Modeling of food web interactions involving transfer of biological and chemical contaminants. Application to Echinococcus multilocularis and trace elements.
Modélisation des interactions trophiques impliquant des transferts de contaminants biologiques et chimiques. Application à Echinococcus multilocularis et aux éléments traces métalliques.
Résumé
Structure and strength of trophic interactions shaping food webs regulate a large part of biomass and energy transfer in ecosystems, but also the transfer of biological and chemical contaminants. The aim of the PhD thesis is to develop models describing the mechanisms of contaminant transmission and using them to study the dynamics of infectious diseases and chemical pollutions, and also the response of trophic networks subject to those contaminations.
The modeling of multi-prey interactions with multi-species functional response (MSFR) in the context of predation of the red fox and the barn owl on populations of small-mammals showed that the changes in prey preferences is a strong property with two components: one in response to frequency-dependent changes in prey populations, and the other in response to the overall density of the entire prey community. This pattern suggests that predators have a good searching image of the prey community and that their choice results from a trade-off between the amount and the accessibility of available preys.
Variations in predation have consequences on the transfer of contaminant in food webs. By integrating MSFR in eco-epidemiological models of the dynamics of the cestode Echinococcus multilocularis (a trophically transmitted parasite: TTP) between the red fox (definitive host) and water and common voles (intermediates hosts), we characterized the mechanism of dilution and amplification of parasite transmission as a function of the biodiversity of intermediate hosts. More specifically, the modeling allowed us to analyze the sensitivity of parameters of the MSFR and of the competences of hosts on the risk of disease outbreaks, as well as revealing mechanisms of density-dependent dilution.
We also studied the responses of trophic chains to chemical contamination (cadmium - Cd) including small mammals at different trophic levels (herbivores, omnivores and insectivores) and a top predator (the barn owl). The integration of both populations and Cd concentrations dynamics in a same model was suitable to analyze shifts in equilibrium stability in predator-prey couples resulting from variations in Cd soil concentration and in prey resources and predator mortality. The study showed that the increase in prey resources and/or the decrease of predator mortality destabilize population, which can be offset by the effect of contaminant on populations. Moreover, the combination of contamination with the increase of prey resources and a median predator mortality rate is likely to lead to bistable zone suitable for sudden regime shift turning the system from predator-prey coexistence to the extinction of predators and the outbreak of prey population.
Following those works, a fourth step of the thesis has been to integrate trophic interactions, parasite dynamics and pollutions effects in order to study the stability of metacommunity (i.e. spatially connected communities) and the risk of disease outbreaks. To do so, we use the theory of random matrices and we introduced new criteria of metacommunity stability and of disease outbreak in metacommunity, both under external pressures. The study showed that external perturbations increase the risk of epidemics, but that those risks could be reduced with the dispersal of individuals (susceptible and infectious) under specific conditions such as, for TTP, a greater number of species than that of connected ecosystems, and a smaller virulence than the contagion rate.
In this way, in a context of planetary increase of anthropogenic pressures on ecosystems, this PhD thesis in modeling provides a set of tools and conceptual developments suitable to analyze quantitatively and qualitatively the transfers and impacts of contaminants in ecosystems.
La structure et l'intensité des interactions ressources-consommateurs qui forment les réseaux trophiques régulent une très grande partie des transferts de biomasse mais aussi de contaminants biologiques et chimiques dans les écosystèmes. L’objectif de la thèse est de développer des modèles permettant d’étudier les mécanismes de transport des contaminants et d’évaluer ainsi d’une part la dynamique des maladies infectieuses et des pollutions chimiques, et d’autre part les réponses des réseaux trophiques soumis à ces contaminations.
La modélisation des interactions trophiques multi-proies (multi-species functional response : MSFR) ajustée à des données de prédation du renard roux et de la chouette effraie sur des communautés de micromammifères a montré que le changement des préférences alimentaires est une propriété importante ayant deux composantes : l'une en réponse au changement des fréquences relatives des proies, et l'autre en réponse au changement de la densité totale de la communauté des proies. Cela suggère que le prédateur a une image d’ensemble de la communauté des proies, et que ses choix résultent d’un compromis entre la quantité et l'accessibilité des proies disponibles.
Les variations de prédation ont des conséquences sur le transfert des contaminants dans les réseaux trophiques. En intégrant les MSFR à la modélisation des dynamiques éco-épidémiologiques du cestode Echinococcus multilocularis (parasite transmis par voie trophique : TTP) entre le renard roux (hôte définitif) et les campagnols des champs et terrestres (hôtes intermédiaires), nous avons identifié et caractérisé les mécanismes de dilution et d’amplification de la transmission du parasite en fonction de la biodiversité des hôtes intermédiaires. Plus particulièrement, la modélisation a permis d’analyser la sensibilité des paramètres des MSFR et des compétences des hôtes sur les risques épidémiques, ainsi que de révéler des mécanismes de dilution densité-dépendants.
Nous avons aussi étudié la réponse à une contamination chimique des chaînes trophiques incluant des micromammifères situés à des niveaux trophiques différents (herbivores, omnivores et insectivores) et un top-prédateur (chouette effraie). Le modèle couplant les dynamiques des populations et des concentrations en cadmium (Cd) dans ces populations a permis de caractériser les changements de stabilité des équilibres (les bifurcations) des couples proies-prédateurs en fonction des concentrations de Cd dans le sol et d’autres stresseurs affectant les ressources des proies ou la mortalité du prédateur. L’étude montre ainsi que l’augmentation des ressources, et/ou une diminution de la mortalité des prédateurs, impliquent une déstabilisation des populations qui peut être contrebalancée par l’effet du contaminant sur les populations. Aussi, la contamination combinée à l’augmentation des ressources des proies et une mortalité moyenne des prédateurs peuvent conduire à des zones de bistabilité propices aux basculements soudains de l’état du système, allant d’une coexistence proies-prédateurs à l’extinction des prédateurs.
À l’issue de ces travaux, une quatrième étape de la thèse a été d’intégrer les interactions trophiques, les dynamiques des parasites et les impacts des pollutions dans des méta-écosystèmes (i.e. avec dispersions d’individus entre écosystèmes). En utilisant la théorie des matrices aléatoires nous avons établi des mesures des risques d’émergence de parasites que nous avons évalués en fonction des perturbations extérieures. L’étude a ainsi montré que ces perturbations augmentent les risques épidémiques, mais que ces risques pouvaient être réduits par la dispersion des individus (sains et infectés) sous certaines conditions qui sont, par exemple pour les TTP, un nombre d’espèces plus grand que le nombre d’écosystèmes connectés, et un taux de virulence plus faible que le taux de contagion.
Ainsi, dans un contexte planétaire d’augmentation des pressions anthropiques sur les écosystèmes, cette thèse de modélisation apporte un ensemble d’outils et de développements conceptuels permettant d’analyser quantitativement et qualitativement les transferts et les impacts des contaminants sur les écosystèmes.