Freshwaters biological quality of heavy metals on macroinvertebrates populations and communities
Qualité biologique des eaux douces et impact des métaux lourds sur les populations et communautés de macroinvertébrés
Résumé
We studied the biological responses of individuals, populations and invertebrate communities to river sediment contamination by heavy metals. We examined the deformities of the mentum of Chironomus riparius larvae (Insecta, Diptera) to assess toxic effect of contamination of streams, the Genna (Central Italy). The study area is subjected to intense livestock activity that increases the metal pollution of the river, including copper, zinc, cadmium, chromium and nickel. The frequency of larval malformations (56%) was directly related to contamination, which shows that malformations of the mentum form a relevant proxy of toxic effects upon ecosystems. We also analyzed, in an industrial area of Central Italy, the bioaccumulation of heavy metals in the tissues of Procambarus clarkii (Crustacea-Decapoda), a non-native crayfish used as a bio-indicator of the ecological health of freshwaters. The hepatopancreas, a detoxifying tissue, showed the highest metal concentrations compared to the abdominal muscles (non detoxifying tissue). This concentration ratio between the two types of tissues is a relevant marker of bio-ecological stress. The ratio decreased as follows: Cd (11.7) > Cu (5.5) > Pb (3.6) > Cr (1,5) > Zn (1.0), Ni (1.0). Comparison of bioaccumulations with a non-impacted reference site confirms that those metals that significantly accumulate in the hepatopancreas are cadmium and copper. At the community level, we studied the relationships between the combination of invertebrate functional traits and environmental conditions (24 physical-chemical variables) across the stream system (Nestore Basin, Central Italy). Stations with a good physical-chemical status showed higher variability in their composition of functional traits than in their physical-chemical variables. An opposite trend was observed in the polluted sites, where biological traits are poorly diversified and stable in space and in time, in relation to the decrease in taxonomic diversity linked to human disturbance. Finally, functional traits have proven more effective than physical-chemical analyzes in detecting changes in ecological functioning of streams when contaminant concentrations are low. The self-organizing map algorithm (SOM neural networks) was used to further model the spatial and temporal distribution of the various taxa in relation to the natural environmental variability and the level of chemical pollution (nutrients and heavy metals). Finally we have developed and validated a multimetric index based on invertebrate communities, to assess the ecological health of rivers of Central Italy in terms of deviation from a reference state. Out of 71 tested biological metrics, we retained those metrics that showed the best compromise in terms of discrimination efficiency, low specificity and low redundancy, and higher stability under reference conditions. These metrics, which provide information on the diversity, abundance, functional role and tolerance of organisms are: the Margalef index, the "Biological Monitoring Water Pollution" score, the number of families and the relative richness of shredders. This index, which complies with the prerequisites of the Water Framework Directive of the European Union responds significantly to freshwater pollution and sediment contamination by heavy metals.
Nous avons étudié les réponses biologiques des individus, populations et communautés d'invertébrés de rivières à la contamination des sédiments par les métaux lourds. Nous avons examiné les malformations du mentum des larves de Chironomus riparius (Insecta-Diptera) pour évaluer l'effet toxique de la contamination d'un cours d'eau, Le Genna (Italie Centrale). L'aire d'étude est soumise à une activité zootechnique intense qui accroit la pollution métallique de la rivière, notamment par le cuivre, le zinc, le cadmium, le chrome et le nickel. La fréquence des malformations larvaires (56%) a été directement liée aux contaminations, ce qui montre quel es malformations du mentum constituent un proxy pertinent des effets toxiques sur les écosystèmes. Nous avons également analysé, dans une aire industrielle d'Italie Centrale, la bioaccumulation de métaux lourds dans les tissus de Procambarus clarkii (Crustacea-Decapoda), une écrevisse allochtone utilisée comme bioindicateur de la santé écologique des eaux douces. L'hépatopancréas, tissus de détoxification, a montré les concentrations de métaux les plus élevées, en comparaison aux muscles abdominaux (tissus non détoxifiant). Ce ratio de concentration entre les deux types de tissus représente un marqueur pertinent du niveau de stress bio-écologique. Le rapport décroit comme suit : Cd (11,7) > Cu (5,5) > Pb (3,6) > Cr (1,5) > Zn (1,0), Ni (1,0). La comparaison des bioaccumulations avec un site de référence non impacté confirme quel es métaux qui s'accumulent de façon significative dans l'hépatopancréas sont le cadmium et le cuivre. A l'échelle des communautés, nous avons étudié les relations entre combinaison de traits fonctionnels des invertébrés et conditions environnementales (24 variables physico-chimiques) à l'échelle du réseau hydrogaphique (bassin du Nestore, Italie Centrale). Les stations de bonne qualité physico-chimique ont montré une plus forte variabilité dans la composition en traits fonctionnels que dans les conditions physico-chimiques. Un résultat inverse a été observé aux sites pollués, où les traits biologiques sont peu diversifiés et stables dans l'espace et dans le temps, en relation avec la chute de diversité taxonomique liée aux perturbations anthropiques. Enfin, les traits fonctionnels se sont avérés plus efficaces quel es analyses physico chimiques pour détecter des changements de fonctionnement écologique lors que les concentrations en polluants sont faibles. Les cartes auto-organisatrices de Kohonen (SOM, réseaux de neurones) ont permis de modéliser plus en détailla distribution spatio-temporelle des divers taxons en relation avec la variabilité environnementale naturelle et le niveau de pollution chimique (nutriments et métaux lourds). Nous avons enfin développé et validé un indice multimétrique basé sur les communautés d'invertébrés, pour évaluer la santé écologique des cours d'eau d'Italie Centrale en terme d'écart à la référence. Sur 71 métriques biologiques testées, nous n'avons retenues que celles qui présent le meilleurs compromis en terme d'efficacité de discrimination, de faible spécificité et de faible redondance, et montrant une grande stabilité en conditions de référence. Ces métriques, qui renseignent sur la diversité, l'abondance, le rôle fonctionnel et la tolérance des organismes sont : l'indice de Margalef, le score "Biological Monitoring Water Pollution", le nombre de familles et la richesse relative des déchiqueteurs. Cet indice, qui satisfait les pré requis de la Directive Cadre sur l'Eau de l'Union Européenne, répond de façon significative à la pollution des eaux douces et à la contamination des sédiments par les métaux lourds.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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