Simulating rewetting events in intermittent rivers and ephemeral streams: A global analysis of leached nutrients and organic matter

Climate change and human pressures are changing the global distribution and the ex‐ tent of intermittent rivers and ephemeral streams (IRES), which comprise half of the global river network area. IRES are characterized by periods of flow cessation, during which channel substrates accumulate and undergo physico‐chemical changes (precon‐ ditioning), and periods of flow resumption, when these substrates are rewetted and release pulses of dissolved nutrients and organic matter (OM). However, there are no estimates of the amounts and quality of leached substances, nor is there information on the underlying environmental constraints operating at the global scale. We experi‐ mentally simulated, under standard laboratory conditions, rewetting of leaves, river‐ bed sediments, and epilithic biofilms collected during the dry phase across 205 IRES from five major climate zones. We determined the amounts and qualitative character‐ istics of the leached nutrients and OM, and estimated their areal fluxes from riverbeds. In addition, we evaluated the variance in leachate characteristics in relation to selected environmental variables and substrate characteristics. We found that sediments, due to their large quantities within riverbeds, contribute most to the overall flux of dis‐ solved substances during rewetting events (56%–98%), and that flux rates distinctly differ among climate zones. Dissolved organic carbon, phenolics, and nitrate contrib‐ uted most to the areal fluxes. The largest amounts of leached substances were found in the continental climate zone, coinciding with the lowest potential bioavailability of the leached OM. The opposite pattern was found in the arid zone. Environmental vari‐ ables expected to be modified under climate change (i.e. potential evapotranspiration, aridity, dry period duration, land use) were correlated with the amount of leached sub‐ stances, with the strongest relationship found for sediments. These results show that the role of IRES should be accounted for in global biogeochemical cycles, especially because prevalence of IRES will increase due to increasing severity of drying event

Simulating rewetting events in intermittent rivers and ephemeral streams: a global analysis of leached nutrients and organic matter

Climate change and human pressures are changing the global distribution and extent of intermittent rivers and ephemeral streams (IRES), which comprise half of the global river network area. IRES are characterized by periods of flow cessation, during which channel substrates accumulate and undergo physico‐chemical changes (preconditioning), and periods of flow resumption, when these substrates are rewetted and release pulses of dissolved nutrients and organic matter (OM). However, there are no estimates of the amounts and quality of leached substances, nor is there information on the underlying environmental constraints operating at the global scale. We experimentally simulated, under standard laboratory conditions, rewetting of leaves, riverbed sediments, and epilithic biofilms collected during the dry phase across 205 IRES from five major climate zones. We determined the amounts and qualitative characteristics of the leached nutrients and OM, and estimated their areal fluxes from riverbeds. In addition, we evaluated the variance in leachate characteristics in relation to selected environmental variables and substrate characteristics. We found that sediments, due to their large quantities within riverbeds, contribute most to the overall flux of dissolved substances during rewetting events (56‐98%), and that flux rates distinctly differ among climate zones. Dissolved organic carbon, phenolics, and nitrate contributed most to the areal fluxes. The largest amounts of leached substances were found in the continental climate zone, coinciding with the lowest potential bioavailability of the leached organic matter. The opposite pattern was found in the arid zone. Environmental variables expected to be modified under climate change (i.e. potential evapotranspiration, aridity, dry period duration, land use) were correlated with the amount of leached substances, with the strongest relationship found for sediments. These results show that the role of IRES should be accounted for in global biogeochemical cycles, especially because prevalence of IRES will increase due to increasing severity of drying events

Effets combinés de l'assèchement et du fongicide tebuconazole sur la décomposition de litières de feuilles en milieu aquatique

International audienceLoss of biodiversity and altered ecosystem functioning are driven by the cumulative effects of multiple natural and anthropogenic stressors affecting both quantity and quality of water resources. Here we performed a 40-day laboratory microcosm experiment to assess the individual and combined effects of drought and the model fungicide tebuconazole (TBZ) on leaf litter decomposition (LLD), a fundamental biogeochemical process in freshwater ecosystems. Starting out from a worst-case scenario perspective, leaf-associated microbial communities were exposed to severe drought conditions (four 5-day drought periods alternated with 4-day immersion periods) and/or a chronic exposure to TBZ (nominal concentration of 20 microg L-1). We assessed the direct effects of drought and fungicide on the structure (biomass, diversity) and activity (extracellular enzymatic potential) of fungal and bacterial assemblages colonizing leaves. We also investigated indirect effects on the feeding rates of the amphipod Gammarus fossarum on leaves previously exposed to drought and/or TBZ contamination. Results indicate a stronger effect of drought stress than fungicide contamination under the experimental conditions applied. Indeed, the drought stress strongly impacted microbial community structure and activities, inhibiting the LLD process and leading to cascading effects on macroinvertebrate feeding. However, despite the lack of significant effect of TBZ applied alone, the effects of drought on microbial functions (i.e., decrease in LLD and in enzymatic activities) and on Gammarus feeding rates were more pronounced when drought and TBZ stresses were applied together. In a perspective of ecological risk assessment and ecosystem management for sustainability, these findings stress the need for deeper insight into how multiple stressors can affect the functioning of aquatic ecosystems and associated services

Effets combinés de l'assèchement et d'une exposition à un fongicide sur la décomposition de litière en milieu aquatique

International audienceLeaf litter decomposition plays an essential role in the functioning of stream ecosystems. This process, driven by microbial and invertebrate communities, is likely to be severely affected in a context of global change, increasing, among others, the occurrence of drought events and water pollution. Since most of the aquatic ecosystems are exposed to multi-stress conditions, we evaluated in artificial channels the combined effects of drought and the fungicide tebuconazole on Alnus glutinosa litter breakdown by aquatic microorganisms as well as the indirect impact on leaf consumption rate by the amphipod Gammarus fossarum. In our experimental conditions, the structure and activity of bacterial and fungal communities and the resulting microbial decomposition of leaves were mainly impacted by drought, whatever drought frequency. The impact of tebuconazole alone (~17 µg/L) was very limited but a cumulative effect of combined stress was observed, leading to a significant decrease in microbial enzymatic activities and leaf litter decomposition. Direct effects on microorganisms also led to indirect effects on invertebrate shredders, resulting in a decrease in leaf consumption rate by Gammarus under drought and combined stress

Effets combinés des assèchements et d’un fongicide sur la décomposition de litière en milieu aquatique

National audienceLa multiplication des facteurs de stress, d’origine naturelle ou anthropique, induit des pertes de biodiversité et une perturbation du fonctionnement des écosystèmes aquatiques dont la portée est susceptible d’affecter la quantité et la qualité des ressources en eau. Ces travaux s’appuient sur une expérience de 40 jours réalisée en microcosmes lotiques au laboratoire afin d’évaluer les effets isolés et combinés des assèchements et d’un fongicide (tébuconazole - TBZ), sur la décomposition de litière, un processus biogéochimique essentiel au fonctionnement des écosystèmes d’eau douce. Des litières de feuilles et les communautés microbiennes associées ont été exposées à des conditions de sécheresse (4 périodes d’assèchement de 5 jours alternées avec des périodes d’immersion de 4 jours) et / ou une exposition chronique au TBZ (concentration nominale de 20 µg.L-1). Les effets directs des assèchements et du fongicide sur le compartiment microbien ont été évalués à travers des descripteurs de structure (biomasse et diversité) et d’activité (potentiel enzymatique extracellulaire) des communautés fongiques et bactériennes colonisant les litières. Les effets indirects sur les niveaux trophiques supérieurs ont été abordés à travers une mesure des taux d’alimentation de Gammarus fossarum (invertébré déchiqueteur) sur des feuilles préalablement exposées à la sécheresse et / ou la contamination au TBZ. Dans les conditions expérimentales de l’étude, les résultats indiquent un effet beaucoup plus marqué des assèchements que de la contamination au fongicide. Les assèchements répétés entrainent ainsi une modification de la structure et des activités de la communauté microbienne se traduisant par une inhibition du processus de décomposition et une diminution de l’appétence des gammares pour les litières. Malgré une absence d’effet significatif du TBZ lorsqu’il est appliqué de manière isolée, les effets des assèchements sur les fonctions microbiennes (i.e. diminution de la décomposition et des activités enzymatiques) et les taux d’alimentation des gammares sont plus prononcés lorsque stress hydrique et toxique sont appliqués de manière simultanée. En vue d’améliorer la pertinence de l’évaluation des risques écologiques, ces résultats soulignent l’importance d’une meilleure prise en compte des réponses structurelles et fonctionnelles des communautés ainsi que des interactions entre niveaux trophiques

Complémentarité d'échantillonneurs passifs et de bio-indicateurs pour évaluer la contamination en pesticides des eaux de surface de bassins versants agricoles

45e congrès du Groupe Français des Pesticides, Versailles, FRA, 27-/05/2015 - 29/05/2015National audiencePour effectuer un diagnostic de la contamination en produits phytosanitaires présents dans les milieux aquatiques continentaux, les gestionnaires des eaux s'appuient essentiellement sur une stratégie d'analyse chimique via une stratégie d'échantillonnage ponctuel. Mais cette méthodologie souffre d'un manque de représentativité temporelle et ne rend pas compte des effets biologiques induits par les pollutions.C'est ainsi que face à un besoin de compréhension de l'évolution spatio-temporelle et de l'impact de la contamination des milieux aquatiques, les gestionnaires se montrent aujourd'hui intéressés par les différents outils intégratifs chimiques (échantillonneurs passifs) ou biologiques (encagement de gammares, étude des communautés microbiennes) développés ces dernières années par les laboratoires de recherche, et notamment par Irstea. S'appuyant sur une convention ONEMA - Irstea, financé par le programme d'action national Ecophyto (Axe 3 Volet 4 : « Recherches sur les impacts sanitaires et environnementaux de l'utilisation des pesticides »), le projet « Développement d'outils et d'indicateurs pour mieux évaluer la chaîne pressions-impacts des pesticides sur les eaux de surface » vise notamment à évaluer ces nouveaux outils, leur complémentarité, leur opérationnalité et leur disponibilité pour les gestionnaires. A terme, ce projet ambitionne de développer un guide de mise en ½uvre de ces outils de suivi in situ pour l'appui au diagnostic de l'état et de l'impact de la contamination des eaux par les produits phytosanitaires ou à l'orientation et l'évaluation des actions correctives.Pour affiner ou consolider les méthodologies d'utilisation et d'interprétation des réponses de ces outils des applications in situ sont nécessaires. C'est dans ce cadre qu'une campagne de déploiement de ces outils a été réalisée en juin 2014 sur deux bassins versants choisis comme cas d'étude de typologie de contamination contrastée. - Le premier bassin versant choisi est celui de l'Ardières, situé dans le Beaujolais viticole, et soumis à une pression forte en produits phytosanitaires, a priori essentiellement des fongicides et insecticides. Trois points de suivi ont été sélectionnés sur la rivière, de l'amont dénué de vignes, vers l'aval de plus en plus occupé par les parcelles viticoles.- Le second bassin versant étudié est celui de la Coise, situé dans les Monts du Lyonnais, où l'élevage intensif bovin et la polyculture sont prédominants. Durant la période du mois de juin, le bassin est notamment soumis à une contamination en herbicides liée à la culture du maïs. Trois sites de suivi ont également été sélectionnés : un point sur la rivière de la Coise, et deux points sur deux affluents de celle-ci, caractérisés par des intensités d'usages agricoles différenciées.Sur ces sites d'études, 49 pesticides (28 herbicides, 9 fongicides et 12 insecticides) ont été recherchés par 2 échantillonneurs passifs distincts : la passive-SBSE (Stir Bar Sorptive Extraction) échantillonnant des molécules hydrophobes à moyennement hydrophiles et le POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) échantillonnant une majorité de molécules hydrophiles. Ces échantillonneurs placés dans le milieu réalisent un échantillonnage en continu, et améliorent ainsi la représentativité de la qualité moyenne du milieu en permettant d'obtenir une concentration intégrée sur le temps d'exposition du capteur.Parallèlement, l'utilisation de bio-indicateurs a consisté i) d'une part dans le déploiement de gammares encagés (stratégie de monitoring actif) avec l'inhibition de l'acétylcholinestérase et le taux d'alimentation comme marqueurs étudiés car sensibles aux phytosanitaires, et ii) d'autre part dans l'étude des réponses des communautés autochtones (monitoring passif) à la présence de toxiques via la mesure de leur impact sur les communautés microbiennes et de macroinvertébrés (mesure de la dégradation de litières végétales), ainsi que sur les biofilms phototrophes péryphitiques (tests de toxicité aiguë basé sur l'approche PICT, « Pollution Induced Community Tolerance »).Le déploiement des échantillonneurs passifs a permis de caractériser le type de contamination des deux bassins versants et d'identifier des pressions différenciées suivant les sites. Sur l'Ardières un gradient de concentrations d'amont en aval en fongicides et insecticides a été mis en évidence à mesure que la surface en vignes augmente, traduisant bien la géographie et le contexte agricole du bassin. Sur le bassin versant de la Coise, une contamination en herbicides maïs est observée, avec des concentrations distinctes suivant les sous-bassins versants, en cohérence avec l'occupation du sol et la taille des bassins versants amont.Par ailleurs, les échantillonneurs passifs ont intégré des pics de contamination fugaces directement liés à des épisodes de crue, mettant en avant la présence de certaines molécules souvent mal échantillonnées par prélèvement ponctuel (par exemple l'acétochlore sur la Coise, des insecticides organo-phosphorés sur l'Ardières). Les bio-indicateurs ont permis de caractériser l'impact toxique de ces contaminations contrastées dans le temps et entre les deux bassins. Ainsi sur l'Ardières une diminution progressive de la biomasse fongique d'amont en aval est observée à mesure que les concentrations en fongicides augmentent. En aval, où les concentrations d'insecticides organo-phosphorés sont importantes, une forte inhibition de l'acétylcholinestérase chez des gammares encagés est observée. Les taux d'alimentation des gammares encagés et des communautés de macro-invertébrés autochtones démontrent une forte toxicité en aval de la rivière. Sur la Coise, l'inhibition alimentaire observée sur les gammares encagés a démontré des impacts biologiques variables dans le temps et dans l'espace sur le bassin, en rapport avec la caractérisation de la contamination réalisée grâce aux échantillonneurs passifs ; des tests de toxicité aiguë réalisés sur le biofilm phototrophe ont également montré une augmentation de tolérance vis-à-vis de l'acétochlore révélant une adaptation in situ des communautés péryphitiques à cette molécule (ou à d'autres herbicides présentant le même mode d'action), et prouvant ainsi un effet sur les communautés algales naturelles dans le milieu.Ces premiers résultats mettent en exergue la grande cohérence des réponses des différents outils, leurs apports spécifiques en complément des échantillonnages ponctuels et leur capacité à rendre compte de variations spatiales ou temporelles de la contamination (en nature de substances et en niveau de concentration). Ces essais seront consolidés sur les mêmes sites en 2015 et complétés par la mise en ½uvre des outils sur un nouveau bassin versant à dominante grandes cultures (bassin du Charlet au sud de Clermont Ferrand)

Mise en application et évaluation d’outils intégratifs chimiques et biologiques pour mesurer l’impact des produits phytosanitaires sur les cours d’eau

Cette étude présente les résultats de la mise en ½uvre d’outils intégratifs d’évaluation in situ de la contamination de l’eau en pesticides et de ses effets biologiques au sein de rivières sur trois bassins versants agricoles aux contextes agro-pédo-climatiques différenciés. L’objectif majeur poursuivi est de mieux cerner les intérêts et les limites de ces outils pour évaluer l’impact des pratiques phytosanitaires sur les cours d’eau, mais également de mettre en avant l’intérêt d’une approche combinée (complémentarité des réponses). Une forte composante méthodologique a été développée afin de cerner au mieux les conditions et contraintes de mise en ½uvre de chaque outil pour répondre au mieux aux questions posées. Dans le cadre de cette étude, les outils ont plus particulièrement été testés sous l’angle de leur capacité à améliorer les diagnostics d’impact sur le terrain de la contamination des eaux de surface par les pesticides et à rendre compte d’évolutions de cette contamination. Les échantillonneurs passifs, en fournissant une concentration intégrée sur la durée de leur immersion, livrent une information plus représentative de la qualité moyenne du milieu vis-à-vis des substances phytosanitaires que l’échantillonnage ponctuel et améliorent donc l’interprétation des résultats en termes d’évolution spatiale ou temporelle de la contamination, en lien avec l’évolution des pratiques agricoles. Les outils biologiques (gammares encagés, étude des communautés microbiennes autochtones) renseignent plus largement sur les effets toxiques des substances en présence sur les organismes aquatiques. Les suivis réalisés ont prouvé l’aptitude de ces outils chimiques et biologiques à discriminer des typologies de pression différentes (contextes polyculture/viticulture), à rendre compte de la variabilité spatiale (gradient amont/aval, hiérarchisation de sous-bassins versants) et temporelle (effet des crues) de la contamination par les pesticides. De plus, les outils biologiques déployés ont permis de conforter ou de nuancer le suivi chimique apportant ainsi des éléments de diagnostic importants quant à l’estimation d’impacts globaux ou plus spécifiques aux pesticides sur la qualité biologique des milieux aquatiques. L’intérêt d’envisager leur utilisation pour améliorer les diagnostics de la contamination et évaluer l’efficacité de plans d’action est mis en avant. Cette synthèse sera complétée d’un fascicule rassemblant les éléments clés identifiés pour faciliter l’utilisation de ces outils et l’interprétation de leurs résultats pour une gamme de questions opérationnelles.

Outils intégratifs pour évaluer l'impact des pratiques phytosanitaires sur les cours d'eau

In june 2014, various integrative tools were applied and tested in rivers of differentiated agricultural catchments to evaluate their interest and limits to assess the impact of agricultural practices on surface water contamination by pesticides. In fact, these tools can relieve deficiencies of grab sampling which is classically used in the monitoring networks established to answer the WFD requirements. Especially, passive samplers can provide a more representative information due to their integrative measurement over the duration of the sampler's immersion. Biomonitoring tools (caged gammarids, study of native microbial communities) can inform on the global effect of contaminants. The results of their combined implementation show the high coherence of chemical and biological tools responses. Especially, they were able to reflect the spatial (gradient up to downstream) and temporal variability (flood event) of the contamination by pesticides and to highlight existing biological impacts which was consistent with the agro-pedo-climatical context of each studied catchment. Their sensitivity, reactivity and integration capacity make these tools relevant and promising to better assess agricultural pesticide impact on surface water in addition to grab sampling.Durant le mois de juin 2014 des outils intégratifs d'évaluation in-situ de la contamination de l'eau en pesticides et de ses effets biologiques ont été déployés et testés dans des rivières de bassins versants agricoles aux contextes agro-pédo-climatiques différenciés, afin de mieux cerner leurs intérêts et limites pour évaluer l'impact des pratiques phytosanitaires sur les cours d'eau. Dans ce sens, ces outils permettent de pallier certaines limites de l'échantillonnage ponctuel plus classiquement réalisé dans le cadre des réseaux de surveillance de la qualité chimique et écologique des masses d'eau. En particulier, les échantillonneurs passifs, en fournissant une concentration intégrée sur la durée de leur immersion, livrent une information plus représentative de la qualité moyenne du milieu vis-à-vis des substances phytosanitaires et améliorent donc l'interprétation des résultats en termes d'évolution spatiale ou temporelle de la contamination, en lien avec l'évolution des pratiques agricoles. Les outils biologiques (gammares encagés, étude des communautés microbiennes autochtones) renseignent plus largement sur les effets toxiques des substances en présence sur les organismes aquatiques. Les suivis réalisés ont prouvé l'aptitude de ces outils chimiques et biologiques à discriminer des typologies de pression différentes (contextes polyculture/viticulture), à rendre compte de la variabilité spatiale (gradient amont/aval, hiérarchisation de sous-bassins versants) et temporelle (effet des crues) de la contamination par les pesticides. De plus, les outils biologiques déployés ont permis de conforter ou de nuancer le suivi chimique apportant ainsi des éléments de diagnostic importants quant à l'estimation d'impacts globaux ou plus spécifiques aux pesticides sur la qualité biologique des milieux aquatiques. L'intérêt d'envisager leur utilisation pour améliorer les diagnostics de la contamination et évaluer l'efficacité de plans d'action est mis en avant

Surface water linkages regulate trophic interactions in a groundwater food web

Groundwaters are increasingly viewed as resource- limited ecosystems in which fluxes of dissolved organic carbon (DOC) from surface water are effi- ciently mineralized by a consortium of microorgan- isms which are grazed by invertebrates. We tested for the effect of groundwater recharge on resource supply and trophic interactions by measuring phys- ico-chemistry, microbial activity and biomass, structure of bacterial communities and invertebrate density at three sites intensively recharged with surface water. Comparison of measurements made in recharge and control well clusters at each site showed that groundwater recharge significantly increased fluxes of DOC and phosphate, elevated groundwater temperature, and diminished dissolved oxygen (DO). Microbial biomass and activity were significantly higher in recharge well clusters but stimulation of autochthonous microorganisms was not associated with a major shift in bacterial community structure. Invertebrate assemblages were not significantly more abundant in recharge well clusters and did not show any relationship with microbial biomass and activity. Microbial communities were bottom-up regulated by DOC and nutrient fluxes but trophic interactions between microorganisms and invertebrates were apparently limited by environmental stresses, particularly DO depletion and groundwater warming. Hydrological connectivity is a key factor regulating the function of DOC-based groundwater food webs as it influ- ences both resource availability for microorganisms and environmental stresses which affect energy transfer to invertebrates and top-down control on microorganisms