Peut-on réduire la durée des tests de toxicité chronique sur Daphnia

Peut-on réduire la durée des tests de toxicité chronique sur Daphnia magna ?
Elise Billoir 1, Alexandre Péry 2, Sandrine Charles 1
1
2
Les modèles matriciels de Leslie permettent de représenter la dynamique
d’une population à partir d’un cycle de vie décomposé en classe d’âge.
Soit N(t) le vecteur représentant la population au temps t (les composants
sont les effectifs de chaque classe d’âge)
Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive, UMR CNRS 5558, UCB Lyon 1
Laboratoire d’Ecotoxicologie, Cemagref, Lyon
La daphnie est un micro-crustacé d’eau douce qui peuple en grand nombre les
rivières européennes. Elle passe toute sa vie dans l’eau, où elle grandit par mues
successives et se reproduit par très majoritairement par parthénogenèse. La daphnie
est en général représentative des autres organismes du zooplancton quant à la
sensibilité aux différentes substances toxiques présentes dans l’eau. De plus, elle est
facile à élever en laboratoire. C’est pourquoi elle est largement utilisée en
écotoxicologie aquatique.
§0
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¨ P1
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©
Nt 1 LNt
La valeur propre
dominante de la
L
matrice représente
alors le taux
d’accroissement de
la population Ȝ.
Les tests de toxicité chronique sur les daphnies sont définis par une norme OECD (1994) qui fixe
leur durée à 21 jours. Des daphnies nouveau-nés sont exposées à une concentration constante
de toxique. Régulièrement (tous les deux jours en général), la taille des individus, le nombre de
survivants et le nombre de nouveaux-nés sont relevés.
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
0
0
0
0
0
0
0
0
P2
0
0
P3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
P4
0
0
P5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
P6
0
0
P7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
P8
0
0
P9
Tant que l’on reste dans à
des concentrations
relativement faibles, le taux
d’accroissement de la
population décroît
doucement avec la
concentration, car le
contaminant n’agit que sur
la survie des individus.
Quand on dépasse la NECr
(concentration sans effet
pour la reproduction) , qui
vaut 4.5 μg/L dans cet
exemple, le contaminant
agit également sur la
reproduction, expliquant la
chute observée sur le
graphe.
La probabilité q(c,t) de survivre jusqu’au temps t à la concentration c dans l’environnement s’écrit :
­k(c NECs ) m quand la NEC est dépassée
®
¯m sinon
t
q(c,t) exp ( ³ h(Ǖ dǕ) avec h(W , c 0
m étant le taux de mortalité naturelle, NECs la « concentration sans effet » pour la survie, et k
le taux de toxicité du toxique.
Le taux de reproduction R(c,t) au temps t à la concentration c dans l’environnement s’écrit :
R(c, t)
>
@
R(0, t) (1 cC1(c NECr )
1
R(0,t) étant le taux de reproduction sans contaminant,
NECr la concentration sans effet pour la reproduction et
cc la concentration de tolérance.
Il s’agit maintenant de passer à l’échelle de la population, pour une analyse écotoxicologique plus
pertinente. Pour modéliser la dynamique de la population, on découpe la population en classes
d’âge de deux jours chacune. La classe d’âge 1 correspond aux 0-2 jours, la classe d’âge 2 aux 24 jours, etc… jusqu’à la classe d’âge 10 pour les 18-20 jours, car on a des données sur 21 jours. Voici
le graphe de cycle de vie :
F2
1
2
P1
P2
F9
F8
…
8
P7
F10
9
P8
P9
10
F10 ·
¸
0 ¸
0 ¸
¸
0 ¸
¸
0 ¸
0 ¸
¸
0 ¸
0 ¸
¸
0 ¸
G 10 ¸¹
Les tests standard de toxicité durent 21 jours, ce qui est très coûteux en
temps et en moyens humains. Il est donc légitime de se demander si on ne
pourrait pas les raccourcir. Sur la figure ci-dessus, on a pris successivement
F10 = F9, F10 = F9 = F8, etc... comme si l’on ne disposait pas des données
jusqu’à 21 jours. Et on peut constater que prendre F>5 = F5 (10 jours de test)
n’entraîne qu’une perte de 4% sur la valeur de nj, pouvant suggérer une
réduction de la durée des tests de toxicité chronique.
G10
Pi : probabilités de survie d’une classe d’âge à la suivante
Fi : le nombre de nouveaux-nés arrivant dans la classe d’âge 1 par femelles de la classe i (ici, les individus
se reproduisent à partir de la classe d’âge 2).
Tous ces paramètres dépendent de la concentration en toxique, ils peuvent être calculés à partir des 2
formules précédentes.
S. A. L. M Kooijman and J. J. M Bedaux. The analysis of aquatic toxicity data. VU University Press,
Amsterdam, 1996.
H. Caswell. Matrix Population Models – Construction, analysis ans interpretation, Sinauer Associates,
Sunderlands, Massachussets, 2nd edition, 2001
Dispersion des chabots dans le bassin versant du Bez (Drôme, France) ?
Nadège Milioni 1, Arnaud Chaumot 2, Asghar Abdoli 3, Didier Pont 3, Sandrine Charles 1
2
3
Le chabot, Cottus gobio, est un poisson de l’ordre
des Scorpaeniformes et de la famille des Cottidae.
C’est une espèce territoriale avec une large aire de
répartition à l’échelle européenne. On distingue un
stage de dispersion chez les juvénile.
Le cycle de vie de cette espèce
est annuel, avec une reproduction
aux alentours du mois de mars des
adultes à partir de leur deuxième année.
1 cm
Année t + 1
S O N D J F M A M J J A S O
ponte
Année t
Fécondité
Jeunes
(0-1 an)
DISPERSION
ACTIVE
Adultes
(> 2 ans)
Les modèles matriciels de Leslie permettent de représenter la dynamique
d’une population à partir d’un cycle de vie décomposé en classe d’âge.
Soit Nt le vecteur représentant la population au temps t (les composants
sont les effectifs de chaque classe d’âge)
­
§ n1,1 ·
°
¨
¸
Jeunes ®N
1
¨ # ¸
°
¨ n1,13 ¸
©
¹
¯
­
§ n 2,1 ·
°
¨
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°N 2 ¨ # ¸
°
¨ n 2,13 ¸
©
¹
°
°
#
Adultes ®
°
§ n 6,1 ·
°
¨
¸
°N 6 ¨ # ¸
°
¨ n 6,13 ¸
°¯
©
¹
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive, UMR CNRS 5558, UCB Lyon 1
Laboratoire de Biologie Moléculaire et Cellulaire, UMR CNRS 5161, ENS Lyon
Écologie des Hydrosystèmes Fluviaux, UMR CNRS 5023, UCB Lyon 1
Pjeun
R2 R3 R4 R5 R6 ·
§
¨
¸
P
jeun
¨
¸
¨
¸
PA2
¸
L Nt = ¨
PA3
¨
¸
¨
¸
P
A4
0.5 u e u Slarv .Dlarv .Fi . S A i 1 ¨
¸
¨
PA5 PA6 ¸¹
©
S
n
.D
PAi
Sadultes i Nt 1 L Nt Nt
Ri
78 variables d'état
jeun
1j , j 1..13
jeun
250
Survie larvaire
DISPERSION
PASSIVE
Larves
Jeunes
(0-1 an)
Survie des jeunes
(de 1 à 2 ans)
Adultes
(> 2 ans)
Survie des adultes
Population à t
Population à t + 1
150
120
100
50
100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
80
250
60
200
40
20
0
Archiane
5
10
15
20
25
30
TEMPS (années)
Avec le Laboratoire d’Ecologie des
Hydrosystèmes fluviaux, le chabot est suivi
dans le bassin du Bez dans la Drôme, le
long de 40 kms de rivières, avec des
stations de mesure échelonnées tous les
Drôme
750 m.
Par des regroupements de ces stations en
compartiments homogènes en densité,
nous arrivons finalement à distinguer 13 sites
géographiques, avec des caractéristiques
démographiques distinctes et séparés par
différents types d’obstacles (barrages,
cascades, seuils,…).
Densité d’individus/m2
observée dans les
différents sites
géographiques du réseau
hydrographique du Bez.
200
ECLOSION
Oeufs
Densité d’individus / 100 m2
1
Densité d’individus/m2
simulée par le modèle
dans les différents sites
géographiques du réseau
hydrographique du Bez.
150
100
50
0
C1
C1
Nonières
C2
C7
C4
C6
Grimone
C9
C12
C13
Gâts C8
C11
C10
Vière
Boulc
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
C11
C12
Borne
C5
Bez
C2
Évolution au cours du temps de la densité totale
d’individus/m2, par simulation du modèle complet. Au
bout de quelques génération un équilibre est atteint.
C3
Nous avons construit un modèle de type Leslie spatialisé pour décrire la dynamique
d'une population de chabots (Cottus gobio) vivant dans le réseau hydrographique
du Bez (Drôme, France). Ce modèle intègre l'hétérogénéité spatiale des taux vitaux
(survie, fécondité) et tient compte de la dispersion des jeunes individus d’un site à
l’autre. Ce modèle est un bon outil de description de la biologie du chabot. Il permet
d’étudier les effets de différents processus de dispersion sur la dynamique de la
population, et à plus long terme, il permettra d’évaluer les effets possibles du
changement climatique en termes de T° ou de débit.
C13