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Étude des facteurs contrôlant la présence de l’algue Didymosphenia geminata et des impacts de sa présence sur le saumon atlantique juvénile.

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Gillis, Carole-Anne (2018). Étude des facteurs contrôlant la présence de l’algue Didymosphenia geminata et des impacts de sa présence sur le saumon atlantique juvénile. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 199 p.

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Résumé

L’algue Didymosphenia geminata est une diatomée à potentiel envahissant. Cette algue microscopique, attachée au substrat, peut sécréter des quantités phénoménales de mucilage et créer de vaste amas fibreux tapissant le lit d’une rivière. Autrefois considérée très rare et représentative d’une qualité d’eau impeccable, elle est maintenant répertoriée omniprésente dans les rivières oligotrophes à travers le monde. Au cours des deux dernières décennies, son émergence a créé un intérêt marqué de la part des écologistes et gestionnaires de rivières puisque sa biologie et les facteurs régissant son occurrence et sa sévérité sont méconnus. Au Québec, c’est à l’été 2006 que les premières proliférations massives de l’algue didymo ont été observées dans la rivière Matapédia. Le manque de connaissances à son égard, plus précisément sur sa distribution, les causes de l’apparition des proliférations et de l’impact négatif possible de cet envahissement sur le réseau trophique mais surtout sur le cycle de vie du saumon atlantique en rivière a créé un état de panique chez les gestionnaires et les utilisateurs des rivières à saumon. Il existait dès lors un urgent besoin de combler ces lacunes. Afin de mieux comprendre les facteurs régissant tant la croissance cellulaire que la croissance des amas mucilagineux, un modèle conceptuel a été élaboré grâce à la collaboration de plusieurs chercheurs travaillant au Colorado, à l’île de Vancouver, en Nouvelle-Zélande et au Québec afin de colliger les observations et les données de terrain. Ce travail de synthèse a permis d’identifier les facteurs favorisant sa colonisation, sa croissance et sa persistance en rivière. La dynamique spatio-temporelle de l’algue didymo est dépendante de divers facteurs (ou conditions environnementales) dont les seuils critiques déterminent son comportement de prolifération. En rivière, la croissance d’algues benthiques est principalement déterminée par les variations saisonnières du débit, la température, la lumière et la chimie de l’eau. Ainsi, la connaissance des paramètres d’habitats favorables permet de déterminer si un bassin versant est favorable à la présence cellulaire de l’algue didymo et à la probabilité que celle-ci puisse y proliférer. Le modèle conceptuel permet d’établir la variabilité et la sévérité saisonnière du comportement envahissant de l’algue didymo en rivière. Afin d’appliquer le modèle conceptuel développé à l’échelle du bassin versant, nous avons mis sur pied un réseau de suivi volontaire des proliférations d’algue didymo dans le bassin versant de la rivière Restigouche. Vingt-deux organisations différentes totalisant 70 bénévoles ont été formés à identifier et quantifier les proliférations d’algue didymo. Entre 2010 et 2015, 1 228 observations ont été réalisées. L’analyse de cette base de données, nous a permis de déterminer que 71% de la variabilité de la sévérité des proliférations durant l’été est inversement proportionnelle à l’intensité de la crue printanière. À l’échelle du tronçon, l’analyse des proliférations pour différents types de faciès-substrat a permis de d’identifier une préférence accrue pour les seuils. Par la suite, afin d’appliquer le modèle conceptuel à l’échelle régionale, nous avons comparé la distribution de l’algue didymo dans trois régions de l’est du Québec (i.e. Gaspésie, Bas-St-Laurent et Côte-Nord) avec divers paramètres physico-chimiques de vingt-neuf rivières à saumon. Le principal facteur régissant la présence-absence de cellules est le pH. Les diatomées ont des optimums de pH très spécifiques et la géologie contrastante de la Côte-Nord (Bouclier canadien) par rapport aux basses terres du Saint-Laurent et les Appalaches en Gaspésie, a permis d’identifier que les eaux acides riches en tanins et lignines ne sont pas favorables à la survie et la croissance de l’algue didymo. Grâce à une meilleure connaissance des facteurs de contrôle de l’algue didymo à diverses échelles spatiales, nous pouvons déterminer les rivières à risque de proliférations massives. Au sein des rivières exhibant des proliférations, nous avons déterminé que les préférences d’habitat de l’algue didymo sont identiques à celles du saumon atlantique juvénile (i.e. eaux rapides, peu profondes, claires, froides, faible en nutriments avec un substrat grossier). Afin de déterminer l’ampleur de l’impact de la présence des proliférations sur le réseau trophique, nous avons vérifié son impact sur la communauté algale. La structure dense et fibreuse crée un environnement physique dans lequel plusieurs diatomées peuvent s’y loger. Nos résultats confirment que l’algue crée un habitat de choix pour les plus petites diatomées favorisant ainsi une plus grande diversité taxonomique. Malgré une augmentation de la complexité du biofilm suivant son épaississement, il n’y a pas d’impact supplémentaire sur la structure et la diversité taxonomique des échantillons. Puisque la structure de l’habitat est modifiée par les tapis et que ces derniers sont susceptibles d’altérer la structure et le fonctionnement de l’écosystème, nous avons évalué l’effet des proliférations sur le comportement alimentaire des saumons juvéniles. Grâce à l’observation en apnée du comportement, nous pouvons conclure que les saumons juvéniles effectuent une plus grande proportion de quêtes benthiques en fonction du pourcentage de recouvrement algal. Ce changement de comportement n’est pas attribuable à une diminution des proies disponibles au sein de la dérive. Notre étude confirme la grande plasticité comportementale des saumons juvéniles face aux modifications de l’habitat. Afin de vérifier l’impact des proliférations sur les ressources alimentaires et la diète des saumons juvéniles, nous avons utilisé l’approche par analyse d’isotopes stables. Cette approche permet d’établir un portrait intégré de l’utilisation des ressources par les poissons. Les signatures isotopiques divergentes entre les différents tissus des saumons confirment une modification de la diète saisonnière. Les saumons juvéniles en présence de l’algue didymo ont une diète moins diversifiée et appauvrie en carbone principalement composée de petits chironomides et de trichoptères. Malgré que l’indice de condition physique des saumons juvéniles soit similaire entre les deux sites, leur taille est plus petite dans le site avec proliférations. Les travaux futurs devront tenter de valider l’impact de la diminution de la qualité de la diète par les proliférations d’algue didymo sur le contenu en lipides des juvéniles. Suite aux diverses collaborations internationales et discussions avec les gestionnaires, nous nous sommes rendus à l’évidence qu’il devait y avoir une recommandation sur les mesures de gestion vis-à-vis cette espèce. En fonction des connaissances scientifiques développées au fil des ans et plusieurs cas de gestion dans divers pays, nous avons recommandé aux gestionnaires d’éduquer les utilisateurs à vérifier, nettoyer, sécher et congeler leurs équipements. Que l’algue didymo soit une espèce exotique ou indigène, elle peut être propagée. De plus, la mise en valeur des saines pratiques permettent de limiter la propagation d’autres organismes pouvant potentiellement être plus dévastateurs que l’algue didymo. Les résultats de cette thèse contribuent à l’avancement des connaissances sur les facteurs de contrôle de l’algue didymo tant à l’échelle microscopique que macroscopique. En plus d’avoir contribué à élaborer le modèle conceptuel, nous l’avons amélioré en l’appliquant à diverses échelles spatiales : à l’échelle du tronçon et du bassin versant ainsi qu’à l’échelle régionale. C’est d’ailleurs la première étude à élaborer un réseau de suivi des proliférations par l’implication des acteurs du milieu ainsi qu’une des seules études à avoir examiné la variabilité interannuelle sur une période de six ans. C’est également la première étude à avoir évalué l’impact de l’algue didymo sur les communautés périphytiques dans l’est du Canada. De surcroît, c’est la première étude exhaustive qui a évalué l’effet des proliférations sur l’écologie du saumon atlantique juvénile. Les recherches menées sur le comportement alimentaire est également novateur et contribue considérablement à la compréhension des mécanismes et les interactions entre les divers niveaux trophiques et l’impact sur les salmonidés.

Abstract

Didymosphenia geminata is mat-forming nuisance diatom. This epilithic microscopic alga can secrete copious amounts of mucilage creating thick and extensive mats covering the entire riverbed. Once considered very rare and representative of pristine water quality, it is now ubiquitous in rivers around the world. Over the past two decades, this alga has emerged as a nuisance diatom and generated much interest among freshwater ecologists and river managers alike. Nonetheless, controlling factors governing the occurrence and severity of D. geminata are still not well understood. In Quebec, the first massive proliferations of D. geminata were reported in 2006 in the Matapedia River. There was an urgency to fill this knowledge gap as managers and government agencies panicked at the lack of knowledge regarding its distribution, the causes of its onset and mostly, fear of that this alga would act as an additional stressor to Atlantic salmon populations. To better understand controlling factors of both cell division and mat formation, a conceptual model was developed with the collaboration of several researchers working in Colorado, Vancouver Island, New Zealand and Quebec to collate observations and field data. This synthesis work helped identify the factors favoring its colonization, growth and persistence in rivers. The spatiotemporal dynamics of D. geminata are dependent on various dynamic thresholds of flow, temperature, light and water chemistry within the habitat window. We can therefore test various arrays of these parameters to determine whether rivers are likely to present occasional to persistent D. geminata mats. To test and improve upon the conceptual model at various spatial scales, we developed a monitoring network for D. geminata mat presence. Twenty-two different organizations totaling 70 volunteers were trained to identify and quantify the proliferations of D. geminata. Between 2010 and 2015, 1 228 observations were made. The analysis of this database helped determine that 71% of the variability of D. geminata severity is inversely proportional to the intensity of the spring flood. At the reach scale, habitat type was determinant for presence-absence of mats with a strong significant preference for riffles. At the provincial scale, we compared the distribution of D. geminata in three regions of eastern Quebec (i.e. Gaspesie, Bas-St-Laurent and Cote-Nord) against numerous water chemistry parameters for twentynine rivers. At the broad regional scale, pH was the most important factor governing the presence-absence of cells. Diatoms have very specific pH optima and the contrasting geologies between regions confirmed that low pH and high tannins and lignin are not favorable to the survival and growth of D. geminata. Habitat preferences for D. geminata mats are identical to those of juvenile Atlantic salmon (i.e. shallow, fast, clear, cool, low nutrient and coarse substrate). To determine the extent of the impact of the presence of mats on the food web, we verified its impact on the algal community. The dense interwoven matrix creates a suitable physical environment for small diatoms, thus promoting greater taxonomic diversity. Despite an increase in the complexity of the biofilm with mat accrual, there is no additional impact on the structure and taxonomic diversity of the samples. D. geminata effects to higher trophic levels have been suspected since the structure of the habitat is modified and could alter the structure and functioning of the ecosystem. We studied the foraging behaviour of juvenile Atlantic salmon in contrasting D. geminata severities. With increasing percent cover of the alga, juvenile Atlantic salmon switch from a drift-foray to benthic-foray strategy. This change in behavior is not due to limited drifting prey availability. Our results reinforce the notion that juvenile Atlantic salmon have high behavioral plasticity in response to habitat changes. To test the impact of mats on juvenile salmon diet, we used a stable isotope analysis approach. This approach provides an integrated view of resource use by fish. Contrasting isotopic signatures between the liver and muscle tissues confirm a change in the seasonal diet. Juvenile salmon sampled in the D. geminata impacted site have a less diversified and carbon-depleted diet composed mainly of small chironomids and Trichoptera. Juvenile salmon condition factors and C:N ratios were not different between sites, though their size is smaller in the impacted site. Future work should focus on the effects of reduced prey quality on lipid content of fish. Over various international collaborations and discussions with managers, it became clear that there was a need for a clear and standardized recommendation on management measures for this nuisance species. Based on recent scientific knowledge and several management cases in various countries, we recommended that managers educate users to check, clean, dry and freeze their equipment. Regardless of whether D. geminata is an exotic or native species, it can be spread. In addition, the development of best practices limits the spread of aquatic organisms as others may be far more devastating than D. geminata. The results of this thesis contribute to the advancement of knowledge on the controlling factors of D. geminata for both cells and mats. In addition to contributing to the development of the conceptual model, we have tested and improved it by applying it to a variety of spatial scales: at the reach, watershed and regional scales. This is the first study to develop a monitoring network for mat severity with the involvement of local stakeholders. It is also the first study to evaluate the impact of D. geminata on periphytic communities in eastern Canada. Moreover, it is the first comprehensive study that has evaluated the effect D. geminata mats on juvenile Atlantic salmon ecology. Research on foraging behavior is also innovative and contributes significantly to the understanding of the mechanisms and interactions by which D. geminata impacts various trophic levels and salmonids.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Bergeron, Normand
Mots-clés libres: Didymosphenia geminata; diatomée; rivères à saumon; saumon atlantique; algues
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 03 juill. 2018 13:14
Dernière modification: 03 juill. 2018 13:14
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7117

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