Reference : Spatial and temporal responses of marine gastropods and biofilms to urban wastewater ...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Life sciences : Aquatic sciences & oceanology
http://hdl.handle.net/2268/130645
Spatial and temporal responses of marine gastropods and biofilms to urban wastewater pollution in a Mediterranean coastal area
English
Vermeulen, Simon mailto [Université de Liège - ULg > > > Doct. sc. (océanogr. - Bologne)]
2012
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Doctorat en Sciences
Gobert, Sylvie mailto
Beckers, Jean-Marie mailto
Dauby, Patrick mailto
Darchambeau, François mailto
De Troch, Marleen mailto
Lejeune, Pierre mailto
Lepoint, Gilles mailto
Vizzini, Salvatrice mailto
[en] Bioindicators ; Eutrophication ; C-N stable isotopes ; Trace elements ; Benthic marine diatoms ; Artificial substrates
[en] The increasing human pressure exerted along coastlines and the subsequent increase in the delivery of pollutants at sea is a matter of concern worldwide. Urban wastewaters contain a variety of pollutants (mainly N, P, and trace elements) which can be involved in the launching of eutrophication. This complex process is able to fundamentally alter the integrity of coastal ecosystems thereby impairing the sustainability of economic activities and involving health risks for human through the consumption of sea products. Eutrophication is considered for more than 40 years as a pervasive process and a priority issue for the preservation of the health status of coastal ecosystems.
The Mediterranean Sea supports high economic pressures in relation with the continuously increasing number of inhabitants and tourists in coastal areas. The physico-chemical (e.g. oligotrophy, microtidal regime) features of waters make them sensitive to eutrophication and several heavily urbanized areas have been experiencing adverse effects of this process for decades (e.g. biodiversity losses, Harmful Algal Blooms, fishes’ kills,…etc). Nowadays, smaller localities discharging insufficiently treated or raw wastewaters at sea also begin to report eutrophication problems especially during summer months when the number of tourists considerably increases the resident populations.
National monitoring programs generally focus on priority areas by using either toxicological (e.g. trace metals in molluscs) and / or structural (e.g. phytoplankton biomasses) parameters to follow the evolution of already impacted water bodies. However, if the most deleterious effects of eutrophication are well known, little information is actually available regarding the early symptoms of the process. The identification of time- and cost-efficient indicators along with analytical procedures that would deliver early warning signals of pollution is therefore required to assist local authorities in the implementation of environmental policies.

This research aimed at implementing some easy-to-use and efficient tools to detect the impact of urban wastewater pollution in Mediterranean coastal areas. A new set of potential early bioindicators has been identified. The gastropods Patella caerulea and Monodonta turbinata inhabiting the Mediterranean rocky midlittoral zone and epilithic biofilms were selected as good candidates for monitoring purpose. Biofilms which are microbenthic communities mainly composed of microalgae have been used for decades in freshwater systems as early indicators of pollution. In contrast, marine biofilms have largely been neglected and little is known regarding their composition, their physiology, and the way they react to wastewater pollution. We focused our studies on the Calvi Bay (NW Mediterranean, France) which is, regarding the anthropogenic pressure exerted on its coastal fringe, representative of other moderately urbanized areas of the Mediterranean basin. The Calvi Bay area is indeed among the preferred summer destinations by tourists in Corsica and is influenced by a single point source of pollution which is secondary-treated urban wastewater. A control vs. impacted sites approach has been used to assess the responses of the selected bioindicators to wastewater pollution.

Our first task was to characterize the nature and amounts of the main pollutants (nutrients, trace elements) discharged in the Calvi Bay. Since nutrient measurements are commonly used to infer into the trophic status of water bodies, we assessed whether this parameter was reliable to detect the influence of wastewater discharge in the study area. The main pollutants discharged at sea were ammonium, phosphorus and iron. Amounts considerably increased during summer months (July and August) which was related to the high frequentation of the Calvi Bay area by tourists. Measurements of nutrient concentrations in seawater samples from controls and impacted sites did not allow evidencing the influence of wastewater inputs. In contrast, the high spatial and temporal resolution achieved through a small scale sampling design conducted in a small harbour impacted by wastewater discharges showed large spatial variability in the dispersion of effluents and hourly variations in the amounts of pollutants. The extrapolation of these results at the scale of the Calvi Bay may have explained our failure to detect the pollution by using samples collected punctually in space and time. These results suggested that the use of bioindicators that integrate the variable influence of nutrient pulses was required to evidence pollution.

We focused our second study on a toxicological approach to detect the bioavailability of anthropogenically-derived nutrients in the midlittoral zone of the Calvi Bay and of the Marseille harbour. Multi-spatial scales and seasonal dual C and N stable isotope analyses were performed on the limpet Patella caerulea, the snail Monodonta turbinata, epilithic biofilms, and the macroalga Rissoella verruculosa.
All bioindicators exhibited strongly elevated δ15N values at impacted sites compared to pristine ones, which revealed the influence of wastewater pollution in the midlittoral zone and the biological availability of anthropogenically-derived nitrogen at the base of the food web. Gastropods provided a time-integrated response reflecting the control vs. impacted status of sites. Results indicated that one sampling campaign per year should be sufficient to evidence wastewater pollution likely because of the slow turnover rate of gastropods’ muscles. Macroalgae showed a reliable but less consistent signal of wastewater pollution compared to other indicators. Only epilithic biofilms tended to show the occurrence of nutrient pulses during the tourist season which suggested that wastewater discharges may have influenced the composition and / or the physiology of communities. However the sampling of biofilms developed on natural rocky substrates was destructive and did not allow investigating the fine biological structure of communities and thus to fully understand the output of community scale parameters such as stable isotopes. We therefore recommended using biofilms grown on artificial substrates to circumvent this problem.

We then allowed biofilms to develop on glass slides which are the most currently used artificial substrates in freshwater systems. Our task was to find out the most suitable technique to isolate and identify benthic diatoms which are common colonizers on newly available substrates. The species-specific tolerance to pollution of diatoms has been used for decades in the assessment of the health status of freshwater bodies. However, little is known on their marine counterparts and on their ability to evidence wastewater pollution. A specific and time-cost-efficient technique was implemented for the processing of lightly silicified benthic marine diatoms from Mediterranean oligotrophic areas. This was achieved through the multiple comparisons of existing protocols used either in sea- or fresh-waters.

We finally investigated, by means of mesocosm deployed in situ and field experiments, the responses of biofilms developed on glass slides to a range of urban wastewater exposures. Colonization experiments lasted for 24 days in summer conditions. A multi-parametric assessment was conducted using a combination of toxicological and structural approaches applied to different biological scales. Toxicological parameters such as C-N stable isotopes, C:N:P ratios, and Trace Elements were measured at the community scale while the structural parameters were considered at the community (standing crops), assemblage (densities of the main autotroph and heterotroph organisms), and the genus (diatoms) scales.
The mesocosm experiments were highly efficient to demonstrate the good potential of biofilms as early indicators of wastewater pollution. The impact of wastewater pollution was mainly identified at the community and the genus (diatoms) scales. Standing crops and the C-N stable isotopes were the most useful parameters showing respectively a stimulation of microalgal biomasses (i.e. eutrophication) and the bioavailability of wastewater-derived nitrogen even at low pollution levels. At the genus scale, the composition of diatoms’ assemblages changed markedly especially in the most polluted mesocosms. Results notably highlighted the proliferation of the small-sized individuals of Entomoneis which was thought to outcompete the larger diatoms belonging to the genus Mastogloia for nutrient uptake.
The responses of biofilms to pollution largely differed between mesocosm and field experiments. Nevertheless, standing crop parameters corroborated results obtained in mesocosms allowing to assume an influence of wastewater pollution in the Calvi Bay. Field samples were generally characterized by the presence of well developed hydrozoan colonies which were only seldom reported at mesocosm sites. The presumably impacted site also exhibited the highest densities in other heterotrophic eukaryote groups (e.g. nematodes, polychaetes, foraminifers) and primary producers. We interpreted these results either as a top-down effect or as an increase in habitat complexity. The genus scale determination of diatoms’ assemblages showed a decrease in the relative abundances of Mastogloia at the impacted site which was in accordance with results from the mesocosm experiments. The highest density values were also observed for Cylindrotheca at impacted site.

The last part of this research gathers the multiple spatial and temporal responses provided by the selected bioindicators to urban wastewater pollution in order to validate their future routine use in the context of monitoring programs. The occurrence of potential confusion sources in the interpretation of data was critically reviewed. The time-cost-efficiency of the tested parameters was then evaluated in order to assist environmental managers in their choices of biofilm-based techniques for detecting wastewater pollution. Finally since biofilms exhibited some strong accumulations of toxic elements, ecological hypotheses dealing with the trophic role of biofilms and the transfer of pollutants through the food webs are provided.
[fr] La pression démographique croissante exercée le long des zones côtières et l’augmentation des rejets de polluants qu’elle implique est une préoccupation environnementale majeure à l’échelle de la planète. Les eaux usées urbaines contiennent une grande variété de polluants (principalement N, P, et des éléments traces) qui peuvent conduire à une eutrophisation des systèmes aquatiques. Ce processus complexe est en mesure d’altérer de manière fondamentale le fonctionnement des écosystèmes côtiers et ainsi de compromettre la poursuite des activités économiques liées au milieu marin. De plus, les effets de l’eutrophisation peuvent engendrer des risques sanitaires pour l’homme lors de la consommation de produits de la mer. L’eutrophisation est considérée depuis plus de 40 ans comme une menace majeure pour la préservation de l’état de santé des écosystèmes côtiers.
Les zones côtières Méditerranéennes sont soumises à d’intenses pressions économiques en raison de l’augmentation continue du nombre d’habitants et de touristes. Les propriétés physico-chimiques (e.g. oligotrophie, régime microtidal) des masses d’eau de la Méditerranée les rendent sensibles à l’eutrophisation et plusieurs secteurs densément peuplés font face depuis des décennies aux effets délétères du processus d’eutrophisation (e.g. pertes de biodiversité, poussées d’algues toxiques, mortalité de poissons,…etc). Actuellement, des localités moins peuplées rejetant des eaux usées insuffisamment ou non traitées rapportent également des problèmes d’eutrophisation durant les mois d’été, lorsque la fréquentation touristique est maximale.
Les programmes nationaux de surveillance de la pollution marine s’attachent généralement au suivi de secteurs déjà impactés et utilisent des outils fournissant une information toxicologique (e.g. contenus en métaux traces dans les mollusques) et / ou structurelle (e.g. biomasses du phytoplankton) afin de statuer sur l’état de santé du milieu. Cependant, si les effets les plus néfastes associés au phénomène d’eutrophisation sont bien connus, peu d’informations sont disponibles en ce qui concerne ces premiers symptômes. L’identification d’indicateurs efficaces peu coûteux en argent et en temps ainsi que de techniques d’analyses appropriées permettant de fournir un signal précoce de détérioration de la qualité du milieu naturel est donc requise afin de guider les décisions politiques en matière d’environnement.

La présente recherche a pour but de développer des outils facilement utilisables et efficaces afin de détecter l’impact de la pollution par les eaux usées urbaines en milieu côtier Méditerranéen. Un nouveau set d’indicateurs ayant un potentiel de détection précoce de la pollution a été identifié. Les gastéropodes Patella caerulea et Monodonta turbinata présents en zone rocheuse médiolittorale ainsi que les biofilms épilithes sont de bons candidats pour le suivi de la pollution. Les biofilms, qui sont des communautés microbenthiques essentiellement composées de microalgues, sont utilisés depuis des décennies en tant qu’indicateurs précoces de pollution en milieux d’eau douce. En revanche, leurs homologues des zones marines ont été négligés et peu d’informations sont disponibles concernant leurs compositions, leurs physiologies ainsi que la façon dont ils réagissent face à la pollution.
Nous avons essentiellement réalisé nos études dans la Baie de Calvi (NO Méditerranée, France) dont la pression anthropique exercée le long de ses côtes est jugée représentative de celle ayant lieu dans d’autres secteurs modérément urbanisés de la mer Méditerranée. La région de Calvi est en effet parmi les destinations touristiques les plus prisées en Corse. De plus, elle est influencée par une unique source ponctuelle de pollution qui est matérialisée par des rejets d’eaux usées urbaines ayant subi un traitement d’épuration physico-chimique.
Le potentiel de bioindicateurs des organismes ou groupes d’organismes sélectionnés a été évalué à partir de comparaisons des réponses obtenues entre des sites potentiellement impactés par la pollution et des sites jugés sains.

Notre premier objectif était de caractériser les quantités de principaux polluants (nutriments, éléments traces) rejetées en Baie de Calvi. Puisque la mesure des concentrations en nutriments est un paramètre communément utilisé dans l’évaluation du statut trophique des masses d’eau, nous avons tout d’abord évalué l’efficacité de ce paramètre dans la détection de la pollution. Les principaux polluants contenus dans les effluents sont l’ammonium, le phosphore et le fer. Les quantités rejetées en mer ont augmenté considérablement en été (Juillet et Août) en relation avec l’augmentation de la fréquentation touristique. Les mesures de concentrations en nutriments dans l’eau de mer n’ont pas permis de détecter l’influence des rejets d’eaux usées. En revanche, des mesures répétées effectuées dans un port influencé par des rejets d’eaux usées ont permis de démontrer que l’influence de la pollution variait grandement dans le temps (heure) et l’espace (dizaine de mètres). L’extrapolation de ces résultats à l’échelle de la Baie de Calvi peut expliquer le manque de succès rencontré dans la détection de la pollution en utilisant des échantillons récoltés ponctuellement dans l’espace et le temps. Cela suggère également l’utilisation de bioindicateurs intégrant l’influence variable de la pollution dans leurs tissus.

Notre deuxième étude s’est basée sur une approche toxicologique visant à détecter la biodisponibilité des nutriments dérivés des eaux usées dans la zone médiolittorale de la Baie de Calvi et du port de Marseille. Des mesures des isotopes stables de l’azote et du carbone ont été réalisées sur une base saisonnière et à plusieurs échelles spatiales sur Patella caerulea, Monodonta turbinata, les biofilms épilithes ainsi que sur une macroalgue Rissoella verruculosa.
Tous les bioindicateurs ont montrés des valeurs δ15N particulièrement élevées au niveau des sites impactés par rapport aux sites sains, ce qui a permis de révéler l’influence de la pollution dans la zone médiolittorale et notamment la biodisponibilité de l’azote dérivé des eaux usées à la base du réseau trophique. Les gastéropodes ont procuré une réponse intégrée dans le temps reflétant le statut des sites. Ces résultats laissent supposer qu’une campagne de prélèvement annuelle serait suffisante afin de détecter l’influence de la pollution probablement en raison d’un temps de renouvellement relativement lent des muscles de gastéropodes. Les macroalgues ont également procuré un signal de pollution fiable mais cependant moins cohérent que celui des autres bioindicateurs. Seuls les biofilms épilithes ont eu tendance à démontrer une plus importante influence des rejets en période touristique suggérant que la composition et / ou la physiologie des communautés ont pu être modifiées par la pollution. Cependant, la récolte du biofilm sur les rochers ne permet plus l’identification des organismes qui le composent et n’autorise donc pas une interprétation complète des valeurs isotopiques. Par conséquent, nous avons proposé l’utilisation de substrats artificiels afin de contourner ce problème.

Notre troisième étude a porté sur l’utilisation de lames de verre comme substrat artificiel pour le développement de biofilms. Cette technique est couramment employée en eau douce. Notre premier objectif était de mettre au point les méthodes les plus fiables afin d’isoler et d’identifier les diatomées benthiques qui sont parmi les colonisateurs les plus fréquents et abondants des substrats nouvellement disponibles. Les gammes de tolérance spécifiques des diatomées benthiques en fonction du degré de pollution sont bien connues en eau douce mais très peu étudiées en milieu marin. Un protocole peu coûteux, rapide et efficace a pu être mis en place afin de traiter les échantillons de diatomées benthiques finement silicifiées provenant de régions Méditerranéennes oligotrophes. Cela a été permis grâce à la comparaison des résultats obtenus en appliquant les protocoles couramment utilisés en eau douce ou en milieu marin.

Dans un quatrième temps, nous avons utilisé les lames de verre dans le cadre d’expériences en mésocosmes et sur le terrain afin d’évaluer la réponse des biofilms face à différents degrés de pollution par les eaux usées. Ces expériences ont duré 24 jours et se sont déroulées durant la période estivale. L’évaluation multiparamétrique de la réponse des biofilms à la pollution a été réalisée selon une combinaison d’approches toxicologiques et structurelles portant sur différentes échelles biologiques. Les paramètres toxicologiques tels que les isotopes stables du carbone et de l’azote, les rapports C :N :P, et les contenus en éléments traces ont été mesurés à l’échelle des communautés. Les paramètres structuraux ont été considérés aux d’échelles des communautés (biomasses, Chl a), des assemblages (densités des principaux organismes autotrophes et hétérotrophes), et des genres (diatomées).
Les expériences en mésocosmes ont été particulièrement efficaces pour démontrer le grand potentiel des biofilms en tant qu’indicateurs précoce de pollution par les eaux usées. L’impact de la pollution a principalement été identifié aux échelles des communautés et des genres. Les résultats des mesures de biomasses et des analyses isotopiques ont été les plus utiles afin de respectivement mettre en évidence les symptômes de l’eutrophisation et la biodisponibilité de l’azote dérivé des eaux usées et ce même à de faibles niveaux de pollution. A l’échelle des genres, la composition des assemblages de diatomées a été modifiée de manière prononcée principalement dans les mésocosmes les plus pollués. Les résultats ont témoigné de la prolifération de cellules de petites tailles appartenant au genre Entomoneis. Le rapport surface : volume élevé de ces cellules leur a probablement procuré un avantage compétitif pour l’uptake de nutriments par rapport aux plus grandes cellules du genre Mastogloia.
La comparaison des résultats issus des expériences de terrain et de mesocosmes a montré de grandes différences concernant les réponses des biofilms face à la pollution. Néanmoins, les paramètres de biomasses ont corroboré les résultats obtenus dans les mésocosmes ce qui a permis de supposer une influence des effluents dans la Baie de Calvi. La composition des échantillons provenant de l’expérience de terrain a généralement révélé un grand nombre de colonies d’hydrozoaires lesquelles n’étaient que rarement présentes dans les biofilms issus des mésocosmes. Le site potentiellement impacté par la pollution a également témoigné des densités les plus importantes d’organismes appartenant aux autres groupes d’hétérotrophes eucaryotes (e.g. nématodes, polychètes, foraminifères) et de producteurs primaires. Nous avons interprété ces résultats comme étant probablement dû à un effet « top-down » ou à une augmentation de la complexité de l’habitat. La détermination des diatomées a montré une diminution des abondances relatives du genre Mastogloia au niveau du site potentiellement impacté par la pollution ce qui concorde avec les résultats obtenus dans les mésocosmes pollués. De plus, les densités les plus élevées de Cylindrotheca ont également été observées en ce même site.

La cinquième partie de cette dissertation synthétise l’ensemble des réponses formulées par les bioindicateurs aux différentes échelles spatiales et temporelles. Cette étape est en effet indispensable afin de valider l’utilisation de ces organismes et groupes d’organismes dans le cadre de programmes de contrôle de la qualité environnementale. Les sources de confusion potentielles dans l’interprétation des résultats ont ainsi été présentées sous un regard critique. L’efficacité-temps-coût des paramètres testés a ensuite été évaluée afin de guider les responsables de projets environnementaux dans le choix des techniques à utiliser pour détecter la pollution par les eaux usées. Enfin, puisque nos résultats ont attesté de fortes accumulations d’éléments toxiques au sein des biofilms, nous avons formulé des hypothèses écologiques concernant le rôle des biofilms en tant que ressource alimentaire et le transfert potentiel de polluants dans les réseaux trophiques.
Centre Interfacultaire de Recherches en Océanologie - MARE
ARC RACE 05/10-333 ; Fonds de la Recherche Scientifique (Communauté française de Belgique) - F.R.S.-FNRS
Rapid Assessment of the marine Coastal Environment
Researchers ; Professionals ; Students
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