Les écosystèmes aquatiques contiennent environ 25% de la biodiversité globale et sont parmi les plus affectés par l’activité humaine. Cela est entre autres causé par la position de « receveur » des rivières, lacs et océans dans leur bassin versant. Les espèces aquatiques, en eau douce particulièrement, sont ainsi hautement à risque d’être affectées par l’activité humaine. La protection de ces espèces peut inclure la protection et la restauration de leurs habitats. Les modèles de qualité d’habitats (MQH) peuvent être utilisés afin de déterminer quels habitats protéger et restaurer. Les MQH définissent la relation entre un indice de qualité d’habitats (IQH, e.g. densité) et des conditions environnementales. Toutefois, la performance des MQH dépend de l’IQH sélectionné. Ici, notre objectif est de comparer des MQH basés sur deux IQH estimés pour des poissons en rivière : 1) la densité instantanée, échantillonnée en transect par plongée en apnée et 2) la densité cumulative, échantillonnée en point fixe par caméra-vidéo en stéréo. Au total, douze modèles ont été construits et nos analyses indiquent que les MQH basés sur la densité instantanée ont des capacités explicatives significativement supérieures. Les variables environnementales retenues pour expliquer la distribution de chaque espèce sont toutefois différentes. Cela semble être causé en partie par des différences inhérentes à l’échantillonnage (e.g. échelle spatiale). Ces résultats démontrent que la densité instantanée en tant qu’IQH produit des MQH aux capacités explicatives supérieures et que les deux IQH semblent donner des informations complémentaires sur les caractéristiques des habitats à protéger et à restaurer. / Aquatic ecosystems contain approximately 25% of the global biodiversity and are among the most affected by human activity. This may be caused by the position of “receivers” rivers, lakes and oceans have in their watershed. Aquatic species, specially in freshwater, are thus at high risk of being affected by human activity. Assuring the survival of these species may include protecting and restoring their habitats. Habitat quality models (HQM) can be used to determine which habitats to protect and how to restore damaged habitats. HQM are relationships between habitat quality indices (HQI, e.g., density) and environmental conditions prevailing in those habitats. However, how well an HQM performs depends on the chosen HQI it is computed with. For this research, we compared HQM based on two HQI estimated for fish in a river : 1) instantaneous density, sampled by transect snorkeling survey and 2) cumulative density, sampled by fixed stereo-video recording. Analyses of twelve HQM show that, contrary to our hypothesis, HQM based on instantaneous density had higher explanatory capacities. However, environmental conditions selected by both types of HQM to explain a species’ distribution were different. This may in part be explained by inherent differences of the sampling methods (e.g., spatial scale). We conclude that instantaneous density as HQI produces HQM of higher explanatory capacities, yet both HQI may provide complementary information on the characteristics of habitats to protect and restore.

Les pressions anthropiques peuvent avoir une influence négative sur la qualité de l’eau et sur la capacité d'un lac à fournir des services écosystémiques (SÉ). Cependant, une approche intégrant les connaissances écologiques et sociales nécessaires pour identifier les lacs les plus à risque de perdre leurs SÉ fait actuellement défaut. Nous fournissons ici un cadre qui intègre l'état écologique des lacs, les menaces pour la qualité de l’eau et l’utilisation des SÉ récréatifs à des échelles régionales pour identifier les zones vulnérables. En utilisant les données de plus de 660 lacs échantillonnés à travers le Canada, une classification régionale des lacs basée sur les caractéristiques biophysiques de lacs peu impactés a été déterminée. L'écart des lacs impactés par rapport aux caractéristiques naturelles de leur région a permis d'identifier les concentrations d'azote total et de chlorure comme les indicateurs les plus constants d’une altération de l’état écologique des lacs par l’activité humaine. L'état écologique, le niveau de menace et l’utilisation des SÉ ont été combinés et cartographiés avec un modèle de couleur additif. Les lacs du sud de l'Ontario et du Québec étaient les plus préoccupants, car ils étaient très altérés, menacés et fortement utilisés. Les lacs situés près des centres urbains des deux côtes étaient altérés et utilisés, mais apparemment moins menacés, tandis que ceux des Prairies étaient altérés et menacés, mais moins utilisés. Notre nouveau cadre fournit la première biogéographie socio-écologique des lacs canadiens et constitue un outil de gestion prometteur pour évaluer l'état et la vulnérabilité des lacs. / Anthropogenic pressures can negatively influence water quality and a lake's ability to provide ecosystem services (ES). However, an approach that integrates the ecological and social knowledge needed to identify lakes most at risk of losing their ES is currently lacking. Here, we provide a framework that integrates lake ecological status, water quality threats, and recreational ES use at regional scales to identify vulnerable areas. Using data from over 660 lakes sampled across Canada, a regional classification of lakes based on the biophysical characteristics of low impact lakes was determined. The deviation of impacted lakes from the natural characteristics of their region identified total nitrogen and chloride concentrations as the most consistent indicators of altered ecological state of lakes due to human activity. Ecological status, threat level and ES use were combined and mapped using an additive color model. Lakes in southern Ontario and Quebec were of greatest concern as they were highly altered, threatened and heavily used. Lakes near urban centers on both coasts were altered and used, but apparently less threatened, while those in the Prairies were altered and threatened, but less used. Our new framework provides the first socio-ecological biogeography of Canadian lakes and is a promising management tool for assessing lake state and vulnerability.

La recherche porte sur les patrons de distribution longitudinale (amont-aval) et transversale (rive nord - rive sud) des communautés de crustacés planctoniques qui ont été analysés le long du fleuve Saint-Laurent entre le lac Saint-François et la zone de transition estuarienne, à deux hydropériodes en mai (crue) et en août (étiage). Les données zooplanctoniques et environnementales ont été récoltées à 52 stations réparties sur 16 transects transversaux en 2006. Au chapitre 1, nous présentons les principaux modèles écosystémiques en rivière, une synthèse des facteurs influençant le zooplancton en rivières et les objectifs et hypothèses de recherche. Au chapitre 2, nous décrivons la structure des communautés de zooplancton dans trois zones biogéographiques du fleuve et 6 habitats longitudinaux, ainsi que les relations entre la structure du zooplancton et la distribution spatiale des masses d’eau et les variables environnementales. Au chapitre 3, nous réalisons une partition de la variation des variables spatiales AEM (basées sur la distribution des masses d’eau) et des variables environnementales pour évaluer quelle part de la variation du zooplancton est expliquée par les processus hydrologiques (variables AEM) et les conditions locales (facteurs environnementaux). Le gradient salinité-conductivité relié à la discontinuité fleuve-estuaire a déterminé la distribution à grande échelle du zooplancton. Dans les zones fluviales, la distribution du zooplancton est davantage influencée par la distribution des masses d’eau que par les facteurs environnementaux locaux. La distribution des masses d’eau explique une plus grande partie de la variation dans la distribution du zooplancton en août qu’en mai. / The research aims to determine the distribution patterns of crustacean plankton along the longitudinal (west-east) and transversal (north shore - south shore) axes of the St. Lawrence River between Lake Saint-François and the estuarine transition zone, during two hydroperiods in May (high discharge) and August (low discharge). The zooplankton samples and the environmental data were collected at 52 stations distributed along 16 transversal transects in 2006. In chapter 1, we present the theoretical concepts of river ecosystem models, and a synthesis on the generative processes driving zooplankton spatial patterns in rivers. We also present our research objectives and hypotheses. In chapter 2, we describe spatial patterns of the zooplankton community structure in three biogeographic zones of the St. Lawrence and 6 longitudinal habitats, together with the relationships between zooplankton spatial structure and water masses spatial distribution and environmental characteristics. In chapter 3, we perform a variation partitioning procedure on spatial variables AEM (based on water masses spatial distribution) and environmental variables in order to assess how much of the zooplankton variation is explained by hydrological processes (AEM variables) and local conditions (environmental factors). The salinity-conductivity gradient related to the fluvial-estuary discontinuity determines the large-scale spatial patterns of the crustacean zooplankton. In the fluvial zones, the zooplankton distribution patterns are more influenced by the water masses spatial structure than by local environmental factors. The spatial distribution of the water masses explained more of the spatial structure of zooplankton communities in August than in May.

L'écologie urbaine est un nouveau champ de recherche qui cherche à comprendre les structures et les patrons des communautés et des écosystèmes situés dans des paysages urbains. Les petits plans d’eau sont connus comme des écosystèmes aquatiques qui peuvent contenir une biodiversité considérable pour plusieurs groupes taxonomiques (oiseaux, amphibiens, macroinvertébrés), ce qui en fait des écosystèmes intéressants pour les études de conservation. Cependant, la biodiversité du zooplancton, un élément central des réseaux trophiques aquatiques, n’est pas entièrement connue pour les plans d’eaux urbains et devrait être mieux décrite et comprise. Cette étude a évalué les patrons de biodiversité des communautés zooplanctoniques dans des plans d’eau urbains sur l’Ile de Montréal et leurs sources de variation. Des suggestions pour l’évaluation et la conservation de la biodiversité sont aussi discutées. La biodiversité zooplanctonique des plans d’eaux urbains s’est avérée être assez élevée, avec les cladocères et les rotifères montrant les contributions à la diversité gamma et bêta les plus élevées. Sur l’ensemble des plans d’eau, il y avait une corrélation négative entre les contributions à la bêta diversité des cladocères et des rotifères. Au niveau de chaque plan d'eau, la zone littorale colonisée par des macrophytes s'est avérée être un habitat important pour la biodiversité zooplactonique, contribuant considérablement à la richesse en taxons, souvent avec une différente composition en espèces. Les communautés zooplanctoniques répondaient aux facteurs ascendants et descendants, mais aussi aux pratiques d’entretien, car le fait de vider les plans d’eau en hiver affecte la composition des communautés zooplanctoniques. Les communautés de cladocères dans ces plans d’eau possédaient des quantités variables de diversité phylogénétique, ce qui permet de les classer afin de prioriser les sites à préserver par rapport à la diversité phylogénétique. Le choix des sites à préserver afin de maximiser la diversité phylogénétique devrait être correctement établi, afin d’eviter de faire des choix sous-optimaux. Cependant, pour des taxons tels que les cladocères, pour lesquels les relations phylogénétiques demeurent difficiles à établir, placer une confiance absolue dans un seul arbre est une procédure dangereuse. L’incorporation de l’incertitude phylogénétique a démontré que, lorsqu’elle est prise en compte, plusieurs différences potentielles entre la diversité phylogenétique ne sont plus supportées. Les patrons de composition des communautés différaient entre les plans d’eau, les mois et les zones d’échantillonnage. Etant donné les intéractions sont significatives entres ces facters; ceci indique que tous ces facteurs devraient êtres considérés. L’urbanisation ne semblait pas sélectionner pour un type unique de composition des groupes alimentaires, étant donné que les communautés pouvaient changer entres des assemblages de types alimentaires différents. Les variables environnementales, surtout la couverture du plan d’eau en macrophytes, étaient des facteurs importants pour la biodiversité zooplanctonique, affectant la richesse spécifique de divers groupes taxonomiques et alimentaires. Ces variables affectaient aussi la composition des communautés, mais dans une moindre mesure, étant des variables explicatives modestes, ce qui indiquerait le besoin de considérer d’autres processus. / Urban ecology is an emerging research field that seeks to understand the structures and patterns of communities and ecosystems located in urban landscapes. Small waterbodies are known as aquatic ecosystems that can harbour notable biodiversity for various taxonomic groups (birds, amphibians, macroinvertebrates), making them interesting ecosystems for conservation studies. However, the biodiversity of zooplankton, a central element of aquatic trophic networks, is still not entirely known for urban waterbodies and should be better described and understood. This study examined the biodiversity patterns of zooplanktonic communities in urban waterbodies on the Island of Montreal and their sources of variation. Suggestions for biodiversity assessment and for biodiversity preservation are also discussed. Zooplankton biodiversity urban waterbodies proved to be quite high, with cladoceran and rotifer taxa showing the highest contributions to gamma and beta diversity. Across waterbodies, there was a negative correlation between the contributions to cladoceran and rotifer beta diversity. Within waterbodies, the littoral zone showing macrophytes proved to be an important habitat for zooplankton biodiversity, considerably contributing species richness, often with a different species composition. Zooplankton communities responded to bottom-up and top-down forces, but also management practices, as waterbody emptying in winter affected zooplankton community composition. Cladoceran communities in these waterbodies showed varying amounts of phylogenetic diversity, which allowed them to be ranked in order to prioritize sites to preserve with regards to phylogenetic diversity. Selection of sites to preserve in order to maximize phylogenetic diversity should be properly guided, in order to avoid making suboptimal choices. However, for taxa such as Cladocera, for which phylogenetic relationships remain difficult to establish, placing absolute confidence in a single tree is a dangerous procedure. Incorporation of phylogenetic uncertainty showed that, when it is taken into account, then several potential differences in phylogenetic diversity were not supported anymore. Community composition patterns differed between waterbodies, months and sampling zones. Due to the presence of significant interactions between these factors, this indicates that all these factors should be considered. Urbanization did not seem to select for a single type of feeding group composition, as communities in waterbodies could shift between assemblages with different feeding types. Environmental variables, especially waterbody macrophyte coverage, were important factors for zooplankton biodiversity, positively affected species richness of various taxonomic groups and feeding groups. These variables also affected community composition, but to a lesser extent, being modest predictor variables, indicating the need to consider other processes.

La recherche porte sur les patrons de distribution longitudinale (amont-aval) et transversale (rive nord - rive sud) des communautés de crustacés planctoniques qui ont été analysés le long du fleuve Saint-Laurent entre le lac Saint-François et la zone de transition estuarienne, à deux hydropériodes en mai (crue) et en août (étiage). Les données zooplanctoniques et environnementales ont été récoltées à 52 stations réparties sur 16 transects transversaux en 2006. Au chapitre 1, nous présentons les principaux modèles écosystémiques en rivière, une synthèse des facteurs influençant le zooplancton en rivières et les objectifs et hypothèses de recherche. Au chapitre 2, nous décrivons la structure des communautés de zooplancton dans trois zones biogéographiques du fleuve et 6 habitats longitudinaux, ainsi que les relations entre la structure du zooplancton et la distribution spatiale des masses d’eau et les variables environnementales. Au chapitre 3, nous réalisons une partition de la variation des variables spatiales AEM (basées sur la distribution des masses d’eau) et des variables environnementales pour évaluer quelle part de la variation du zooplancton est expliquée par les processus hydrologiques (variables AEM) et les conditions locales (facteurs environnementaux). Le gradient salinité-conductivité relié à la discontinuité fleuve-estuaire a déterminé la distribution à grande échelle du zooplancton. Dans les zones fluviales, la distribution du zooplancton est davantage influencée par la distribution des masses d’eau que par les facteurs environnementaux locaux. La distribution des masses d’eau explique une plus grande partie de la variation dans la distribution du zooplancton en août qu’en mai. / The research aims to determine the distribution patterns of crustacean plankton along the longitudinal (west-east) and transversal (north shore - south shore) axes of the St. Lawrence River between Lake Saint-François and the estuarine transition zone, during two hydroperiods in May (high discharge) and August (low discharge). The zooplankton samples and the environmental data were collected at 52 stations distributed along 16 transversal transects in 2006. In chapter 1, we present the theoretical concepts of river ecosystem models, and a synthesis on the generative processes driving zooplankton spatial patterns in rivers. We also present our research objectives and hypotheses. In chapter 2, we describe spatial patterns of the zooplankton community structure in three biogeographic zones of the St. Lawrence and 6 longitudinal habitats, together with the relationships between zooplankton spatial structure and water masses spatial distribution and environmental characteristics. In chapter 3, we perform a variation partitioning procedure on spatial variables AEM (based on water masses spatial distribution) and environmental variables in order to assess how much of the zooplankton variation is explained by hydrological processes (AEM variables) and local conditions (environmental factors). The salinity-conductivity gradient related to the fluvial-estuary discontinuity determines the large-scale spatial patterns of the crustacean zooplankton. In the fluvial zones, the zooplankton distribution patterns are more influenced by the water masses spatial structure than by local environmental factors. The spatial distribution of the water masses explained more of the spatial structure of zooplankton communities in August than in May.

Les biofilms périphytiques, ou périphyton, sont des assemblages de microorganismes colonisant les surfaces d’une variété de substrats de la zone photique des habitats aquatiques. Retrouvés à la base des réseaux trophiques, ils présentent une grande importance écologique. Les microorganismes du périphyton sont maintenus les uns aux autres par une matrice extracellulaire composée de substances exopolymériques endogènes. Cette matrice permet la formation de microenvironnements aux propriétés physicochimiques distinctes du milieu extrapériphytique. En raison de la diversité microbienne qui les compose, de leur capacité à moduler l’environnement immédiat et leur propension à séquestrer puis à transformer les métaux, les biofilms périphytiques représentent des modèles de recherche des plus pertinents d’un point de vue biogéochimique. L’objectif général de la présente thèse est d’étudier le rôle des biofilms périphytiques, de leur matrice extracellulaire et de la matière organique qu’elle contient sur le cycle des métaux, plus particulièrement le mercure. Dans un premier temps, nous avons mené une étude sur la composition organique de la matrice extracellulaire du périphyton de lacs d’environnements non contaminés et sur la mobilité des métaux dans les différentes fractions de cette matrice. Nos résultats ont démontré que la matrice extracellulaire du périphyton était riche en matière organique fluorescente et nous y avons identifié deux composantes majeures d’origine périphytique. Nous avons observé une cooccurrence de certains métaux avec ces composantes dans les fractions mobiles et attachées de la matrice extracellulaire du périphyton. Nous avons constaté que l’une des composantes périphytiques entraînait une diminution des concentrations de métaux dans les cellules du périphyton, alors que l’autre était associée à des concentrations plus élevées de métaux essentiels. Notre étude a montré que la matière organique de la matrice extracellulaire joue un double rôle sur la mobilité des métaux et apporte un regard nouveau sur les mécanismes naturels de gestion des métaux du périphyton. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une étude de terrain dans une rivière altérée par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau et par la création de milieux humides artificiels. Cette étude avait pour objectif de déterminer si le périphyton de ces habitats modifiés pouvait produire du méthylmercure. En combinant des mesures des taux de transformation in situ à des approches génomiques ciblant les gènes hgcAB, responsables de la méthylation du mercure, nous avons démontré que le périphyton des milieux artificiels avait la capacité de produire du méthylmercure. Nous avons mesuré des taux de méthylation positifs et nous avons détecté la présence du gène hgcA dans les communautés périphytiques des milieux humides. Nous avons majoritairement associé le gène hgcA aux bactéries réductrices de fer de la famille des Geobacteraceae. Notre travail a apporté de nouvelles informations sur la méthylation du mercure au sein du périphyton colonisant des rivières ayant subi des transformations d’habitats. Nos résultats ont également permis d'associer cette méthylation aux bactéries réductrices de fer, jusqu’alors rarement considérées comme potentielles méthylatrices dans le périphyton. Finalement, nous avons étudié les impacts de la mise en eau d’une rivière par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau sur les dynamiques du mercure en nous attardant au périphyton et aux premiers niveaux des réseaux trophiques. La création de nouveaux habitats aquatiques favorise l’accumulation et la transformation du mercure en plus de fournir des conditions propices à l’établissement et à la croissance du périphyton. Nos résultats ont démontré que le périphyton de ces habitats pouvait accumuler d’importantes concentrations de méthylmercure et qu’il était une voie d’entrée efficace de ce contaminant pour les macroinvertébrés benthiques. Cette étude souligne les rôles clés que joue le périphyton dans le cycle du mercure des écosystèmes aquatiques. Les résultats de la thèse appuient la pertinence de considérer le périphyton comme un compartiment biologique de haute incidence sur les cycles biogéochimiques des métaux lors de l’étude ou de la gestion des écosystèmes aquatiques. / Periphytic biofilms, or periphyton, are collections of microorganisms that colonize the surfaces of a variety of substrates in the photic zone of aquatic habitats. Found at the base of trophic webs, they are of major ecological importance. Periphytic microorganisms are linked to each other by an extracellular matrix composed of endogenous exopolymeric substances. This matrix allows the formation of microenvironments with physicochemical properties distinct from the extraperiphytic environment. Because of their microbial diversity, their ability to modulate the immediate environment and their propensity to sequester and then transform metals, periphytic biofilms represent relevant research models from a biogeochemical perspective. The general objective of this thesis is to study the role of periphytic biofilms, their extracellular matrix and the organic matter they contain on the cycling of metals, more specifically mercury. First, we conducted a study on the organic composition of the periphyton extracellular matrix of lakes from uncontaminated environments and on the mobility of metals in the different fractions of this matrix. Our results showed that extracellular matrix of periphyton was rich in fluorescent dissolved organic matter and we identified two major organic components of periphyton origin. We observed co-occurrence of some metals with these components in the loosely- and tightly-bound fractions of the extracellular matrix. We found that one of the periphytic components resulted in decreased metal concentrations in periphyton cells, whereas the other was associated with higher concentrations of essential metals. Our study showed that the dissolved organic matter of the extracellular matrix plays a dual role on metal mobility and provides new insight into the natural mechanisms of metal management of periphyton in its immediate environment. Second, we conducted a field study in a river impacted by run-of-river hydroelectric power plants and the creation of artificial wetlands. The objective of this study was to determine if the periphyton of these modified habitats could produce methylmercury. By combining measurements of in situ transformation rates with genomic approaches targeting the hgcAB genes, associated with microbial mercury methylation, we demonstrated that the periphyton of the artificial wetlands had the capacity to produce methylmercury. We measured positive vi methylation rates and detected the presence of the hgcA gene in the periphytic communities of the wetland site. We mostly associated the hgcA gene with iron-reducing bacteria of the Geobacteraceae family. Our work provided new information on mercury methylation within periphyton colonizing rivers with altered habitats. Our results also allowed us to associate the methylation of mercury with iron-reducing bacteria, which are rarely considered as potential methylators in periphyton. Finally, we studied the impacts of river impoundment by run-of-river hydroelectric power plants on mercury dynamics by focusing on periphyton and lowertrophic web layers. The creation of new aquatic habitats promotes the accumulation and transformation of mercury and provides conditions for periphyton growth. Our results showed that periphyton in these habitats can accumulate important concentrations of methylmercury and is an efficient gateway to this contaminant for benthic macroinvertebrates. This study highlights the key roles that periphyton plays in the cycling of mercury in aquatic ecosystems. The results of this thesis support the relevance of considering periphyton as a biological compartment of high impact on biogeochemical metal cycles when studying or managing aquatic ecosystems.