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The wood mouse (Apodemus sylvaticus) is a common and widespread species in Europe and therefore often used as a focal species in the risk assessments of pesticides. Recent years have seen a growing interest in the use of ecological models in ecological risk assessments. The purpose of this PhD project was to construct and apply population models of the wood mouse to support risk assessment of pesticides. In the thesis I first reviewed the current practice of risk assessment and the weaknesses and the advantages of ecological models, in particular individual-based models. Following a modelling cycle, the PhD project started with a literature review of the basic ecology of the wood mouse and relevant information for modelling purposes. A conceptual model was then constructed, based on which an individual-based model was developed. The model was fully described and its ecological credibility was evaluated by the "pattern-oriented" validation method. The model was then used to link the spatial choice of wood mice and their potential exposure to pesticide application in the field. Analyses of the model showed that when the population density reached a high level in the off-crop hedgerows, which act as the source habitat for wood mice, the surplus were driven to the crop fields and thus have a high risk of exposure if pesticides are applied. The model was further developed by incorporating a sub module of toxicokinetic processes which represented exposure as internal concentration instead of ingested dose. The interactions between the spatial patterns of foraging provided by the individual-based model and the temporal patterns of absorption and elimination provided by the toxicokinetic model were explored. The combined model showed little further reduction of risk than either of the two models respectively alone. It suggested that such a combined approach is most likely to bring added value when the spatio-temporal patterns of feeding are at the intermediate level, i.e. when mice divide their foraging between exposed crop and unexposed areas. I then used the model to explore the population-level sensitivity in terms of both population size and population growth rate, to detrimental effects on individual-level life-history traits. The results showed the two indices had different sensitivities to changes in life-history traits. Thus, endpoint from the models used in risk assessments should take into account whether the protection goal is to ensure that the population remains stable or that it grows. The overall high level of sensitivity to survival also indicated that protection should be more focused on acute effects than chronic effects. Finally I summarised the major findings in the thesis and discussed the need for future research, as well as the lessons learnt about conventional risk assessment approach and the opportunities ecological modelling brings for a more realistic and ecologically relevant risk assessment for pesticides.

1 Pesticides are widely used in agriculture and recognised as a threat to pollinators which provide a valuable ecosystem service through pollination. The majority of knowledge on how pesticides affect pollinators comes from laboratory tests. More information is needed on how the effects of pesticides on pollinators and pollination are realised in the field. The impact of pesticides on insect pollinators and pollination was investigated in and around Italian vine fields, at several spatial scales: field (10's-100's metres), landscape (several km's) including a comparison between organic and conventional sites, regional (10's km's). In Britain a national scale analysis explored the link between pesticide pressure and pollinator diversity through time and space. The clearest impact of pesticides in the field was on solitary bees at the landscape scale. Species richness declined in vine fields that had been sprayed with insecticide. At the field scale, after insecticide had been applied to vine fields, butterfly abundance increased furthest from the point of application. No effects were found on pollination services.

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La CLD est un composé toxique qui (i) pollue plus de 15% des surfaces agricoles de la Guadeloupe et de la Martinique, (ii) résiste à la dégradation biotique et abiotique, (iii) s’accumule le long de la chaine alimentaire et dont la disparition des sols par lessivage est estimée à plusieurs centaines d’années. Les animaux de rente originaires de ces zones polluées sont contaminés et l’état de l’art a révélé un manque d’information évident sur le comportement de la CLD dans l’organisme de ces animaux et moins de dix publications sur leur décontamination. Deux protocoles expérimentaux ont été conduits sur des caprins mâles en croissance afin de caractériser le comportement de la CLD dans l’organisme des ruminants non lactants et de développer des méthodes optimisant leurs processus de décontamination. Les résultats ont montré que (i) les chevreaux éliminaient plus de 70% de leur CLD tissulaire après 3 à 4 semaines de décontamination et (ii) ni leur état d’engraissement initial ni l’ajout de charbon actif ou d’huile de paraffine dans leur alimentation ne modifiaient ces taux d’excrétion. Ces études ont également montré que la CLD se comportait différemment des autres polluants lipophiles car sa concentration tissulaire (exprimée sur la base de la matière grasse) était plus importante dans le foie et les muscles des animaux contaminés que dans leurs tissus gras. Ces résultats soulèvent des questions sur les mécanismes à l'origine de la distribution tissulaire de la CLD, son métabolisme et sur l’interaction de ce dernier avec le cycle entéro-hépatique. La compréhension de ces processus permettra de mieux ajuster les stratégies de décontamination pour les rendre plus efficaces / Chlordecone (CLD) is a toxic molecule which (i) contaminates more than 15% of agricultural land in Guadeloupe and Martinique islands, (ii) resists to biotic and abiotic degradation, (iii) accumulates along the food chain and whose the disappearance by soil leaching is estimated at several hundred years. The contamination of livestock in polluted areas is a health, social and economic issue. A literature review on CLD revealed a crying lack of information on its behavior in livestock’s organism and currently, there are less than ten studies which deal with livestock’s decontamination. Two experimental protocols were developed to characterize the behavior of CLD in ruminants’ organism and to evaluate methods that can optimize the decontamination processes of these animals. Results showed that all animals have eliminated more than 70% of Chlordecone in 3 to 4 weeks and neither the initial kids’ body fatness nor the addition of activated carbon or the addition of paraffin oil in the diet during the decontamination period altered these rates of excretion. Following these studies, the lipophilic behavior of CLD in animals is, also, questioned because the results showed that the concentrations of this pollutant, expressed on the fat matter basis, were higher in the liver and the muscles than in the peri-renal fat. These results raised new questions: firstly, on the mechanisms which control the CLD tissue distribution and secondly, on the role of the CLD metabolism and its interaction with the entero-hepatic cycle. The understanding of these processes should help to better adjust the decontamination strategies in order to make them more efficient

L’activité agricole présente la principale source de contamination de l’atmosphère par les pesticides. Les niveaux de concentration des pesticides dans l’atmosphère méritent une attention particulière de la part de la recherche compte tenu de leurs impacts potentiels sur la population et les écosystèmes. Bien que la volatilisation depuis la plante soit reconnue plus intense et plus rapide que la volatilisation depuis le sol, cette voie de transfert est à ce jour la moins bien renseignée avec peu de modèles disponibles pour sa description. Le manque de connaissances est lié essentiellement à la complexité des interactions entre les processus ayant lieu à la surface de la feuille et qui sont en compétition avec la volatilisation, notamment la pénétration foliaire et la photodégradation. Un système de chambre de volatilisation a été développé afin d’étudier d’une manière simultanée les processus de volatilisation et de pénétration foliaire. Les expérimentations réalisées avec 3 fongicides (époxyconazole, chlorothalonil et fenpropidine) appliqués sur feuilles de blé ont permis une description affinée du processus de pénétration foliaire grâce au protocole d’extraction des feuilles mis en place. Des coefficients de pénétration indispensables à la modélisation du devenir des pesticides à la surface des feuilles ont été calculés ainsi que des relations entre les propriétés physico-chimiques des pesticides et les processus qui contrôlent leur distribution sur et dans la feuille. L’étude expérimentale portant sur le processus de photodégradation a consisté en une irradiation de films de cire simulant les feuilles de blé traités avec des pesticides dans un simulateur solaire Suntest. Les résultats ont démontré que les pertes par photodégradation sont négligeables dans les conditions expérimentales et les pesticides choisis. Le modèle d’échange Sol-Végétation-Atmosphère SURFATM a été adapté aux pesticides selon une approche inspirée du modèle PEARL avec dans un premier temps des coefficients empiriques des processus de pénétration et de photodégradation. L’originalité de ce modèle réside dans sa description mécaniste des conditions micro-météorologiques à l’intérieur du couvert végétal. Ensuite, une approche de distribution des résidus de pesticides dans différents compartiments de la surface foliaire a été définie en se basant sur les résultats expérimentaux, permettant ainsi de prédire la fraction disponible à la volatilisation. La combinaison de cette approche avec les relations déduites entre les propriétés physico-chimiques des pesticides et le processus de pénétration foliaire améliore la généricité du modèle. Par ailleurs, l’effet de la formulation observé expérimentalement a été intégré via des coefficients empiriques permettant ainsi de mieux simuler les flux de volatilisation des produits systémiques. La comparaison entreles sorties du modèles et les résultats expérimentaux recueillis à partir de deux jeux de données acquis sur deux sites différents donne des résultats satisfaisants. Une fois activée la volatilisation depuis le sol, le modèle SURFATM-Pesticides permettra de prédire les émissions vers l’atmosphère de pesticides par volatilisation depuis les parcelles traitées. / The agricultural activity presents the main source of the atmospheric contamination by pesticides. The occurrence of pesticides in the atmosphere concerns the research community due to their potential impacts on population and ecosystems. The volatilization from plants is higher and faster than the volatilization from soil. However, this transfer pathway is difficult to assess with few available models. The lack of knowledge on pesticide volatilization from plants is essentially linked to the complex interactions between processes occurring at the leaf surface and competing with volatilization, such as leaf penetration and photodegradation. A laboratory volatilization chamber was developed in order to study simultaneously the processes of volatilization and leaf penetration of 3 fungicides (epoxyconazole, chlorothalonil and fenpropidine) applied on wheat leaves. These experimentations allowed a refined description of leaf penetration process using a well-defined sequential extraction procedure of leaves. Leaf penetration coefficients, which are necessary to modelling the pesticide fate in plants, were calculated. Moreover relationships between physicochemical properties of pesticides and processes regulating their distribution on and in plant leaves were identified. The experimental study on the photodegradation process consisted in irradiating wax films using simulated solarlight. The results showed that for experimental conditions and pesticides chosen in our study, photodegradation seems to have played a minor role as dissipation process.The soil-vegetation-atmosphere exchange model SURFATM was adapted for pesticides using an approach inspired from the parameterization developed in the PEARL model. The originality of this model resides in its mechanistic description of the micro-meteorological conditions inside the canopy. As a first step the SURFATM-Pesticides model describes leaf penetration and photodegradation processes using empirical coefficients. Then a distribution of pesticide residues in the different compartments of the leaf surface was identified based on the experimental results. This approach allowed the quantification of pesticide fraction on the leaf surface available for volatilization. The combination of this compartmental approach and the identified relationships between physicochemical properties of pesticides and the leaf penetration process improves the genericity of the model. Moreover, the effect of the pesticide formulation in the commercial preparations was integrated in the model via empirical coefficients allowing a better simulation of the volatilization fluxes in the case of systemic pesticides. Comparison of model results and experimental measurements collected from two datasets showed satisfactory results. Once the contribution of soil volatilization has been activated, the SURFATM-Pesticides model will allow us to predict the overall pesticide volatilization at the field scale.

L’évaluation du risque liée à l’utilisation des pesticides pour les invertébrés du sol est aujourd’hui réalisée à l’aide de l’espèce modèle E. fetida via l’utilisation de tests ecotoxicologiques standardisés (ISO et OCDE) sur la mortalité ou la reproduction. Ces deux points mériteraient d’être révisés puisque (i) l’espèce modèle est rarement présente dans les agroécosystèmes où les pesticides sont majoritairement utilisés, (ii) les tests réalisés sont peu réalistes et leur analyse statistique de type ad hoc ne permet aucune extrapolation dans le temps ou à des niveaux d’organisation supérieurs. Ainsi, une nouvelle espèce modèle a été proposée: Aporrectodea caliginosa. De plus, dans l’objectif d’analyser les effets ecotoxicologiques des pesticides sur cette espèce, un modèle bioénergétique a été proposé et calibré. Ensuite, les effets écotoxicologiques de deux formulations commerciales de pesticide, couramment utilisées en Europe, ont été évalués sur l’ensemble du cycle de vie (mortalité, comportement, reproduction, croissance). Les données de croissance ont été analysées à l’aide du modèle bioénergétique couplé à un modèle toxicocinétique. Ces analyses ont apporté une compréhension mécanistique des effets et ont permis l’estimation de valeurs seuils (les concentrations sans effet, CSE), indépendantes du temps d’exposition. Enfin, dans un objectif d’évaluation intégrée de l’usage des pesticides, il a été mis en évidence que la présence des vers de terre atténuait les effets des pesticides sur les communautés microbiennes des sols, responsables de la dégradation de la matière organique. L’ensemble des résultats pourra être utilisé, au-delà de la thèse, pour calibrer un modèle de dynamique des populations spatialisé de type individu centré (IBM). Ce type de modèle pourra être utilisé en évaluation du risque, pratiquée par les industriels et les agences d’évaluation. / Pesticide risk assessment for soil invertebrates is currently performed using the earthworm model species Eisenia fetida through the use of standardized ecotoxicological tests (ISO and OECD) on mortality or reproduction. These two points should be revised since (i) the model species is rarely found in agroecosystems where pesticides are used, (ii) the tests performed are unrealistic and their statistical analysis does not allow any extrapolation in time or at higher organizational levels (population). Thus, after a thorough reading of the literature, a new model species has been proposed: Aporrectodea caliginosa. In addition, in order to analyze the ecotoxicological effects of pesticides on this species, an energy-based model has been calibrated. Then, the ecotoxicological impacts of two commercial pesticide formulations, commonly used in Europe, were assessed on the entire life cycle (mortality, behavior, reproduction, growth). The growth data were analyzed with the energy-based model coupled with a toxicokinetic model. These analyzes provided a mechanistic understanding of the effects and the estimation of non-time-dependent threshold values (The no effect concentrations, NEC). Finally, for the purpose of an integrated pesticide risk assessment, it has been demonstrated that earthworms mitigate pesticide effects on soil microbial activity, involved in the soil organic matter degradation. All of the results are intended to be used, beyond the thesis, for the calibration of a spatialized population dynamics model with an Individual-based model approach (IBM). This model could be use in risk assessment, as performed by industrials and risk-assessment agencies.