Le devenir et les conséquences écologiques de la présence de microplastiques dans les cours d'eau intermittents et éphémères

The fate and ecological consequences of microplastics in non-perennial streams

• Auteur / Autrice : Nans Barthelemy
• Direction : Florian Mermillod-Blondin, Thibault Datry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 02/04/2025
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Richaume-Jolion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florian Mermillod-Blondin, Thibault Datry, Géraldine Sarret, Magalie Baudrimont, Vincent Felten
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Sarret, Magalie Baudrimont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écotoxicologie

Écologie des cours d'eau

Effets de la pollution de l'eau

Cours d'eau temporaires

Microplastiques

Mots clés libres

Microplastiques

Rivières intermittentes

Fonctionnement des ecosystèmes

IRES

Pollution plastique

Microplastics

Intermittent rivers

Ecosystem functionning

IRES

Plastic pollution

Résumé

Les microplastiques (MP) sont des particules de plastiques ayant une taille comprise entre 5 mm et 1 µm qui suscitent une importante préoccupation due à leur omniprésence sur Terre ainsi qu’aux menaces qu’ils représentent pour les écosystèmes, les organismes et la santé humaine. Les cours d’eau ne sont pas épargnés par cette pollution, mais ils ont longtemps été considérés comme de simples « tuyaux » transportant les MP vers les puits de stockages finaux que sont les écosystèmes marins. Cependant, depuis le milieu des années 2010, le nombre d’études se focalisant sur les effets de la pollution MP sur les cours d’eau à augmenter de manière exponentielle. Ces études ont démontré que les MP peuvent s’accumuler dans ces écosystèmes et affecter les communautés d’organismes inféodés. Malgré ces découvertes il reste encore de nombreuses lacunes à explorer au sein de ce domaine de recherche. Parmi ces lacunes, figure notamment le manque de considération de la pollution MP au sein des cours d’eau intermittent, ces cours d’eau qui arrêtent de s’écouler ou s’assèchent de manière ponctuelle dans l’espace et/ou le temps. En effet, les effets de ces alternances de phases aquatiques et terrestres sur le transport, la fragmentation et l’accumulation de MP au sein des cours d’eau restent encore méconnus, bien que la majorité des cours d’eau sur Terre subissent des assèchements naturels réguliers. De plus, les effets de la pollution MP sur les communautés et le fonctionnement de ces écosystèmes particuliers restent également inexplorés. Ainsi, cette thèse a pour objectif principal d’explorer ce manque de connaissances au travers de trois grands objectifs principaux : 1. Apporter des connaissances quant au devenir des déchets plastiques présents dans les cours d’eau soumis à une alternance de phases aquatique et terrestre. 2. Améliorer les connaissances quant aux effets écotoxicologiques des MP secondaires sur le rôle fonctionnel d’organismes jouant un rôle clé dans le fonctionnement écologique des cours d’eau. 3. Offrir des pistes exploratoires quant aux effets résiduels des alternances de phases aquatiques et terrestres sur les caractéristiques des microplastiques présents dans la matrice sédimentaire des cours d’eau. Afin de répondre au 1er objectif, une étude a été menée en laboratoire et visait à évaluer les effets de différentes durées d’assèchement couplées à une irradiation UV continue sur la fragmentation de film plastique alimentaire en PVC induite par une abrasion mécanique artificielle. La fragmentation du plastique a été mesurée au travers de l’abondance, de la taille des MP formés ainsi que de la perte de masse de l’objet plastique initial. En ce qui concerne le 2nd objectif, les effets de la présence de MP de différentes tailles et concentrations ont été étudiés en mésocosme sur Gammarus fossarum, une espèce modèle d’amphipode d’eau douce. Les effets des MP sur le rôle fonctionnel ainsi que sur la santé de ces organismes ont été quantifiés après quatre semaines d’exposition en mésocosme au travers d’approches écophysiologiques (taux d’alimentation, d’assimilation de la ressource alimentaire ainsi que le taux de mortalité) et métaboliques (protéomiques et réserves énergétiques). Finalement, pour le 3eme objectif, des prélèvements de sédiments ont été effectués dans des zones lentiques situées au sein de sections intermittentes et pérennes de cours d’eau situées dans un même bassin-versant. L’abondance, la taille et le type de polymère des MP présent dans la matrice sédimentaire ont été caractérisés par spectroscopie et comparé entre les sites en fonction de leur hydrologie et d’un panel d’autres facteurs environnementaux. Les travaux menés au cours de cette thèse offrent un premier aperçu sur le devenir, le transport et les conséquences écologiques de la présence de MP dans les cours d’eau intermittent ainsi que des pistes de recherche à explorer afin d’améliorer nos connaissances sur la pollution MP au sein des cours d’eau.

Microplastics (MPs) are small plastic particles, between 5 mm and 1 µm in size, that are raising global concern due to their ubiquitous presence on Earth and the threats they represent to ecosystems, organisms and human health. Rivers are not spared from this pollution, but for a long time they were only considered as simple “pipes” transporting MPs to the final accumulation sinks that are marine ecosystems. However, since the mid-2010s, there has been an exponential increase in the number of studies focusing on the effects of MP pollution on river ecosystems. These studies have shown that MPs can accumulate in these ecosystems and impact related communities. Despite these findings, there are still many research gaps that need to be explored in this research field. Among these research gaps, figure the lack of consideration given to MP pollution in intermittent rivers, these rivers that cease to flow or dry at certain points in time and/or space. The effects of these alternating aquatic and terrestrial phases on the transport, fragmentation and accumulation of MPs within rivers are still poorly understood, despite the fact that the majority of Earth rivers are prone to natural drying. Furthermore, the impacts of MP pollution on the communities and the ecological functioning of these particular ecosystems also remains unexplored. Thus, the main objective of this thesis was to explore this research gaps through the following three main objectives:1. To provide knowledge about the fate of plastic waste in rivers that are subject to alternating aquatic and terrestrial phases. 2. To improve knowledge of the ecotoxicological effects of secondary MPs on the functional role of organisms that play a key role in the ecological functioning of rivers. 3. To explore the residual effects of alternating aquatic and terrestrial phases on the characteristics of microplastics that accumulated in riverbed sediment. For the 1st objective, a laboratory study was performed to evaluate the effects of different drying duration, coupled with continuous UV irradiation, on the fragmentation of PVC food-grade plastic film induced by artificial mechanical abrasion. The fragmentation of the PVC plastic film was measured through the quantification of the abundance and size of the formed MPs as well as the mass loss of mass of the initial plastic film. Regarding the 2nd objective, the effects of the presence of MPs of different sizes and concentrations were studied in a mesocosm experiment on Gammarus fossarum, a freshwater amphipod model species. The effects of MPs on the functional role and health of these organisms were quantified after four weeks exposure using ecophysiological (feeding rate and assimilation efficiency of the food resource as well as mortality rate) and metabolic (proteomics and energy reserves) approaches. Finally, for the 3rd objective, sediment samples were taken from lentic zones located within intermittent and perennial sections of a river-catchment. The abundance, size and polymer type of the MPs recovered in the streambed sediment were characterized by spectroscopy and compared between sites depending on their hydrology and a range of other environmental factors. The work made during this thesis provides a first insight into the fate, transport and ecological consequences of the presence of MPs in intermittent rivers, it also offers new research avenues to be explored regarding MPs pollution in these ecosystems that will improve our knowledge of the effects of MPs pollution in rivers.