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Pesticides have enabled humankind to protect its crops from pests, intensifying thus the crop yields to sustain the growing population. However, pesticides often end up in aquatic water bodies, e.g. via field runoff, where they may harm non-target organisms. The environmental concentrations of pesticides are often considered safe for aquatic ecosystems although they might induce sublethal changes in exposed organisms. Moreover, the organisms are generally not dealing with only one pesticide issued from a nearby field but with a complex mixture of various chemical compounds, interacting amongst themselves, and creating a toxic cocktail with unknown and hardly predictable impacts. These compounds, each with different environmental fate, eventually degrade and form more or less toxic and persistent metabolites aggravating the complexity of the mixtures.This dissertation thesis summarizes the state-of-the-art in pesticide mixture toxicity research and is composed of five research articles dealing with sublethal effects of selected pesticides on non-target aquatic species. Vulnerable embryo-larval stages of two model organisms: freshwater zebrafish (Danio rerio) and euryhaline bivalve Pacific oyster (Magallana gigas) were used to assess the sublethal toxicity of especially environmental concentrations (detected in selected European water bodies) of commonly used herbicide S metolachlor with its two metabolites metolachlor oxanilic acid and metolachlor ethanesulfonic acid, insecticide imidacloprid, and fungicide propiconazole, alone and in a mixture. A complementary in situ approach was carried out to evaluate a real impact on early-life stages of the Pacific oyster in Arcachon Bay in France, a final recipient of various substances including pesticides from respective watersheds.First, zebrafish embryo-larval stages were observed to be highly sensitive to environmentally relevant concentrations of propiconazole and to a lesser extent also to imidacloprid. In contrast, S-metolachlor and its metabolites had almost no effect on their development, neurobehavioral functions, or gene expression except for altered genes implicated in the thyroid system. A mixture of these compounds exhibited a concentration addition effect on zebrafish development. These observations imply that the development of freshwater fish may be at risk with current agricultural practice.Second, a study with Pacific oyster embryos and larvae revealed very low toxicity of propiconazole and imidacloprid on their development and locomotion patterns. Few effects caused by these compounds were observed at the molecular level, as well as the effects caused by the mixture. The environmental concentration of the mixture induced developmental malformations in oyster larvae, however, those exposed in situ in Arcachon Bay did not show higher proportions of abnormal larvae suggesting that the water quality of Arcachon Bay is sufficient for oyster development. Nevertheless, oyster larvae exposed in the inner part of Arcachon Bay showed different gene expression levels than larvae from the reference site located near the ocean entrance, which may indicate consequences of a potential long term impact.These results documented that embryo-larval stages of zebrafish and Pacific oysters are relevant tools for the assessment of low concentrations of pesticides and pesticides in a mixture, and that laboratory studies complemented with field research are useful for (eco)toxicity assessment and of high ecological relevance., Les pesticides ont pour rôle de protéger les cultures des espèces nuisibles permettant ainsi d’intensifier le rendement agricole pour nourrir une population toujours en augmentation. Néanmoins, les pesticides se retrouvent souvent dans le réseau aquatique, par exemple via le ruissellement, où ils peuvent nuire aux organismes non-cibles. Les concentrations environnementales des pesticides sont souvent considérées sans risque pour les écosystèmes aquatiques, mais elles peuvent cependant induire des effets sublétaux dans les organismes exposés. De plus, les organismes ne font généralement pas face à un seul pesticide provenant d’un champ voisin, mais à un mélange complexe de différents composés chimiques qui interagissent entre eux pour former un cocktail potentiellement toxique avec des impacts inconnus et difficilement prévisibles. Ces composés, peuvent se dégrader au fil du temps et forment des métabolites plus au moins toxiques et persistants qui aggravent encore la complexité des mélanges.Cette thèse s’intéresse à la toxicité de pesticides seuls, en mélange ou en nanoformulation sur des organismes aquatiques non-cibles. Les stades de vie précoces vulnérables de deux organismes modèles : le poisson zèbre (Danio rerio) d’eau douce et un bivalve euryhalin l’huître creuse (Magallana gigas) ont été utilisés afin d’évaluer les effets sublétauxe de concentrations environnementales (détectées dans les cours d’eau européens) de différents pesticides couramment utilisés dont l’herbicide S-métolachlore avec ses deux métabolites acides oxanilique et sulfonique du métolachlore, l’insecticide imidaclopride et le fongicide propiconazole. En complément, une approche in situ a été développée pour évaluer les effets toxiques sur les stades embryo-larvaires de l’huître creuse associés à la qualité de l’eau du Bassin d’Arcachon, réceptacle final de différentes substances provenant des bassins versants.Les résultats indiquent une grande sensibilité des embryons et larves de poisson zèbre aux concentrations environnementales de propiconazole et à un degré moindre de l’imidaclopride. Au contraire, le S-métolachlore et ses métabolites ne présentent que peu d’effet sur le développement, les fonctions neurocomportementales et l’expression des gènes à l’exception des gènes impliqués dans le système thyroïdien. Ces pesticides en mélange semblent se comporter selon un modèle d’addition des concentrations si l’on considère le développement du poisson zèbre. Ces observations sont en lien avec un risque des pratiques agricoles actuelles.Les résultats obtenus lors de ce travail montrent une faible toxicité du propiconazole et de l’imidaclopride sur le développement et le comportement des embryons et larves de l’huître creuse. Quelques effets causés par ces composés seuls ou en mélange sont observés au niveau moléculaire. La concentration environnementale du mélange a induit les malformations larvaires, néanmoins, les embryons d’huître encagés dans le Bassin d’Arcachon ne présentent pas de malformations quel que soit le site d’exposition, ce qui suggère une qualité suffisante de l’eau du Bassin pour le développement de l’huître creuse. Cependant, des différences au niveau de l’expression des gènes sont observées pour les embryons exposés dans la partie interne du bassin d’Arcachon suggérant des conséquences potentielles sur le long terme.Ces résultats indiquent que les stades embryo-larvaires du poisson zèbre et de l’huître creuse sont des outils pertinents pour l’évaluation des faibles concentrations de pesticides seuls ou en mélange. De plus, la mise en œuvre d’expérimentations in situ en complément des approches de laboratoire s’avère utile dans une démarche d’évaluation des risques environnementaux.

Les méthodes permettant l’évaluation de la toxicité des pesticides pour les abeilles ont tendance à évoluer ces dernières années et ne se cantonnent plus seulement à la détermination de la DL50 (dose provoquant la mort de la moitié des individus). Les récentes recommandations de l’European Food Safety Authority (EFSA) préconisent notamment de développer des tests à même d’identifier des effets comportementaux dans une gamme d’exposition sublétale. Le présent document décrit une méthode qui permet de mesurer les effets délétères des insecticides sur les capacités locomotrices à des niveaux d’exposition qui ne provoquent pas la mort de l’abeille mais qui peuvent compromettre ses chances de survie ou ses performances au sein de la colonie. A l’instar du « test de vol de retour à la ruche des butineuses expérimentées », ce test pourrait dans le futur donner lieu à l’élaboration d’une méthode réglementaire d’évaluation des effets sublétaux des insecticides, après validation via un test interlaboratoires. Ce test locomoteur de laboratoire s’inspire des méthodes traditionnellement utilisées sur les rongeurs et à ce titre, il est standardisable, et peut en particulier être transposé sur des abeilles d’âge connu, sur tous les stades adultes. Le test est par exemple ici utilisé avec succès sur des abeilles jeunes, âgée de moins de 24h.

This study was supported partly by research grants from National Science and Technology Support task (2012BAD19B06), the earmarked fund for Beijing Leafy Vegetables Innovation Team of Modern Agro-industry Technology Research System (blvt-13), the earmarked fund for Modern Agro-industry Technology Research System (2013003019) and the earmarked fund from Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences (QNJJ201610).; The Bemisia tabaci (Gennadius) cryptic species complex comprises important insect pests that cause devastating damage to agricultural crops worldwide. In China, the B. tabaci MED species, formerly known as biotype ‘Q’, has surpassed the MEAM1 species, formerly known as biotype ‘B’, which is threatening agricultural production all over the country as an increasing number of resistance cases have been reported. This situation highlights the need for alternative pest control measures. In this study, the lethal effects of six neonicotinoid and two anthranilic diamide insecticides including the novel compound cyantraniliprole on B. tabaci MED were examined. The sublethal effects of cyantraniliprole on the physiology and behavior of B. tabaci MED were also assessed. Among eight insecticides tested, cyantraniliprole was the most toxic to B. tabaci MED with a LC50 of 2.05 mg/L. The sublethal effects of cyantraniliprole to adult B. tabaci MED were observed at LC10 (0.22 mg/L) and LC25 (0.63 mg/L) concentrations. At these concentrations, cyantraniliprole prolonged the developmental duration and decreased the survival rate of nymph stages, pseudopupae and adults. The oviposition duration and fecundity of females were also reduced significantly. The hatching rate of eggs laid by females exposed to LC10 and LC25 concentrations was also reduced. Altogether, these results demonstrate that cyantraniliprole could be an alternative insecticide for efficient control of B. tabaci MED populations in China.

En 2012, l’UMT PrADE a publié une étude dans laquelle le vol de retour à la ruche de 650 butineuses marquées d'une micropuce électronique RFID a été enregistré, et dont certaines ont été expérimentalement exposées à une faible dose de thiaméthoxam (la substance active des pesticides Cruiser® et Cruiser OSR®) utilisé en protection des cultures. Cette molécule, même administrée à une faible dose n’entraînant pas d’effet direct sur la survie, provoque la disparition des butineuses. En conditions habituelles de butinage, ce phénomène peut aboutir à un taux de mortalité deux à trois fois supérieur chez les butineuses intoxiquées. Il s’ensuivit des controverses sur l’approche scientifique (réalisme des doses, prédiction des effets sur la colonie par un modèle) et sur l’interprétation des résultats (généricité des effets) qui a motivé la réalisation d’une série de travaux pour tenter de les lever une à une. Cette épopée nous a amené à combler de nombreuses lacunes de connaissances sur la modulation des effets toxiques selon le contexte paysager, climatique ou sanitaire des abeilles. Toujours grâce au dispositif RFID, nous avons confirmé pour la première fois l’impact d’un insecticide néonicotinoïde sur la survie des ouvrières en conditions réelles d’exposition au champ., In 2012, colleagues of UMT PrADE tagged 650 free-ranging honeybees with tiny radio-frequency identification (RFID), microships that were glued to each bee’s thorax. This device allowed the researchers to track the bees as they came and went from their hives after an oral exposure to sublethal dose of the insecticide thiamethoxam (active ingredient of Cruiser® and Cruiser OSR®). Compared to the non-exposed bees, the treated bees were about two to three times more likely to die while away from their nests. This study was related to controversy as regards the scientific methodology (fieldrealistic doses, predictive model for colonial effects) and the generalization of results in real conditions. This controversy was a true motivation for our scientific investigation to address the lack of knowledge on the modulation of insecticide effects according to landscape, weather or sanitary status of bees. Using also the RFID device, we confirmed that field exposure to neonicotinoid accelerated the disappearance of bees.

International audience; The present study was intended to evaluate the responses of enzymes in the honeybee Apis mellifera after exposure to deltamethrin, fipronil, and spinosad and their use as biomarkers. After determination of the median lethal doses (LD50), honeybees were exposed at doses of 5.07 ng/bee and 2.53 ng/bee for deltamethrin, 0.58 ng/bee and 0.29 ng/bee for fipronil, and 4.71 ng/bee and 2.36 ng/bee for spinosad (equivalent to 1/10th [LD50/10] and 1/20th [LD50/20] of the LD50, respectively). The responses of acetylcholinesterase (AChE), carboxylesterases (CaEs-1-3), glutathione-S-transferase (GST), catalase (CAT), and alkaline phosphatase (ALP) were assessed. The results showed that deltamethrin, fipronil, and spinosad modulated these biomarkers differentially. For the enzyme involved in the defense against oxidative stress, fipronil and spinosad induced CAT activity. For the remaining enzymes, 3 response profiles were identified. First, exposure to deltamethrin induced slight effects and modulated only CaE-1 and CaE-2, with opposite effects. Second, spinosad exhibited an induction profile for most of the biomarkers, except AChE. Third, fipronil did not modulate AChE, CaE-2, or GST, increased CAT and CaE-1, and decreased ALP. Thus, this set of honeybee biomarkers appears to be a promising tool to evaluate environmental and honeybee health, and it could generate fingerprints to characterize exposures to pesticides.

International audience; This study describes the development of acetylcholinesterase (AChE), carboxylesterases (CaE1, CaE2, CaE3), glutathion-S-transferase (GST), alkaline phosphatase (ALP) and catalase (CAT) as enzyme biomarkers of exposure to xenobiotics such as thiamethoxam in the honey bee Apis mellifera. Extraction efficiency, stability under freezing and biological variability were studied. The extraction procedure achieved good recovery rates in one extraction step and ranged from 65 percent (AChE) to 97.3 percent (GST). Most of the enzymes were stable at −20 °C, except ALP that displayed a slight but progressive decrease in its activity. Modifications of enzyme activities were considered after exposure to thiamethoxam at the lethal dose 50 percent (LD50, 51.16 ng bee−1) and two sublethal doses, LD50/10 (5.12 ng bee−1) and LD50/20 (2.56 ng bee−1). The biomarker responses revealed that, even at the lowest dose used, exposure to thiamethoxam elicited sublethal effects and modified the activity of CaEs, GST, CAT and ALP. Different patterns of biomarker responses were observed: no response for AChE, an increase for GST and CAT, and differential effects for CaEs isoforms with a decrease in CaE1 and CaE3 and an increase in CaE2. ALP and CaE3 displayed contrasting variations but only at 2.56 ng bee−1. We consider that this profile of biomarker variation could represent a useful fingerprint to characterise exposure to thiamethoxam in the honey bee A. mellifera. This battery of honey bee biomarkers might be a promising option to biomonitor the health of aerial and terrestrial ecosystems and to generate valuable information on the modes of action of pesticides.

International audience; The wheat aphids, Rhopalosiphum padi (Linnaeus) and Sitobion avenae (Fabricius), are key pests on wheat crops worldwide. Management practices rely primarily on insecticides. The pirimicarb (carbamate) is used extensively as an effective insecticide to control these two aphids. In addition to the mortality caused by pirimicarb, various sublethal effects may occur in aphids when exposed to low lethal or sublethal doses. Understanding the general effect of pirimicarb on aphids could help increasing rational use of this insecticide. Under laboratory conditions, we assessed the sublethal effects of a low lethal concentration of pirimicarb (LC25) on biological traits and acetylcholinesterase (AChE) activity of R. padi and S. avenae. Both direct and transgenerational effects, i.e. on parent and the F1 generations were assessed, respectively. We found that R. padi and S. avenae responded differentially to the LC25 of pirimicarb. The parent generation of R. padi showed a 39% decrease in fecundity and multiple transgenerational effects were observed in the F1 generation; overall juvenile development, reproductive period, adult longevity and lifespan were longer than those of the control group. By contrast, LC25 of pirimicarb showed almost no effects on S. avenae biological traits in both the parent and F1 generations; only the pre-reproductive duration was reduced in F1 generations. Demographic parameter estimates (e.g. rm) showed similar trend, i.e. significant negative effect on R. padi population growth and no effect on S. avenae. However, AChE activity decreased in both R. padi and S. avenae treated by the LC25 of pirimicarb. We demonstrated sublethal and transgenerational effects of pirimicarb in the two wheat aphid species; it hinted at the importance of considering sublethal effects (including hormesis) of pirimicarb for optimizing Integrated Pest Management (IPM) of wheat aphids

National audience

Les abeilles et les parasitoïdes de pucerons courent le risque d'exposition à des insecticides qui ne leur sont pas destinés. Nos objectifs consistent à évaluer ce risque sur le terrain et à contribuer à mettre au point des tests de toxicité létale et sublétale en laboratoire pour les deux types d'insectes. A Madagascar, nous avons mené une enquête pour déterminer l'impact de pratiques paysannes en matière de protection de cultures d'agrumes sur les abeilles, et une expérimentation en parcelle de choux pour évaluer les effets de traitements insecticides sur les Hyménoptères parasites de pucerons. En France, nous avons déterminé en laboratoire les toxicités aiguës de la deltaméthrine, de la lambda cyhalothrine, du chlorpyriphos éthyle et du pyrimicarbe, pour les abeilles et le parasitoïde de pucerons, Aphidius ervi. Nous avons analysé, chez l'abeille, certaines causes de variabilité des doses létales à 50%. Nous avons également déterminé les effets d'insecticides sur le comportement d'orientation olfactive en olfactomètre chez l'abeille et A. ervi. A Madagascar, le traitement pendant la floraison existe et les apiculteurs constatent des effets négatifs sur leurs ruches. L'expérimentation en parcelle de chou montre que le traitement insecticide contribue à retarder l'action des Hyménoptères parasites de pucerons. En laboratoire, la toxicité varie en fonction du mode de pénétration et de la nature des matières actives. Chez l'abeille, les toxicités par ingestion collective et individuelle ne sont pas toujours comparables. L'importance du phénomène de trophallaxie dans cette différence a été précisée. Ainsi, la valeur de DL50 exprimée en ng/abeille dépend des conditions expérimentales. Les abeilles et A. ervi ayant survécu aux traitements insecticides et testés en olfactomètre, ne montrent pas ou peu de changement de comportement d'orientation vis-à-vis de l'odeur utilisée. Par contre, les abeilles recevant des DL20 et DL50 de deltaméthrine ont une capacité locomotrice réduite. Cette perturbation pourrait avoir des effets non négligeables sur les insectes auxiliaires dans un environnement pollué par les insecticides

L'utilisation intensive de pesticides dans l'environnement est une source de contamination des milieux aquatiques récepteurs et de perturbations sur les organismes biologiques. Une revue des perturbations dues à cette contamination sur le milieu aquatique est proposée à travers l'examen des différents types d'effets, létaux, sublétaux, bioconcentration et bioaccumulation, susceptibles d'être mesurés au laboratoire ou dans le milieu naturel lors d'une exposition à des produits phytosanitaires de nature chimique diverse. / The intensive use of pesticides in the environment is a source of contamination of water catchment areas and can have adverse affects on biological organisms. This paper reviews the problems caused by this type of contamination in water by examining the various types of effects - lethal, sub lethal , bio-concentration and bio-accumulation - that can be measured in a laboratory or in the natural environment when exposed to various types of crop treatment chemicals.