Les régions côtières des estuaires sont le siège de nombreuses activités anthropiques terrestres ou aquatiques comme l'agriculture, le transport maritime ou l'aquaculture. Ces différentes activités engendrent des facteurs de stress, communément appelés stresseurs, qui affectent la structure et le fonctionnement des communautés benthiques. Avec l'augmentation des activités humaines, deux scénarios principaux ont été notés : i) le chevauchement spatio-temporelle de plusieurs facteurs de stress, et ii) l'intensification de stresseurs uniques. Dans un premier temps, la superposition spatiotemporelle de plusieurs stresseurs peut mener à l'interaction entre ceux-ci, où la présence d'un stresseur accentue (synergie) ou, au contraire, atténue l'effet d'un autre (interaction antagoniste). Dans un deuxième temps, l'intensification de stresseurs uniques peut mener à l'apparition de points de bascule, correspondant à des réorganisations substantielles dans la structure et le fonctionnement d'un écosystème. L'interaction de stresseurs et les points de bascule ont de profondes implications sur les écosystèmes; ils sont souvent très difficiles à prévoir, et peuvent occasionner des changements importants au sein de communautés naturelles, à un point tel que le retour à l'état initial est parfois impossible. Ces deux concepts ont largement été étudiés de façon exclusive. Toutefois, très peu d'études ont cherché à combiner ces deux concepts. C'est à la lumière des activités humaines et de leurs impacts sur les écosystèmes aquatiques, notamment ceux de l'estuaire du Saint-Laurent, que se justifie mon projet doctoral. Plus précisément, l'objectif général de cette thèse est de comprendre l'effet de multiples stresseurs d'origine anthropique sur les écosystèmes aquatiques en intégrant différents compartiments biologiques (c.-àd. individus, populations, communautés, écosystèmes). Cette thèse s'articule autour de deux objectifs principaux, divisés en cinq chapitres. Le premier objectif est de déterminer les scénarios d'interaction entre plusieurs stresseurs et leurs effets sur les communautés benthiques à l'aide d'approches expérimentales en laboratoire et in-situ (Chapitres 1 et 2). Le deuxième objectif est d'identifier des points de bascule lorsque les communautés sont exposées à différentes intensités et combinaisons de stresseurs à l'aide d'une revue de littérature et d'une expérience en laboratoire (Chapitres 3, 4 et 5). Mon premier chapitre s'est concentré sur l'effet individuel et combiné d'un enrichissement en nutriments, d'une variation de salinité et une augmentation de la température de l'eau sur la moule bleue, Mytilus spp., la telline de la Balthique, Limecola balthica, et sur le microphytobenthos. Pour répondre à ces objectifs, nous avons effectué une expérience de manipulation en laboratoire de trois mois où la mortalité, le contenu énergétique des tissus et la minéralisation des coquilles ont été évalués chez Mytilus spp. et chez L. balthica, ainsi que les pigments microphytobenthiques. La variation de salinité et l'enrichissement en nutriments, séparément, ont eu d'importants effets sur la mortalité, le niveau de minéralisation des coquilles, le contenu énergétique des tissus, et la biomasse microphytobenthique et leur effet variait dans le temps. Au contraire, l'augmentation de la température de l'eau n'a eu aucun effet. Ces résultats démontrent une prévalence d'interactions antagonistes pour les réponses évaluées et l'importance de considérer l'effet de stresseurs uniques et combinés dans le temps. Sur la même thématique, mon deuxième chapitre a cherché à caractériser in situ l'effet de vagues de chaleur et d'un enrichissement en nutriments sur les bancs de moules et l'écosystème qu'elles créent. Nous avons mené une expérience où la mortalité et le contenu énergétique chez Mytilus spp., l'activité microbienne, et la concentration sédimentaire en chlorophylle a et en phaeopigments ont été évalués au cours du temps. L'enrichissement en nutriments et les vagues de chaleur, de manière individuelle et combinée, ont eu des effets positifs et négatifs sur le contenu énergétique des tissus chez Mytilus spp., sur les phaeopigments ainsi que sur le ratio chlorophylle a/phaeopigments. En ce qui concerne les autres réponses d'intérêt, aucun effet n'a été observé, suggérant que les stresseurs influencent de manière différente les différents compartiments biologiques et écosystémiques étudiés. Ce chapitre démontre que l'effet individuel et combiné des stresseurs environnementaux diffère à travers le temps et illustre l'importance de combiner plusieurs approches expérimentales pour cerner la complexité derrière l'interaction entre stresseurs multiples. Pour mon troisième chapitre, à l'aide d'une revue de la documentation scientifique, nous avons (1) développé une perspective actuelle et historique sur les points de bascule dans les écosystèmes terrestres et aquatiques; (2) décrit l'effort de recherche dans différents habitats aquatiques; (3) exploré les résultats d'études expérimentales axés sur les points de bascule mesurés aux échelles individuelles, des populations, des communautés, et des services/fonctions écosystémiques dans un contexte de stresseurs uniques et multiples. Le nombre d'études portant sur les points de bascule augmente annuellement, mais très peu d'études ont pour objectif spécifique de les identifier (32.6%). Encore moins d'études examinent comment l'ajout d'un stresseur additionnel peut modifier un point de bascule. Aussi, plusieurs études s'intéressent à de multiples réponses, mais seulement 25% se concentrent sur de multiples échelles biologiques. Ces résultats démontrent que le concept de point de bascule est très actuel, mais nous avons identifié certaines pistes de solution afin de renouveler ce concept dans un contexte de stresseurs multiples. Dans le cadre de mon quatrième et cinquième chapitre, nous avons mené une expérience afin d'étudier les effets d'une intrusion sporadique d'eau salée le long d'un gradient d'enrichissement en nutriments sur une communauté d'eau douce composée de périphyton, de microorganismes hétérotrophes, et d'individus de moule zébrée Dreissena polymorpha. Nous cherchions à (1) caractériser l'effet individuel et combiné des deux stresseurs sur les réponses d'intérêts et identifier des interactions synergiques ou antagonistes; (2) identifier un point de bascule le long du gradient d'enrichissement en nutriment en absence et présence d'une intrusion sporadique d'eau salée; puis, (3) identifier l'effet de la présence d'un stress osmotique sur l'atteinte d'un point de bascule. Nous nous sommes intéressés à la mortalité (Chapitre 4) et au taux métabolique chez D. polymorpha, à l'activité microbienne, et au périphyton (chlorophylle a, phaeopigments) (Chapitre 5). Les deux stresseurs ont eu des effets individuels (c.-à-d. dominances) et combinés (c.-à-d. interactions) sur toutes les variables réponses, et nous avons observé un changement au niveau du type d'interaction le long du gradient. La présence d'un stress osmotique a eu pour effet de devancer le point de bascule pour la mortalité et de créer un point de bascule pour le taux métabolique chez D. polymorpha. Nos résultats mettent en évidence que le type d'interaction peut varier le long d'un gradient environnemental et que la présence de plusieurs stresseurs peut devancer un point de bascule. Cette thèse de doctorat contribue à l'amélioration de notre compréhension théorique des concepts d'interactions entre stresseurs et les points de bascule et combine, pour une des premières fois à notre connaissance, les deux concepts écologiques à différents échelles biologiques (individu, communauté, écosystème) Ce projet, qui s'intéresse tant à la portion d'eau douce qu'à la portion marine du Saint-Laurent, apportera également des informations importantes quant à la capacité de tolérance des écosystèmes face à l'empreinte humaine. En intégrant plusieurs composantes de l'écosystème, nous souhaitons mettre en lumière que l'évaluation de l'empreinte humaine sur les écosystèmes aquatiques doit être effectuée en intégrant plusieurs composantes afin de bien comprendre la complexité derrière le concept d'interactions entre stresseurs et de points de bascule. Ultimement, en apportant des informations et pistes de solutions quant à la vulnérabilité des communautés benthiques à plusieurs facteurs et intensités de stresseurs, ce projet contribuera à une meilleure gestion écosystémique des communautés benthiques du Saint-Laurent. / The coastal regions of estuaries are heavily affected by terrestrial and aquatic anthropogenic activities such as agriculture, fisheries, aquaculture and shipping. These activities lead to a diversity of environmental stressors that affect the structure, dynamics and functioning of benthic communities and will have impacts at different scales of the biological hierarchy, from the individual to the community. With increasing human activities, two main scenarios have been observed: i) the spatiotemporal overlap of multiple stressors, and ii) the intensification of single stessors. First of all, the spatio-temporal superposition of multiple stressors can lead to their interactions, where the presence of one stressor will accentuate (i.e. synergy) or attenuate (i.e. antagonism) the effect of another. Second of all, the intensification of single stressors can lead to tipping points, corresponding to substantial reorganizations in the structure and functioning of an ecosystem. Stressor interactions and tipping points have profound implications on ecosystems: often very difficult to predict, they can cause significant changes within communities, to such an extent that a return to initial states is sometimes impossible. These two concepts have been widely studied individually. However, very few studies have attempted to combine both concepts. The justification to carry out this doctoral project resides in the need to address the challenge of the increase of human activities and their impacts of aquatic ecosystems, particularly those in the estuary and gulf of the St. Lawrence River. More specifically, the objective of this thesis is to understand the effect of multiple anthropogenic stressors on marine and freshwater ecosystems by integrating multiple biological compartments. The thesis is structured around two main objectives divided into five chapters. The first objective is to characterize the scenarios of interaction between multiple stressors and their effects on benthic communities using experimental approaches in the laboratory or in situ (Chapters 1 and 2). The second objective is to identify tipping points when communities are exposed to different intensities and combinations of stressors using a literature review and a laboratory experiment (Chapters 3, 4 and 5). The objective of my first chapter is to characterize the individual effects of nutrient enrichment, salinity variation and increased water temperature on different biological responses measured at the individual level in two bivalve species (Mytilus spp. and Limecola balthica) and on microphytobenthos. We carried out a laboratory experiment with two exposure times (one and three months) and evaluated mortality levels, energy content and mineralization levels in Mytilus spp. and L. balthica as well as microphytobenthic pigments. Salinity variation and nutrient enrichment, individually and combined, had significant effects on mortality, shell mineralization, tissue energy content and sediment chlorophyll a concentration and more interestingly, their effect varied through time. On the contrary, increased water temperature had no effects on the investigated responses. These results suggest a prevalence of antagonistic interactions for the evaluated responses and the importance of considering the effect of single and combined stressors over time. Similarly, my second chapter has for objective to characterize in situ the effect of heat waves and nutrient enrichment on mussel beds and their associated ecosystem. More specifically, we carried out a three months experiment where mortality and energy content in Mytilus spp, microbial activity and sediment chlorophyll a and phaeopigment concentration were assessed multiple times over the duration of the experiment. Nutrient enrichment and heat waves, individually and in combination, affected tissue energy content in Mytilus spp., phaeopigments and the chlorophyll a/phaeopigments ratio. Regarding the other responses, no significant effect was detected, suggesting that stressors influence the compartments differently. This chapter demonstrates that the individual and combined effect of environmental stressors differ over time and illustrates the importance of combining several experimental approaches to understand the complexity behind the interaction between multiple stressors. My third chapter seeks, through a literature review, to (1) develop a historical perspective of tipping point studies in terrestrial, freshwater and marine ecological systems; (2) portray the research effort in different aquatic habitats; and (3) explore the results of experimental studies focusing on tipping points measured at the individual, communities, ecosystem level (incl. ecosystem functions and services) in a context of single and multiple stressors. The number of studies mentioning tipping points increases every year, but surprisingly very few have had to date as specific objective that to actually identify them (32.6%). Even fewer studies examine how adding an additional stressor may alter a tipping point. Also, several studies are interested in multiple responses, but only 25 % of these focus on multiple biological scales. These results allowed us to identify some shortcoming in the field and some potential solutions in order to renew this concept in a context of multiple stressors. In my fourth and fifth chapter, we conducted an experiment to study the effect of pulses of saltwater intrusion along a nutrient enrichment gradient on a freshwater community composed of periphyton, heterotrophic microorganisms, and the zebra mussel Dreissena polymorpha. We sought to (1) characterize individual and combined effect of the two stressors on the investigated responses; (2) identify a tipping point along the nutrient enrichment gradient in the absence and presence of pulses of saltwater intrusion and; (3) identify the effect of osmotic stress on the presence, timing or intensity of a tipping point. We evaluated mortality levels (chapter 4) and metabolic rates in D. polymorpha, microbial activity and periphyton biomass (chapter 5). Both stressors had individual and combined effects on all response variables, and we observed a change in the type of interaction along the gradient. The presence of osmotic stress along the gradient had for effect that to create a tipping point (metabolic rate) or to create an earlier tipping point (mortality). Our results highlight that the type of interaction can vary along an environmental gradient and the presence of multiple stressors may create of outpace a tipping point. In general, this doctoral thesis contributes to improving our theoretical critical understanding of the concepts of stressors' interactions and tipping points, individually and, for the first time to our knowledge, combined and this, considering multiple levels of biological compartments (individual, communities, ecosystems). More specifically, this project focuses on both the freshwater and marine portion of the St. Lawrence River, and provides essential information on the tolerance of ecosystems within the context of an increasing human footprint. By integrating several components of the ecosystem, we wish to highlight that the human impact on aquatic ecosystems must be assessed by integrating several components to fully understand the complexity behind the concept of stressors' interactions and tipping points. Ultimately, by providing information and possible solutions regarding the vulnerability of benthic communities to multiple drivers and intensities of stressors, this project will contribute to a better ecosystem management of benthic communities in the St. Lawrence.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:https://corpus.ulaval.ca:20.500.11794/74176 |
| Date | 30 August 2022 |
| Creators | Carrier-Belleau, Charlotte |
| Contributors | Archambault, Philippe, Nozais, Christian |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxix, 244 pages), application/pdf |
| Coverage | Québec (Province) Saint-Laurent, Estuaire du. |
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