utilisation des diatomées comme bioindicateurs des milieux ...environ 25% de le production primaire...
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17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Utilisation des diatomées comme bioindicateurs des
milieux lotiques (eaux courantes)
Florence PERES, Michel COSTE
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Sommaire
Qu’est ce qu’une diatomée? Présentation et principales caractéristiques (F. PERES)
Echantillonnage des diatomées (F. PERES)
Traitement des échantillons (F. PERES)
Intérêt des diatomées pour la bioindication (M. COSTE)
Présentation de quelques indices diatomiques: L’Indice Biologique Diatomées (AFNOR NF T 90-354) : conception, application, limites d’utilisation (M. COSTE)
Programme Nouvelle-Calédonie (F. PERES)
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées
Algues brunes microscopiques unicellulaires eucaryotesDe quelques microns à une centaine de microns pour les plus grandes
Organismes photosynthétiques chloroplastes Pigments:Chlorophylles (brun-vert)Xanthophylle (jaune)Caroténoïdes (bruns)
Couleur brune typique des diatomées vivantes
17 juin 2013
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées
Elles possèdent un frustule (ou squelette) siliceux (SiO2)La taxinomie des diatomées est basée sur la morphologie du
frustule : la forme générale du frustule, la forme des stries, la densité des stries, la présence ou l’absence de raphé, la forme des terminaisons du raphé etc…
Schéma d’une diatomée Naviculacée. D’après Round & al, 1990, modifié – E : Epivalve, CC : ceintures connectives, H : Hypovalve, R : Raphé, S : Stries, A : aréoles (ou pores)
R
S
A
E
H
CC
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées
Première diatomée: dessin (1703 Anglais ?)
Au XIXéme siècle : observation par de nombreuses personnes célèbres (Bory, Erhenberg, ...)
Classification des diatomées n’a cessé de progresser (en même temps que l’amélioration des microscopes)
Il existerait 200 000 espèces différentes (Mann & Droop, 1996)
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Diatomées
Deux formes générales de diatomées
Les centriques à symétrie radialeLes pennées à symétrie bilatérale
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées: modes de vie
Planctoniques (phytoplancton des lacs, étangs, rivière à cours lent…)
Périphytiques dans le biofilm (fixées sur différents types de substrats). Les périphytiques sont utilisées pour la mise en œuvre des indices diatomiques en particulier les épilithiques (cailloux)
Espèces fixées par une extrémité
Espèces planctoniques piégées
Espèces fixées par un pédoncule
Espèces motiles
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées
Exemples de diatomées
planctoniques Exemples de diatomées
épiphytiques (sur d’’’’autres algues ou
macrophytes)
Photos M. COSTE
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Diatomées
Biofilm se développe sur différents type de surfaces..
cailloux
surfaces bétonnées
macrophytes immergés
macrophytes émergés
cailloux + algues
filamenteuses
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Diatomées: place dans la biosphère
Cosmopolites et ubiquistes
Milieux d’eau douce, marins, saumâtres, du plus propre au plus pollué, conditions extrêmes (température, assèchement, poussières de l’air…)
Partout où l’eau est plus ou moins disponible: mousses, sols humides, flaques, mares …
Des tropiques aux pôles, sur tous les continents…
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Environ 25% de le production primaire globale de la planète et plus de 40% de la production primaire des océans (Tregue r et al., 1995)
Environ 20% de la production d ’’’’O2 atmosphérique et 20% de la fixation globale du C (Lavoie et al. 2008).
Diatomées: place dans la biosphère
Producteurs primaires« Poumons » de la terre
captent CO2 (pompe biologique de CO2)rejettent O2
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Diatomées : reproduction
Reproduction originale
E H
E H
E H
E H
E H
Repro
duction s
exuée
(auxosporu
lation)
Repro
ductio
n a
sexu
ée (m
itose
)
Reproduction sexuée
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Diatomées : caractéristiques
Grande sensibilité à la physico-chimie de l’eau : meilleur indicateur de pollutions organiques et trophiques: indices diatomiques
Réagissent aux pollutions toxiques :Apparition de formes tératologiques
Exemple de réactions à des pollutions par les métaux lourdsPhotos M. COSTE –IRSTEA Bordeaux
Réduction de la taille de la communauté, sélection d’espèces de plus petite taille, diminution de la taille des individus au sein d’une même espèce
Exemple de diminution de taille au sein de la même espècePhotos M. COSTE –IRSTEA Bordeaux
Variation de la biomasse (chlorophylle a, densités
cellulaires, biovolumes…)
Sélection d’espèces tolérantes…
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Aspects méthodologiques : prélèvement sur substrats naturels
� Zone lotique d’un cours d’eau
� Zone bien éclairée
Idéal = Radier bien éclairé de faible profondeur, absence de turbidité,
substrats adaptés nombreux
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Aspects méthodologiques : prélèvement sur substrats naturels
� Gratter le biofilm contenant les diatomées
� Fixation à l’éthanol
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Aspects méthodologiques : prélèvement sur substrats artificiels
Récupération du biofilm
pour analysesDensité cellulaire
Lames de verre placées dans des cagettes
Cagettes immergées dans le cours d’eau
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Aspects méthodologiques : prélèvement sur substrats artificiels
� Cas des grandes rivières ou canaux sans substrats apparents
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Aspects méthodologiques : traitement des échantillo ns et préparation des lames
� Matière organique détruite par de l’eau oxygénée à chaud
� Ajout d’acide chlorydrique pour éliminer les carbonates de calcium
� Rinçages successifs à l’eau déminéralisée
� Suspension de frustules nettoyés
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Aspects méthodologiques : traitement des échantillo ns et préparation des lames
� Lames permanentes montées avec du Naphrax
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Aspects méthodologiques : Observations microscopiques
Observations des diatomées au microscope optique grossissement x 1000. Utilisation du MEB si nécessaire (métropole).
Identification et comptages des diatomées présentes (400 individus pour l’IBD mis en œuvre en France métropolitaine). Nombre à définir pour la Nouvelle-Calédonie.
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Fondements biologiques de la bio-indication :
Définition de Blandin (1986)"Un indicateur biologique est un organisme ou un ensemble d'organismes qui
- par référence à des variables biochimiques, cytologiques, physiologiques,
éthologiques ou écologiques - permet de façon pratique et sûre, de
caractériser l'état d'un écosystème et de mettre en évidence aussi
précocement que possible leurs modifications, naturelles ou provoquées."
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
CHOIX des diatomées : pas seulement pour leur esthétique
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Diatomées comme bioindicateur : Principaux avantage s
Fiabilité des réponses au niveau bioindication ; complémentarité avec les autres bioindicateurs
Fournissent une gamme élevée d’informations écologiques (pH, salinité, trophie, charge organique, etc…)
Omniprésence dans tous les milieux (même les plus extrêmes)
Cycle cellulaire rapide et par voie de conséquence une réaction rapideaux perturbations
Conditions d’applicabilité plus étendues que d’autres bioindicateurs tels que les invertébrés, poissons
Echantillonnage rapide et facileTechnique de comptage au microscope « rapide » et fidèleArchivage facile des échantillons et des inventaires Facilité de stockage (Voucher collection) et traçabilité excellentes.Coûts relativement bas en routine
Considérées comme un des bioindicateurs les plus pe rtinents
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Diatomées comme bioindicateur : limites et inconvénients
Difficulté d’apprentissage à la détermination
Taxinomie en perpétuelle évolution
Observations effectuées sur du matériel non vivant (nettoyé)
Nécessité permanente de mise à jour des bases de données en raison de l’évolution de la taxinomie (400 taxons nouveaux par an environ)
Recours au microscope électronique parfois nécessaire dans les phases d’élaboration des indices pour valider certaines identifications (coût +élevé)
Limites d’application : zones saumâtres
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PRINCIPALES METRIQUES DE BIOINDICATION
Indices d’intégrité biotique : Lange-Bertalot(1979) DAIpo de Watanabe (188-92) (% sensibles-tolérantes)
Indices spécialisés : (salinité, trophie, saprobie, pH)Trophie : (Ptot) :Kelly & al 1995, Rott & al 1999, Hurlimann 1988 etc…Saprobie : (DBO5) Kolkwitz & Marsson 1909, Sladecek 1966, Rott & al.1997 etc…Salinité : Wilson (1994), Zieman (1991), Hustedt (1957)pH : Håkansson 1993, Birks (1990), Ter Braak 1989 etc
Indices de qualité globale (basés sur des gradients d’anthropisation)Les + nombreux s’appuient sur la sensibilité globale et le degré de sténoècie des espèces
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Autre exemple d’indice : INDICE IRD (Réunion)
avec :
• «Somme Ab «+», «Somme Ab «-» : somme des abondances
relatives des taxons indicateurs positifs ou négatifs du relevé
• Nb Espèces «+», Nb Espèces «-» : nombre de taxons indicateurs
positifs ou négatifs du relevé
• RS : la richesse spécifique des taxons indicateurs du relevé
• Tot : la somme des abondances des taxons indicateurs
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Principaux indices diatomiques
où :Aj= Abondance relative du taxon jIj = Sensibilité à la pollution (de 1 to 5) pour le taxon jVj = Valeur indicatrice (entre 1 to 3 ou 1 to 5 selon les auteurs)
IPS indice de polluosensibilité Cemagref(1982-91),Indice saprobie (Zelinka & Marvan 1961) Indice Descy (1979)IDG Indice Diatomique Générique (Cemagref 1982-91) ILM indice Leclercq & Maquet (1986)Rott indice de Rott (1999),EPI or indice d’’’’eutrophication-pollution (Dell’’’’Uomo 1999), TDI indice trophique de Kelly (1995)
VA
VIA
j
n
jj
jj
n
jj
∑
∑
=
==
1
1 DI
Indices de qualité générale de l’’’’eau (pollutions mixtes)Interviennent : sensibilité, valeur indicatrice et abondance (%) de chaque taxon
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Principaux indices diatomiques (Historique en métropole)
En 1982 : première version de l’’’’IPS (Indice de Polluosensibilité Spécifique) (Cemagref, 1982)
Depuis, l’’’’IPS est régulièrement mis à jour et prend en compte à ce jour 5524 taxons affectés de valeurs « s » et « v » –encore largement utilisé pour le diagnostic des eaux courantes
En 1996 : première version l’’’’IBD (Indice Biologique Diatomées (Agences de l’’’’eau & Cemagref) – Révisé en 2006 -Actuellement normalisé NF T 90-354 (AFNOR 2000, 2007)
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Diatomées comme bioindicateur - Indices diatomiques
Utilisées en routine en métropole depuis les années 1970
Excellents résultats dans les réseaux de suivis
Historique de l’’’’IBD, normalisé AFNOR
1977
1982
1994
2007
Mise au point IBD
19962000
1977
1982
1994
2007
19962000
Début des relevés
1982
Premier indice IPS
1994
2007
IBD Mis à jour 1996
Version IBD N°1
2000
IBD Normalisé
Début Réseau
RCS(2007)
2011 IBD Réactualisation
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IBD ou Indice Biologique Diatomées (AFNOR NF T 90-3 54)
1332 relevés biologiques et environ 15000 analyses chimiques (14 paramètres) + Jeu de validation 1300 relevés
Définition des 7 classes de qualité d'eau (CAH)
Calcul des profils écologiques des 209 taxa(+appariés) en probabilités de présence
Répartition des relevés par bassin hydrographique
Représentation graphique des probabil i tés de présence du taxon fictif représentatif du
peuplement étudié
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
1 2 3 4 5 6 7
Classes de qualité
Pro
babi
lités
de
prés
ence
taxon fictif
Représentation graphique des probabil i tés de présence des taxons retenus pour le calcul de
l 'IBD
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
1 2 3 4 5 6 7
Classes de qualité
Pro
babi
lités
de
prés
ence
AMIN CMIC CAFF GPUM
952953
1
2
3
4
56
7
8
9
1011
12
1314
15
161718
1920
21
22
2324 25
26
27
28
2930
31
3233
34
3536
37
3839
40
41
42
43
44
4546
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
6465
6667
68
6970
71
7273
7475
76
77
78
7980 8182
8384
85 86
8788
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105106
107108
109110
111
112113
114
115116
117
118
119
120121
122
123
124
125126
127
128129 130
131
132
133
134
135
136
137138
139
140
141
142
143 144145
146
147
148
149
150
151152
153
154
155
156
157158
159
160
161
162
163
164
165
166167168
169
170
171
172
173
174175
176
177
178
179
180181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199200
201
202
203
204
205
206207 208209
210
211
212
213
214215
216217
218219
220
221
222
223
224
225
226
227228
229
230 231
232
233
234
235
236 237
238
239
240
241
242
243244
245246
247
248249
250
251252
253
254
255256
257
258
259260
261
262
263
264265266
267268
269
270
271272
273274
275
276277278
279
280
281
282283
284285286
287288
289
290291292
293294
295296
297298
299300
301302
303
304
305306
307
308309310311
312313
314
315
316317318
319320
321322323
324
325
326327328329
330
331332
333334335336
337338
339
340341
342343344345346347348
349
350351
352353
354355
356357358359360
361362363364
365366367368369370371
372373374375376
377378379380
381382
383
384385386
387388
389390391392393394
395396
397398399400
401402403404405406407408409410411412413
414415416417418419420421422
423
424
425426
427428429
430431432433434
435436437438439440441442443
444445
446 447448
449450
451452453454455456457458459
460461462
463464
465466
467468
469
470471
472
473474
475476477
478479 480
481482
483484485
486487488
489490491
492
493
494
495496
497498499
500501502503
504
505
506
507
508 509510511512513
514
515
516517
518519520
521
522
523524
525526527
528529530531
532533
534535
536537538539
540
541
542543544545
546
547548
549
550551
552553554555556557
558559
560561
562563
564565 566567
568569
570
571
572
573574575
576
577578
579
580581582
583584
585586
587
588589 590
591
592
593
594595
596597598599600601602
603604
605606
607
608
609610611
612613614615
616
617618
619620
621
622623624625
626
627
628629630
631
632633
634
635636
637 638639640
641
642643644645646
647648649650651
652
653
654
655656
657658659
660661
662663664665666667668
669670 671672
673674675676
677678
679680681
682
683684
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691692693694695696697698699700701
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CL1 CL2 CL3 CL4 CL5 CL6 CL7
Distribution des stations selon la qualité
7 classes de qualité
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
IBD ou Indice Biologique Diatomées (AFNOR NF T 90-3 54)
7*)7(6*)6(5*)5(4*)4(3*)3(2*)2()1( FFFFFFFB ++++++=
∑
∑
=
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XXX
n
XXiclassX
VA
VPAiF
1
1)(
*
**)(
Calcul de B (barycentre) :
1 (4.75*B)-8.5 20B value [0;2] ]2;6[ [6;7]IBD/20
IBD ≥≥≥≥17,0 17,0> IBD ≥≥≥≥13,0 13,0> IBD ≥≥≥≥9,0 9,0> IBD ≥≥≥≥5,0 IBD <5,0
très bon bon moyen mauvais Très mauvais
Fi = fréquence pondérée d’un taxon fictif
AX = abondance relative du taxon x en pour mille (°°°°/°°°°°°°°)
P class(i) =probabilité de présence du taxon x pour la classe
de qualité i
VX = valeur indicatrice du taxon x
n = nombre de taxons retenus
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Diatomées comme bioindicateur :le monde entier
D’après Gassiole, in press
Répartition mondiale des méthodes de biomonitoring utilisant les diatomées
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Autres Utilisations des diatomées
°Médecine légale (diagnostic de la noyade)
•Applications industrielles (diatomites) : peintures, dentifrices,
filtration, isolants thermiques …
• Paléo-écologie : reconstitution des environnements…
Principaux outils :Flores nombreuses, atlas régionaux , Normes françai ses et européennesGuide utilisateur IBDExercices annuels d’intercalibration en métropole Logiciel OMNIDIA v.6. 2013 : 18520 taxa dont 680 genres avec références et synonymies; calcul de 20 indices, 30 caractéristiques écologiques, Dimensions
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
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Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Exemples d’écrans OMNIDIA
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Omnidia est utilisé par plus de 400 diatomistes dans 45 pays
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Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Programme Nouvelle-Calédonie : Objectifs
Apporter un outil complémentaire à celui existant pour le diagnostic de l’état écologique des masses d’eau de surface calédoniennes de type cours d’eau
Choix des diatomées : complémentarité de l’IBNC (maillon différent,
complémentarité de réponse, facilité de mise en œuvre sur le terrain…), succès à La Réunion et aux Antilles …
In fine : développer un indice diatomique opérationnel pour les rivières de Nouvelle-Calédonie accompagné de son guide taxinomique
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
Choix des stations
Nombre de campagnes
± 250 relevés
Acquisition de données sur le
terrain diatomées et
PC
Inventaires des diatomées
Données PC
INDICE DIATOMIQUE
Description des espèces dominantes: ATLAS
Recherche Bibliographique
Réalisation de planches photographiques
Traitement statistiques
Phases d’analyses
3 phases:
� repérage des assemblages de référence typiques de conditions naturelles (biotypologie)
� étude du positionnement des espèces le long des gradients d’anthropisation : affectation des profils de qualité
� élaboration de la formule de calcul intégrant taxon, abondance relative, profils, valeur indicatrice
Programme Nouvelle-Calédonie : Démarche générale
17 juin 2013
Conception d’’’’un indice diatomiquepour les rivières deNouvelle-Calédonie
Programme « indice diatomique Nouvelle-Calédonie »
« les diatomées ne mentent jamais »
Michel Coste
Nous vous remercions de votre attention