12
BA SE Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 2014 18(1), 37-48 Apport du traitement d’images dans le suivi de l’influence des teneurs en nutriments sur la croissance des lentilles d’eau (Lemna minor) Thierry Tangou Tabou (1, 2, 3) , Dehenould Trésor Baya (1) , Mouhamadou Nourou Dine Liady (1) , Dieudonné Musibono Eyul’Anki (2) , Jean-Luc Vasel (1) (1) Univ. Liège. Département Sciences et Gestion de l’Environnement. Unité Assainissement et Environnement. Avenue de Longwy, 185. B-6700 Arlon (Belgique). E-mail : [email protected] (2) Université de Kinshasa. Faculté des Sciences. Départements de l’Environnement et de Chimie. Laboratoire d’Écotoxicologie. Management de la Qualité de l’Eau et Biotechnologie environnementale. BP 190. Kinshasa XI (R.D.Congo). (3) Commissariat Général à l’Énergie Atomique. Centre d’Études nucléaires de Kinshasa (CGEA/CREN-K). Département de Physique des Sols et d’Hydrologie. Laboratoire de Physique des Sols. BP 168. Kinshasa XI (R.D.Congo). Reçu le 18 janvier 2013, accepté le 8 octobre 2013. Le tapis végétal formé par les lentilles d’eau (Lemna minor) sur le plan d’eau constitue un compartiment important dans les mécanismes épuratoires des bassins de traitement des eaux usées par macrophytes flottants. Une biomasse excessive ou déficitaire serait à la base de certains dysfonctionnements dans ce type de bassins. La modélisation de ces bassins à lentilles d’eau par l’approche de bilan de matière basée sur une « matrice de Petersen » faciliterait une gestion optimale de ce type d’installations. La présente étude vise à évaluer l’efficacité et les limites du traitement d’images dans le suivi de l’influence sur la croissance de Lemna minor des teneurs en azote et phosphore. Les expériences ont été réalisées dans une chambre de cultures (phytotron) à l’aide d’un pilote constitué de cuves cubiques en plexiglas dans lesquelles ont été placées une biomasse fraiche (1 g) de Lemna minor et différentes concentrations d’azote (de 5 à 64 mg N-NH 4 + . l -1 ) et de phosphore (de 1 à 24 mg P-PO 4 3- . l -1 ). L’analyse d’images numériques a été utilisée en complément aux méthodes gravimétriques (masses humide et/ ou sèche) pour suivre et quantifier la biomasse. Les résultats ont montré que le traitement d’images numériques constitue une méthode non destructive permettant un suivi et une estimation continus de la biomasse au cours de l’expérience (bonnes corrélations entre surface couverte et masse humide/sèche). La croissance de Lemna minor chute progressivement lorsque les teneurs en azote et en phosphore sont respectivement supérieures à 16 mg N-NH 4 + . l -1 et 6 mg P-PO 4 3- . l -1 . Les taux de croissance maximum (µ max ) sont de l’ordre de 0,07 par jour, les constantes cinétiques de demi-saturation (K S ) et d’inhibition (K I ) valent respectivement 3,83 mg . l -1 et 204 mg . l -1 pour l’azote ainsi que 1,26 mg·l -1 et 13,3 mg·l -1 pour le phosphore. Ces résultats sont intéressants et pourraient servir à la gestion optimale du lagunage par lentilles d’eau et à la modélisation des réacteurs biologiques. Mots-clés. Lemna, eau usée, traitement d’images, substance nutritive, biomasse. Contribution of image processing in monitoring the influence of nutrients on the growth of duckweed (Lemna minor). The growth of duckweed (Lemna minor) is an important component in the treatment process in wastewater floating macrophyte ponds. An excess or shortage of this biomass may be responsible for the dysfunction of such ponds. Modeling these duckweed ponds through mass balances based on Petersen’s matrix may be helpful in facilitating the optimal management of such facilities. This study sought to assess the efficiency of digital image processing in the growth monitoring of Lemna minor under different concentrations of nitrogen and phosphorus. The experiments were carried out in a growth chamber (phytotron) using an experimental pilot involving initial fresh Lemna minor biomass (1 g), nitrogen and phosphorus concentrations varying between 5 and 64 mg N-NH 4 + . l -1 , and 1 and 24 mg P-PO 4 3- . l -1 , respectively. Digital image processing was achieved in addition to gravimetric methods (fresh weight and/or dry weight). Our results showed that the image processing method allowed a continuous and non-destructive monitoring of duckweed biomass. The growth of Lemna minor progressively decreased when nitrogen and phosphorus concentrations were greater than 16 mg N-NH 4 + . l -1 and 6 mg P-PO 4 3- . l -1 . The maximum growth rates μ max were of the order of 0.07 d -1 . The kinetic constants K S and K I were respectively 3.83 mg . l -1 and 204 mg . l -1 for nitrogen, and 1.26 mg . l -1 and 13.3 mg . l -1 for phosphorus. Such results are interesting as they could contribute to the optimal management of Lemna minor and the modeling of biological reactors. Keywords. Lemna minor, wastewater, image processing, nutrients, biomass.

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BASE Biotechnol. Agron. Soc. Environ.201418(1),37-48

Apportdutraitementd’imagesdanslesuividel’influencedesteneursennutrimentssurlacroissancedeslentillesd’eau(Lemna minor)ThierryTangouTabou(1,2,3),DehenouldTrésorBaya(1),MouhamadouNourouDineLiady(1),DieudonnéMusibonoEyul’Anki(2),Jean-LucVasel(1)(1)Univ.Liège.DépartementSciencesetGestiondel’Environnement.UnitéAssainissementetEnvironnement.AvenuedeLongwy,185.B-6700Arlon(Belgique).E-mail:[email protected](2)UniversitédeKinshasa.FacultédesSciences.Départementsdel’EnvironnementetdeChimie.Laboratoired’Écotoxicologie.ManagementdelaQualitédel’EauetBiotechnologieenvironnementale.BP190.KinshasaXI(R.D.Congo).(3)CommissariatGénéralàl’ÉnergieAtomique.Centred’ÉtudesnucléairesdeKinshasa(CGEA/CREN-K).DépartementdePhysiquedesSolsetd’Hydrologie.LaboratoiredePhysiquedesSols.BP168.KinshasaXI(R.D.Congo).

Reçule18janvier2013,acceptéle8octobre2013.

Le tapisvégétal formépar les lentillesd’eau (Lemna minor) sur lepland’eauconstitueuncompartiment importantdanslesmécanismesépuratoiresdesbassinsdetraitementdeseauxuséesparmacrophytesflottants.Unebiomasseexcessiveoudéficitaireseraitàlabasedecertainsdysfonctionnementsdanscetypedebassins.Lamodélisationdecesbassinsàlentillesd’eauparl’approchedebilandematièrebaséesurune«matricedePetersen»faciliteraitunegestionoptimaledecetyped’installations.Laprésenteétudeviseàévaluerl’efficacitéetleslimitesdutraitementd’imagesdanslesuividel’influencesurlacroissancedeLemna minordesteneursenazoteetphosphore.Lesexpériencesontétéréaliséesdansunechambredecultures(phytotron)àl’aided’unpiloteconstituédecuvescubiquesenplexiglasdanslesquellesontétéplacéesunebiomassefraiche(1g)deLemna minoretdifférentesconcentrationsd’azote(de5à64mgN-NH4

+.l-1)etdephosphore(de1à24mgP-PO4

3-.l-1).L’analysed’imagesnumériquesaétéutiliséeencomplémentauxméthodesgravimétriques(masseshumideet/ousèche)poursuivreetquantifier labiomasse.Les résultatsontmontréque le traitementd’imagesnumériquesconstitueuneméthodenondestructivepermettantunsuivietuneestimationcontinusdelabiomasseaucoursdel’expérience(bonnescorrélationsentresurfacecouverteetmassehumide/sèche).LacroissancedeLemna minorchuteprogressivementlorsquelesteneursenazoteetenphosphoresontrespectivementsupérieuresà16mgN-NH4

+.l-1et6mgP-PO43-.l-1.Lestauxdecroissance

maximum(µmax)sontdel’ordrede0,07parjour,lesconstantescinétiquesdedemi-saturation(KS)etd’inhibition(KI)valentrespectivement 3,83mg.l-1 et 204mg.l-1 pour l’azote ainsi que 1,26mg·l-1 et 13,3mg·l-1 pour le phosphore. Ces résultatssontintéressantsetpourraientserviràlagestionoptimaledulagunageparlentillesd’eauetàlamodélisationdesréacteursbiologiques.Mots-clés.Lemna,eauusée,traitementd’images,substancenutritive,biomasse.

Contribution of image processing in monitoring the influence of nutrients on the growth of duckweed (Lemna minor).Thegrowthofduckweed(Lemna minor)isanimportantcomponentinthetreatmentprocessinwastewaterfloatingmacrophyteponds.Anexcessorshortageofthisbiomassmayberesponsibleforthedysfunctionofsuchponds.Modelingtheseduckweedponds throughmass balances based onPetersen’smatrixmay be helpful in facilitating the optimalmanagement of suchfacilities.ThisstudysoughttoassesstheefficiencyofdigitalimageprocessinginthegrowthmonitoringofLemna minorunderdifferentconcentrationsofnitrogenandphosphorus.Theexperimentswerecarriedoutinagrowthchamber(phytotron)usinganexperimentalpilot involving initial freshLemna minorbiomass (1g),nitrogenandphosphorusconcentrationsvaryingbetween5and64mgN-NH4

+.l-1,and1and24mgP-PO43-.l-1,respectively.Digitalimageprocessingwasachievedinaddition

togravimetricmethods(freshweightand/ordryweight).Ourresultsshowedthat theimageprocessingmethodallowedacontinuousandnon-destructivemonitoringofduckweedbiomass.ThegrowthofLemna minorprogressivelydecreasedwhennitrogenandphosphorusconcentrationsweregreaterthan16mgN-NH4

+.l-1and6mgP-PO43-.l-1.Themaximumgrowthrates

μmaxwereoftheorderof0.07d-1.ThekineticconstantsKSandKIwererespectively3.83mg.l

-1and204mg.l-1fornitrogen,and1.26mg.l-1and13.3mg.l-1forphosphorus.SuchresultsareinterestingastheycouldcontributetotheoptimalmanagementofLemna minorandthemodelingofbiologicalreactors.Keywords.Lemna minor,wastewater,imageprocessing,nutrients,biomass.

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38 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201418(1),37-48 TangouT.T.,BayaD.T,LiadyM.N.D.etal.

1. INTRODUCTION

Les diverses activités anthropiques liées aux fortesdensités de populations dans les milieux ruraux eturbains entrainent une augmentation de la consom-mation d’eau et une production importante d’eauxusées.Ces eaux usées nécessitent une bonne gestionafinderéduired’unepartlesrisquessanitairespourlapopulation et d’autre part, préserver les écosystèmesrécepteurs. Par ailleurs, les conditions climatiques,notammentlatempératureetl’ensoleillementdanscesmilieux, permettent d’envisager différentes technolo-gies d’épurations des eaux usées dont le lagunage àmacrophytes (Hilman, 1961; Oron et al., 1986;Zirschky et al., 1988; Boniardi et al., 1994; Cross,2002;Daluetal.,2003;Monetteetal.,2006;Lasfaretal.,2007).

Les lentilles d’eau, Lemna minor, l’espèce laplus courante (Hilman, 1961; Cross, 2002), fontpartie des plantes aquatiques généralement utiliséespour le traitement des eaux résiduelles domestiquesou industrielles du fait de leur performance dansl’éliminationdelapollutioncarbonéeetleurscapacitésd’assimilation de l’azote ou du phosphore (Debusketal.,1987;Vermaatetal.,1998;Al-Nozailyetal.,2000a ; Al-Nozaily et al., 2000b ; Koné, 2002).Cependant,leurcroissancerapidedanslesconditionsoptimales (i.e. température, intensité lumineuse,ensoleillement, nutriments, pH, etc.) exige unegestion du tapis végétal formé sur le plan d’eau envue d’assurer une bonne épuration des eaux usées(Filbin et al., 1985; Radoux et al., 1992 ; Bonomoet al., 1997; Korner et al., 1998; Monette et al.,2006; Demirezen et al., 2007; Lasfar et al., 2007).Dans cette optique, les lentilles d’eau doivent êtrerégulièrement récoltées. Dans le cas contraire, letapis végétal devient trop important, les lentilles sechevauchentet leurmortalité augmente.Les lentillesmortes décantent éventuellement et se décomposentaufonddubassin,créantainsiunenouvellesourcedepollution (Debusk et al., 1981; Reddy et al., 1983;Körneer et al., 1998; Jupsin et al., 2004). En outre,unerécoltehasardeusedeslentillespourraitentrainerladiminutiondelacapacitéd’épurationetfavoriserledéveloppementd’algues,d’oùl’intérêtdesuivreetdeprédireleurcroissanceenfonctiondesparamètresdumilieu(luminosité,température,pH,azote,phosphore,alcalinité,DCO,etc.).

De nombreuses études de suivi et de mesurede la biomasse des lentilles d’eau ont été réaliséesprincipalementsurbasedelamassesècheouhumide(Edwards et al., 1992; Köner et al., 1998;Vermaatet al., 1998; Rahmani et al., 1999; Caicedo et al.,2000; Cedergreen et al., 2002). Toutefois, cesdeux méthodes présentent des inconvénients quine permettent pas de suivre de manière continue

la biomasse. Si la première (masse sèche) est plusfiablemais destructive, la deuxième (masse humide)est par contre non destructivemaismoins précise etreproductible. Il existe, par ailleurs, une troisièmeméthodedemesuredelabiomassedeslentillesd’eaubasée sur ladéterminationdunombrede frondesdeslentillesd’eau(Lemonetal.,2000).Cetteméthodeestencore beaucoup moins précise que les précédentes,car elle renseigne davantage sur la reproduction deslentillesd’eauplutôtquesurleurmasse,leurcroissanceouencoreleurmortalité.

Pour pallier aux inconvénients des méthodesconventionnelles, la présente étude s’intéresse àl’évaluationdel’efficacitéetdeslimitesdutraitementd’imagesnumériquescommeméthodecomplémentaireaux méthodes gravimétriques (masses sèche et/ou humide) dans le suivi de la biomasse de Lemna minor. Cetteméthode présente l’avantage d’être nondestructive, quand bien même elle exige une bonnedextéritédanslaprisedesimagesetdansl’utilisationdulogicieldutraitementd’images(Jupsinetal.,2004).Lacorrélationsurface–biomasseaétéétablieàceteffetenvued’apprécierlarelationmasse(sèche/humide)etsurfacecouverte.

Parailleurs,lamodélisationparl’approchedebilande matière basé sur une «matrice de Petersen» desbassinsdulagunageparlentillesd’eaupourraitconstituerunoutildegestionoptimaldece typed’installations,comme c’est le cas des autres systèmes tels que lesbouesactivées(Henzeetal.,1987;Jupsinetal.,2003).Pourparveniràunmodèlemathématiquedulagunagepar lentilles d’eau qui tient compte de l’éliminationde l’azote, du phosphore, ainsi que la libération del’oxygèneet laconsommationdugazcarboniqueparcesplantes,laconnaissancedesparamètrescinétiquesetstœchiométriquesquidécriventlesystèmes’avèreêtrenécessaire.Ainsi, l’impact des teneurs en nutriments(azoteetphosphore)surlacroissancedeLemna minorsousuneluminositéettempératureconstantesaétémisenévidencedanscetteétudeà travers lesparamètrescinétiquesµmax,KSetKI.Lesrésultatsobtenuspourraientservir à la gestion optimale du lagunage par lentillesd’eauetéventuellementàlamodélisationdesréacteursbiologiques.

2. MATÉRIEL ET MÉTHODES

2.1. Essais de croissance de Lemna minor

Les lentilles d’eau Lemna minor utilisées dans cetteétudeontétérécoltéesdansunbassindelagunagedela station d’épuration deBertrix dans la province duLuxembourg en Belgique. Elles ont été conservéesdansdesbacsenplastiquecontenantdel’eaudumilieudelarécolte(eauxuséesd’origine).

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Suividelacroissancede Lemna minorparimagesnumériques 39

Les essais de croissance ont été réalisés dans unphytotron(chambredecultures)enutilisantunpiloteconstituédesixcuvescubiquesouvertesenplexiglastransparent(12cm²x12cm²).Sixsériesontétésuiviesàraisond’unesérie1parsemaine(5joursouvrables)etdéfinies demanière à suivre l’influence de faibles etfortesteneursennutrimentssurlacroissancedeLemna minor.Laluminositédanslephytotron,mesuréeàl’aided’un luxmètredemarqueSkye (310µmole.m-².s-1), aété assurée par des lampes à sodium haute pression(400watts)avecunephotopériodede16hjouret8hnuit.Laconstancedel’intensitélumineuseainduitunetempératuremoyennedumilieud’environ28°Cdanschacunedesséries.Avantlamiseenculture,labiomasseconstituéedeLemna minoraétélavéeavecdel’eaudurobinet à l’aide d’une passoire en vue d’éliminer lesimpuretés(Vattaetal.,1995;Lasfaretal.,2007).Cettebiomasse fraiche (1g) a été successivementmise enculturedanschaquecuvedupilote,dans500mld’eaudistilléecontenantdifférentesconcentrationsenazoteet phosphore (Tableau 1).Ces teneurs ennutrimentssont obtenues par additiondes quantités déterminéesde chlorure d’ammonium (NH4Cl) pour l’azote etde monohydrogeno phosphate de sodium dihydraté(Na2HPO4

.2H2O) pour le phosphore. Le pH, mesuréin situ,avecunpH-mètreWTWàaffichagenumérique,étaitquasineutrepourl’ensembledesséries.Lespertesd’eau causées par l’évapotranspiration des plantesétaient compensées quotidiennement par ajout d’eaudistillée en vue d’empêcher une éventuellemortalitédesplantes(Jupsinetal.,2004).

Lesuiviet lamesurede labiomassedes lentillesd’eaumisesencultureontétéfaitssuccessivementparl’évaluationdelamassehumide(MH)etsèche(MS)ainsiqueparl’analysed’imagesnumériquesaumoyendeslogicielsACD-See®(prétraitement)etImagePro-Plus®(traitement).PourlaMH,leslentillesprélevéesà l’aide d’un tamis de cuisine étaient étalées sur unpapier absorbant pendant 5min et pesées. LaMS anécessitéleséchageàl’étuveà105°Cdurant24hdeslentillesd’eaudontlaMFétaitpréalablementmesurée,etpuispesée.Laprisedesimagesaétéréaliséeàl’aide

d’un appareil photo numérique compact de marqueNikon®COOLPIXL120,àobjectifintégréavecunedistancefocalede25-525mmetayantunerésolutionde14mégapixels(14MP)(Tableau 2).

Leprétraitementaconsistéà rogner l’imagepourn’obtenir que la surface couverte par les plantes(Figure 2).LetraitementaconsistéenuncomptageetàladéterminationdescaractéristiquesgéométriquesdeLemna minor(surface,grandaxe,petitaxe,périmètre).L’optionmodemanueldulogicielparreconnaissanceautomatiquedelacouleurdelaplante(verte:Lemnavivante) a été utilisé à cet effet. Cemode permet lecomptage automatique de l’objet sur la base de sacouleursélectionnéeparl’utilisateurdulogiciel.Ainsi,les lentilles d’eau vertes (vivantes) sont comptées(délimitation en rouge) sur l’image (Figures 3).Les intensités digitales «Red-Green-Blue (RGB)»correspondant aux couleurs des lentilles vivantesétaientcomprisesentre100et255.Lescaractéristiquesdes lentilles d’eau comptées (i.e. surface, grand axe,petit axe, périmètre) sont générées automatiquementaprèsanalyse.Unexempledecescaractéristiquesestdonnéautableau 3.

Lacorrélationsurface-biomasseaétéétablieenvued’apprécierlarelationmasse(sèche/humide)etsurfacecouverte.Pource faire,différentes (12)MHconnuesdes lentilles d’eau ont été placées dans différentescuvesnecontenantque500mld’eaudistillée.Ellesontétéphotographiéesetensuiteprélevéesenconformitéavecleprotocoleafind’accédersuccessivementàleurssurfacescouvertesetleursMS.Leséquations(1)et(2)desdroitesd’étalonnageontétéainsiécrites:

MH(g.m-2)=f(Aen%) (1) MS(g.m-2)=f(Aen%) (2)

Tableau 1.Pland’expériencesdesessaisdecroissancedeLemna minor—Experimental design for Lemnaminor growth monitoring.Séries (milieux) [N-NH4

+]i (mg.l-1) [P-PO43-]i(mg.l

-1) Luminosité I(µmole.m-2.s-1)

Température(°C) Photopériode (h/h)

1 5-15 1 310 27,8 16/82 10-20 3 310 28,2 16/83 20-40 2 310 27,1 16/84 44-64 2 310 27,1 16/85 10 2-12 310 28,4 16/86 10 14-24 310 28,1 16/8

1Série:ensembledesixmilieuxdeculture(azote,phosphoreeteaudistillée)contenusdanssixcuvescubiquesconstituantlepilote.

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40 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201418(1),37-48 TangouT.T.,BayaD.T,LiadyM.N.D.etal.

Figure 1. Cuves expérimentales (milieux de culture) —Example of the experimental tanks.

Figure 2.Milieuavectémoin(carrénoir)—Experimental tank with a control (black square).

Figure 3.Comptagedeslentillesd’eauvivantesparImagePro-Plus®—Count of living duckweeds using Image Pro-Plus®.

Tableau 2.Conditionsdeprised’images—Main steps involved in the camerawork.1.Labiomasseaétéplacéedansdescuvesouvertesenplexiglastransparentdedimensionsde12cm²x12cm²afindecréerlecontrasteentrelecontenantetlecontenu(Figure 1).2.Untémoinflottant,coloré(couleurnoireouverte)etdedimensionsconnues(1cmx1cm)aétéplacédanschaquecuveavantlaprisedel’imageenvued’obtenirunebonnecalibrationetdepasserfacilementd’unnombreenpixelsàunevaleurencm²(unitéderéférence)(Figure 2).3.Labiomassemiseenculturedanslacuvenedevaitpasêtreexcessive(auplus60%decouverturetotale,Jupsinetal.[2004])duranttouteladuréedel’expérience(4jours)pourpermettreuneanalyseaiséedel’imageetéviterdanslamesuredupossiblelerecouvrementdesplantes.4.L’éclairageutilisépourl’obtentiondesphotographiesaétéceluidelalumièrenaturelle(ambiante)danslephytotron.Leflashdel’appareilphotoaainsiétédésactivé.Lestubesnéonsprésentsdanslelocalontétééteintspouréviterunquelconquerefletsurlepland’eaupouvantperturberl’analysedel’image.5.L’appareilphotographiqueaétécalibréàl’optionautomatiquenotée«auto»avecunetaillemaximaledel’imagede4320x 3240pixelspourobtenirunebonnerésolutioncompensantl’absenceduzoom.6.L’appareilphotographique,parrapportaupland’eau,aétémaintenuà45cmàl’aided’untrépiedenvued’accéderàunemêmecalibrationduranttouteladuréedel’expérience.

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Suividelacroissancede Lemna minorparimagesnumériques 41

oùAdésignelasurfacecouverteenpourcentage.Cettesurfaceestobtenueenfaisantlerapportentrelasurfaceréellecouverteparleslentillesd’eaudansunecuveetlasurfacetotaledelacuvevide(144cm2).

2.2. Détermination des paramètres cinétiques

LetauxdecroissanceµexpérimentalaétédéterminéparrégressiondeladroitelnX=µt+bavecXdésignantlabiomassevégétaleprésenteettexprimantl’évolutiontemporelle de l’expérience. On suppose ainsi unecroissance exponentielle de la biomasse qui obéit àla cinétique deMonod (équation3) (Boniardi et al.,1994;Vatta et al., 1995) et qui connaitune inhibition par excès de substrat(azote) suivant ainsi une cinétiqued’Andrews (équation4) (Caicedo et al.,2000;Jupsinetal.,2004):

(3)

(4)

µ = µmax ×1

1+ KS

S+SKI

⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎟⎟

où µmax, S, KS et KI sont respectivement le taux decroissancemaximum(parjour),lateneurensubstrats(mg.l-1), laconstantededemi-saturation (mg.l-1)et laconstanted’inhibition(mg.l-1).

Parconséquent,lesméthodesd’ajustementlinéaire(Lineweaver-Burk [L-B], Eadie-Hofstee [E-H],Hanes-Wolff [H-W ou Langmuir]) et non linéaire(algorithme de Gauss-Newton) par moindres carrésont été respectivement appliquées aux équations (3)

et(4)pourdéterminerletauxdecroissancemaximumµmaxainsiquelesconstantescinétiquesdesaturationKSetd’inhibitionKI (Fletcher,1987;Henderson,1992;Doran,1995).Danslesméthodeslinéaires,seuleslesvaleursissuesdelaméthodequidonnaitlaplusfaiblesommedescarrésdesrésidus[∑R²=(µexp-µaj)

2]ontétéretenues.

Par la suite, les différentes séries expérimentalesont été globalisées en vue d’obtenir des paramètrescinétiques globaux qui serviraient dans l’équationfinaledemodélisationdelacinétiquedecroissancedeslentilles d’eau qui, selonMichaelis-Menten2 cité parLasfaretal.(2007),s’écrit(équation5):

où ri : taux de croissance (µ); R: constante quis’apparente au taux de croissancemaximum (µmax) ;f(T)etg(E) :fonctiontenantcompterespectivementdel’influencedelatempératureetdelaphotopériodedanslacroissance.

3. RÉSULTATS ET DISCUSSION

3.1. Corrélation Surface-Biomasse

Les résultatsmontrentunebonnecorrélationentre lasurfacecouverteetlamasse(sèche/humide).LavaleurdeR² tend vers l’unité (Figure 4), ce qui permet deconsidérer l’analyse d’images comme une méthode

Tableau 3. Synthèse statistique relative à la biomasse vivante des lentilles d’eau sur lafigure 3—Selected statistics describing the living duckweeds showed in figure 3.Statistiques Surface(cm²) Axe majeur(cm) Axe mineur (cm) Périmètre(cm)Minimum 0,0083 0,151 0,071 0,373(Objet#) 1 11 1 1Maximum 0,674 1,462 0,886 5,560(Objet#) 54 7 54 7Étendue 0,666 1,312 0,815 5,187Moyenne 0,133 0,539 0,305 1,767Écart-type 0,123 0,271 0,152 1,224Somme 7,449 30,184 17,087 98,952N 56 56 56 56NcorrespondaunombretotaldeLemna minorvivantessurlafigure 3—N is the total number of living Lemnaminorinfigure 3.

µ = µmax ×S

S +KS

⎝⎜

⎠⎟

ri = R× f (T )× g(E)×CN

CN +KN

×KIN

KIN +CN

×CP

CP +KP

×KIP

KIP +CP

(5)

2MichaelisL.&MentenM.L.,1913.DieKinetikderInvertinwirkung.Biochem Z.,49,333-369.

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fiabled’estimationdelabiomassedanslesconditionsdutest.

Il ressortdecesdroitesd’étalonnage les relationssurface-biomasseci-après:

MS(g.m-2)=0,532A(%)avecR2=0,978 (6)MH(g.m-2)=13,6A(%)avecR²=0,968 (7)

De ces équations, pour une surface couverted’environ 10%, on obtient dans les conditionsexpérimentales testées, au minimum 136g MH.m-2et 5,3g MS.m-2. Ces équations constituent uneinformationméthodologiqueintéressantedansl’étudede la cinétique de croissance des lentilles d’eau aulaboratoireouencoredanslesconditionsdeterrain.

BienquelesprésentesvaleursdeR2tendenttoutesvers l’unité, les valeurs des pentes sont distinctespar rapport à celles découlant de travaux antérieurs(Jupsinetal.,2004).Eneffet,cesauteursontobtenurespectivementdesvaleursdepentede0,269et2,80pourlesrelations6et7.Cesécartsentrelesvaleursdepentespeuvents’expliquerparladifférencedulogicielprincipal de traitement d’images, à savoir ImageTools®(Jupsinetal.,2004),quiexigedetransformerl’image en niveaux de gris (perte de la qualité del’image) en vue de compter les objets et déterminerles autres paramètres de taille (i.e. surface). Parcontre,cetteétapen’existepasdanslelogicielImagePro-Plus® où les objets sont comptés et caractérisésjusteaprèslacalibrationdel’image.Enoutre,l’espèceexpérimentale étant la même, Lemna minor, lesmilieuxoùellesedéveloppesontparcontredifférents(pauvre ou riche en nutriments), ce qui influenceraitl’épaisseurdelaplanteetlatailledesracines(Hilman,1961;Leng,1999;Cedergreenetal.,2002).Ils’ensuitainsi que lamême surface, lemême pourcentage derecouvrementdesLemnanetraduiraitpastoujourslamême quantité de la biomasse (même masse) selonles milieux de récolte et que la calibration devradonc être spécifique au cas étudié. Toutefois, plus

la surface couverte augmente, moins la méthode detraitementd’imagesrestefiable,dufaitdespossiblesrecouvrementsdeslentillesquisontnonstatiquesdansl’eau(dûàleurcroissance).Ilseraitalorsintéressantdetravaillerdansunmilieuoùleslentillesontétédiluéespourendiminuerleurdensitésurfacique.Jupsinetal.(2004)préconised’ailleursqu’au-delàd’unecertainedensité de Lemna (environ 60% de couverture), ilest nécessaire soit de répartir la biomasse dans deuxcuves ou plus afin de photographier chacune d’ellesetsommerleurssurfaces,soitdel’introduiredansuneplusgrandecuvequi subiraalors lesmêmespriseettraitementdel’image.

En pratique, la réalisation de l’analysephotographiquesurunelagunenécessiteraitdepréleverun échantillonnage le plus représentatif possible, carilneserapasaisédephotographiertoutunbassindelagunage.Cependant, un échantillonnage de quantité(récolte) peut rendre la méthode destructive, d’oùl’importance d’un échantillonnage de qualité quipermettrait de minimiser la biomasse prélevée et derefléter le mieux possible la réalité. Par ailleurs, àmoinsd’améliorerlelogicieloud’entrouverunplusadéquat(Software duckweed,parexemple),ilneserapas possible de prendre les photographies in situ dufaitdel’éclairage(refletsurl’image)etdelanécessitéd’avoirunfondclairetuniforme.

3.2. Évolution de la biomasse

Séries expérimentales. La figure 5 représenterespectivement l’évolution de la surface végétalecouverte au cours du temps ainsi que l’évolution dutauxdecroissanceenfonctiondelateneurinitialeensubstratdanslessixsériesexpérimentées.

Ces résultats montrent qu’avec l’azote commesubstrat(séries1,2,3,4),àuneluminositéconstantede 310µmole.m-².s-1, une température de l’ordre de28°CetunpHquasineutre, labiomassea tendanceà croître dans les trois premières séries. Les valeurs

0 2 4 6 8 10 12

A(%)

MS(g. m

-2)

7

6

5

4

3

2

1

00 2 4 6 8 10 12

A(%)

MH(g. m

-2)

180160140120100806040200

Figure 4. Droitesd’étalonnageSurface-biomasse[Massesèche(MS)/Massehumide(MH)]deslentillesd’eau—Relationships between the area and the biomass [Dry Weight (DW) and Fresh Weight (FW)] of duckweeds.

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Suividelacroissancede Lemna minorparimagesnumériques 43

de µ sont en effet positives (Figure 5: 1a, 1b, 1cet 2a, 2b, 2c). Le taux de croissance expérimentalle plus élevé est de 0,23 par jour avec des teneursrespectives en azote et en phosphore de 9mg.l-1 et1mg.l-1.Cependant, avec l’augmentationprogressivede la teneur en azote (≥16mgN-NH4

+.l-1,figure 5 :2b),ilyaunediminutionpartielledecettecroissanceen accord avec Caicedo et al. (2000), Jupsin et al.(2004),Monette et al. (2006) etLasfar et al. (2007).Cette décroissance tend à devenir sévère à partir de

48mg N-NH4+.l-1 jusqu’à provoquer la mortalité

constatée par le blanchissement de certaines plantesdanslescuves.Desvaleursnégativesdeµsontalorsobtenues (Figure 5: 2d). Le taux le plus bas est de-0,20par jour,avecdes teneurs respectivesenazoteet en phosphore de 64mg.l-1 et 2mg.l-1.Dans le casdu phosphore comme substrat (séries5, 6) et dansles mêmes conditions expérimentales, des valeurspositivesdeµsontobtenues(croissancedelabiomasse,figure 5:2eet2f).Néanmoins,cestauxdecroissance

0 1 2 3 4 5 6Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

8

4

0

Cuve1(5mgN.l-1)Cuve4(11mgN.l-1)

Cuve2(7mgN.l-1)Cuve5(13mgN.l-1)

Cuve3(9mgN.l-1)Cuve6(15mgN.l-1)

1a

0 1 2 3 4 5 6Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

840

Cuve1(20mgN.l-1)Cuve4(32mgN.l-1)

Cuve2(24mgN.l-1)Cuve5(36mgN.l-1)

Cuve3(28mgN.l-1)Cuve6(40mgN.l-1)

1c0 1 2 3 4 5 6

Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

840

Cuve1(44mgN.l-1)Cuve4(56mgN.l-1)

Cuve2(48mgN.l-1)Cuve5(60mgN.l-1)

Cuve3(52mgN.l-1)Cuve6(64mgN.l-1)

1d

0 1 2 3 4 5 6Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

8

4

0

Cuve1(10mgN.l-1)Cuve4(16mgN.l-1)

Cuve2(12mgN.l-1)Cuve5(18mgN.l-1)

Cuve3(14mgN.l-1)Cuve6(20mgN.l-1)

1b

0 1 2 3 4 5 6Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

840

Cuve1(2mgP.l-1)Cuve4(8mgP.l-1)

Cuve2(4mgP.l-1)Cuve5(10mgP.l-1)

Cuve3(6mgP.l-1)Cuve6(12mgP.l-1)

1e0 1 2 3 4 5 6

Temps(j)

A(%

)

2420

16

12

840

Cuve1(14mgP.l-1)Cuve4(20mgP.l-1)

Cuve2(16mgP.l-1)Cuve5(22mgP.l-1)

Cuve3(18mgP.l-1)Cuve6(24mgP.l-1)

1f

Figure 5.ÉvolutionsdelasurfacecouverteparLemna minorenfonctiondutemps(1)etdutauxdecroissanceenfonctiondelateneurinitialeenazoteouphosphore(2)pourdiversesséries—Daily growth of the area covered by Lemnaminor (1) and evolution of the growth rate according to the initial concentration in nitrogen or phosphorus (2) for different series.

a.Série1—Serie1:N=5-15mg.l-1,P=1mg.l-1;b.Série2—Serie2:N=10-20mg.l-1,P=3mg.l-1;c.Série3—Serie3:N=20-40mg.l-1,P=2mg.l-1;d.Série4—Serie4:N=44-64mg.l-1,P=3mg.l-1; e.Série5—Serie5:N=10mg.l-1,P=2-12mg.l-1;f.Série6—Serie6:N=10mg.l-1,P=14-24mg.l-1.

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44 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201418(1),37-48 TangouT.T.,BayaD.T,LiadyM.N.D.etal.

sontfaiblescomparativementaucasdel’azotepourdesconcentrationssimilaires.Lachutedelacroissanceestobservéeàdetrèsfaiblesteneurs(dès4mgP-PO4

3-.l-1,série5)(Figure 5:2e).Letauxdecroissanceleplusélevés’établità0,12parjour(10mgN-NH4

+.l-1et4mgP-PO4

3-.l-1),tandisqueletauxleplusbasobservéestde0,044parjour(10mgN-NH4

+.l-1et24mgP-PO43-.l-1).

Ces résultats s’expliqueraient par le fait que lacroissance de Lemna est optimale dans les milieuxpauvres en nutriments, notamment en azote et enphosphore, soit moins de 10mg N.l-1 et moins de2mg P.l-1 (Landolt, 1986). En outre, l’étude de lacroissancedeslentillesd’eauétantfaiteenfonctiondelateneurinitialeennutriments(azoteetphosphore),le

2a5 7 9 11 13 15 17

[N-NH4+](mg.l-1)

μ(parjour)

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0,00

2b10 12 14 16 18 20 22

[N-NH4+](mg.l-1)

μ(parjour)

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0,00

2c

20 25 30 35 40 45

[N-NH4+](mg.l-1)

μ(parjour)

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0,00

2d

μ(parjour)

[N-NH4+](mg.l-1)

0,240,200,160,120,080,040,00-0,04-0,08-0,12-0,16-0,20-0,24

69645444 5949

2e

μ(parjour)

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0,002 4 6 8 10 12 14

[P-PO43-](mg.l-1) 2f

μ(parjour)

0,24

0,20

0,16

0,12

0,08

0,04

0,0014 16 18 20 22 24 26

[P-PO43-](mg.l-1)

Figure 5 (suite).ÉvolutionsdelasurfacecouverteparLemna minorenfonctiondutemps(1)etdutauxdecroissanceenfonctiondelateneurinitialeenazoteouphosphore(2)pourdiversesséries—Daily growth of the area covered by Lemnaminor (1) and evolution of the growth rate according to the initial concentration in nitrogen or phosphorus (2) for different series.

a.Série1—Serie1:N=5-15mg.l-1,P=1mg.l-1;b.Série2—Serie2:N=10-20mg.l-1,P=3mg.l-1;c.Série3—Serie3:N=20-40mg.l-1,P=2mg.l-1;d.Série4—Serie4:N=44-64mg.l-1,P=3mg.l-1; e.Série5—Serie5:N=10mg.l-1,P=2-12mg.l-1;f.Série6—Serie6:N=10mg.l-1,P=14-24mg.l-1.

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Suividelacroissancede Lemna minorparimagesnumériques 45

non-renouvellementdumilieuetl’absencedesoligo-élémentsdanslesmilieuxdecultureexpliqueraientlacroissancelimitéeobservéedesplantes.Ellespeuventalors empêcher le développement de Lemna minor,voire même provoquer la mortalité dans le milieu.Or d’après Oron et al. (1989), cette hypothèse estplus probable quand les temps de séjour sont élevés(>10jours).Ainsi, dans notre étude, avec un tempsde séjour faible (4jours), l’hypothèse de la carenceennutrimentsaétéconfirméeparlescalculsdebilande matière en substrats (N et P). Cette carence estobservéepourdesconcentrationsinférieuresouégalesà28mg.l-1et6mg.l-1, respectivementpour l’azoteetlephosphore.Toutefois,àpartirde32mgN-NH4

+.l-1et8mgP-PO4

3-.l-1,unexcèsdesnutrimentsétaitnoté,excès qui pourrait être responsable d’une éventuelleinhibition de la croissance de Lemna minor dans lemilieu.

La cinétique de croissance de Lemna minor aété caractérisée par la détermination des paramètrescinétiquesµmax,KSetKI pourchacunedesséries.Cesparamètres ont été déterminés par les méthodes delinéarisationetdel’ajustementnonlinéaire(Tableau 4).

Malgré des valeurs adéquates de photopériode(16h/8h) (Landolt et al., 1987), de température(28°C) (Oron et al., 1989; Boniardi et al., 1999) etd’intensité lumineuse (310µmole.m-².s-1) pour unebonnecroissancedeslentillesd’eau(Filbinetal.,1985;Lasfaretal.,2007),lesvaleursdeµmaxajustéesainsiquecellesdesconstantescinétiquesKSetKIobtenuessontfaibles.Ceci est en accord à la fois avec l’hypothèsedesconcentrationslimitantesàdesteneursrelativementfaibles en nutriments (et en oligo-éléments) etl’hypothèse d’inhibition à des concentrations élevéesennutrimentsdanslemilieu.L’expressionglobaledelacinétiquedecroissances’écriraitainsi:

Tableau 4. ValeursdesparamètrescinétiquesdeLemna minor pourl’ensembledessériesdecroissance — Summary of Lemna minor growth kinetics parameters obtained by experiment, or linear and non-linear fits.Série Paramètres Expérimental Ajustement linéaire Ajustement non linéaire

lnX= µt + b L-B E-H H-W Andrews Gauss-Newton1 µmax(parjour) 0,23 0,21 0,25

KS,N(mg.l-1) 5,0 1,0 2,6

KI,N(mg.l-1) 39

2 µmax(parjour) 0,17 0,10 0,10KS,N(mg.l

-1) 3,7 4,1KI,N(mg.l

-1) 25,1 3 µmax(parjour) 0,10 0.01 0,02

KS,N(mg.l-1) 20.0 15,9

KI,N(mg.l-1) 31,0 21,0

4 µmax(parjour) 0,04 0,02 KS,N(mg.l

-1) 48,6 73,5 KI,N(mg.l

-1) 5 µmax(parjour) 0,13 0,08 0,08

KS,P(mg.l-1) 0,9 0,7

KI,P(mg.l-1) 12,0 9,6 3,6

6 µmax(parjour) 0,09 0,03 0,04KS,P(mg.l

-1) 10,2 8,9KI,P(mg.l

-1) 24,0 10,9 L-B:Lineweaver-Burk;E-H:Eadie-Hofstee;H-W:Hanes-Wolf(Langmuir).

µ = µmax × f I( ) × f T( ) × 1

1+ KS,N

N − NH4+⎡⎣ ⎤⎦+N − NH4

+⎡⎣ ⎤⎦KI ,N

⎜⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎟⎟⎟

×1

1+ KS,P

P −PO43−⎡⎣ ⎤⎦

+P −PO4

3−⎡⎣ ⎤⎦KI ,P

⎜⎜⎜⎜⎜

⎟⎟⎟⎟⎟

(8)

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46 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201418(1),37-48 TangouT.T.,BayaD.T,LiadyM.N.D.etal.

Globalisation des séries expérimentales. Laglobalisationdequatresériesexpérimentales(1,2,3,4)relativesàl’azotecommesubstratenunesérieconfirmeles observations selon lesquelles les lentilles d’eaucroissentàdefaiblesteneursenazote(<10mgN.l-1)(Landolt,1986).Lalimitationdecettecroissancesuiteà lacarencedesnutrimentsetdesoligo-élémentsestobservée jusqu’aux environs de 28mg N-NH4

+.l-1.Cependant, au-délà de cette concentration, l’excèsd’azotedanslemilieuatendanceàinhiberdavantagela croissance deLemna minor, tel quemontré par lebilandesmatières(Figure 6a).

Pour les séries5 et 6 relatives au phosphore, lesobservations sont similaires au cas de l’azote. Latendance à la décroissance est observée dès 6mgP-PO4

3-.l-1.D’unemanièregénérale,uneaugmentationdelateneurenphosphoreentraineraitunediminutiondu taux de croissance µ (Figure 6b). La carence ennutrimentsestprécoce(≤6mgP-PO4

3-.l-1)etl’excèsenphosphoredanslemilieuestconfirméàpartirde8mgP-PO4

3-.l-1.

Il se dégage des paramètres cinétiques obtenusde ces séries globales que,malgré de faibles valeursde µmax, celles-ci restent néanmoins dans la gammedesvaleursproposéesdans la littérature(Tableau 5).Quant aux valeurs des constantes cinétiques, KS,elles sont supérieuresà lagammerencontréedans lalittérature, cequin’estpas le caspourKI.Lemilieun’étantpasrenouvelé,ilengendreuneaugmentationdeKIetunediminutiondeKS.Toutefois,ayanttrèspeudepointsdanslazonedecroissance(<10mgN-NH4

+.l-1,<4mgP-PO4

3-.l-1,Figure 6), lesvaleursdeKS issuesdecetteglobalisationnesontdoncpasparticulièrementtrèsfiables.

4. CONCLUSION

Danscetteétude,l’efficacitéetleslimitesdutraitementd’images comme méthode complémentaire dans lesuivi de l’impact des teneurs en nutriments (azote,phosphore) sur la croissance de Lemnaminor a été

Tableau 5. ValeursdesparamètrescinétiquesdeLemna minorpourlasérieglobale.Lesvaleursobtenuesdanslesétudesantérieuressontajoutéesàtitredecomparaison — Parameter values of Lemnaminor growth kinetics for the overall series. Values obtained in previous studies are added for comparison.Paramètres Référence

Oron et al.,1986

Caicedo et al.,2000

Al-Nozaily et al., 2000b

Jupsin et al., 2004

Lasfar et al., 2007

Présente étude, 2013

µmax(parjour) 0,25 0,29 0,19 0,062 0,40 0,07KS,N(mg.l

-1) 0,003 0,002 0,001 0,002 0,95 3,83KI,N(mg.l

-1) 18,61 44,63 33,41 7,3 604 204KS,P(mg.l

-1) 0,04 0,31 1,26KI,P(mg.l

-1) 101 13,3

μ(parjour)

μ(parjour)

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

-0,05

-0,10

-0,15

-0,20

-0,25

a b

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

[N-NH4+](mg.l-1)

[N-NH4+](mg.l-1):μ(parjour):

y=0,2456-0,0063*x;r2=0,93;p<0,001

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

[P-PO43-](mg.l-1)

0,13

0,12

0,11

0,10

0,09

0,08

0,07

0,06

0,05

0,04

[P-PO43-](mg.l-1):μ(parjour):

y=0,1226-0,003*x;r2=0,77;p<0,001

Figure 6. Évolutiondutauxdecroissanceµenfonctiondelateneurinitialeenazote(a)etenphosphore(b)—Evolution of the growth rate µ according to the initial concentration in nitrogen (a) and phosphorus (b).

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Suividelacroissancede Lemna minorparimagesnumériques 47

évaluée.Malgréleslimitesbaséessurlescorrélationsempiriques de la méthode (essai sur pilote), letraitementd’imagesal’avantaged’êtrenondestructifdanslesuivicontinudelabiomasse.Ilpermeteneffetdemesurer labiomassedepar lacorrélationsurface-masse(humide/sèche).Cependant,unmilieutrèsdensedominéparunrecouvrementdesplantesexigeraitunedilutionetuneaugmentationdesurfaceafind’aboutirà de bons résultats. L’idéal serait ainsi d’examinerl’aspect de densité surfacique avec cette méthodeafindeprévenir les difficultés qu’on rencontrerait enréalitésurterrain(pleineéchelle).Lesrésultatsobtenusdu point de vue de l’enlèvement des nutriments netiennentdonccomptequedelaphasedelacroissance.Ainsi, des expériences menées avec une luminositéde 310µmole.m-².s-1 induisant une températured’environ 28°C, un pH presque neutre, il en résulteque la biomasse de Lemna minor croît faiblement àdes teneurs faibles etmoyennes ennutriments (azoteetphosphore)dansunmilieunonrenouveléetexemptd’oligo-éléments. Cette croissance connait une chuteprogressive à partir de 16mg N-NH4

+.l-1 et de 6mgP-PO4

3-.l-1suiteàlalimitationdesteneursennutrimentsetunepossibleinhibitiondueàunexcèsdesubstratsàdes teneurs élevées.Toutefois, il serait intéressantdefaire varier l’ensemble des paramètres (température,intensité lumineuse, photopériode, pH, etc.) qui sontliésàlacroissancedeslentillesd’eauenvuedemieuxcernerl’influencedechacund’euxdanscettecroissanceetéventuellementévaluerletauxdemortalité.

Remerciements

CetravailaétéréaliséauDépartementdesSciencesetGestionde l’Environnement de l’Université de Liège et s’inscritdans le cadreduprojetde recherchedoctoraledupremierauteur. Ce projet de recherche doctorale a été financé parlaCoopérationTechniqueBelge(CTB).NosremerciementsauDocteurLouisAmaniKouadioduLethbridge Research Center(Agriculture and AgriFood Canada);auxmembresde l’Unité Assainissement et Environnement du Campusd’Arlon de l’Université de Liège; au personnel dulaboratoired’Écotoxicologie,ManagementdelaQualitédel’Eau et Biotechnologie environnementale de l’UniversitédeKinshasaetaupersonneldulaboratoiredePhysiquedessols et Hydrologie du Commissariat Général à l’ÉnergieAtomique/Centred’ÉtudesnucléairesdeKinshasapourleurcollaboration.

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