Simulating the impact of cadmium exposure on the elemental composition of gammarid resources | Simulation des conséquences d'une exposition au cadmium sur la composition élémentaire de la ressource gammare | Simulating the impact of cadmium exposure on the elemental composition of gammarid resources: Integrating stoichiometry into the population dynamics of Gammarus fossarum | Simulation des conséquences d'une exposition au cadmium sur la composition élémentaire de la ressource gammare: Intégration de la stoechiométrie dans la dynamique de population de Gammarus fossarum

International audience

anglais. The availability and quality of food resources not only determine the composition and distribution of species within ecosystems but also influence the structure and dynamics of their populations. The freshwater detritivorous amphipod Gammarus fossarum (Charron et al., 2013) is commonly used in aquatic ecology and ecotoxicology due to its ubiquity, abundance, ease of manipulation, and central role in the flow of matter and energy. In addition to its functional role as a key shredder in the breakdown of organic matter (leaves, wood), this species also serves as a food source for numerous predators, acting as a sink for various elements. Therefore, integrating stoichiometry, which provides information on elemental composition (Carbon: C; Nitrogen: N; Phosphorus: P), into the population dynamics of this amphipod is of major interest for understanding ecosystem functioning (trophic networks, biogeochemical cycles).The growth rate hypothesis (GRH, Elser et al., 1996) posits that ribosomal RNA is the primary phosphorus requirement in invertebrates. Since phosphorus plays a crucial role in protein synthesis, which is essential for organism growth, we hypothesize that juveniles should have higher phosphorus content than adults. We analyzed the availability of elemental resources represented by gammarids through a model of the species' population structure and dynamics and estimated the changes induced by chemical stress (such as metal contamination). To achieve this, we relied on the formalism of a size-class-based population matrix model, as described by Coulaud (2014). In parallel, the elemental composition of G. fossarum was estimated for each size class following a field sampling campaign and C/N/P measurements in the laboratory.The acquisition of such stoichiometric data confirmed that juvenile individuals have higher phosphorus content than adults. The population dynamics matrix model was combined with a matrix explicitly describing the differential stoichiometry across size classes, allowing for a better understanding of how the distribution of elemental resources within populations of this species influences their availability to other aquatic organisms. The effects of chemical stress were also integrated into this model using ecotoxicological data from the literature and ad hoc bioassays.Charron, L., Geffard, O., Chaumot, A., Coulaud, R., Quéau, H., Geffard, A., & Dedourge-Geffard, O. (2013). Effect of water quality and confounding factors on digestive enzyme activities in Gammarus fossarum. Environmental Science and Pollution Research, 20(12), 9044 9056. Coulaud, R., Geffard, O., Coquillat, A., Quéau, H., Charles, S., & Chaumot, A. (2014). Ecological Modeling for the Extrapolation of Ecotoxicological Effects Measured during in Situ Assays in Gammarus. Environmental Science & Technology, 48(11), 6428 6436.Elser, J. J., Dobberfuhl, D. R., MacKay, N. A., & Schampel, J. H. (1996). Organism Size, Life History, and N:P Stoichiometry. BioScience, 46(9), 674 684.

français. La disponibilité et la qualité des ressources alimentaires conditionnent non seulement la composition et la répartition des espèces dans les écosystèmes mais également la structure et la dynamique de leurs populations. L’amphipode détritivore d’eau douce Gammarus fossarum (Charron et al., 2013) est couramment utilisée en écologie et en écotoxicologie aquatique en raison de son caractère ubiquiste, de son abondance, de sa facilité de manipulation et de son rôle central dans les flux de matière et d’énergie. En effet, outre son rôle fonctionnel de déchiqueteur essentiel dans la dégradation de la matière organique (feuilles, bois), cette espèce sert également de source de nourriture pour de nombreux prédateurs, représentant ainsi un puit pour différents éléments. Ainsi l’intégration de la stœchiométrie, renseignant sur la composition élémentaire (Carbone : C ; Azote : N ; Phosphore : P) à la dynamique de population de cet amphipode, représente un intérêt majeur dans la compréhension du fonctionnement des écosystèmes (réseaux trophiques, cycles biogéochimiques). L'hypothèse du taux de croissance (GRH, « growth rate hypothesis », Elser et al., 1996) postule que l’ARN ribosomal constitue le principal besoin de phosphore cellulaire chez les invertébrés. Le phosphore jouant ainsi un rôle majeur dans la synthèse des protéines - essentielles pour la croissance des organismes -, nous pouvons ainsi poser l’hypothèse que les juvéniles devraient être plus riches en phosphore que les adultes. Nous avons analysé la disponibilité des ressources élémentaires que représentent les gammares, via une modélisation de la structure et de la dynamique de sa population, et estimé les modifications engendrées par un stress chimique (type contamination métallique). Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le formalisme d’un modèle matriciel de population basé sur des classes de taille, tel que décrit par Coulaud (2014). En parallèle, la composition élémentaire de G. fossarum a été estimée pour chaque classe de taille, suite à une campagne d’échantillonnage sur le terrain et des dosages C/N/P au laboratoire. L’acquisition de telles données stœchiométriques a confirmé que le taux de phosphore des individus juvéniles est supérieur à celui des adultes. Le modèle matriciel de dynamique de population a été combiné avec une matrice explicitant la stœchiométrie différentielle selon les classes, permettant de mieux comprendre comment la répartition des ressources élémentaires au sein des populations de cette espèce influence leur disponibilité pour les autres organismes des cours d'eau. Les effets d’un stress chimique ont également été intégrés à ce modèle à l’aide de données écotoxicologiques de la littérature et de bioessais ad hoc. Charron, L., Geffard, O., Chaumot, A., Coulaud, R., Quéau, H., Geffard, A., & Dedourge-Geffard, O. (2013). Effect of water quality and confounding factors on digestive enzyme activities in Gammarus fossarum. Environmental Science and Pollution Research, 20(12), 9044 9056. Coulaud, R., Geffard, O., Coquillat, A., Quéau, H., Charles, S., & Chaumot, A. (2014). Ecological Modeling for the Extrapolation of Ecotoxicological Effects Measured during in Situ Assays in Gammarus. Environmental Science & Technology, 48(11), 6428 6436.Elser, J. J., Dobberfuhl, D. R., MacKay, N. A., & Schampel, J. H. (1996). Organism Size, Life History, and N:P Stoichiometry. BioScience, 46(9), 674 684.