Prioritizing the risk of plant pests by clustering methods; self-organising maps, k-means and hierarchical clustering

For greater preparedness, pest risk assessors are required to prioritise long lists of pest species with potential to establish and cause significant impact in an endangered area. Such prioritization is often qualitative, subjective, and sometimes biased, relying mostly on expert and stakeholder consultation. In recent years, cluster based analyses have been used to investigate regional pest species assemblages or pest profiles to indicate the risk of new organism establishment. Such an approach is based on the premise that the cooccurrence of well-known global invasive pest species in a region is not random, and that the pest species profile or assemblage integrates complex functional relationships that are difficult to tease apart. In other words, the assemblage can help identify and prioritise species that pose a threat in a target region. A computational intelligence method called a Kohonen self-organizing map (SOM), a type of artificial neural network, was the first clustering method applied to analyse assemblages of invasive pests. The SOM is a well known dimension reduction and visualization method especially useful for high dimensional data that more conventional clustering methods may not analyse suitably. Like all clustering algorithms, the SOM can give details of clusters that identify regions with similar pest assemblages, possible donor and recipient regions. More important, however SOM connection weights that result from the analysis can be used to rank the strength of association of each species within each regional assemblage. Species with high weights that are not already established in the target region are identified as high risk. However, the SOM analysis is only the first step in a process to assess risk to be used alongside or incorporated within other measures. Here we illustrate the application of SOM analyses in a range of contexts in invasive species risk assessment, and discuss other clustering methods such as k-means, hierarchical clustering and the incorporation of the SOM analysis into criteria based approaches to assess pest risk

Extracorporeal Membrane Oxygenation for Severe Acute Respiratory Distress Syndrome associated with COVID-19: An Emulated Target Trial Analysis.

RATIONALE: Whether COVID patients may benefit from extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) compared with conventional invasive mechanical ventilation (IMV) remains unknown. OBJECTIVES: To estimate the effect of ECMO on 90-Day mortality vs IMV only Methods: Among 4,244 critically ill adult patients with COVID-19 included in a multicenter cohort study, we emulated a target trial comparing the treatment strategies of initiating ECMO vs. no ECMO within 7 days of IMV in patients with severe acute respiratory distress syndrome (PaO2/FiO2 <80 or PaCO2 ≥60 mmHg). We controlled for confounding using a multivariable Cox model based on predefined variables. MAIN RESULTS: 1,235 patients met the full eligibility criteria for the emulated trial, among whom 164 patients initiated ECMO. The ECMO strategy had a higher survival probability at Day-7 from the onset of eligibility criteria (87% vs 83%, risk difference: 4%, 95% CI 0;9%) which decreased during follow-up (survival at Day-90: 63% vs 65%, risk difference: -2%, 95% CI -10;5%). However, ECMO was associated with higher survival when performed in high-volume ECMO centers or in regions where a specific ECMO network organization was set up to handle high demand, and when initiated within the first 4 days of MV and in profoundly hypoxemic patients. CONCLUSIONS: In an emulated trial based on a nationwide COVID-19 cohort, we found differential survival over time of an ECMO compared with a no-ECMO strategy. However, ECMO was consistently associated with better outcomes when performed in high-volume centers and in regions with ECMO capacities specifically organized to handle high demand. This article is open access and distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives License 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)

Modélisation de la diversité et de la structure des communautés aquatiques par la technique des réseaux de neurones artificiels

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Développement et optimisation des méthodes de bioindication pour les plans d’eau Indices invertébrés.

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASARECe rapport présente les avancés dans le développement de bioindicateurs basés sur les communautés d’invertébrés benthiques lacustres pour trois types de plans d’eau : i) les naturels peu profonds, ii) les plans d’eau d’origine anthropique et iii) les lacs naturels profonds. Pour les lacs peu profonds, les premiers essais suggèrent qu’il faut trouver un compromis entre i) l’effort d’échantillonnage qui doit garantir la prise en compte de la variabilité naturelle des substrats dont on a montré l’influence sur les communautés et ii) la qualité de l’échantillon qui doit contenir suffisamment d’individus pour informer de manière fiable sur la diversité, l’abondance et la sensibilité des espèces présentes. Définir des préconisations d’échantillonnage sur la base de ce seul essai serait hasardeux, néanmoins, nous avons montré la stabilité des échantillons de la zone centrale. Ainsi, l’exploitation des informations acquises en zone profonde en application du protocole IOBL est recommandée dans un premier temps. Si ces données ne permettaient pas d’identifier des métriques candidates, des essais complémentaires devraient être envisagés pour définir l’effort d’échantillonnage à appliquer en zone littorale et la localisation des points sur lesquels cet effort doit s’appliquer. En ce qui concerne les plans d’eau artificiels, à partir de données provenant d’un protocole de prélèvements uniquement d’oligochètes et sur la base d’une approche de modélisation de type hindcasting, des métriques candidates ont été proposées. Le choix de cette approche repose sur le faible nombre de retenues de référence identifiées à ce jour, Quatre métriques semblent mieux répondre à la pression et en particulier la métrique « densité de tubificidés sans soies capillaires », classiquement utilisée comme indicateur de pollution. Les travaux réalisés sur les plans d’eau naturels profonds laissent penser que des métriques candidates pourront être proposées mais il reste encore un travail important de choix de méthodes d’analyses adaptées du fait de faible nombre de plans d’eau pour lesquels des données sont disponibles. Des métriques candidates devront être à terme proposées et agrégées sous forme d’indice

Développement et optimisation des méthodes de bioindication pour les plans d’eau - Indices invertébrés

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASARE [Relecteur_IRSTEA]Reyjol, Y.To implement the Framework Directive (WFD), bioindicators based on lake benthic invertebrate communities must be proposed to assess the ecological quality of natural and anthropogenic water bodies. Of the 700 lakes included in the French European reporting, only 64 natural lakes and 328 reservoirs are included in the surveillance monitoring network. Macroinvertebrates being recognized as the biological quality elements most commonly used to reveal the human pressures, multiple protocols and indices have been proposed in the past but none matches the normative conditions of the WFD. All data collected for these indices are then usable but very heterogeneous: different number of sampling by water body, different applied protocols, different years... 21 natural lakes and 52 reservoirs have a complete fauna list while 40 natural lakes and 153 reservoirs have available data only on oligochaetes. The availability of environmental variables and pressures is also a water body dependent which ending by different sizes of dataset according to the variables considered. As there is a great imbalance in the characteristics of water bodies present on national territory, the development of bioindicators using a type-specific approach is impossible except for natural water bodies of the alpine area that could be studied independently conducting to the development of a lake macroinvertebrate index (IMAIL). This index is an average of the percentage of individuals with Tubificidae with hair setae, the density of Tubificidae without hair setae and an equitability index. This index is correlated with a pressure-type local targeting an hydromorphological pressure (LHMS, r ² = -0.35) and with a broad scale eutrophication pressure, the annual phosphorus load (r ² = -0.63). Furthermore, the class boundaries were setting by a division into five equal classes, one quality class being attributed to each water body. The two reference lakes were finding themselves in the best class. For others water bodies, this is an approach known as lake-specific that was then proposed to predict the metrics using statistical modelling by taking into account the environmental variability. In addition, because the number of reference site was not large enough, it is a variant of this approach by modelling the reference conditions, called hindcasting, which has been used. Following the construction phases of a multi-metric index, we quickly faced several obstacles, including inadequate distributions of the metrics but also the impossibility of predicting these metrics whatever the combinations of environmental variables and pressure. Given the impossibility to provide index to other water bodies, reflection on the various sources of uncertainty was then initiated as well as on encountered difficulties. Improvement sources were then proposed as well as work perspectives in the longer term.Pour mettre en ½uvre la directive cadre européenne sur l’eau (DCE), des bioindicateurs basés sur les communautés d’invertébrés benthiques lacustres doivent être proposés afin d’évaluer les qualités écologique des plans d’eau d’origine naturelle et anthropique. Sur les 700 plans d’eau français inclus dans le rapportage européen, seuls 64 lacs d’origine naturelle et 328 retenues sont pris en compte dans les réseaux de contrôle de surveillance. Les macroinvertébrés étant reconnus comme étant les éléments de qualité biologique les plus utilisés pour révéler les pressions anthropiques, plusieurs protocoles et indices ont dans le passé été proposés mais aucun ne correspond aux conditions normatives de la DCE. L’ensemble des données collectées pour ces indices est alors utilisable mais très hétérogène : différent nombre d’échantillonnage par plan d’eau, différents protocoles appliqués, différentes années… 21 plans d’eau naturels et 52 retenues disposent d’une liste faunistique complète alors que 40 plans d’eau naturels et 153 retenues n’ont que des informations sur les oligochètes. La disponibilité des variables mésologiques et de pressions est aussi variable d’un plan d’eau a un autre entraînant des tailles de jeux de données différentes en fonction des variables prises en compte. Comme il existe un grand déséquilibre dans les caractéristiques des plans d’eau présents sur le territoire national, le développement des bioindicateurs par une approche type-spécifique est impossible sauf pour les plans d’eau naturels du secteur alpin qui ont pu être étudiés indépendamment et qui ont fait l’objet du développement d’un indice macroinvertébrés lacustre (IMAIL). Cet indice est une moyenne du pourcentage d’individus de Tubificinae avec soies capillaires, de la densité des Tubificinae sans soies capillaires et de l’indice d’équitabilité. Cet indice est corrélé avec une pression à échelle locale de type hydromorphologique (LHMS, r²=-0.35) et avec une pression a large échelle ciblant plutôt l’eutrophisation, la charge annuelle de phosphore (r²=-0.63). De plus, en fixant les limites de classes par un découpage en 5 classes égales, une classe de qualité a été attribuée à chaque plan d’eau, avec les deux plans d’eau de référence se retrouvant dans la meilleure classe. Pour les autres plans d’eau, c’est une approche dite plan d’eau-spécifique qui a été alors proposé dans cette étude afin de prédire les métriques par modélisation statistique en prenant en compte la variabilité environnementale. De plus, le nombre de site de référence n’étant pas suffisamment important, c’est une variante de cette approche par modélisation des conditions de référence, appelé hindcasting, qui a été utilisée. En suivant les différentes phases de construction d’un indice multi-métrique, nous nous sommes confrontés rapidement à plusieurs obstacles, à savoir des distributions inadéquates des métriques mais aussi l’impossibilité de prédire ces métriques quelles que soient les combinaisons de variables mésologiques et de pression. Face à l’impossibilité de proposer des indices pour les autres plans d’eau, une réflexion sur les différentes sources d’incertitudes a alors été engagée ainsi que sur les difficultés. Des propositions d’amélioration ont ensuite été proposées ainsi que des perspectives de travail à plus long terme

La macrofaune benthique indicatrice de l’état des lagunes oligohalines méditerranéennes ?

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASARE [Relecteur_IRSTEA]Ximenes M.C. ; Giraud A. ; Derolez V.Benthic macrofauna is a biological quality element required for the lagoons’ ecological status assessment in application of the water framework directive. In the Mediterranean area, indices were developed to asses the ecological status of saline lagoons; however they are not relevant in oligohalin to mesohalin ones. The aim of this study was (i) to characterise the benthic macrofauna of six oligomesohalin lagoons, (ii) to explore the possibility to calculate benthic macrofauna metrics commonly included in indices dedicated to freshwater lakes assessment, iii) to analyse the responses of these metrics to physico-chemical stressors. Benthic macrofauna was sampled in spring, in the central part of lagoons and taxa were identified in the laboratory. About 50 metrics were then calculated to characterise composition and diversity of the communities. In the same time, water and sediment were sampled to assess the main physicocharacteristics of the lagoons. The pressures occurring in the catchment were collected in the literature. Graphical analyses were then conducted to highlight metrics responses to these environmental parameters. The variability between lagoons of benthic macrofauna is high but always dominated by freshwater taxa; consequently it has been possible to calculate most of the candidate metrics commonly used in freshwater systems. The natural and anthropogenic parameters of the six lagoons are also very different. No sound relationship was found between the intensity of pressures and the values of the metrics. These one-off samplings are not sufficient to get a robust description of the fauna communities; additionally, scarcity of the sites classified in oligohalin or mesohalin and the high environmental variability of these sites, prevent robust analyses. Some perspectives are discussed.La macrofaune benthique est un des éléments de qualité biologique entrant dans la caractérisation de l’état écologique des lagunes. Sur les milieux oligohalins à mésohalines méditerranéens, les indices classiquement utilisés en milieux lagunaires plus salés ne sont pas applicables ; Dans ce contexte, nous avons exploré la possibilité de sélectionner des métriques issues des travaux conduits en milieux d’eau douce, pour rendre compte d’une altération de la qualité physico-chimique de 6 lagunes oligohalines à mésohalines du pourtour méditerranéen. Les prélèvements biologiques ont été effectués au printemps dans la zone centrale des lagunes et les taxons identifiés au laboratoire. A partir des compositions faunistiques observées, une cinquantaine de métriques candidates à la bioindication décrivant la composition et la diversité des communautés ont été calculées. Parallèlement, des prélèvements et mesures ont été faits afin de définir les principales caractéristiques physico-chimiques de l’eau et des sédiments à même d’influencer les peuplements d’invertébrés. Des données de pressions/forces motrices s’exerçant sur ces milieux ont aussi été collectées dans la littérature. Les données biologiques ont ensuite été confrontées aux données de milieux. Les résultats montrent de fortes variabilités dans les communautés biologiques, d’un point de vue qualitatif et quantitatif. Ils mettent en évidence aussi d’importantes différences dans les conditions environnementales naturelles et de pressions des 6 lagunes. Les communautés observées sont dominées par des taxons communément rencontrés en eaux douces ; de ce fait, une partie importante des métriques utilisées en bioindication sur ces milieux ont pu être calculées. La mise en relation des valeurs prises par ces métriques avec les variables de pression ne montre cependant pas de tendance nette et/ou écologiquement interprétable. Outre le fait que ces prélèvements ponctuels ne sont pas suffisants pour caractériser les lagunes, le nombre limité de sites et leur forte variabilité environnementale représente une difficulté majeure dans la démarche. Des solutions alternatives sont évoquées en perspectives

Euro-limpacs Deliverable 13 (Work Package 2): Review of existing information on key taxa and functional groups relevant to the eight study catchments

The main aim of this report is to review existing information on key taxa or functional groups identified in eight study catchments; River Becva (Czeck Republic), River Vechte (Netherlands/Germany), River Dinkel (Germany), River Emån (Sweden), River Lambourn (UK), River Neajlov (Romania), River Waldaist (Austria), River Lahn (Germany), River Eder (Germany), River Orco (Italy) and River Chiusella (Italy) . Data relating to the distribution in space and time of characteristics taxa (mainly macroinvertebrates) were collated and these biological data will be used in subtasks 2.2, 2.3, 2.4 and 2.5. Data sources including existing literature, other ecological studies and data collected by water authorities and other organisations were evaluated. The analyses were aimed at addressing two key questions: i) What are the relations between hydrology/hydromorphology and species composition? ii) Which species or biological parameters are good indicators of change in hydrology/hydromorphological condition

Développement et optimisation des méthodes de bioindication pour les plans d'eau - Indices ichtyofaune lacustre

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASAREL’application d’un protocole standard d’échantillonnage de l’ichtyofaune en plans d’eau a permis la constitution de bases de données nationales et européennes homogènes. Ces bases de données ont été utilisées pour sélectionner des métriques à même de rendre compte d’une altération de la qualité des milieux. Le travail de sélection de métriques a été conduit en parallèle sur les lacs naturels situés hors du secteur alpin, les lacs naturel des alpes et les retenues françaises. La méthode choisie est dite « site spécifique » et les conditions de référence ont été approchées par modélisation. Un indice constitué de 3 métriques (2 métriques d’abondance et une métrique de composition) a été proposé pour rendre compte de l’eutrophisation des plans d’eau hors secteur alpin. Deux métriques rentrent dans la composition de l’indice ichtyofaune permettant d’évaluer l’état des plans d’eau des Alpes. Pour les retenues, le travail de sélection des métriques n’est pas achevé. Les limites de ces méthodes qui n’ont pas fait l’objet d’une intercalibration, sont présentées

Caractérisation de la nature des substrats lacustres par hydroacoustique

Pour caractériser la nature des substrats subaquatiques, il existe depuis plusieurs dizaines d'années des méthodes utilisant des moyens acoustiques. Ces méthodes possèdent l'avantage par rapport aux techniques de prélèvement in situ traditionnelles (bennes à sédiment, caméra,) d'obtenir une résolution spatiale très supérieure. Jusqu'à aujourd'hui ces approches nécessitaient du matériel spécialisé de traitement du signal. Ce document présente des travaux de classification des substrats lacustres utilisant un échosondeur mono-faisceau et un logiciel de post traitement (Sonar5-pro) des réponses acoustiques dédié aux estimations de populations de poissons. Ce logiciel vient en effet d'implémenter un module d'analyse de la nature des fonds lacustres basé sur la théorie développée par Orlowski (1984). Une configuration optimale du sondeur a été déterminée et a permis de différencier quatre natures différentes de substrat : limon, sable, sable + galets et blocs. Une cartographie d'une zone connue comme site de reproduction de l'omble chevalier (Salvelinus alpinus), salmonidé emblématique des grands lacs alpins a été réalisée et montre les performances de ce système sur la discrimination de la nature des substrats