Thesis. 1977. M.S.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Meteorology. / Microfiche copy available in Archives and Science. / Bibliography : leaves 120-121. / M.S.

Thesis. 1975. Ph.D.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Earth and Planetary Sciences. / Vita. / Bibliography: leaves 324-329. / Ph.D.

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Les estuaires sont des écosystèmes aquatiques particulièrement soumis au changement global et notamment à la pollution par de nombreux xénobiotiques pouvant présenter un risque écotoxicologique et sanitaire. En toxicologie environnementale et en évaluation des risques la bioaccumulation est un processus fondamental car elle contrôle les doses internes de toxiques potentiels. Or les flux de contamination et de décontamination des organismes dépendent de processus internes (e.g. nutrition, croissance) eux-mêmes dépendant des conditions environnementales (e.g. température, nourriture) qui peuvent être affectées par le changement global.Dans ce contexte, cette thèse se propose de décrire, dans un cadre de modélisation mécaniste, les processus de bioaccumulation de deux familles de polluants organiques persistants (POP) halogénés potentiellement toxiques et bioaccumulables, aux propriétés physico-chimiques contrastées : les polychlorobiphényles (PCB, composés historiques fortement lipophiles) et les substances perfluorées (PFAS, composés émergents amphiphiles). Ce travail se focalise sur l’estuaire de la Gironde dont la fonction de nourricerie est fondamentale pour de nombreuses espèces de poissons marins dont la sole commune (Solea solea), souvent utilisée comme indicatrice de la qualité des nourriceries côtières et estuariennes.Pour permettre de tenir compte des fluctuations des conditions environnementales sur la bioaccumulation, dans la première partie de ce travail, j’ai développé un modèle de toxicocinétique(TK) couplé avec un modèle mécaniste bioénergétique basé sur la théorie DEB (Dynamic Energy Budget). Ce modèle DEB a été paramétré pour la sole commune et calibré pour chaque sexe (package DEB tool). Il permet de prédire les principales évolutions des fonctions physiologiques d’intérêt en bioaccumulation (ingestion, croissance, reproduction...), tout au long du cycle de vie d’un individu, en fonction de conditions environnementales dynamiques. Le modèle TK développé a été complexifié par l’ajout d’un flux d’élimination de contaminants, non considéré dans les précédents modèles DEB-TK.La calibration des paramètres toxicocinétiques (TK) du modèle, pour 4 congénères de PCB, est basée sur une méthode innovante de prise en compte de la variabilité individuelle d’ingestion, appliquée à une expérimentation de contamination de juvéniles de sole via leur nourriture. Ce travail a montré que même en tenant compte de l’ingestion de chaque poisson, l’assimilation efficace de contaminant était très variable et corrélée aux taux de lipides des individus. Dans une seconde partie, ce modèle a été appliqué aux conditions in situ de l’estuaire de la Gironde. Il a permis de mettre en évidence la forte influence de la composition du régime alimentaire sur la variabilité de l’âge à la maturité sexuelle et de la contamination des soles pour les deux familles de contaminant étudiées. La confrontation des prédictions du modèle aux mesures de contaminants dans les juvéniles de sole de l’estuaire a permis de calibrer les paramètres TK du composé majeur de chaque famille dans l’environnement (CB153 et PFOS). Cette calibration a conduit à deux constats dans le cadre de l’évaluation du risque : (1) un manque de connaissances pour extrapoler les calibrations de paramètres TK en conditions contrôlées vers les conditions naturelles ; (2) la différence d’erreur d’évaluation du risque liée à l’utilisation des mêmes paramètres TK «les plus pessimistes » quels que soient les composés. Enfin, des scenarios prospectifs simples ont été développés pour illustrer ces résultats et les possibles applications du modèle développé.In fine, ces prédictions de la contamination, de la croissance et du développement des soles pourront être reliées, lors de travaux ultérieurs, à des effets potentiels sur les fonctions physiologiques de la sole (modèles DEBtox), et aux conséquences sur la dynamique des populations de soles (e.g.modèles matriciels de population). / Estuarine ecosystems are particularly impacted by global change and, specifically, bychemical pollution from numerous xenobiotics that may be associated to ecotoxicological and health risks. In environmental toxicology and risk assessment, bioaccumulation is a fundamental process as it controls the internal doses of potential toxicants in organisms. However, the contamination and decontamination flows depend on internal processes thatare themselves dependent on environmental conditions (e.g. temperature, food) and thus on the other variables of global change.In this context, this manuscript aims at describing, within a mechanistic modelling framework, the bioaccumulation processes of two families of potentially toxic and bioaccumulable halogenated persistent organic pollutants (POPs) with contrasting physicochemical properties: the polychlorinated biphenyls (PCBs, highly lipophilic historical compounds) and the perfluorinated substances (PFAS, amphiphilic emerging compounds).This work focuses on the Gironde estuary whose nursery function is fundamental for many species of marine fish including the common sole (Solea solea), often used as an indicator of the quality of coastal and estuarine bursary grounds. In order to account for the influence of environmental conditions on bioaccumulation, the first part of this work consisted in developing a toxicokinetic model (TK) coupled with a mechanistic bioenergetic model based on the theory DEB (Dynamic Energy Budget). This DEBmodel has been parameterized for common sole and calibrated for each sex (packageDEBtool). It allows predicting the main evolution of the physiological functions of interest forbioaccumulation (ingestion, growth, reproduction...) throughout the life cycle of an individualaccounting for dynamic environmental conditions. The developed TK model was first calibrated for some PCBs, under controlled conditions, using an innovative method to take into account individual ingestion variability. This work showed that even if the individual ingestion of each fish is accounted for, the effective assimilation of contaminant is very variable and correlated with the lipid levels of the individuals. The application of the model tothe in situ conditions of the Gironde estuary led to identify that, whatever the contaminant family, the composition of the soles diet had a strong influence on the variability of soles contamination and age at sexual maturity. The comparison of model predictions with measurements made in juveniles of the estuary allowed calibrating the TK parameters values for the major compound of each family in the environment (CB153 and PFOS). This calibration led to two observations in the context of a risk assessment: (1) a lack of knowledge to extrapolate calibrations of TK parameters under controlled conditions to natural conditions;(2) the difference in risk assessment error related to the use of the same "worst case" TK parameters regardless of the compounds. Lastly, simple prospective scenarios have beendeveloped to illustrate these results and the possible applications of the model developed.Ultimately, these predictions of soles contamination, growth and development may be related in future work to potential effects on the physiological functions of sole (DEBtox models), and to consequences on soles population dynamics (e.g. matrix population models).

Winter conditions are believed to play an important role in the population dynamics of northern temperate stream fish, challenging the ability of fish to physiologically and behaviourally adapt. Climate change is predicted to increase both mean temperature and temperature fluctuations, especially during winter, leading to dynamic environmental conditions in terms of river ice production and flow. Therefore, knowledge about the winter ecology of stream fish is important for predicting and mitigating anthropogenic impacts on fish production in boreal streams. Stream salmonids are relatively active throughout winter, and behavioural responses to different winter conditions may be critical for survival. Yet, relatively little is known about overwintering behaviour of salmonids, particularly in streams with ice. In this doctoral thesis, I report the results from experimental field and laboratory studies on the behavioural ecology of juvenile salmonids under winter conditions. My results from the field show that salmonids grow more and use a broader range of habitats in the presence of surface ice than in its absence. Results from the laboratory experiments show that the presence of surface ice increases food intake rates, reduces stress and affects social interactions. These laboratory results may explain the positive effects of ice cover on growth that was found in the field experiment. Moreover, I show that drift-feeding ability is reduced at low temperatures, and that nocturnal drift foraging under winter conditions has a low efficiency. / Vinterförhållanden kan spela en avgörande roll för förekomsten av fisk i våra vattendrag. Laxfiskar, som till exempel lax, öring och harr, är vinteraktiva och måste därför anpassa sin fysiologi och sitt beteende till en miljö som karakteriseras av låga och föränderliga vattenflöden, liten tillgång på föda, kallt vatten, is och mörker. Trots att dessa anpassningar är avgörande för chansen att överleva vintern, vet man relativt lite om laxfiskars vinterbeteende, speciellt i vattendrag som täcks av is. I denna avhandling presenterar jag resultat från fält- och laboratoriestudier av laxfiskars beteende under vinterförhållanden och resultaten visar att närvaron av yttäckande is ökar tillväxt och födointag, minskar stress samt påverkar var fiskar uppehåller sig och hur fiskarna interagerar med varandra. Jag har också undersökt hur laxfiskars beteende i rinnande vatten påverkas av ljusintensitet och vattentemperatur i samband med födointag. Resultaten visar att den minskade dagaktiviteten som laxfiskar uppvisar på vintern medför en kostnad i form av försämrad förmåga att fånga byten. / Winter conditions are believed to play an important role in the population dynamics of northern temperate stream fish, challenging the ability of fish to physiologically and behaviourally adapt. Climate change is predicted to increase both mean temperature and temperature fluctuations, especially during winter, leading to dynamic environmental conditions in terms of river ice production and flow. Therefore, knowledge about the winter ecology of stream fish is important for predicting and mitigating anthropogenic impacts on fish production in boreal streams. Stream salmonids are active throughout winter, and behavioural responses to different winter conditions may be critical for survival. Yet, relatively little is known about overwintering behaviour of salmonids, particularly in streams with ice. This doctoral thesis focuses on the behavioural ecology of salmonids under winter conditions, and results from field and laboratory experiments show that the presence of surface ice increases food intake rates, reduces stress and affects social interactions, with effects on growth and habitat use. Moreover, drift-feeding ability is reduced at low temperatures, and nocturnal drift foraging under winter conditions has a low efficiency. / <p>Artikel 1 i avhandlingen som manuskript. Nu publicerad.</p>

La modélisation en écologie est aujourd'hui une pratique scientifique de premier plan. Portée par l'avancement technologique, les modèles utilisés en sciences de l'environnement présentent une complexité grandissante. La complexification des modèles est une nécessité pour une variété d'études, mais elle peut être une source d'incompréhension, voire d'erreurs. Savoir gérer son implémentation apparaît donc nécessaire. Fort de ce constat, deux approches complémentaires se sont distinguées et furent étudiées dans ce travail de thèse. D'une part, il est possible de gérer la complexité a priori, en contraignant directement les hypothèses de construction et le formalisme du modèle par l'utilisation d'un cadre théorique. Une illustration de l'utilisation d'un schéma théorique, la théorie des Budgets Dynamiques d'Énergie, présente comment une description précise de l'effet des ultraviolets fut adjointe à un modèle de l'endosymbiose corallienne. Cette étude met en lumière leur possible rôle dans le blanchiment des coraux scléractiniaires. La gestion de la complexité pouvant aussi s'opérer a posteriori, c'est à dire une fois l'étape de construction passée. Ainsi, une méthodologie d'analyse statistique des sorties de modèles ayant pour but de permettre leur simplification fut établie. À titre d'exemple, cette méthode a été appliquée sur un modèle à micro-échelle de l'écosystème mésopélagique. Ne plus avoir la possibilité d'entreprendre une approche analytique de son modèle n'est donc pas une fatalité pour qui veut maitriser son outil, car une multitude d'approches permettent d'obtenir des informations toutes aussi intéressantes. / Ecological modelling is nowadays a leading topic. the models used in environmental science turn to be more and more complex. Driven by technological advancement, the models used in environmental sciences are increasingly complex. The complexity of models is a need for a variety of studies, but it can also be a source of misunderstanding, or even errors. How to manage its implementation is therefore necessary. With this in mind, two complementary approaches have been studied in this thesis. On the one hand, it is possible to manage the complexity textit a priori, by directly constraining the construction assumptions and formalism of the model using a theo- retical framework. An illustration of the use of a theoretical framework, the theory of Dynamic Energy Budgets, shows how an accurate description of the effect of ultraviolet was added to a model of scleractinian corals. This study enlightened their possible role in coral bleaching events. Managing complexity can also be carried out textit a posteriori, ie once the construc- tion phase is done. Thus, a simplification methodology using a statistical analysis of the model outputs was established . As an example, this method was applied on a micro- scale model of the mesopelagic ecosystem. Eventually, not being able of pursuing an analytical approach of the model is not inevitable for those who want to still mastering their model, it exists a multitude of tool who brings equally interesting informations.

L'évaluation des effets toxiques à des échelles pertinentes est un challenge important pour la protection des écosystèmes. En effet, les polluants peuvent impacter les populations sur le long terme et représenter une nouvelle force évolutive qui peut s'ajouter aux autres forces de sélection. Il est par conséquent nécessaire d'acquérir des connaissances sur les changements phénotypiques et génétiques apparaissant dans une population exposée à un stress durant plusieurs générations. En général les études multi-générations sont analysées à partir d'approches purement statistiques. La modélisation mécanistique a le potentiel de comprendre pleinement les effets des polluants sur la dynamique des populations. Ce type de modèle permet d'intégrer des processus biologiques et toxiques à l'analyse de données d'écotoxicologie et d'étudier les interactions entre ces processus. L'objectif de ce doctorat était d'étudier les apports de la modélisation mécanistique, par rapport à une analyse statistique classique, dans l'analyse de données d'évolution expérimentale suite à l'exposition sur le long terme à un contaminant. Pour ce faire, une stratégie en trois temps a été menée. Tout d'abord, une expérience multigénérationnelle a été réalisée sur deux populations de C. elegans (contrôle et exposée à 1,1 mM U) dérivées d'une population ancestrale présentant une forte diversité génétique. Toutes les trois générations, des individus ont été extraits des populations et soumis à une gamme de concentrations en uranium (de 0 à 1,2 mM U). Une première analyse statistique classique a alors été menée. Dans un second temps, un modèle bioénergétique adapté à l'analyse de données d'écotoxicologie (DEBtox) a été mis au point pour C. elegans et son comportement numérique a été analysé. Enfin, ce modèle a été appliqué à l'ensemble des générations étudiées afin d'inférer les valeurs des paramètres pour les deux populations et d'étudier leur évolution. Les résultats obtenus ont mis en évidence un impact de l'uranium à la fois sur la croissance et la reproduction de C. elegans à partir de 0,4 mM U. Les résultats de l'analyse mécanistique indiquent que cet effet est la résultante d'un impact sur l'assimilation d'énergie depuis la nourriture. Les deux approches, tant mécanistique que classique, ont mis en évidence une adaptation des individus des deux populations aux conditions expérimentales. Malgré cela, les analyses ont également mis en évidence une évolution différentielle des individus de la population soumise à l'uranium par rapport à ceux de la population témoin. Ces résultats ont été plus finement décrits par l'analyse mécanistique. Globalement, ce travail contribue à accroître nos connaissances sur les effets des polluants sur la dynamique des populations, et démontre les apports de la modélisation mécanistisque qui pourra être appliquée dans d'autres contextes afin de réaliser in fine une meilleure évaluation des risques écologiques des polluants. / The evolution of toxic effects at a relevant scale is an important challenge for the ecosystem protection. Indeed, pollutants may impact populations over long-term and represent a new evolutionary force which can be adding itself to the natural selection forces. Thereby, it is necessary to acquire knowledge on the phenotypics and genetics changes that may appear in populations submitted to stress over several generations. Usually statistical analyses are performed to analyse such multigenerational studies. The use of a mechanistic mathematical model may provide a way to fully understand the impact of pollutants on the populations' dynamics. Such kind of model allows the integration of biological and toxic processes into the analysis of ecotoxicological data and the assessment of interactions between these processes. The aim of this Ph.D. project was to assess the contributions of the mechanistical modelling to the analysis of evolutionary experiment assessing long-term exposure. To do so, a three step strategy has been developed. Foremost, a multi-generational study was performed to assess the evolution of two populations of the ubiquitous nematode Caenorhabditis elegans in control conditions or exposed to 1.1 mM of uranium. Several generations were selected to assess growth, reproduction, and dose-responses relationships, through exposure to a range of concentrations (from 0 to 1.2 mM U) with all endpoints measured daily. A first statistical analysis was then performed. In a second step, a bioenergetic model adapted to the assessment of ecotoxicological data (DEBtox) was developed on C. elegans. Its numerical behaviour was analysed. Finally, this model was applied to all the selected generations in order to infer parameters values for the two populations and to assess their evolutions. Results highlighted an impact of the uranium starting from 0.4 mM U on both C. elegans' growth and reproduction. Results from the mechanistical analysis indicate this effect is due to an impact on the assimilation of energy from food. Both the mechanistic and the classic approaches highlighted individuals' adaptation to environmental conditions. Despite this, differential evolutions of the individuals from the uranium-selected population were also highlighted. All these results were more in-depth described by the mechanistical analysis. Overall, this work contributes to our knowledge on the effects of pollutants on population dynamics, and demonstrates the contributions of mechanistical modelling which can be applied in other contexts to achieve in fine a better assessment of environmental risks of pollutants.