Published June 17, 2021 | Version v1
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Use of different sources of organic matter by macroinvertebrates from headwater streams: Natural and semi-experimental approach combining stable isotopes and trophic transfers of fatty acids and sterols

Description

In headwater streams, macroinvertebrates play an essential role in the flow of matter and energy from basal organic sources to the upper trophic level (fish fauna). Macroinvertebrates development depends on a limited number of basal sources from allochthonous leaf litter to autochthonous primary production (benthic microalgae and bryophytes). The riparian forest and tree cover of these small streams produce a substantial input of allochthonous detrital carbon, which is regarded as the basis for ecosystem functioning according to the RCC (river continuum concept). However, the concept outlined by the RPM (riverine productivity model) and recent studies tend to emphasise the importance of autochthonous primary production and particularly that of diatoms, which appear to be able to sustain secondary production thanks to its nutritional quality that is clearly higher than that of detrital material. In this context, the aim of this phd-thesis was to study the trophic relationships between the main basal sources and a selection of macroinvertebrates typical of headwater streams. The focus was on the importance of primary producers and benthic microalgae, in the trophic functioning of these environments, in particular by providing essential molecules (polyunsaturated fatty acids and sterols). First, in a mesocosm experiment, we studied the use of available organic resources by the scraper, Rhithrogena semicolorata and the shredder, Gammarus pulex, in the presence or absence of autotrophic biofilms. By using an approach based on stable isotopes analysis (13C and 15N) of bulks, fatty acids and sterols, we demonstrated that microalgae (diatoms) were assimilated by both species and their ingestion was essential to Rhithrogena semicolorata in relation to the supply of essential fatty acids (20:5ω3 and 20:4ω6). For Gammarus pulex, the feeding on microalgae was not essential when leaf litter was not recalcitrant but promoted a higher somatic growth. In a second time, a seasonal monitoring was undertaken on a mid-mountain forested stream (Massif Central, France). In early spring, using a Bayesian mixture model (SIAR), we observed that most of the energy assimilated by nine macroinvertebrate taxa (of different trophic guilds) originated from epilithic biofilms, bryophytes and fine benthic detritus particles. Using stable carbon isotope signatures of fatty acids (CSIA, C13FA), we showed that current fatty acids (16:0, 18:1ω9, 18:2ω6 and 18:3ω3) were supplied in proportion to the different organic sources assimilated by invertebrates. In contrast, the essential fatty acids (20:4ω6 and 20:5ω3) were derived from autochthonous sources and obtained through different feeding strategies, such as omnivory. The follow-up during summer and autumn, but on a smaller number of macroinvertebrate taxa (five), confirmed the observations from the spring. Epilithic and epixylous biofilms were still the source of essential fatty acids and notably 20:4ω6 and 20:5ω3 assimilated by the different macroinvertebrate taxa, irrespective of their usual trophic guild. Furthermore, we demonstrated that although bryophytes and fine detrital particles were significant food sources, the recalcitrant leaf litter from the adjacent beech forest was little assimilated by macroinvertebrate shredders. Lastly, the analysis of sterol transfer, both under natural conditions and during the mesocosm experiment, suggested that no nutritional constraints linked to these compounds occurred among all the macroinvertebrate species analysed. (author)

Abstract (French)

Dans les cours d'eau de tete de bassin versant, les macroinvertebres exercent une fonction essentielle dans les flux de matieres et d'energie allant des sources organiques basales au maillon trophique superieur que constitue la faune piscicole. Leur developpement depend d'un nombre restreint de sources organiques d'origine allochtone (litiere de feuilles) ou autochtone (microalgues benthiques et bryophytes). L'environnement forestier et les ripisylves arborees de ces petits cours d'eau engendrent un apport preponderant de carbone detritique allochtone habituellement considere comme etant la base du fonctionnement de l'ecosysteme selon le RCC (river continuum concept). Cependant, le concept decrit par le RPM (riverine productivity model) et des etudes recentes mettent en avant l'importance de la production primaire autochtone et en particulier celle des diatomees, qui paraissent apte a soutenir la production secondaire grace a une qualite nutritionnelle nettement superieure a celle du materiel detritique. Dans ce contexte, ce travail de these avait pour objectif d'etudier les relations trophiques qui s'etablissent entre les principales sources basales et une selection de macroinvertebres infeodes aux cours d'eau de tete de bassin versant. L'accent a ete mis sur l'importance que pouvait representer les producteurs primaires et plus particulierement les microalgues benthiques dans le fonctionnement trophique de ces milieux, en assurant notamment la couverture en molecules essentielles (acides gras polyinsatures et sterols). Dans un premier temps, au cours d'une experimentation menee en mesocosmes, nous avons etudie chez le racleur, Rhithrogena semicolorata et le broyeur, Gammarus pulex, l'utilisation des ressources organiques disponibles en presence ou pas de biofilms autotrophes. Grace a une approche reposant sur les isotopes stables (13C et 15N) des organismes, des acides gras et des sterols, nous avons pu demontrer que les microalgues (diatomees) etaient assimilees par les deux especes et leur consommation avait un caractere essentiel chez Rhithrogena semicolorata en lien avec l'apport en acides gras essentiels (20:5ω3 et 20:4ω6). Dans le cas de Gammarus pulex, la consommation de microalgues etait non-essentielle en presence de litiere de feuilles peu recalcitrantes, mais favorisait la croissance somatique. Dans un second temps, un suivi saisonnier a ete entrepris sur un ruisseau forestier de moyenne montagne (Massif Central). Au debut du printemps, grace a un modele de melange bayesien (SIAR) nous avons mis en evidence que l'essentiel de l'energie recu par neuf taxons de macroinvertebres (de guilde trophique differente) provenait majoritairement des biofilms epilithiques, des bryophytes et de fines particules detritiques benthiques. L'utilisation des signatures isotopique du carbone des acides gras (AICS, C13AG), a permis de montrer que les acides gras courants (16:0, 18:1ω9, 18:2ω6 et 18:3ω3) etaient amenes a proportion des differentes sources organiques assimilees par les invertebres. En revanche, les acides gras essentiels (20:4ω6 et 20:5ω3) provenaient des sources autochtones, obtenus par l'intermediaire de differentes strategies alimentaire, tel que l'omnivorie. La poursuite de ce suivi en ete et en automne, mais sur un nombre plus reduit de macroinvertebres (cinq) est venue confirmer les observations faites au printemps. Les biofilms epilithiques et epixyliques etaient toujours a l'origine des acides gras essentiels et notamment du 20:4ω6 et du 20:5ω3 assimiles par les differents taxons de macroinvertebres, independamment de leur guilde trophique. De plus, il a pu etre demontre que si les bryophytes et les fines particules detritiques constituaient une source d'alimentation non negligeable, les litieres de feuilles recalcitrantes issues de la hetraie environnante etaient peu assimilees par les macroinvertebres broyeurs. Enfin l'etude du transfert des sterols, que ce soit en conditions naturelles ou au cours de l'experience menee en mesocosme nous amene a penser qu'il n'existe pas de reelle contrainte nutritionnelle liee a ces composes vis-a-vis des especes de macroinvertebres analysees. (auteur)

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Original title (French)
Utilisation des differentes sources de matiere organique par les macroinvertebres des cours d'eau de tete de bassin versant: Approches naturelles et semi-experimentales combinant les isotopes stables et les transferts trophiques d'acides gras et sterols

Publishing Information

Imprint Pagination
270 p.
Report number
FRNC-TH--15016

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