Effect of heavy metal toxicity on calanoid copepods : experimental approach

par Esther Uzoma Kadiene

Thèse de doctorat en Biologie de l'environnement, des populations, écologie

Sous la direction de Jiang-Shiou Hwang et de Sami Souissi.

  • Titre traduit

    Effet de la toxicité des métaux traces sur les copépodes calanoïdes : approche expérimentale


  • Résumé

    Cette thèse cible les facteurs biotiques qui influent sur la toxicité des métaux chez les copépodes calanoïdes. Tout d'abord, la toxicité du cadmium (Cd) entre deux copépodes de l'ordre; calanoida Eurytemora affinis (Poppe 1880) d'une région tempérée (estuaire de la Seine, France) et Pseudodiaptomus annandalei (Sewell 1919) d'une région subtropicale (estuaire de Danshuei, Taiwan), ont été déterminés sur la base de leur sexe et de leur état de reproduction. Les résultats de cette étude ont révélé que les deux copépodes avaient des niveaux de sensibilité différents à la toxicité du cadmium et que leur sensibilité au cadmium était également fortement dépendante de leur sexe et de leur état de reproduction. En outre, une étude de la toxicité du cadmium dans les traits de vie du copépode a été testée en utilisant P. annandalei comme espèce modèle. Les résultats ont révélé que la toxicité du cadmium était également dépendante du stade de développement des copépodes. De plus, le Cd a eu un effet négatif sur la croissance, la reproduction et la durée de vie du copépode. Afin de comprendre la raison de la sensibilité au cadmium spécifique au sexe, la bioaccumulation du cadmium chez les deux sexes a été réalisée. De plus, dans les environnements naturels, les copépodes peuvent bioaccumuler les métaux via une voie directe dans l’eau ou via les aliments consommés. Dans un premier temps, des essais préliminaires ont été effectués pour identifier la cinétique de bioaccumulation des métaux chez les micro-algues utlisées pour nourrir les copépodes. L'accumulation du Cd dans les microalgues a été testée en exposant Pavlova lutheri dans différentes conditions de salinité et température. À la fin, il a été observé que l’augmentation de la température et la faible salinité favorisent l’absorption de Cd par les micro-algues. P. annandalei a ensuite été exposé au cadmium dans l'eau et par le biais de son régime alimentaire, en utilisant les informations fournies par les résultats ci-dessus. Cette expérience a révélé que l'absorption de Cd par P. annandalei provenait nettement plus d'eau que de la nourriture. Une hypothèse a été développée sur les raisons pour lesquelles l'absorption de Cd par l'eau par les copépodes était plus élevée que par l'exposition par Cd via l’aliment. En d’autres termes, l’absorption de métaux par l’eau est une voie plus importante dans la bioaccumulation des métaux que par la voie alimentaire en raison de l’absorption orale. L'hypothèse a été démontrée en exposant les copépodes à un colorant alimentaire et, à l'aide d'un microscope, il a été constaté que le colorant était entré dans l'intestin du copépode par l'ouverture de la bouche. L'absorption orale d'eau par le copépode a été confirmée par un test de bioaccumulation. Une étude moléculaire sur le test transcriptomique et l'expression différentielle spécifique au sexe du copépode de P. annandalei exposé au Cd a été réalisée. Les résultats ont montré que les copépodes de P. annandalei répondaient à la toxicité du cadmium de manière spécifique au sexe, et expliquaient pourquoi la femelle était moins sensible au cadmium que les copépodes mâles. De plus, l'exposition multigénérationnelle de P. annandalei au cadmium a montré un développement possible de l'adaptation, en particulier chez les copépodes femelles. Bien que les copépodes puissent développer des mécanismes adaptatifs pour tolérer les produits chimiques toxiques, une concentration croissante de métaux dans le milieu aquatique ainsi que des transferts de métaux par la mère sur plusieurs générations pourraient augmenter la concentration de copépodes. Une exposition à long terme pourrait réduire leur forme, compromettant ainsi la structure de la population de copépodes. Cette étude a montré que la mortalité, les traits d'histoire de vie et les réponses moléculaires des espèces modèles peuvent fournir d'importants bioindicateurs pour l'évaluation des risques environnementaux.


  • Résumé

    As a result of the growing concerns about the fate of copepod ecology in the face of increasing environmental pollutants, several studies are being carried out. This thesis focused on biotic factors that influences metal toxicity in calanoid copepods. Firstly, cadmium (Cd) toxicity between two copepods in the order; calanoida; Eurytemora affinis (Poppe 1880) from a temperate region (Seine Estuary, France) and Pseudodiaptomus annandalei (Sewell 1919) from a subtropical region (Danshuei Estuary, Taiwan), was determined based on their sex and reproductive states. Results from this investigation revealed that both copepods have different levels of sensitivity to cadmium toxicity and also, their sensitivity to cadmium was significantly dependent on their sexes and reproductive states. In addition, an investigation of cadmium toxicity in copepod life history traits were further tested using P. annandalei as a model specie. The results revealed that Cd toxicity was also dependent on the developmental stages of the copepods. In addition, Cd showed negative effect on the growth, reproduction and lifespan of the copepod. Furthermore, to understand the reason for sex-specific sensitivity to cadmium, an investigation on the bioaccumulation of Cd was carried out. Moreover, in the natural environments, copepods could bioaccumulate metals either directly from the water or indirectly from consumed diets. Before, both routes of metal uptake were tested, some preliminary test was carried out on the rate at which copepod diet (microalgae) take up metal. Microalgae accumulation of Cd was tested by exposing Pavlova lutheri to Cd under different conditions (salinity and temperature). At the end, it was observed that increased temperature and low salinity influenced the uptake of Cd in the algae. P. annandalei was then exposed to Cd in water and through their diets, using the information from the above results. This investigation revealed that P. annandalei uptake of Cd was significantly more from water than from the diets. A hypothesis was developed based on why copepod uptake of Cd from water was higher than from dietary Cd exposure. That is, metal uptake from water is a more important route in the bioaccumulation of metals than through dietary route because of oral intake. The hypothesis was demonstrated by exposing copepods to a dyed medium, and with the aid of a microscope, the dyed medium was observed to have entered inside the gut of the copepod through the mouth opening. Oral intake of water by copepod was confirmed by a bioaccumulation test. A molecular study on the transcriptomic assay and sex-specific differential expression of P. annandalei copepod exposed to Cd was carried out. The results showed that P. annandalei copepod responded to Cd toxicity in a sex-specific manner, and why female was less sensitive to Cd than male copepods were discussed. Moreover, multigenerational exposure of P. annandalei to Cd showed a possible development of adaptation, particularly in the female copepods. Although, copepods could develop adaptive mechanisms to tolerate toxic chemicals, however, an increasing concentration of metals in the aquatic environment in addition to maternal transfers of metals over several generations could increase the concentration in copepods. A long term exposure could reduce their fitness, thereby compromising copepod population structure. This study showed that mortality, life history traits and molecular responses of model species can provide important bio-indicators for environmental risk assessment.



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