Modelling paralytic shellfish toxins (PST) accumulation in Crassostrea gigas by using Dynamic Energy Budgets (DEB)

As other filter-feeders, Crassostrea gigas can concentrate paralytic shellfish toxins (PST) by consuming dinoflagellate phytoplankton species like Alexandrium minutum. Intake of PST in oyster tissues mainly results from feeding processes, i.e. clearance rate, pre-ingestive sorting and ingestion that are directly influenced by environmental conditions (trophic sources, temperature). This study aimed to develop a mechanistic model coupling the kinetics of PST accumulation and bioenergetics in C. gigas based on Dynamic Energy Budget (DEB) theory. For the first time, the Synthesizing Units (SU) concept was applied to formalize the feeding preference of oysters between non-toxic and toxic microalgae. Toxin intake and accumulation were both dependent on the physiological status of oysters. The accumulation was modelled through the dynamics of two toxin compartments: (1) a compartment of ingested but non-assimilated toxins, with labile toxins within the digestive gland eliminated via faeces production; (2) a compartment of assimilated toxins with a rapid detoxification rate (within a few days). Firstly, the DEB-PST model was calibrated using data from two laboratory experiments where oysters have been exposed to A. minutum. Secondly, it was validated using data from another laboratory experiment and from three field surveys carried out in the Bay of Brest (France) from 2012 to 2014. To account for the variability in PST content of A. minutum cells, the saxitoxin (STX) amount per energy units in a toxic algae (ρPST) was adjusted for each dataset. Additionally, the effects of PST on the oyster bioenergetics were calibrated during the first laboratory experiment. However, these effects were shown to depend on the strain of A. minutum. Results of this study could be of great importance for monitoring agencies and decision makers to identify risky conditions (e.g. production areas, seawater temperature), to properly assess detoxification step (e.g. duration, modalities) before any commercialization or to improve predictions regarding closing of shellfish areas

Modélisation basée sur la théorie des budgets d'énergie dynamique de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes par l'huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend.L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières

Modélisation basée sur la théorie des budgets d'énergie dynamique de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes par l'huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend.L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières

Modélisation basée sur la théorie des budgets d'énergie dynamique de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes par l'huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend.L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières

Modélisation basée sur la théorie des budgets d'énergie dynamique de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes par l'huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend.L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières

Modélisation basée sur la théorie des budgets d’énergie dynamiques (DEB) de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes (PST) par l’huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites, xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phyco- toxins while feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfish toxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed dur- ing HAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulation and detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEB model lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition) and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed. Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individual variability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1) toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validate a mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilated toxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend. L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de micro-algues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières.

Modélisation basée sur la théorie des budgets d'énergie dynamique de la cinétique de bioaccumulation des toxines paralysantes par l'huître creuse Crassostrea gigas

The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend.L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières

Modeling based on dynamic energy budget theory (DEB) of the kinetic of paralytic shellfish toxins (PST) bioaccumulation in the Pacific oyster Crassostrea gigas

L’huître creuse Crassostrea gigas est l’un des mollusques les plus commercialisé au monde. Cette espèce cosmopolite doit faire face à de nombreux agents pathogènes (bactéries, virus), parasites, xénobiotiques, et/ou micro-algues toxiques. En tant que bivalve filtreur, elle peut accumuler de fortes charges de phycotoxines, dont les toxines paralysantes (PST), lorsqu’elle est exposée à des blooms de microalgues toxiques (HAB). Pour protéger la santé humaine, des interdictions de vente de coquillages sont déclarées lorsque ceux-ci sont contaminés en PST, impactant ainsi le secteur ostréicole. Ce travail de thèse a pour but de développer un modèle basé sur la théorie des Budgets d’Energie Dynamiques (DEB) décrivant la cinétique d’intoxication et de détoxication des PST chez C. gigas. Le couplage d’un modèle de bioaccumulation avec un modèle DEB permet de prendre en compte certaines variables physiologiques de l’huître et les conditions environnementales pour simuler avec précision la dynamique d’accumulation des PST. Deux expériences consistant à exposer C. gigas au dinoflagellé toxique Alexandrium minutum ont été réalisées. La consommation de toxines a été calibrée dans une première expérience à court terme où le taux de filtration et l’efficacité d’assimilation ont été mesurés individuellement durant une phase d’exposition à des micro-algues non-toxiques puis toxiques. Les taux de respiration et le rythme cardiaque ont également été mesurés. En identifiant trois phénotypes distincts ayant des potentiels d’accumulation différents, cette étude amène de nouvelles connaissances concernant l’importante variabilité inter-individuelle dans l’accumulation de PST observée chez C. gigas. Ensuite, une expérience à moyen terme a été menée où des naissains ont été exposés à un mélange de micro-algues toxiques et non-toxiques. Différentes conditions ont été mises en place pour calibrer (1) le processus d’élimination de toxines, (2) les effets des PST sur la bioénergétique de l’huître, et (3) valider une fonction permettant de traiter de la sélection alimentaire. Un modèle DEB simulant l’évolution de la concentration en PST basé sur deux compartiments (toxines non assimilées et assimilées) a ainsi été proposé et validé en utilisant des jeux de données obtenus en laboratoire et sur le terrain. Dans une dernière partie, le modèle a été utilisé pour étudier les différences d’accumulation entre les huîtres diploïdes et triploïdes selon leur masse, leur âge et leur stade de gamétogenèse. Les résultats obtenus tendent à montrer que les triploïdes accumulent plus que les diploïdes, excepté après la ponte de ces dernières.The oyster Crassostrea gigas is one of the most commercialized molluscs in the world. It is a very cosmopolitan species that has been disseminated by humans and is susceptible to various agents such as pathogens (bacteria, viruses), parasites,xenobiotics and/or toxic micro-algae. As a filter-feeder, it may accumulate phycotoxinswhile feeding on harmful algal blooms (HAB), including paralytic shellfishtoxins (PST). To protect human health shellfisheries harvesting are closed duringHAB, impacting the aquaculture industry. This PhD work aims to develop a Dynamic Energy Budget (DEB) based model to describe kinetics of PST accumulationand detoxification in C. gigas. Interest of coupling bio-accumulation to DEBmodel lies in the inclusion of physiological (e.g. body size, tissue composition)and environmental (food quantity and quality) variables to simulate accurately the dynamics of contaminants in marine organisms. Two experiments consisting in exposing C. gigas to the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum were performed.Toxin intake was calibrated in a first short-term experiment where clearance rates and assimilation efficiency were individually measured during an exposure to toxic and non-toxic micro-algae. Metabolic rates (respiration, cardiac activity) were also assessed. This study brings new insights concerning the important inter-individualvariability of PST accumulation reported in C. gigas by identifying three phenotypes characterized by different clearance rates. Then a long-term exposure to a mixture of toxic and non-toxic micro-algae was carried out to calibrate (1)toxin elimination process, (2) PST effects on oyster bioenergetic and (3) validatea mathematical representation of particles selection. A DEB model simulating the evolution of toxin concentration via two compartments (unassimilated and assimilatedtoxins) is proposed which was validated using a laboratory dataset and field surveys. In a last part, the numerical model is then used to investigate the differences in toxification and depuration dynamics between diploid and triploid oysters. Results allowed to confirm hypothesis stating that triploids accumulate generally more than diploids but also showed that spawning could inverse this trend

A DEB model to predict accumulation and detoxification of paralytic shellfish toxins by the Japanese Oyster (Crassostrea gigas)

France being the largest consumer of oysters in Europe, oyster farming is deeply rooted in French heritage. The Japanese oyster (Crassostrea gigas) is the oyster species the most exploited in France, and in the world. Due to filter-feeding, these bivalves are sensitive to toxic algal blooms. Although not always lethal, toxic algae can affect oyster physiology and make it unfit for human consumption. Phytoplankton toxins can be classified in several groups: amnesic, neurotoxic, diarrhetic and paralytic. For the latter group, saxitoxins are synthesized by the microalgae of genus Alexandrium that can accumulate bivalve tissues. In recent years, number of studies have been performed on the interactions between C. gigas and saxitoxins. In order to better understand these interactions, mathematical models have been developed but they did not allowed to describe accurately the kinetics of accumulation and detoxification of paralyzing toxins (PSTs). Models on DEB theory (Dynamic Energy Budget) (Kooijman, 2000) have been widely applied to the study of bivalve bio-energetics. This type of model already allowed to quantify growth and reproduction of C. gigas under different environmental forcing. These models have also been applied to study host-pathogen interactions (Flye-Sainte-Marie et al., 2009) and kinetics of accumulation and detoxification of contaminants (Bodiguel et al., 2009; Echinger et al., 2010). The aim of this PhD work is to develop a model based on DEB theory, that describes the interactions between PSTs and oysters. Indeed, different effects of PSTs contamination on oyster physiology have been shown. For example, paralytic toxins alter the immune response (overproduction and phagocytosis of hemocytes), behavior (modification of valve rhythms, production of pseudo-faeces) or organ integrity (myoatrophy, inflamed gills). In this PhD project, we will focus first on describing the accumulation and detoxification kinetics of PSTs in C. gigas and second on quantifying the effects of PSTs on the physiology of C. gigas

Sources of paralytic shellfish toxin accumulation variability in the Pacific oyster Crassostrea gigas

This study was designed to assess the contribution of feeding behavior to inter-individual variability of paralytic shellfish toxin (PST) accumulation in the Pacific oyster Crassostrea gigas. For this purpose 42 oysters were exposed for 2 days to non-toxic algae and then for 2 other days to the PST producer Alexandrium minutum. Individual clearance rate (CR) of oysters was continuously monitored over the 4 days using an ecophysiological measurement system. Comparison of CR values when exposed to toxic and non toxic algae allowed to estimate a clearance rate inhibition index (CRII). Toxin concentration of oysters was quantified at the end of the experiment. These data allowed to estimate the toxin accumulation efficiency (TAE) as the ratio of toxin accumulated on toxin consumed. Changes of clearance rate during the experiment indicated that all individuals stopped feeding immediately after being exposed to A. minutum for at least 7 h. This fast response likely corresponded to a behavioral mechanism of avoidance rather to a toxin-induced response. Individuals also showed high inter-variability in their recovery of filtration after this period. Most of the inter-individual variability (78%) in PST accumulation in C. gigas could be explained by the consumption of A. minutum cells, thus emphasizing the importance of the feeding behavior in accumulation. Based on the toxin concentration in their tissues, oysters were clustered in 3 groups showing contrasted patterns of PST accumulation: the high accumulation group was characterized by high feeding rates both on non-toxic and toxic diet and subsequently a low CRII and high TAE. Inversely, the low accumulation group was characterized by low filtration rates, high CRII and low TAE. Both filtration capacity and sensitivity of oysters to toxins may account for the differences in their accumulation. The contribution of TAE in PST accumulation is discussed and might result from differences in assimilation and detoxification abilities among individuals