Utilisation des diatomées comme bioindicateurs des milieux ...Environ 25% de le production primaire...

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



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



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



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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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)

17 juin 2013



Diatomées

Deux formes générales de diatomées

Les centriques à symétrie radialeLes pennées à symétrie bilatérale

17 juin 2013



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

17 juin 2013



Diatomées

Exemples de diatomées

planctoniques Exemples de diatomées

épiphytiques (sur d’’’’autres algues ou

macrophytes)

Photos M. COSTE

17 juin 2013



Diatomées

Biofilm se développe sur différents type de surfaces..

cailloux

surfaces bétonnées

macrophytes immergés

macrophytes émergés

cailloux + algues

filamenteuses

17 juin 2013



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…

17 juin 2013



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

17 juin 2013



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.

17 juin 2013



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."

17 juin 2013



CHOIX des diatomées : pas seulement pour leur esthétique

17 juin 2013



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

17 juin 2013



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

17 juin 2013



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

17 juin 2013


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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

17 juin 2013



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

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100

101

102

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107108

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423

424

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446 447448

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540

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Distribution des stations selon la qualité

7 classes de qualité

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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 ++++++=

∑

∑

=

==n

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



Diatomées comme bioindicateur :le monde entier

D’après Gassiole, in press

Répartition mondiale des méthodes de biomonitoring utilisant les diatomées

17 juin 2013



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



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Exemples d’écrans OMNIDIA

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Omnidia est utilisé par plus de 400 diatomistes dans 45 pays

17 juin 2013



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



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



« les diatomées ne mentent jamais »

Michel Coste

Nous vous remercions de votre attention

Utilisation des diatomées comme bioindicateurs des milieux ...Environ 25% de le production primaire...

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