Algues bleu-vert
8.1 Introduction
Les cyanobactéries (algues bleu-vert) sont les plus anciens photoautotrophes oxygénés de la Terre et ont exercé des impacts majeurs sur le façonnement de la biosphère, ce qui avait conduit à l’évolution de la vie végétale et animale terrestre supérieure (Paerl et Otten, 2013). Au cours de leur longue histoire évolutive (environ 3,5 milliards d’années), les cyanobactéries ont acquis la capacité de s’adapter aux changements géochimiques et climatiques (Paerl et Paul, 2012) et à des environnements aquatiques diversifiés présentant des niveaux de nutriments différents, une déviation des eaux et une salinisation (Reynolds, 1987 ; Paerl et Otten, 2013). Le réchauffement de la planète et l’eutrophisation des plans d’eau ont augmenté le potentiel de prolifération des cyanobactéries en raison des conditions de croissance préférentielles des cyanobactéries, à savoir des températures et des niveaux de nutriments plus élevés (Smith, 1986 ; Paerl et Huisman, 2008). Cette tendance est défavorable car les efflorescences produisent des écumes de surface et une odeur terreuse dans les masses d’eau destinées à l’approvisionnement en eau potable (Codd et al., 1999) et il a été signalé que les cyanobactéries produisent une variété de composés toxiques, par exemple, des microcystines et des saxitoxines (Baker et al., 2002 ; Chorus et Bartram, 1999 ; Sivonen, 1996). Ces toxines générées par les cyanobactéries peuvent causer de graves problèmes de santé ; par exemple, il a été suggéré que les microcystines causent des lésions hépatiques aiguës, voire la mort (Falconer et al., 1983 ; Jochimsen et al., 1998 ; Carmichael et al. 2001 ; Azevedo et al. 2002) et que l’exposition chronique à de faibles concentrations de microcystines augmente le risque de tumeur (Falconer et Humpage, 1996 ; Humpage et al., 2000). Ainsi, les proliférations néfastes de cyanobactéries entraînent de graves problèmes dans les lacs et les réservoirs destinés à l’approvisionnement en eau potable et/ou aux activités de loisirs. Il est essentiel de surveiller les efflorescences cyanobactériennes et de déterminer la toxicité dans les sources d’eau potable dès le début (Baker et al., 2002 ; Codd et al., 2005 ; Song et al., 2014).
Par conséquent, la détermination de l’abondance des cyanobactéries aide les gestionnaires des ressources en eau à prendre des mesures pour diminuer les accidents sanitaires causés par les cyanobactéries. La première approche consiste à compter les cellules cyanobactériennes en utilisant la microscopie, ce qui permet également d’identifier le genre des cyanobactéries. La réaction en chaîne de la polymérase a également été adaptée pour identifier directement les cyanobactéries des autres organismes dans les échantillons d’eau en amplifiant la région de l’espaceur intergénique de la phycocyanine, qui fournit également une implication directe de la toxinogénicité (Baker et al., 2002). L’application de la chromatographie liquide à haute pression (HPLC) est un autre protocole standard pour l’identification et la quantification des cyanobactéries (Lawton et al., 1994). Bien que la CLHP n’ait pas la capacité d’identifier les espèces de cyanobactéries, elle mesure divers pigments et fournit une mesure robuste de l’abondance des cyanobactéries. D’autre part, les approches fluorométriques in vivo fournissent généralement une mesure indirecte de l’abondance des cyanobactéries en déterminant la concentration d’un ou deux pigments tels que la chlorophylle-a (chl-a) et la phycocyanine (PC). Par exemple, diverses sociétés (par exemple, Hydrolab et YSI) fabriquent des sondes multiparamètres submersibles équipées de capteurs de fluorescence pour quantifier la chl-a, la PC et la phycoérythrine dans une colonne d’eau. Malgré le fait que les approches de laboratoire et de terrain décrites ci-dessus fournissent des données utiles pour déduire la croissance des cyanobactéries, ces approches traditionnelles sont souvent limitées en raison des efforts considérables d’échantillonnage de l’eau (Hunter et al., 2009) ou de la petite échelle spatiale de la couverture (Guanter et al., 2010).
En conséquence, les approches traditionnelles ne sont pas adaptées à la surveillance des efflorescences cyanobactériennes qui sont éphémères dans le temps et largement dispersées dans l’espace (Hunter et al., 2010 ; Huang et al., 2015). Les limites des approches traditionnelles sont surmontées par les techniques de télédétection, qui fournissent une vue synoptique à une courte échelle temporelle. Par exemple, la télédétection a été utilisée pour surveiller la dynamique spatio-temporelle de la concentration en chl-a () dans les eaux intérieures (par exemple, Gons, 1999 ; Gons et al., 2008 ; Li et al., 2013 et leurs références ; voir également les chapitres 6 et 7Chapitre 6Chapitre 7 de cet ouvrage pour la modélisation bio-optique et la fluorescence du chl-a dans les eaux intérieures, respectivement), qui a ensuite été utilisée pour déduire la biomasse cyanobactérienne (Kutser, 2004). Néanmoins, elle n’implique que la biomasse algale totale mais pas la biomasse spécifique des cyanobactéries. La quantification du chl-a n’est pas un moyen robuste pour estimer avec précision l’abondance des cyanobactéries car tout le phytoplancton contient du chl-a (Randolph et al., 2008 ; Song et al., 2014). Une quantification d’un pigment contenu par les cyanobactéries d’eau douce est nécessaire afin de déterminer plus précisément l’abondance des cyanobactéries dans les plans d’eau. Il a été suggéré que le PC est un pigment unique des cyanobactéries d’eau douce et qu’il présente une caractéristique optique distincte autour de 620-630 nm (voir section 8.2), ce qui rend possible la détection à distance (c’est-à-dire la modélisation bio-optique) des cyanobactéries (par exemple, Dekker, 1993 ; Simis et al., 2005 ; Mishra et al., 2013). Par conséquent, la télédétection des cyanobactéries d’eau douce a été largement axée sur le développement d’algorithmes bio-optiques différents pour estimer la PC au cours des deux dernières décennies (par exemple, Dekker, 1993 ; Schalles et Yacobi, 2000 ; Simis et al., 2005, 2007 ; Li et al., 2015 et leurs références), bien que quelques travaux sur la quantification à distance des cellules cyanobactériennes aient également été trouvés (par exemple, Lunetta et al., 2015).
Comme nous l’avons vu plus haut, les approches traditionnelles de surveillance des cyanobactéries qui s’appuient sur l’échantillonnage sur le terrain prennent beaucoup de temps et demandent beaucoup de travail ; ainsi, ce chapitre se concentre sur les techniques émergentes de télédétection qui fournissent une méthode rapide et efficace pour nous fournir à la fois l’intensité et la distribution spatiale des efflorescences cyanobactériennes. Dans la section 8.2, la caractéristique d’absorption du PC et sa réponse correspondante sur la réflectance de la télédétection seront discutées, car elles constituent la base fondamentale de la modélisation bio-optique de la phyocyanine à partir des mesures de télédétection. Dans la section 8.3, nous passons en revue les algorithmes de télédétection existants dans la littérature. Quelques algorithmes représentatifs sont ensuite évalués et comparés en utilisant le même grand ensemble de données de terrain dans la section 8.4. Dans la section 8.5, des cartes de ont été générées à partir d’images aériennes pour démontrer la capacité de la télédétection à présenter une vue synoptique d’une masse d’eau. Enfin, un résumé de ce chapitre et une direction de recherche future de la modélisation bio-optique de sont notés dans la section 8.6.
.