Bruno Tassin, Javier Castro-Jiménez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Duflos, Bruno Tassin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaînes alimentaires

Microplastiques

Pollution de l'eau

Mots clés libres

Plastique

Polymère

Infrarouge

Niche trophique

Garonne

Plastic

Polymer

Infrared

Trophic niche

Garonne river

Résumé

L'omniprésence des microplastiques (MP) représente une nouvelle pression environnementale agissant sur les écosystèmes d'eau douce et une meilleure compréhension de la dynamique de cette pollution est nécessaire. Ici, nous avons étudié les changements spatiaux et temporels de la pollution en MPs (gamme de taille entre 700 μm et 5 mm) dans le bassin versant de la Garonne (Sud-Ouest de la France) et la consommation de ces particules par les organismes aquatiques. La composition des particules a été vérifiée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance totale atténuée (ATR-FTIR). Premièrement, un total de 14 sites situés dans le fleuve principal et plusieurs affluents a été échantillonné pendant quatre saisons. Nous avons constaté que la concentration de MP variait fortement à la fois dans l'espace et dans le temps en fonction de l'urbanisation et des conditions hydrologiques, respectivement. Des concentrations plus élevées de MP avec des tailles de particules plus petites ont été observées pendant les périodes chaudes avec de faible débits. En deuxième, nous avons analysé les changements dans la pollution des MP causés par les crues. Deux sites dans la Garonne, situés en amont et en aval de Toulouse, ont été échantillonnés lors de deux épisodes de crue. Nous avons constaté une augmentation générale de la concentration de MP pendant la crue, induite par le débit de la rivière, mais cette augmentation était plus importante dans le site en aval. En ce qui concerne les caractéristiques MPs, la prédominance de particules plus grosses a été remarquée. En plus, un profil d'oxydation plus élevé, représenté par une bande spectrale de carbonyle, a été trouvé dans les particules recueillies pendant la crue. En troisième, une nouvelle voie d’entrée MP dans les eaux douces a été évaluée en quantifiant la contamination en MP dans les amorces de pêche. Nous avons analysé trois types d'amorces fabriquées industriellement (« pellets », « bouillettes » et « farines »). A partir de 160 échantillons d'amorces, 28 MP ont été identifiés dans les farines et les bouillettes, tandis qu’aucun MP n'a été trouvé dans les pellets. Nous avons révélé que les MPs introduits accidentellement lors de la fabrication des amorces et/ou ceux provenant de matières premières contaminées pouvaient être transférés dans les eaux douces. En quatrième, la consommation de MPs par les macroinvertébrés et les poissons a été quantifiée. Cette consommation a été liée aux niches trophiques individuelles, quantifiées à l'aide d'analyses d'isotopes stables (δ13C et δ15N). Nous avons d’abord démontré que l'abondance de MP ingérée différait entre les macroinvertébrés et les poissons et n'était pas significativement liée à la pollution en MP. Nous avons également constaté que les caractéristiques des MP différaient entre les compartiments abiotique (eau et sédiments) et biotique (macroinvertébrés et poissons). L'abondance de MP ingérée augmentait avec la taille de l'organisme chez les poissons et les macroinvertébrés et avait tendance à augmenter avec la position trophique des macroinvertébrés. L'origine des ressources consommées par les poissons affectait significativement l'abondance des MP ingérés dans les poissons. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent la prédominance d’une consommation directe, très probablement accidentellement. En conclusion, nous soulignons que la pollution par les MP devrait être perçue comme une forme de stress multiple en raison du comportement particulier et des interactions potentielles avec d'autres contaminants environnementaux. Les conséquences de ces interactions devraient être au centre des recherches futures. Ce travail contribue à améliorer notre compréhension et à élucider les moteurs de la dynamique et de la consommation de MP par les organismes aquatiques. Des études complémentaires sont désormais nécessaires pour quantifier les risques induits par cette pollution dans les écosystèmes d'eau douce.

The omnipresence of microplastic (MP) represents a novel environmental pressure acting on freshwater ecosystems and a better understanding of the dynamic of this pollution is needed. Here, we investigated the spatial and temporal changes in MP pollution (size range 700 μm – 5 mm) in the Garonne catchment (Southwestern France) and the consumption of these particles by aquatic organisms. The composition of MP was verified through attenuated total reflectance Fourier transformed infrared spectroscopy (ATR-FTIR). First, a total of 14 sites located in the main river and several tributaries were sampled during four seasons. We found that MP concentration averaged 0.15 particles.m-3 (± 0.46 SD) and strongly varied both in space and in time, driven by urbanization and hydrological conditions. Higher MP concentrations and smaller particle sizes were observed in warm seasons with low discharge. Second, we analysed the changes in MP pollution caused by flooding. Two sites in the Garonne River, located upstream and downstream of Toulouse, were sampled during two flood episodes. We found a general increase in MP concentration during flood episodes. This was driven by river discharge, but this increase was greater in the downstream site. Regarding MP characteristics, a predominance of larger particles was observed. Using multivariate analysis of the infrared spectra, we quantified the changes in MP chemical profile during flooding. A higher oxidation profile, represented by an increased carbonyl spectral band, was found in particles collected during the flood. Third, a novel pathway of MP into freshwaters was assessed by quantifying MP pollution in angling baits. We analysed three different categories of industrially-produced baits (‘groundbait’, ‘boilies’ and ‘pellets’). From 160 bait samples, 28 MP were identified in groundbait and boilies. No MP within the studied size range were found in pellets. We revealed that MPs introduced accidentally during bait manufacturing and/or those originating from contaminated raw ingredients might be transferred into freshwaters. Fourth, the consumption of MPs by macroinvertebrates and fish was quantified. This consumption was linked to individual trophic niches, which were measured by stable isotope analyses (δ13C and δ15N). We demonstrated that the abundance of ingested MP differed between macroinvertebrates and fish and was not significantly related to MP pollution. We also found that MP characteristics differed between the abiotic (water and sediment) and biotic (macroinvertebrates and fish) compartments. The abundance of ingested MP increased with organism size in both fish and macroinvertebrates and tended to increase with the trophic position of macroinvertebrates. The origin of the resources consumed by fish significantly affected the abundance of MP ingested in fish. Altogether, these results suggested the absence of MP bioaccumulation in the studied size range in freshwater food webs and the dominance of direct consumption, most likely accidentally. In conclusion, we highlighted that MP pollution should be perceived as a multi-stressor due to the particulate behaviour and potential interactions with other environmental contaminants. The consequences of these interactions should be the focus of future research. This work contributes to improve our understanding to elucidate the drivers of the dynamic and consumption of MP, and further studies are needed to quantify the actual risks associated with this pollution in freshwater ecosystems.