Chapitre 2 : Analyses biologiques

1. Relations des organismes aux conditions du milieu 

1.1- Notions de bioindicateurs.

Organisme végétal ou animal qui fait l'objet de mesure permettant d'indiquer la présence ou les effets des polluants. Exemple : Lichens, truite, abeille.
Les bioindicateurs sont des outils d'évaluation de la qualité de l'environnement. Ils peuvent être considérés comme complémentaires (notamment pour la répartition spatiale de la pollution, la caractérisation des synergies, la pollution graduelle, ...) des réseaux de mesures physico-chimiques pour les raisons suivantes :
- installation rapide et facile avec une faible infrastructure,
- grande souplesse au niveau de la modification, extension ou déplacement de ces réseaux,
- faible coût, tant au niveau de l'investissement que du suivi,
- réalisation d'études préliminaires permettant ensuite de choisir avec précision les emplacements les mieux adaptés à l'implantation de capteurs physico-chimiques,
- densification à faible coût des réseaux de capteurs physico-chimiques 
- détection des polluants nouveaux ou accidentels non pris en compte par les capteurs en place.

Cependant l'utilisation de bio-indicateur présente certaines limites :
- disponibilité non permanente pour certaines espèces végétales,
- possibilités d'interférences par d'autres stress biotiques ou abiotiques dans les réponses,
- fourniture d'informations essentiellement relatives sur les niveaux de pollution atmosphérique (aspect qualitatif),
- pas encore de véritable reconnaissance ni de normalisation des méthodes aussi bien sur la mise en oeuvre que sur l'interprétation des résultats (échelle de correspondance), même si les expériences se multiplient à travers le pays.

2/ Principaux types de méthodes biologiques actuellement utilisées

A/ Méthodes Biochimiques

Les méthodes de séparation en Biochimie exploitent les propriétés physico-chimiques des molécules.

- L'électrophorèse fait appel essentiellement au caractère de l'ionicité des molécules qui est derrière l'apparition de charges électrique. La taille des molécules interfère avec la charge dans le processus de séparation. Techniques d'électrophorèse: L'électrophorèse est une technique d'analyse et de séparation basée sur les critères de la charge électrique et la taille des molécules. La migration différentielle de particules chargées électriquement, se fait sous l'influence d'un champ électrique. Seules les particules chargées positivement ou négativement sont attirées par les pôles opposés du champ électrique.

- La chromatographie est basée sur l'exploit des propriétés de la polarité, ionicité, taille et la forme des molécules

- La phylogénie moléculaire est basée sur l’analyse comparative des séquences d'ADN ou de protéines. Elle compléte les méthodes traditionnelles de classification basées sur l'observation des caractères morphologiques et anatomiques. La phylogénie moléculaire utilise les gènes des organismes vivants pour élaborer des arbres phylogénétiques en comparant les caractères moléculaires (séquences nucléotidiques ou protéiques).La phylogénie moléculaire essaie de retracer l'accumulation des mutations dans les génomes au cours de l'évolution des espèces. Elle permet de reconstruire l'histoire évolutive des organismes. Les espèces ont des génomes d'autant plus proches qu'elles ont divergé récemment depuis leur ancêtre commun.

B/ Méthodes Ecotoxicologiques

L'écotoxicologie est une discipline scientifique récente située à l'interface entre l'écologie et la toxicologie, née de la reconnaissance du fait qu'un nombre croissant de toxines (polluants) ont contaminé et continuent à contaminer toute ou partie de la biosphère et pour certains interagissent entre eux et avec le Vivant.

Cette discipline scientifique étudie le comportement et les effets d'agents « polluants » sur les écosystèmes, qu'il s'agisse d’agents d’origine artificielle (incluant médicaments, perturbateurs endocriniens, etc.) ou d'agents naturels dont l’homme modifie la répartition et/ou les cycles dans les différents compartiments de la biosphère.

Parmi les premiers objectifs de l'écotoxicologie figurent la connaissance et la prévention, mais il est aussi de plus en plus demandé aux écotoxicologues d'aussi prévoir (prospective) les effets de pollutions, en nature, intensité et durée, et les risques associés.

Le toxicologue cherche donc à caractériser le risque écotoxicologique via :

le danger d'une substance, évalué par des études de toxicité (aiguë ou chronique, intrinsèque ou en cocktails, etc.) des produits et l'établissement de seuils relatifs au-delà desquels une substance a un effet toxique ou en deçà desquels elle est inoffensive)

la probabilité d’exposition à cette substance, qui dépend de ses propriétés physiques et chimiques, des caractéristiques de l'environnement, de la durée d'exposition (continu, occasionnel), la voie d'exposition (percutanée, en ingestion, par inhalation…) et l'individu exposé (sexe, âge, vulnérabilité particulière, etc.).

Avantages – Inconvénients

B/ Méthodes Biocénotiques

La biocénotique désigne la partie de la science, parfois orthographiée biocoenotique, qui a pour fonction l'étude du regroupement, par rapport à leurs affinités écologiques, d'individus de divers règnes en ensembles structurés appelés biocénoses.

La biocénotique qualifie une partie de l'écologie qui étudie les regroupements d'êtres vivants en ensembles appelés biocénoses. Synonyme de biocénologie.

• Recensement / Echantillonnage

Recensement : Tous les sujets de la population sont « examinés »

Echantillonnage : Une partie des sujets de la population sont « examinés »

• Plusieurs échantillons peuvent être constitués

• L’échantillon en lui-même n’est pas intéressant, ce sont les conclusions sur la population que l’on peut tirer de son observation qui en font l’intérêt : Inférence

Étapes pour sélectionner un échantillon

• Établir les objectifs de l’enquête

  • Évaluer les avantages et les inconvénients d’un recensement par rapport à un échantillon ou l’utilisation de dossiers administratifs

• Définir la population cible

  • C’est la population totale pour laquelle on a besoin de l’information

  • Il faut définir les unités qui composent la population sous forme de caractéristiques les identifiant :

    • Nature des données dont on a besoin : sur des personnes, des hôpitaux…

    • Emplacement géographique : périmètre géographique (région, canton…)

    • Période de référence : Date

Autres caractéristiques dont on veut pouvoir tenir compte : caractéristiques sociodémographiques par exemple

• Déterminer les données à recueillir :

  • Définition des termes

  • Libellé des questions

  • Définitions des méthodes de mesures

  • S’assurer que les exigences de l’enquête seront respectées sur le plan opérationnel

• Fixer le degré de précision

  • Il y a un degré d’incertitude associé aux estimations établies à partir d’un échantillon qui dépend notamment de la méthode d’échantillonnage et de la taille de l’échantillon

    • Quel degré peut-on accepter ?

  • Il faut établir un compromis entre le degré d’incertitude et le budget disponible pour l’enquête

La population observée

• La population cible est définie à partir des éléments précédant

• L’enquête prend en compte une population différente : la population observée :

  • Certains membres de la population cible ne sont pas observés par exemple du fait du coût de la collecte des données

• Les conclusions ne s’appliqueront qu’à la population réellement observée

La taille de l’échantillon

• Est souvent un compromis entre le degré de précision à atteindre et le budget de l’enquête mais aussi d’autres contraintes opérationnelles comme le temps disponible

• Repose notamment sur :

  • La variabilité des caractéristiques que l’on mesure

  • La taille de la population

  • Les méthodes d’échantillonnage et d’estimation

Deux approches pour construire un échantillon

Méthodes aléatoires

(probabiliste)

Chaque unité a une chance que l’on peut quantifier d’être sélectionnée

Méthodes non aléatoires

(non probabiliste)

Les méthodes aléatoires

• L’échantillon aléatoire simple

• L’échantillonnage systématique

• L’échantillonnage avec une probabilité proportionnelle à la taille

• L’échantillonnage stratifié

• L’échantillonnage en grappes

• L’échantillonnage à plusieurs degrés

• L’échantillonnage à plusieurs phases

L’échantillonnage aléatoire simple

• consiste à choisir des individus de telle sorte que chaque membre de la population a une chance égale de figurer dans l’échantillon.

• Ce choix peut se faire avec remise ou sans remise :

  • Avec remise, un individu peut être choisi plusieurs fois

  • Sans remise, un individu déjà choisi ne peut l’être de nouveau. C’est le cas habituel.

L’échantillonnage systématique

• L’échantillonnage systématique est une méthode qui exige aussi l’existence d’une liste de la population où chaque individu est numéroté de 1 jusqu’à N.

• Notons n, le nombre d’individus que doit comporter l’échantillon (la taille de l’échantillon). L’entier voisin de N/n sera noté r et appelé raison de sondage ou pas de sondage.

• Pour constituer l’échantillon il faut :

  • Choisir au hasard un entier naturel d entre 1 et r  (cet entier sera le point de départ),

    •   L’individu dont le numéro correspond à d est le premier individu,

  • Pour sélectionner les autres, il suffit d’ajouter à d la raison de sondage : les individus choisis seront alors ceux dont les numéros correspondent à

    • d + r

    • d + 2r

    • d + 3r

    • etc.

L’échantillonnage avec une probabilité proportionnelle à la taille

• Si la base de sondage renferme de l’information sur la taille de chaque unité (comme le nombre de médecins d’un hôpital) et si la taille des ces unité varie, on peut utiliser cette information pour accroître l’efficacité de l’échantillonnage.

• Plus la taille de l’unité est grande, plus sa chance d’être incluse dans l’échantillon est élevée

L’échantillonnage stratifié

• Démarche de sélection :

  • 1. On subdivise la population en strates (groupes relativement homogènes) qui sont mutuellement exclusives

  • 2. Proportionnellement à son importance dans la population, on calcule combien il faut d’individus au sein de l’échantillon pour représenter chaque strate.

  • 3. Dans chacune des strates, on choisit au hasard le nombre nécessaire d’individus

L’échantillonnage par grappes

• Dans les méthodes précédentes, l’unité statistique était choisie individuellement.

• La technique de l’échantillonnage en grappes entraîne la division de la population en groupes ou grappes.

• On sélectionne au hasard un certain nombre de grappes (unités primaires) pour représenter la population.

• On sélectionne tous les individus des grappes choisies

L’échantillonnage à plusieurs degrés

• Ressemble à l’échantillonnage en grappes, sauf que dans ce cas on prélève un échantillon à l’intérieur de chaque grappe

• On a au moins deux degrés

  • On identifie au premier les grandes grappes (unités primaires). Ces grappes renferment plus d’unités qu’il n’en faut dans l’échantillon

  • Au second degré, à l’intérieur de chaque grappes, on sélectionne les unités (unités secondaires) qui vont faire partie de l’échantillon

• On peut utiliser plus de 2 degrés :

  • Niveau 1 : Ville

  • Niveau 1 : Établissement de santé

  • Niveau 3 : Médecins

L’échantillonnage à plusieurs phases

• Les données de base sont collectées auprès d’un échantillon d’unité de grande taille, ensuite pour un sous-échantillon de ces unités, la collecte des données est plus détaillée.

• Le plus couramment on utilise deux phase ou échantillonnage double

Méthodes non aléatoires

• On distingue :

  • l’échantillonnage à l’aveuglette ou de commodité : Ex.: .. Déguster un échantillon de vin.

  • L’échantillonnage de volontaires : Ex : Expériences médicales ou psychologiques.

  • L’échantillonnage au jugé : cette méthode implique la sélection d’individus en fonction de l’idée qu’on se fait de la composition de la population. On le fait pour des essais auprès des groupes cibles.

  • L’échantillonnage par quotas : il est largement utilisé dans les enquêtes d’opinion et les études de marché notamment parce qu’il ne suppose pas de liste des individus de la population. On parle aussi d’échantillonnage dirigé ou par choix raisonné. On demande aux enquêteurs de faire un nombre d’entrevues dans divers groupes établis en fonction du secteur géographique, de l’âge, du sexe ou d’autres caractéristiques… L’enquêteur doit respecter son quota.

C/ Les méthodes indicielles

Certaines méthodes indicielles ont comme base une listes d'espèces hiérarchiques en fonction de leur sensibilité à la pollution, d'autres tiennent compte de l'abondance des individus de chaque espèce (nombre d'espèces et non pas d'individus).

Méthodes utilisant les peuplements végétaux

L’Indice Biologique Diatomée (IBD)

Le calcul de l’indice repose, a partir d’un inventaire de diversité des diatomées d’un

site, sur la sensibilité a la pollution des espèces identifiées et sur l’abondance relative des espèces dans l’inventaire. L’indice permet d’évaluer le niveau de pollution d’un cours d’eau traduit par une note sur 20. L’IBD est applicable a tous les cours d’eau (hors zones salées ou saumâtres).

L’Indice Biologique Macrophytique en Rivière ou IMBR

Il permet de donner, a partir de l’analyse floristique des macrophytes aquatiques (algues,bryophytes, végétaux vasculaires), une appréciation de l’état trophique du cours d’eau lie a ses teneurs en éléments nutritifs (azote et phosphore). Tenant compte des caractéristiques physiques du milieu (intensité de l’éclairement), il définit 5 classes de niveau trophique de l’eau allant d’un statut oligotrophe (IMBR > 14) a eutrophe (IMBR < 8).

Méthodes utilisant les peuplements animaux

L'utilisation de tous les groupes d'organismes présents dans l'eau: indice de saprobie

Elle repose sur l'existence d'espèce indicatrices du degré de richesse en matières organiques, donc de l'importance de la pollution organique. Elle est basée sur la notion de saprophilie (affinité pour la matière organique) et de tolérance à la dégradation chimique de la qualité de l'eau.

L'étude des invertébrés

Elle est fonde sur l’analyse des peuplements des macro-invertébrés benthiques inféodes au substrat, indice dépendant de la sensibilité et de la diversité des espèces présentes dans les cours d’eau. L’analyse faunistique retient en particulier 38 taxons constituant 9 groupes faunistiques indicateurs numérotes de 1 a 9. Cet indice permet d’apprécier la qualité biologique de l’eau courante d’un site, de suivre au cours du temps sur ce même site l’évolution de cette qualité et d’observer d’éventuelles perturbations.

Méthodes basées sur l’étude des vertèbres: indice poisson

L’Indice Poisson Rivière est utilise pour rendre compte de la qualité des cours d’eau. Cet indice rend compte de l’écart existant entre, d’une part une communauté type de référence attendue ou supposée en l’absence de perturbation et d’autre part celle réellement observée. En fonction de la présence, de l’abondance d’espèces caractéristiques, l’indice permet de définir 5 classes de perturbation, de nulle (0 < indices < 7) à très forte (indice > 35).