Distribution des microplastiques dans les sédiments de rivières et conséquences sur les processus écosystémiques associés à la bioturbation

Distribution of microplastics in river sediments and consequences on bioturbation associated ecosystem processes

• Auteur / Autrice : Mohammad Wazne
• Direction : Florian Mermillod-Blondin, Laurent Simon, Stefan Krause
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie
• Date : Soutenance le 14/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Simon, Tamara Galloway, Emmanuel Guillon, Nicole Delépine-Gilon, Jörg Lewandowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tamara Galloway

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments contaminés

Effets de la pollution

Microplastiques

Bioturbation

Écosystèmes

Écologie d'eau douce

Mots clés libres

Microplastiques

Interface sédiment-eau

Bioturbation

Écosystème d'eau douce

Microplastics

Sediment-water interface

Bioturbation

Freshwater ecosystem

Résumé

Les microplastiques sont de plus en plus reconnus comme des contaminants préoccupants dans les écosystèmes aquatiques continentaux. Pour évaluer efficacement les risques associés aux microplastiques, il est essentiel de mieux connaitre leur distribution, leur transport, leur comportement, leurs concentrations, ainsi que leurs impacts sur les organismes et le fonctionnement de l’écosystème. Toutefois, il reste encore difficile de comprendre la distribution des microplastiques et leurs effets dans les écosystèmes d'eau douce. En effet, le manque de protocoles standardisés d’échantillonnage, de protocoles d’extraction ou d’analyse des microplastiques rend difficile l'établissement de comparaisons entre les différents écosystèmes et leurs différents compartiments. De plus, la majorité des tests de toxicité des microplastiques, qu'ils ciblent des effets létaux ou sub-létaux, sont réalisés à l’échelle de l'organisme, et ne permettent pas de quantifier les impacts des contaminants sur le fonctionnement de l'écosystème, et ne permettent pas de déterminer les effets environnementaux potentiels à long terme des microplastiques. Ce manuscrit de thèse vise à combler les lacunes existantes vers la compréhension de la distribution des microplastiques et leurs impacts sur le fonctionnement de l’écosystème dans les environnements aquatiques continentaux. Le manuscrit commence par aborder des aspects méthodologiques dans l'étude des microplastiques. Le chapitre II a pour objectif d’améliorer les protocoles existants pour extraire et séparer les microplastiques des matrices sédimentaires. En particulier, des modifications sont proposées pour améliorer le taux de récupération des microplastiques. Un autre aspect méthodologique important de ce chapitre s’intéresse à la comparaison de différentes méthodes d'échantillonnage des microplastiques dans les sédiments des cours d'eau. En évaluant par une approche expérimentale cinq techniques d’échantillonnages couramment utilisées en rivière, ces travaux établissent une base pour une inter-comparaison entre les différentes approches d'échantillonnage. Enfin, ce chapitre passe en revue le développement et la validation des protocoles de détermination visuelle et du type de polymère pour les microplastiques. Le chapitre III s’intéresse au transport et à la distribution des microplastiques à l'interface sédiments-eau dans les rivières. Les rivières sont reconnues comme les principales voies de transport des microplastiques vers les océans, et les sédiments de rivière peuvent jouer un rôle important dans le stockage temporaire des microplastiques. En étudiant la distribution des microplastiques à l’interface sédiment-eau d’une rivière à lit de galets, mes travaux ont montrés que la distribution des microplastiques dans les sédiments étaient contrôlés par l'interaction entre les facteurs hydrologiques et sédimentaires, et particulièrement par les échanges hydrologiques entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l'interface sédiments-eau dans la rétention des débris plastiques. Le chapitre IV s’intéresse au fonctionnement de l’interface sédiments-eau, et étudie en particulier sur l'effet des microplastiques sur la bioturbation et sur les processus biogéochimiques à cette interface. Par une approche expérimentale au laboratoire en conditions contrôlées, les activités de bioturbation de l’annélide oligochète Tubifex tubifex, un important ingénieur de l’écosystème, ont été étudiées sous différentes concentrations de microplastiques dans les sédiments. Les résultats ont montré que les microplastiques induisaient un stress oxydatif et une réduction des activités de bioturbation, ce qui impacte les flux biogéochimiques à l’interface sédiment-eau, avec une diminution de la minéralisation de la matière organique et des flux de nutriments. Ces résultats mettent en évidence les implications écologiques potentielles à long terme de la pollution par les microplastiques sur le fonctionnement des écosystèmes.

Microplastics are increasingly recognized as contaminants of critical concern in freshwater ecosystems. To effectively assess the risks associated with microplastics, it is crucial to gather comprehensive data on their distribution, transport, behavior, concentrations, and impacts on freshwater ecosystems. However, these efforts are hindered by the absence of consistent approaches and standardized protocols, rendering it challenging to make accurate comparisons and draw meaningful conclusions about microplastic pollution in freshwater ecosystems. In addition, the majority of microplastic toxicity tests are carried out at the organism level, but impacts on ecosystem functioning are still too rarely studied. This PhD manuscript aims to fill the existing gaps that hamper our advancement in understanding the presence and consequences of microplastics in freshwater environments. The manuscript begins by addressing the critical challenges aroused by the methodological advancements used in investigating microplastics. It highlights the lack of standardization and throughput limitations in existing methods, particularly in the extraction of microplastics from different environmental substrates such as sediments. To overcome these limitations, I realized introduces methodological improvement of exciting methods. Another important aspect involves the comparison of different sampling methods for microplastics in streambed sediments. By evaluating five commonly applied techniques including scooping, coring, freeze coring, resuspension, and piezometer sampling, this work establishes a basis for inter-comparisons. Furthermore, this manuscript presents a robust methodology for polymer specific identification using Nile Red staining, utilizing fluorescence intensity to distinguish between plastic and non-plastic materials. The transport and fate of microplastics at the sediment-water interface in river networks are investigated in-depth. While rivers have been recognized as primary pathways for microplastic transport to the oceans, this study reveals the crucial role of the sediment-water interface in the temporary retention of plastic debris. The complex interplay between hydrological and sedimentary factors governing microplastic distribution is examined, particularly focusing on the influence of hydrological exchanges between surface and ground water at the sediment-water interface. Through field sampling and laboratory analyses, the research demonstrates significant variations in microplastic concentrations across different hydrological zones and sediment depths. Finally, the manuscript fills a gap in the existing literature by examining the effect of microplastics on bioturbation and biogeochemical processes at the sediment-water interface. The bioturbation activities of Tubifex tubifex, an important ecosystem engineer, are studied under varying concentrations of microplastics in sediments. The research reveals a significant response to oxidative stress and a reduction in bioturbation activities, leading to a decline in organic matter mineralization and nutrient fluxes. These findings highlight the potential long-term ecological implications of microplastic pollution on ecosystem functioning.