De l'observation à l'expérimentation : la démarche scientifique

National audienceCe poster décrit de manière pédagogique comment la démarche scientifique est appliquées tant dans les sciences de la vie et de la terre que dans les sciences humaines

Défis méthodologiques et conceptuels autour des mesures de tolérance microbienne aux polluants pour mieux diagnostiquer l'impact de la contamination

National audienceLa biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes sont régulièrement menacés par la présence d'une grande variété de polluants à des concentrations variables. Cette diversité des contaminants ainsi que leurs faibles concentrations peut compliquer l'identification des contaminants néfastes pour l'écosystème. Dans ce contexte, l'étude des communautés microbiennes peut fournir des outils et concepts intéressants afin d'identifier les contaminants altérant la structure ou le fonctionnement des communautés et ainsi estimer leur impact potentiel sur l'écosystème. En effet, la pollution chronique des écosystèmes agit comme une pression de sélection sur les communautés microbiennes, entraînant la disparition des espèces sensibles et favorisant les espèces résistantes. In fine, cette selection naturelle entraîne une augmentation de la tolérance de toute la communauté au contaminant auquel elle a été exposée, suivant le principe de l'acquisition de tolérance induite par la contamination (PICT : "Pollution induced community tolerance") popularisé par Blanck et al. (1988). En écotoxicologie des communautés microbiennes (notamment aquatiques), ce phénomène est utilisé comme une méthode a priori de détection des contaminants. Ainsi, plusieurs études ont mis en évidence le lien entre augmentation de la tolérance microbienne à un pesticide (e.g. diuron, Pesce et al., 2016) ou à un métal et la présence de ce contaminant dans l'environnement, en concentration et/ou fréquence suffisante pour induire des changements dans la communauté microbienne. Néanmoins, le développement de cette approche fait face à plusieurs défis méthodologiques et conceptuels. Tout d'abord, l'établissement de niveaux de tolérance de référence semble essentiel pour appliquer l'approche PICT en s'affranchissant de la comparaison avec un site de référence. Cela ne peut se faire sans une campagne à large échelle, incluant de nombreux sites de référence bien caractérisés et basée sur des tests de toxicité aiguë standardisés et adaptés aux communautés étudiées (périphyton, communauté microbienne attachée aux sédiments). Ensuite, les conséquences d'une acquisition de tolérance à un polluant pour le fonctionnement de la communauté microbienne ou de l'écosystème sont inconnues. En effet, l'approche PICT n'apporte aucune information sur l'état des communautés microbiennes ou leur vulnérabilité. D'une part, l'acquisition de tolérance à un contaminant peut protéger la communauté microbienne d'une contamination similaire suivant le principe de co-tolérance. D'autre part, le « coût » de l'adaptation permettant une augmentation de la tolérance de la communauté est généralement associée à une perte de biodiversité qui pourrait augmenter la vulnérabilité des communautés en cas de stress multiple (Loreau & de Mazancourt, 2013). Plusieurs études ont mis en avant le concept de co-tolérance microbienne entre différents stresseurs (Bonnineau et al., 2012; Tlili et al., 2010) mais des connaissances supplémentaires sont nécessaires pour évaluer plus largement la vulnérabilité à d'autres stresseurs d'une communauté microbienne résistantes à la contamination. Cette présentation a pour objectif de présenter le concept du PICT à travers quelques exemples pour ensuite proposer une discussion sur les liens entre adaptation, acquisition de tolérance, biodiversité et vulnérabilité des communautés microbiennes

Intérêt des communautés microbiennes pour mieux prendre en considération le continuum sol-eau dans les recherches en écologie et écotoxicologie

National audienceLa qualité et le fonctionnement des hydrosystèmes sont fortement conditionnés par les caractéristiques des bassins versants dont ils dépendent et des mécanismes qui régissent les interactions entre les compartiments aquatiques et terrestres qui les composent. Si de nombreuses recherches portent sur l'influence de ces interactions sur les caractéristiques physiques et chimiques des milieux aquatiques, force est de constater que la notion de connectivité biologique entre ces compartiments reste peu étudiée à ce jour. De par leur caractère ubiquiste, leur forte abondance et leur grande diversité taxonomique et fonctionnelle, les microorganismes (bactéries, algues, champignons...) jouent un rôle écologique majeur dans tous les types d'écosystèmes. Chaque évènement d'échange entre les compartiments terrestre et aquatique (ex. ruissellement, érosion, crue...) est susceptible d'entrainer a minima le transfert de plusieurs milliards de microorganismes et de leur matériel génétique dans le milieu récepteur, engendrant ainsi potentiellement des conséquences en terme de biodiversité et de potentiel fonctionnel. Ainsi, une première expérience réalisée en 2008 nous a permis de démontrer que des phénomènes d'érosion pouvaient favoriser le transfert des capacités de biodégradation de pesticides de communautés microbiennes d'un bassin versant viticole à celles du sédiment d'un cours d'eau adjacent via l'implantation et le développement des populations terrestres 'biodégradantes' dans le sédiment et/ou le transfert de leur potentiel génétique aux communautés benthiques autochtones (Pesce et al. 20101, 20132). Dans le cadre d'un projet ANR en démarrage (ANTIBIOTOX3), nous ambitionnons à présent de mieux comprendre comment laconnectivité entre le milieu terrestre et le milieu aquatique favorise l'adaptation des communautés microbiennes sédimentaires aux antibiotiques d'origine vétérinaire dans des agrosystèmes contaminés par ces substances (i.e. développement de capacités de résistance et/ou de biodégradation de ces substances). Il s'agira notamment d'appréhender finement la part des mécanismes associés (i.e. implantation de populations d'origine terrestre et/ou transferts horizontaux de gènes). Cela permettra en particulier de mieux identifier les différents processus qui contribuent à la dispersion des antibiorésistances dans les agrosystèmes. Sur la base de ces exemples, nous pourrons ainsi initier une réflexion autour de l'intérêt (et des limites) des communautés microbiennes pour mieux prendre en considération le continuum sol-eau dans les recherches en écologie et écotoxicologie

Une influence glaciaire réduite conditionne la composition et la qualité du périphyton dans les cours d'eau alpins

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASARE [ADD1_IRSTEA]Systèmes aquatiques soumis à des pressions multiplesInternational audienceGlacier retreat alters both physical and chemical characteristics of glacially influenced streams, with consequences on the biological communities colonizing these headwaters. While reduced glacial influence is known to alter the structure of alpine stream invertebrate communities, effects on other biotic groups such as primary producers remain poorly quantified. In 68 study sites along a gradient of glacial influence, we characterized both periphyton community structure [biomass and the relative abundance of diatoms (+ chrysophytes), green algae, and cyanobacteria] and functioning (photosynthetic and enzymatic activities), and measured algal growth rate. Using comprehensive data sets from glacier-fed streams in the Eastern and the Western Alps we linked these periphyton features to climate-change associated environmental modifications. In addition to known effects of declining glaciers on algal diversity, we here provide quantitative estimations of periphyton quality and the relative coverage of algal and bacterial groups on streambed surfaces in response to environmental changes. We found, for example, that harsh environmental conditions (e.g., cold water temperatures and high turbidity) favor the dominance of diatoms and chrysophytes within the periphyton, which groups are considered to be of higher nutritional quality for grazing invertebrates when compared to cyanobacteria. These results will thus help to anticipate changes in food resources, and thereby food webs in alpine catchments as response to declining glaciers

L'approche PICT pour évaluer l'impact écotoxicologique des contaminants dans le sédiment. Protocole de mesure des niveaux de tolérance aux métaux

The development of tools which allow establishing the in situ causal relationship between contaminant exposure and community response is a great challenge to improve the evaluation of ecotoxicological impacts in aquatic ecosystems. This is especially the case concerning the sediment compartment, which is still little taken into account in the ecological and ecotoxicological quality status assessment of aquatic ecosystems. Chronic contaminant exposure of aquatic communities can result in changes at the community level due to various toxicant-induced effects. These include individual physiological or genetic adaptation, and loss of sensitive species. In microbial communities, these changes can ultimately increase the community tolerance to toxicants in line with the PICT (pollution induced community tolerance) concept. The study of such adaptation processes, which are generally specific for a class of contaminants (according to their mode of action and/or molecular structure), offers new insights to better assess the relationship between contaminant exposure and microbial community responses. In sediment, PICT approach could thus allow to evaluate the ecotoxicological impacts on benthic microbial communities and the resulting effects on the ecological quality of aquatic ecosystems. In this context, the proposed action aims to validate and apply PICT approaches to assess the ecotoxicological impact of various contaminants on sediment microbial communities in lotic and lentic ecosystems. Finally, the action should contribute to improve the assessment of the ecotoxicological effects of chemicals in sediments and to provide an ecotoxicological tool focusing at the community level. The purpose of this report is to describe in detail a developed and validated protocol for measuring and comparing the level of tolerance of sediment heterotrophic microbial communities to metals in order to perform PICT approaches in this compartment using toxicity tests on the enzymatic activity beta-glucosidase (β-Glu).Le développement d'outils permettant d'établir in situ des liens entre la présence de contaminants et la réponse des communautés aquatiques exposées représente un enjeu important en vue d'appréhender plus finement l'impact de ces substances sur la qualité écologique des milieux aquatiques récepteurs. Cela est particulièrement vrai au niveau du compartiment sédimentaire qui reste peu pris en compte dans l'évaluation de la qualité écologique et écotoxicologique des milieux aquatiques. L'exposition chronique des communautés aquatiques aux contaminants peut se traduire par la sélection d'espèces tolérantes mais également par des phénomènes d'adaptation génétique ou physiologique. Au sein des communautés microbiennes, ces processus d'adaptation peuvent ainsi engendrer l'acquisition et le développement de capacités de tolérance, conformément au concept PICT (« Pollution Induced Community Tolerance »). L'étude de ces capacités adaptatives, généralement assez spécifiques d'un composé ou d'une famille de composés, s'avère donc très prometteuse pour établir en milieu aquatique des liens entre exposition et effets biologiques sur les communautés microbiennes. Au niveau du sédiment, l'approche PICT pourrait ainsi renseigner sur l'impact écotoxicologique des contaminants sur les communautés microbiennes benthiques et sur ses conséquences sur la qualité écologique des milieux aquatiques. Dans ce contexte, l'action proposée vise à valider et appliquer des approches PICT pour évaluer l'impact écotoxicologique de différents contaminants sur les communautés microbiennes dans des sédiments de milieux lotiques et lacustres afin de contribuer à l'amélioration des procédures d'évaluation des impacts écotoxicologiques des substances chimiques dans ce compartiment et à une meilleure prise en compte des effets à l'échelle des communautés. Ce rapport a pour objectif de décrire en détail un protocole développé et validé pour mesurer et comparer le niveau de tolérance de communautés microbiennes hétérotrophes de sédiments aux métaux dans le cadre des approches PICT réalisées dans ce compartiment (quel que soit le type de milieu aquatique) à partir de tests de toxicité réalisés via des mesures de l'activité enzymatique bêta-glucosidase (β-Glu)

Implications of interfacial photochemistry for secondary organic aerosol formation over aquatic environments

SSCI-VIDE+CARE+MBM:NHY:SPR:CGOInternational audienceFilms of organic compounds exposed to the atmosphere are ubiquitously found on surfaces of cloud droplets, aerosol particles, buildings, plants, soils and the ocean. The sea-surface microlayer is one example of organic films that are host to countless biogenic amphiphilic compounds concentrated there with respect to bulk water. Yet, organic materials present in the bulk, such as humic acids and other photosensitizing compounds, can still have a tremendous impact on the surfactants (George, 2015). Here, we present a laboratory investigation on secondary organic aerosol (SOA) formation from the reaction of ozone with volatile organic compounds (VOCs), originating from photo-induced processes in surfactant-containing water or sea-water. The results underscore the environmental importance of photochemical reactions at the air–water interface to produce SOA precursors in significant amounts, leading to significant particle formation and growth.Laboratory experiments were conducted in a custom-built 2 m3 Teflon reaction chamber with a pure or sea-water reservoir containing nonanoic acid, a model surfactant proxy for a surface microlayer, and humic acids when desired. In other experiments nonanol was used as a surfactant for comparison. VOC concentrations were measured over time using a proton transfer reaction–time of flight–mass spectrometer (PTR–ToF–MS) as a function of irradiation (UV and visible light) in a humidified low NOx and low ozone environment. Additionally, photochemical gas- and liquid-phase products generated by irradiation of natural riverine biofilms were investigated. Characterization of organic compounds in water and aerosol particles was performed with ion chromatography and liquid chromatography–high resolution mass spectrometry (LC–HRMS) utilizing a quadrupole-orbitrap detector. Aerosol size distribution and numbers were continuously monitored during all experiments.Production of VOCs occurred while the chamber air and water were irradiated with UV light for the nonanoic acid and pure water system. Gas-phase products included alkenes, aldehydes and dienes, as observed by PTR–ToF–MS in three different ionization modes (H3O+, NO+ and O2+). Aerosol nucleation and growth occurred upon ozone introduction and reaction in the chamber but with lights switched off, further indicating the presence of unsaturated VOCs. Concentrations of aerosol particles were typically on the order of 102–103 cm–3. When nonanoic acid and seawater were present, similar types and concentrations of VOCs were observed. Production of halogenated organic compounds was investigated using O2+ reagent ions. The addition of humic acids typically enhanced photochemical VOC production and aerosol formation, where SOA numbers exceeded 104 cm–3 after ozone injection and particle nucleation. We note that when nonanol was used as a surfactant, VOC and aerosol formation was never observed. This result highlights the potential importance of the carbonyl functionality of the acid group in the photochemical mechanism. The products were not only emitted to the gas phase, but also the bulk water. Using LC–HRMS the same VOCs, observed with the PTR–ToF–MS in the gas phase, were also identified in bulk water samples extracted during and after experiments. In addition, high molecular weight compounds such as highly oxidized organic molecules and molecular recombination products were identified in experiments with the nonanoic acid surfactant.We suggest that light absorption precedes radical chemistry at the organic surfactant interface. Recent experimental findings in our group, supported by quantum chemical calculations, reveal the possibility of exciting nonanoic acid molecules to their triplet state even under irradiation of 300–320 nm wavelengths. Subsequent inter- and intra-molecular reactions have been proposed generating OH and other radicals leading to a suite of products. At an organic interface neighboring organic molecules are likely to react, especially in molecular layers such as those existing in organic or biogenic films. This proximity of organic molecules is unique to an interface, in contrast to the bulk or gas phase and thus, may also result in unique chemical reaction pathways leading to VOC formation. Fatty acid and organic compound coated surfaces are ubiquitous and photon-induced chemistry at organic interfaces may be important, ultimately influencing VOC flux and SOA formation at the Earth’s surface and aloft.ReferencesGeorge, C., Ammann, M., D’Anna, B. Donaldson, D. J., Nizkorodov, S. A. (2015), Chemical Reviews 115 (10), 4218–4258. DOI: 10.1021/cr500648

Multitask Learning for VVC Quality Enhancement and Super-Resolution

International audienceThe latest video coding standard, called versatile video coding (VVC), includes several novel and refined coding tools at different levels of the coding chain. These tools bring significant coding gains with respect to the previous standard, high efficiency video coding (HEVC). However, the encoder may still introduce visible coding artifacts, mainly caused by coding decisions applied to adjust the bitrate to the available bandwidth. Hence, pre and post-processing techniques are generally added to the coding pipeline to improve the quality of the decoded video. These methods have recently shown outstanding results compared to traditional approaches, thanks to the recent advances in deep learning. Generally, multiple neural networks are trained independently to perform different tasks, thus omitting to benefit from the redundancy that exists between the models. In this paper, we investigate a learning-based solution as a post-processing step to enhance the decoded VVC video quality. Our method relies on multitask learning to perform both quality enhancement and super-resolution using a single shared network optimized for multiple degradation levels. The proposed solution enables a good performance in both mitigating coding artifacts and super-resolution with fewer network parameters compared to traditional specialized architectures. © 2021 IEEE

ANTIBIO-TOOLS : Des outils pour caractériser et suivre les antibiotiques et antibiorésistances dans les écosystèmes aquatiques

National audienceSince the early 20's antibiotics have been massively produced and consumed for the benefit of both human and animal healths. Nevertheless, antibiotics have also reached the aquatic environment through diffuse sources (e.g. veterinary treatment) and through wastewater. Consequently, antibiotics concentrations between the ng/L and µg/L range are regularly detected in surface water. Antibiotics have also been found in sediments and aquatic biota. The ubiquitous presence of antibiotics exert a selective pressure on microbial communities leading to the acquisition and dissemination of antibioresistance in the environment. While both antibiotics and antibioresistance have been found in different aquatic compartments, more investigation is required to better understand their repartition and to identify hotspots of accumulation. Microbial resistance to antibiotics is commonly assessed by quantifying resistance genes or isolating antibiotic resistant bacteria. Nevertheless, other techniques of antibioresistance assessment do not require a priori knowledge of resistance genes or cultivable bacteria. For instance, integrons are mobile genetic elements involved in antibiotic resistance and commonly found in human, animal and in the environment. Previous studies highlighted a strong link between integrons and multi-resistance to antibiotics, suggesting the use of integrons as biomarker of antibioresistance. Antibiotic resistance can also be estimated by measuring the acquisition of antibiotics tolerance at community level, following a PICT approach (Pollution Induced Community Tolerance). These approaches have been previously used to link pesticides exposure and biological effects. Assessing the tolerance of natural microbial community to antibiotics, following a PICT approach, is therefore likely to reveal microbial exposure to antibiotics and to highlight the acquisition of resistance to antibiotics. Aquatic microbial communities adapted to antibiotics contamination are also likely to develop biodegradation potential as observed in soil community. Thus, estimating the importance of microbial degradation of antibiotics could inform us on the potential role of these communities on antibiotics dynamics. To tackle these research questions, the ANTIBIO-TOOLS project gathers 5 complementary research teams with the aim of (i) investigating the repartition of antibiotics and antibioresistance in different aquatic compartments; (ii) comparing various methods of antibioresistance detection and (iii) exploring the role of microbial community in antibiotic biodegradation. To do so, a 2-year campaign will be conducted on 2 sites belonging to regional observatories and presenting contrasting levels to pharmaceuticals : the Arve river belonging to Sipibel and the Geneva lake belonging to the Observatory of Alpins Lakes. On each sampling campaign, the following parameters will be determined : (i) antibiotics levels in water, sediments and periphyton; (ii) antibioresistance in periphyton and sediments using various techniques : detection of resistance genes, integrons quantification, detection of tolerance acquisition via a PICT approach ; (iii) antibiotics biodegradation potential of microbial community from sediments (by radiorespirometric measurement) ; (iv) diversity of bacteria and diatoms in periphyton and sedments; (v) physico-chemical parameters and (vi) metallic contamination in sediments. Thus, the project ANTIBIO-TOOLS should provide helpful information on the dynamic of antibioresistance in the aquatic environment: hotspots, temporal variability, influence of biotic and abiotic factors (e.g. microbial community composition, antibiotics contamination). By comparing the response of various tools monitoring antibioresistance, this project will provide guidelines for their use. Finally highlighting a potential microbial degradation of antibiotics would be promising for monitoring natural attenuation and potential recovery of the environment

Évaluation in situ de l'efficacité d'une station de traitement de l'industrie pharmaceutique et de la toxicité des effluents qui en résultent sur la diversité et l'activité des biofilms microbiens aquatiques

National audienceLes effluents de productions des usines pharmaceutiques sont généralement caractérisés par un mélange complexe de substances actives et de métabolites ayant des caractéristiques et une composition variables tout au long de l'année. Par conséquent, le développement d'outils de diagnostic opérationnel permettant d'évaluer l'efficacité des usines de traitement des effluents pharmaceutiques et l'impact de la toxicité de ces effluents sur le milieu récepteur représente un enjeu important en sciences environnementales. Dans ce contexte et en collaboration avec une société pharmaceutique, nous avons développé et installé un système pilote relié à la station d'épuration d'une usine de production pharmaceutique pour évaluer, tout au long des étapes de traitement, la diminution de toxicité chronique et aiguë des effluents sur les biofilms naturels. Le système se compose de cinq canaux artificiels (chacun sous-divisé en trois compartiments pour assurer la réplication) respectivement alimentés en continu avec les effluents collectés après les traitements secondaires, tertiaires et quaternaires, ainsi qu'avec l'eau de rivière collectée en amont et en aval de la station d'épuration. L'évaluation de la toxicité chronique des effluents sur les biofilms naturels a été évaluée en combinant une approche moléculaire de caractérisation de la diversité des communautés microbiennes (séquençage haut débit) avec des approches fonctionnelles (mesures des activités photosynthétiques et enzymatiques). Une approche PICT (pollution induced community tolerance) a également été réalisée pour évaluer l'adaptation des communautés microbiennes de biofilm via le suivi de leur niveau de tolérance à la toxicité aigüe des effluents pharmaceutiques de la station

Le développement d'une approche transcriptomique dédiée aux autotrophes des communautés microbiennes périphytiques

International audienceIn the last decade, omics tools dedicated to microbial communities have been developed to characterize the functional groups of those communities and better understand microbial response to contamination. Most of those tools focused on heterotrophic and fungal communities while omics application dedicated to microalgae and diatoms are mostly restrained to diversity assessment (e.g. based on 18S rRNA or rbcL genes). In this study, the possibility of studying gene expression in autotrophic river biofilm communities was explored and we present the proof of concept for a Functional Gene Array (FGA), based on consensus sequences from genes of key physiological processes. Indeed, microarrays offer a comprehensive tool for system-wide analysis of community functioning based on the simultaneous detection of the activity of thousands of genes. The FGA designed in this study include 83 functional genes chosen to reflect several essential biochemical pathways and specific stress response pathways of microalgae. Probes of these genes were designed from consensus sequences from up to 6 microalgal species (diatoms and chlorophytes). Furthermore, species-specific probes were included resulting in 1554 unique oligonucleotide probes for 83 different genes. RNA extracted from Chlamydomonas reinhardtii, Scenedesmus vacuolatus and multi-species biofilms was then used to test different hybridisation conditions. Signal intensity was affected by sequence divergence but results showed that a hybridisation temperature of 55ºC allowed a good compromise between cross-hybridisation and specificity. Due to the reduced number of probes and available sequence information the designed FGAs is at present particularly useful for ecotoxicological laboratory experiments performed with biofilm communities