Le WP2 a pour objectif d’identifier et de comprendre comment la concentration de polluants dans les organismes marins varie en fonction de la taille des organismes, de leur catégorie écologique et fonctionnelle, de leur profondeur et de la région qu’ils habitent dans l’océan.
Développement d’APECOSM-tox
PREVENT prévoit la mise en œuvre d’un modèle TK-TD (toxicocinétique et toxicodynamique) générique qui représente le transfert, la bioaccumulation et la toxicité des polluants dans les organismes marins, dans un modèle d’écosystème mondial qui représente la trophodynamique des communautés génériques, afin de déduire les effets des polluants sur la biodiversité marine à l’échelle mondiale.
Pour ce faire, une approche DEBtox, c’est-à-dire une approche TK-TD basée sur la théorie du bilan énergétique dynamique (DEB), sera intégrée dans le modèle APECOSM. Dans le cadre de DEBtox, le contaminant est d’abord absorbé par l’organisme, puis il affecte au moins l’un des processus métaboliques du DEB (assimilation, croissance, reproduction, maintenance, développement, probabilité de survie). L’approche DEBtox peut également être utilisée pour étudier les effets combinés sur des organismes individuels (Jager et al., 2014).
Le modèle APECOSM-tox qui en résultera représentera le transfert des substances toxiques par la prédation de proies contaminées ou l’absorption directe à partir de l’eau de mer, leur bioaccumulation dans les chaînes trophiques et leurs effets toxiques potentiels sur la dynamique des communautés marines.
Expériences pour la paramétrisation du modèle générique APECOSM-tox
Des expériences in vivo destinées à collecter les données nécessaires à l’estimation des paramètres du modèle générique DEBtox seront réalisées. Des expériences couvrant l’ensemble du cycle de vie, de l’œuf à l’adulte, sur l’espèce de poisson modèle Oryzias melastigma, plus communément appelés « medaka » seront menées dans les installations expérimentales MARBEC à Palavas (32 aquariums de 10 litres conçus à cet effet). Les poissons seront exposés à différents contaminants (métaux traces ou plastiques), ainsi qu’à un traitement cocktail (les concentrations pour le traitement cocktail seront choisies après avoir effectué des travaux expérimentaux sur les composés individuels, à différentes températures et combinaisons de disponibilité alimentaire). Les medakas ont une durée de vie courte, ce qui permet de réaliser des expériences sur l’ensemble du cycle de vie. Outre les suivis d’effectifs, les traits d’histoire de vie seront mesurés chez les individus de même que les caractéristiques de la descendance.
Les recherches se poursuivront avec des expérimentations en mésocosmes afin de collecter les données nécessaires à l’estimation des paramètres de transfert trophique et hydrique du modèle générique APECOSM-tox. La répartition des contaminants (dissous et particulaires) entre les différents compartiments d’un écosystème salin (sédiments, eau, micro et macro-organismes) sera estimée. Les contaminants seront introduits de manière chronique dans la colonne d’eau pendant plusieurs semaines. : les organismes exposés représenteront différents types fonctionnels de l’écosystème imité (par exemple, algues, microcrustacés, bivalves, poissons). La distribution des contaminants et les traits d’histoire de vie des organismes seront analysés.
Ces données expérimentales et celles issues de la littérature seront ensuite utilisées pour paramétrer un modèle DEB générique pour l’espèce modèle Oryzias melastigma. Les effets de la température et de l’alimentation sur les processus métaboliques seront pris en compte. Les paramètres du modèle DEB qui sera produit pour les medakas seront estimés par maximum de vraisemblance à partir des données sur la croissance, le développement et la reproduction tout au long du cycle de vie collectées dans les expériences décrites précédemment. Les données relatives aux effets de l’exposition chimique sur les caractéristiques du cycle de vie pour estimer les paramètres des modules DEBtox (un module unique pour chaque contaminant et un module supplémentaire pour l’exposition au cocktail) seront utilisées. Ces paramètres décrivent le TK-TD de l’exposition à un seul contaminant et à une combinaison de contaminants, ainsi que leurs effets sur la physiologie des poissons, l’assimilation, les coûts de croissance, les coûts de reproduction et les risques pour les embryons (Ashauer et Jager, 2018).
Contamination des hauts niveaux trophiques à l’échelle globale
Pour éclairer le développement du modèle APECOSM-tox et évaluer ses résultats, il est essentiel d’utiliser autant d’observations que possible. Pour les espèces pélagiques, les scientifiques s’appuieront sur les ensembles de données et les projets mondiaux existants (par exemple, le projet MERTOX) qui ont été entrepris dans le cadre de l’IMBER CLIOTOP.
Ces projets ont révélé que les changements climatiques dans les écosystèmes marins sont susceptibles d’avoir un impact sur leur écologie trophique et, par conséquent, sur leur teneur en polluants. Grâce à ces projets, de nombreuses données sur les polluants présents dans les muscles du thon, ainsi que les informations biologiques correspondantes (taille du thon, lieu, date d’échantillonnage, position trophique) sont déjà disponibles. Par exemple, l’équipe CLIOTOP a compilé plus de 5 000 points de données sur le mercure, couvrant trois océans et incluant quatre espèces de thon, le thon blanc (germon) et les trois espèces de thon tropical (thon jaune, listao et thon obèse, par exemple Médieu et al. 2022, 2023) qui peuvent être directement comparées aux données sur l’eau de mer (GEOTRACES) et aux résultats des modèles. Dans le cas spécifique de l’océan Pacifique, une série temporelle est également disponible (20 ans pour le mercure), ce qui permet d’évaluer les variations temporelles de certains contaminants tels que le mercure et d’autres métaux (par exemple, Médieu et al. 2021). En ce qui concerne les plastiques présents dans l’estomac des thons et les additifs plastiques dans les muscles, certaines données ont également été recueillies pour deux espèces de thons tropicaux (thon jaune et listao) dans les océans Pacifique et Indien dans le cadre du projet TIPTOP du Fonds pour le Pacifique et d’un projet postdoctoral d’Isblue (2022-2024).
Les équipes commenceront par identifier les lacunes dans les données disponibles provenant de la banque de spécimens de thons, extraire les données de la littérature et effectuer de nouvelles analyses sur des échantillons supplémentaires afin d’étendre la couverture spatiale et/ou temporelle et le type de contaminants (mercure et métaux traces). Elles travailleront également au recueil des données correspondantes dans d’autres compartiments tels que les poissons démersaux et les bivalves pour des polluants spécifiques (par exemple, la teneur en mercure, lithium et les isotopes), car certaines données sont déjà disponibles dans la littérature et le consortium participe à l’acquisition de données supplémentaires issues de projets passés et en cours (par exemple, ISO2MET, Advanced SeaLi2Bio).
Simulation avec APECOSM-tox
Le modèle APECOSM-tox développé sera utilisé avec les paramètres estimés dans les expériences en mésocosmes du WP2 pour simuler et analyser le transfert, la concentration et les impacts toxiques (individuellement et en cocktail) des 4 catégories de polluants le long des chaînes trophiques représentées à l’échelle mondiale. Le modèle sera configuré pour représenter le transfert et l’impact des substances toxiques à travers 8 communautés génériques structurées en 100 classes de taille allant de 1 mm à 200 cm. Les communautés génériques comprendront des poissons épipélagiques de petite, moyenne et grande taille (thon listao et thon albacore), des poissons épipélagiques de grande taille vivant en profondeur (thon obèse, espadon), des organismes mésopélagiques migrateurs et résidents, des poissons démersaux et benthiques, ainsi que des invertébrés benthiques. Le modèle sera exécuté sur la grille ORCA1 (1°) et sera alimenté par les simulations NEMO–PISCES réalisées dans le WP1. Les résultats du modèle seront comparés aux observations afin d’analyser les processus en jeu et d’évaluer les capacités du modèle avant de tenter des projections de scénarios dans le WP3.