Trophic Transfer and Spatial Distribution of Mercury in the Gulf of St. Lawrence Using Northern Gannets «Morus Bassanus» as Biological Samplers

Abstract

Contaminants are ubiquitous in marine environments, but they are not evenly distributed. Organisms at varying trophic levels and habitats are exposed to different contaminant loads due to biomagnification through food webs and spatial heterogeneity. This thesis seeks to understand how mercury, a contaminant of high concern for wildlife due to its neurotoxic properties, moves through the food web up to a top predator, the northern gannet (Morus bassanus) in the Gulf of St. Lawrence, and how different foraging habitats may influence the mercury loads in their prey. Chapter 1 reviews the current literature pertaining to mercury, the use of stable isotopes in ecotoxicology and the use of seabirds as ecological indicators. Chapter 2 compares the use of two stable isotope analysis methods to evaluate the rate of mercury biomagnification in the northern gannet food web. Compound-specific stable isotope analysis of amino acids (CSIA-AA) provides a method to estimate baseline stable nitrogen isotope values of food webs. The method allows less biased estimates of trophic positions than those provided by bulk stable isotope analysis, improving estimates of contaminant biomagnification. I calculated trophic positions with published CSIA-AA equations for four species of fish and for northern gannets and examined the effect of CSIA-AA-derived trophic positions on biomagnification metrics for mercury and compared to the more traditional bulk stable isotope approach. Trophic magnification factors (TMFs) produced by CSIA-AA were lower than that produced by bulk stable isotope analysis. The bulk technique yielded one of the highest TMFs ever reported in the scientific literature. My work demonstrates discrepancies in biomagnification assessed using different approaches that may go undetected when using a single approach. Chapter 3 seeks to understand how different foraging habitats may determine the contaminant load contained in gannets’ diet, and what anthropogenic and biotic factors drive mercury contamination in the Gulf of St. Lawrence. To map the chemical landscape of mercury, I collected fish regurgitations from GPS-tracked northern gannets. I assigned mercury concentrations from fish muscle to the last known gannet foraging location, classified using Hidden Markov Models. In small fish species, trophic positions calculated with CSIA-AA values were the best predictor of THg. THg in large fish species was best explained by stable carbon isotopes, indicating inshore habitats had higher THg contamination than pelagic ones. Demonstrating where contaminants accumulate more efficiently is crucial to understanding what risks wildlife are exposed to based on their habitat and feeding ecology. The thesis develops novel tools for measuring contamination in our increasingly polluted oceans

Alternate abstract:

Les contaminants sont omniprésents dans l’environnement marin, sans toutefois être distribués de manière uniforme. Les animaux occupant des niveaux trophiques différents et des habitats divers sont exposés à des charges de contaminants variables en raison de la bioamplification et de l’hétérogénéité spatiale. Ce mémoire de maitrise étudie comment le mercure, un contaminant nocif pour la faune, est transféré à travers le réseau alimentaire jusqu’à une espèce de niveau trophique supérieure, le fou de Bassan (Morus bassanus) dans le golfe du Saint-Laurent. Le premier chapitre est une revue de la littérature actuelle du mercure, de l’utilisation des isotopes stables pour l’écotoxicologie, et l’utilisation des oiseaux marins comme indicateurs écologiques. Le deuxième chapitre compare l’utilité de deux méthodes d’analyse d’isotopes stables pour mesurer la bioamplification dans le réseau trophique du fou de Bassan. L’analyse d’isotopes stables d’azote dans les acides aminés (AISA-AA) permet de calculer la position trophique des animaux en évitant les lacunes associées à l’analyse des isotopes stables selon la méthode traditionnelle, ce qui peut améliorer les estimés de bioamplification. J’ai calculé le niveau trophique pour quatre espèces de poisson et pour le fou de Bassan en utilisant des équations trophiques publiées pour l’AISA-AA ainsi que pour la méthode traditionnelle. Avec cette information, j’ai pu évaluer l’effet du type d’isotope d’azote mesuré sur l’ampleur des facteurs de bioamplification de mercure. Les facteurs de bioamplification trophique (FBT) produits par le AISA-AA étaient plus bas que celui produit par la méthode traditionnelle, qui a produit un FBT représentant l’une des plus hautes valeurs dans la littérature. Mon travail démontre les divergences entre les FBT produits par la méthode traditionnelle et par l’ASIA-AA qui peuvent passer inaperçu lors de l’utilisation d’une seule approche. Le troisième chapitre a pour objectif de comprendre comment l’utilisation de l’environnement par les animaux peut influencer leur charge de contaminants, et comment les facteurs anthropiques ou biotiques peuvent déterminer la contamination de mercure dans différents habitats du golfe du Saint-Laurent. Pour cartographier la variation des concentrations de mercure dans le golfe du Saint-Laurent, j’ai échantillonné des régurgitations de poisson provenant de fous de Bassan suivi par GPS. Les concentrations de mercure dans les poissons ont été assignées au dernier endroit de quête alimentaire connu, que j’ai classifié en utilisant les modèles de Markov caché. Chez les petites espèces de poisson, le niveau trophique calculé à partir de valeurs AISA-AA était le meilleur indicateur des concentrations de mercure. Le mercure chez les grandes espèces était plutôt expliqué par les valeurs d’isotopes stables de carbone, indiquant que les habitats côtiers avaient de plus hauts niveaux de contamination que les habitats pélagiques. La démonstration des endroits qui sont plus susceptibles à accumuler les contaminants est essentielle à la compréhension des risques posés aux animaux par leurs habitats et leur écologie. Ce mémoire développe de nouveaux outils pour mesurer la contamination dans les océans de plus en plus pollués.