Vers un renouvellement de la bioindication : de nouvelles approches d'évaluation de la qualité écologique des cours d’eau basées sur les diatomées

Time for change: Towards the implementation of new approaches in diatom-based ecological quality assessment for rivers

• Auteur / Autrice : Kalman Tapolczai
• Direction : Agnès Bouchez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat Biodiversité, écologie, environnement
• Date : Soutenance en 2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Alpin de Recherche sur les réseaux Trophiques des Ecosystèmes Limniques
• Jury : Président / Présidente : Judit Padisák
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Bouchez, Viktória B béres, Kristian Meissner, Frédéric Rimet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gábor Borics, Rainer Kurmayer, Jean Nicolas Beisel

Mots clés

Mots clés libres

Bacillariophyceae

Biomonitoring

Directive-cadre sur l’eau

Otu

Résolution taxonomique

Traits

Bacillariophyceae

Biomonitoring

Otu

Taxonomic resolution

Traits

Water Framework Directive

Résumé

/Les lacs et les rivières sont exposés à une forte pression due aux activités anthropiques. La dégradation des eaux met en danger non seulement l’approvisionnement en eau mais aussi tout l'écosystème aquatique. Plusieurs méthodes ont été développées pour surveiller la qualité de ces masses d'eau afin de proposer des solutions pour réduire l’impact anthropique. Aujourd'hui, la directive-cadre européenne sur l'eau (DCE) est un cadre législatif pour l'Union européenne (UE) au sein duquel les États développent leurs stratégies nationales de biosurveillance des écosystèmes aquatiques. La qualité écologique des masses d’eau est évaluée au travers de différents groupes d’organismes : les éléments de qualité biologique, parmi lesquels le phytobenthos. Les diatomées sont un groupe de microalgues riche en espèces et largement majoritaire dans la communauté phytobenthique, utilisées comme proxy du phytobenthos. Elles ont plusieurs caractéristiques qui en font d’efficaces bioindicateurs : réponse rapide aux changements environnementaux et facilité d'échantillonnage et d'analyse. Pour satisfaire aux exigences de la DCE, la majorité des pays ont importé des indices diatomiques déjà existants. Cependant, ces indices comportent plusieurs problèmes : approche non holistique, hypothèse d’une répartition gaussienne de la réponse des espèces le long des gradients de pollution, espèces rares négligées, besoin d'experts pour l’identification précise des espèces, sensibilité aux erreurs d'identification, temps d’analyse en microscopie long. Cette thèse donne une vue d’ensemble des méthodes existantes pour l'évaluation de la qualité écologique basée sur les diatomées, présentant leurs possibles évolutions, leurs avantages et inconvénients. Tout d’abord, les approches basées sur les traits et les classifications écologiques du phytobenthos sont discutées dans une review, comme méthode alternative de bioindication. Ensuite, deux études ont été réalisées sur les données du réseau de biomonitoring des rivières d’un nouveau département français, l'île de Mayotte, pour développer des indices de qualité écologique alternatifs ou complémentaires. La première de ces études a permis de tester une approche de bioindication basée sur les traits et la seconde une approche basée sur le metabarcoding ADN, utilisant directement des OTUs (Operational Taxonomical Unit). Ces deux approches ouvrent des perspectives pour remplacer les indices classiques : (i) L'indice basé sur les traits est efficace pour indiquer le niveau en matière organique, matières en suspension et nutriments ; (ii) L'indice basé sur les traits présente l’avantage, par rapport à celui basé sur les espèces, de nécessiter moins de connaissances taxonomiques pour l’identification, d’être plus rapide à mettre en œuvre tout en étant plus sensible à la pollution ; (iii) L’indice basé sur les OTUs fournies par le séquençage moléculaire haut-débit d’amplicons permet de ne pas utiliser de bibliothèques de référence de barcodes ; ces dernières étant souvent incomplètes ; (iv) L'effet du seuil de similarité entre séquences (SST) utilisé pour regrouper celles-ci en OTUs a été testé pour des valeurs allant de 80 à 99%, ce seuil étant un proxy de la résolution taxonomique; (v) Le pouvoir de discrimination, l'efficacité et le nombre de paramètres environnementaux prédictibles par l’indice OTU augmentent avec le SST, atteignant un plateau à 91%. Cette étude révèle la nécessité de faire un compromis entre pouvoir de discrimination et stabilité de l’évaluation. (vi) L'indice basé sur les OTUs fournit une évaluation écologique précise, économique et rapide pour laquelle aucune connaissance taxonomique n’est requise. Enfin, nous discutons ces résultats et montrons que les méthodes basées sur les traits et sur le metabarcoding peuvent améliorer les outils d'évaluation de la qualité écologique et qu’elles ouvrent la voie à de nouvelles perspectives pour un outil d'évaluation holistique, robuste et précis basé sur le phytobenthos.  

/Rivers and lakes are exposed to severe pollution and alteration from anthropogenic sources. The impairment of our waters endangers not only our freshwater supply but also the organisms inhabiting them and the entire ecosystem. Several methods were developed over time to monitor water bodies and evaluate their ecological quality in order to propose solutions to reduce anthropogenic impacts. Today, the European Water Framework Directive (WFD) is an international legislative framework for the water bodies of the European Union (EU) within which member states develop their national biomonitoring strategies. The quality value of water bodies is assessed using different groups of organisms: the biological quality elements from which one is the phytobenthos. Diatoms are a group of microalgae largely diversified and are dominant in the phytobenthic communities of rivers, thus used as a proxy to the entire phytobenthos. Several features make diatom efficient bioindicators: rapid response to environmental changes at community level and ease of sampling and analysis. A majority of EU countries imported already existing diatom indices to meet the requirements of the WFD. However, these indices carry some drawbacks: lack of holistic approach, supposed Gaussian response of species along pollution gradients, rare species neglected, need of experts for a precise identification of species, sensitivity to misidentifications, quite long analysis time under microscope. This thesis provides an overview of existing methods in diatom-based ecological quality assessment, presenting their potential evolutions together with their advantages and drawbacks. First, the trait-based approaches and ecological classifications of phytobenthos are reviewed in the framework of bioassessment and as an alternative method. Then, two studies were carried out on data from the biomonitoring network of the rivers of the new French department, Mayotte Island, to develop alternative or complementary ecological quality indices. The first study provided a test of a trait-based approach, while the second tested a molecular-based approach, the taxonomy-free DNA metabarcoding with direct use of OTUs (Operational Taxonomical Unit). Both approaches are opening interesting perspectives for the drawbacks of classical indices: (i) The trait-based index was efficient to indicate organic matter, suspended solids and nutrient levels; (ii) The trait-based index had several advantages compared to the species-based one: easily recognisable traits, less taxonomic knowledge is required, faster to implement while being more sensitive to pollution; (iii) The taxonomy-free index based on solely OTUs provided by high-throughput molecular sequencing of amplicons is a way to avoid the use of reference barcoding libraries which are often incomplete; (iv) The effect of the sequence similarity threshold (SST) used to group sequences in OTUs has been tested for values from 80 to 99%, this threshold being a proxy of taxonomical resolution; (v) The discrimination power, efficiency and the number of predictable environmental parameters increase with the SST, reaching a plateau at 91%. There is an important trade-off between discrimination power and stability of quality assessment. (vi) The OTU-based index provides a precise ecological assessment, which is time- and cost-effective, and does not require taxonomical knowledge. Finally, we discussed these results and show that both trait- and the molecular-based methods can improve tools for ecological quality assessment, and these methods also open the door towards new perspectives for a holistic, robust and precise evaluation tool based on the phytobenthos.