MODELING TRACE METAL ACCUMULATION IN THE MEDITERRANEAN MUSSEL, 

MYTILUS GALLOPROVINCIALIS

S. Casas

1

*, D. Cossa

2

, J.L. Gonzalez

1

, C. Bacher

3

, B. Andral

1

1

IFREMER, Centre de Toulon, BP 330, Zone Portuaire du Brégaillon, F.83507 La Seyne-sur-Mer cedex, France 

* Stellio.Casas@ifremer.fr 

2 IFREMER, Centre de Nantes, BP 21311, F.44311 Nantes, France

3 IFREMER, CREMA, BP 5, F.17137 L’Houmeau, France

Abstract 

Monitoring coastal contamination by trace metals pollution using mollusks bivalves as quantitative bioindicators is widely performed in

many international biomonitoring programs. For this purpose, modeling metal dynamics in marine mussels is a reliable tool, allowing

understanding the bioaccumulation process resulting from the interactions between biological, chemical and environmental factors. To

calibrate such a model, kinetic experiments on uptake and elimination were conducted at three Mediterranean sites chosen on the basis of

their different nutritive and chemical characteristics.

Keywords: Bioindicator, Mytilus galloprovincialis, bioaccumulation, heavy metals, growth.

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

178

Introduction 

Many monitoring programs (the US Mussel Watch, the French

RNO and RINBIO) are based on the concept of quantitative

bioindicator, which uses the properties of marine bivalves (usually

mussels) to concentrate and, under certain conditions, accumulate

contaminants in their soft tissue, with a relationship with the ambient

level. This technique allows technically simpler measurements of

chemical contaminants than in water (1, 2, 3, 4). 

National and international monitoring networks are designed to

discern spatial and temporal patterns in contaminant concentrations in

the environment. Some difficulties appear in the accomplishment of

this objective: the data obtained give only information on the

bioaccumulation level without taking into account the contaminants

dynamic. There is still a lack of knowledge about the significance of

the concentration at time “t”; does this concentration result from a

change in environmental conditions, or from a change in the

contamination level in the surrounding environment? Furthermore,

comparing concentrations between different sites appears to be

difficult because of the variations in environmental conditions, and

subsequent variations in growth rate of the mussels among sites, may

involve changes in the concentration level in the animals.

Subsequently, modeling bioaccumulation of metals in mussels could

be a pertinent tool to optimize the use of quantitative bioindicators. 

The aim of this study is to couple growth and bioaccumulation

models for the marine mussel, Mytilus galloprovincialis. Indeed, each

?uctuating condition will interact and affect the concentration of

metal in mussels. Hence, the reconstruction of ambient metal

concentrations, based on metal body burden, will be only feasible

when the effect of food density and/or temperature on the

physiological condition of the mussel is known.

Interactions between environmental changes, growth and bio-

accumulation

Interpretation of environmental monitoring data is improved by

knowledge of the relationship between metal concentration in the

environment and in tissues of the mussel. Most of the studies on the

bioaccumulation process assume implicitly steady state conditions for

the other physiological processes in the organism. These models do

not consider the organism changes in its physiological conditions (i.e.

size, energy reserves and reproductive cycle) and do not take into

account the impact of these changes on the metal concentration in

mussels. 

In fact, many biotic and abiotic parameters are known to affect the

metals body burden of Mytilus sp.: temperature, available food,

reproductive cycle, size and weight (5, 6). This is the reason why the

coupling of the growth and accumulation models is of utmost

importance in understanding the metal bioaccumulation process

within the mussel.

Metal kinetics in the mussel: accumulation model

Uptake and elimination kinetics of metals in the mussel Mytilus

galloprovincialiscan be described by a dynamic energy budget (DEB)

model. A multi-compartment-pharmaco-kinetic model has been used

to describe metal kinetics (7, 8). The contribution of physiologically

determined variables, such as body size and tissue composition, on its

in?uence on the pharmaco-kinetics of the metals has been evaluated.

The metal uptake / elimination model has been designed to account

for change in the physiological conditions of the organism. The

uptake is considered to be carried out directly from the environment

and/or viafood and the elimination is viareproduction and/or directly

to the environment.

Adjustment of parameters and field validation

In order to couple growth and metal accumulation, it is essential to

have complementary data: (i) physico-chemical variables on the

contaminant and the water, (ii) biological variables of the water, and

(iii) biological variables of the mussel. 

In this experiment, mussels originating from a same site have been

transplanted for six months in two sites known for their contamination

(Lazaret bay and Bages lagune). The two mussel sets were sampled

fortnightly, and allometric parameters and contaminant concentrations

in the mussel tissues were measured. In addition, water conditions

were recorded: temperature, pH, salinity, suspended solids and

dissolved and particulate metal concentrations. After these six

months, mussels were transplanted to a clean site (Port-Cros island) in

order to examine the decontamination kinetics during three months.

All these data will be integrated into the DEB model to adjust

parameters and validate it.

After calibrating the bioaccumulation model and after coupling the

two models using dissolved and particulate metal concentrations in

the environments, the model has been inverted in order to prove its

functionality in assessing the real metal concentrations in water. By

combining environmental and biological data, the model could

constitute an optimized biomonitoring tool that can be applied to

various coastal environments.

References

1-Goldberg, E. D.,1975. The Mussel Watch. Mar. Pollut. Bull., 6: 111-

113.

2-Kock de, W. C. and H. Van Het Groenewoud, 1985. Modelling

bioaccumulation and elimination dynamics of some xenobiotic pollutants

(Cd, Hg, PCB, HCB) based on “in situ” observations with Mytilus edulis.

TNO report. The Hague: 68-79.

3-Claisse, D., M. Joanny, et al., 1992. The French marine pollution

monitoring network (RNO). Analusis(Masson, Paris), 20(6): 19-22.

4-Andral, B., J.Y. Stanisiere, et al., 2001. Réseau Intégrateurs

Biologiques. Rinbio. Evaluation de la contamination chimique des eaux

basée sur l’utilisation de stations artificielles de moules en Méditerranée :

résultats de la campagne 2000., Ifremer. R.INT.DEL/TL/01-03.

5-van Haren, R.J.F., H.E. Schepers, et al.,1994. Dynamic energy budgets

affect kinetics of xenobiotics in the marine mussel Mytilus edulis.

Chemosphère,29 (2): 163-189.

6-Cossa, D., E. Bourget, et al.,1980. Geographical and seasonal

variations in the relationship between trace metal content and body weight

in Mytilus edulis. Mar. Biol.,58: 7-14.

7-Kooijman, S.A.L.M.,1988. The von Bertalanffy growth rate as a

function of physiological parameters: a comparative analysis. In: T.G.

Hallam, L.J. Gross and S.A. Levin (eds.), Mathematical Ecology. World

Scientific, Singapore.

8-Kooijman, S.A.L.M. and R.J.F. van Haren, 1990. Animal energy

budgets affect the kinetics of xenobiotics. Chemosphère,21: 681-693.