Development of ecotoxicological tools for the assessment of sediments

Le développement de bioessais pour l'évaluation du potentiel écotoxique de sédiments contaminés est en constante évolution. Ces bio-essais sont généralement utilisés dans le cadre d'une batterie bioanalytique, mais très peu d'outils existent pour intégrer les résultats de ces tests dans le but de comparer des sites entre eux et de prioriser les actions de gestion. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse. L'indice de danger écotoxique SED-TOX a été développé. Pour ce faire, nous avons identifié les bio-essais pressentis pour la batterie qui servirait de base au développement de l'indice. Il importait que cette batterie couvre une variété de phases sédimentaires (eau interstitielle, extrait organique, phase solide-humide, et sédiment entier), de niveaux trophiques (bactéries, algues, micro-invertébrés), ainsi que de types (aigu et chronique) et de niveaux (létal, sublétal) de toxicité, afin d'en maximiser la sensibilité, le potentiel de discrimination, et la pertinence écologique. Il importait également que l'indice soit applicable à une diversité de sédiments, qu'ils proviennent de milieux lacustres ou marins. Nous avons constaté, lors de la sélection des bioessais, qu'en dépit du nombre d'essais pouvant être réalisés sur des extraits aqueux (e.g., eau interstitielle, élutriats, extraits organiques) de sédiments, leur adéquation pour une utilisation en routine sur des extraits organiques n?avait pas été clairement démontrée. Nous avons donc élaboré une procédure d?extraction, de concentration et de fractionnement organique que nous avons couplée à trois essais de génotoxicité (SOS ChromotestMC, Mutatox et fluctuation) dans le but de proposer une méthode efficace pour évaluer les effets associés aux contaminants organiques sur l?ADN des organismes exposés. Ces travaux ont démontré que lorsqu?il est appliqué à des sédiments présentant un gradient de contamination organique, le SOS ChromotestMC réalisé sur la fraction F2 (contenant des molécules de poids variant entre 250 et 800 unités de masse atomique) s'avérait le plus sensible et le plus discriminant des trois essais examinés. Nous avons ensuite appliqué l'indice à une série d'échantillons marins et deux séries distinctes d'échantillons dulçaquicoles, dans le but d?en examiner les trois aspects suivants : sa flexibilité : l'indice est-il applicable à divers types de sédiments avec des batteries bioanalytiques différentes ? Son potentiel de discrimination : l'indice permet-il de distinguer les sites pollués de ceux relativement exempts de contaminants ? Son potentiel prédictif: comment se compare l'indice avec des mesures de perturbation de communautés benthiques ? Ces travaux ont démontré que : l'indice est applicable à une variété de sédiments (i.e., dulçaquicoles et marins) et de batteries bioanalytiques : l'indice permet la mise en évidence d'écarts significatifs entre le potentiel toxique de sédiments dont les niveaux de contamination varient, et d'en dériver des seuils de toxicité dans le but de les classer selon l?importance du danger qu'ils peuvent représenter pour des organismes aquatiques : les résultats du SED-TOX concordent avec des indices permettant de jauger la qualité du benthos. Ainsi, la mise en évidence de corrélations entre l'indice SED-TOX et les indices de qualité du benthos suggère que le SED-TOX peut prédire la présence de sédiments de qualité suspecte dans le milieu. Ces résultats confortent donc l'emploi d'essais de laboratoire relativement simples couplés à des mesures d'effets variées capables de fournir des informations pertinentes pour la protection des milieux hydriquesThe development of bioassays for the assessment of the toxic potential of contaminated sediments is in constant evolution. These bioassays are generally used in the context of a battery. However, very few tools exist for the integration of their results for the comparison of sites and the priorization of sediment management actions. It is in this context that this thesis has been prepared. The SED-TOX index of ecotoxic hazard has been developed and validated. To achieve this, we identified the bioassays that would serve as the basis for the development of the Index. It was important that this battery covers a variety of sediment phases (e.g., interstitial water, organic extract, solid-humid phase, and whole sediment), trophic levels (e.g., bacteria, algae, microinvertebrates), toxicity types (i.e., acute and chronic) and levels (i.e., lethal, sublethal) to maximize its sensibility, potential for discrimination and ecological relevance. It was also critical that the Index be applicable to a wide variety of sediment type, whether they originate from marine or freshwater ecosystems. During the bioassay selection process, we noted that, in spite of the large number of tests that can be performed on aqueous sediment extracts (e.g., interstitial water, elutriates, organic extracts), their adequacy for a routine application on organic extracts has not yet been clearly demonstrated. Hence, we have elaborated a protocol for the organic extraction, concentration, and fractionation or sediments, which has been coupled to three genotoxicity assays (SOS ChromotestMC, Mutatox and fluctuation test) in order to propose an effective method for the evaluation of the effects associated with organic contaminants on DNA of exposed organisms. This work has demonstrated that, when applied to sediments taken at various stations along a gradient of organic contamination, the SOS ChromotestMC conducted on the F2 fraction (i.e., containing molecules whose weight varies between 250-800 atomic mass units) was the most sensitive and discriminatory of the three tests examined. The Index was applied to a series of marine samples and to two distinct series of freshwater samples, to examine the following three aspects : Its flexibility: is the Index applicable to diverse types of sediments and to different bioanalytical batteries ? Its discrimination potential: does the Index allow one to distinguish between polluted sites and those that are relatively uncontaminated ? Its predictive potential: how does the Index compare with measures of benthic community perturbations?his work has shown that : a.the Index is applicable to a variety of sediments (i.e., freshwater and marine) and to different test batteries; b.the Index can reveal significative differences between the toxic potential of sediments whose contamination levels vary, that it can be used to derive toxicity levels that will assist in sorting sediment samples according to their hazard potential for aquatic organisms ; the SED-TOX results correlate with indices that are used to gauge the quality of benthos. The identification of significant correlations between the SED-TOX index and indices of benthic quality suggest that the Index can be used for predicting degraded sediment quality in the field. These results also suggest that relatively simple laboratory tests using a variety of effect endpoints can provide information that, when coupled with species and community attributes, has direct relevance to the assessment of ecological hazards by anthropogenic stressor