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The metacommunity concept allowed to explicitly incorporate the role of dispersal in the structure of local communities at multiple spatial and temporal scales in ecological studies. In river systems, which are highly structured spatially and where hydrological and environmental conditions vary in time and space, taking dispersal into account improved substantially our knowledge of aquatic biodiversity organisation. However, our knowledge of the metacommunity dynamics in the headwaters, the upstream parts of river networks, remains sparse. Yet, headwaters constitute the majority of river networks and play a key role in the functioning of river ecosystems thanks to their high biodiversity. Due to their upstream position, which isolates their communities within river networks, and the high fragmentation they undergo, by both natural drying and man-made structures, the metacommunity framework seems the most relevant to understand the spatio-temporal structure of their biodiversity. The objective of this thesis is to improve our understanding of metacommunity dynamics in headwaters (i) by revealing the processes at work in ten headwaters undergoing different degrees of fragmentation, (ii) by describing the temporal dynamics of these processes in a headwater fragmented by man-made structures and drying, and (iii) by developing a novel molecular identification method to refine invertebrate community differentiation within the network and better characterize the dynamics of their metacommunities. First, our results showed that alpha diversity was lower in intermittent reaches than perennial ones and that intermittent communities constituted subsets of those of perennial reaches. At the network scale, metacommunities were structured primarily by spatial distances, particularly those associated with fragmentation. All these results suggest that dispersal process is a major process in dynamic and fragmented headwaters, through extinction and recolonization events of intermittent reaches by perennial refuge zones and by dispersal limitation induced by fragmentation and network dendritism. Second, we showed that the processes structuring metacommunity in dynamic and fragmented headwater varied considerably through time, echoing recent studies which emphases the importance of integrating the temporal component in metacommunity studies of dynamic ecosystems. This result, coupled with the fact that dispersal is the dominant process, reflects the response of communities to the hydrological cycles characterizing these ecosystems, which involves frequent events of extinction and recolonization from refuges. In the headwater context of high fragmentation by man-made structures, responses to fragmentation by drying were undetectable, suggesting that the role of fragmentation in metacommunity structure depends on the nature and context of the fragmentation. Finally, we developed an efficient and reliable molecular identification method to obtain qualitative, and even quantitative, information for metacommunity studies in comparison with molecular identification methods traditionally used. The use of the developed method on in situ collected samples demonstrated its potential to study spatial distribution patterns in invertebrate groups for which morphological identification analyses are not possible due to coarse taxonomic level. This thesis offers many areas for further research and improvement in the assessment of metacommunity structure with a need to better describe and quantify dispersal and fragmentation and in the development of molecular methods. Nevertheless, our findings can already be used to guide headwater management and conservation programs by highlighting some priorities, particularly related to the dispersal, temporal variability and fragmentation context encountered in these ecosystems. In addition, this thesis proposes many avenues for optimisations of the molecular identification method; Le concept de métacommunauté a permis d’intégrer explicitement le rôle de la dispersion dans la structure des communautés locales à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans les réseaux hydrographiques, systèmes très structurés spatialement où les conditions hydrologiques et environnementales varient dans le temps et l’espace, la prise en compte de la dispersion a permis d’améliorer nos connaissances sur l’organisation de leur biodiversité. Cependant, nos connaissances concernant la dynamique des métacommunautés dans les têtes de bassin versant, parties les plus amont des réseaux, restent parcellaires. Elles représentent pourtant une majorité des cours d’eau et jouent un rôle clé dans leur fonctionnement. Du à leur position amont qui les isolent au sein des réseaux hydrographiques et de la fragmentation forte qu’elles subissent, naturelle et artificielle, une approche métacommunauté semble la plus pertinente pour comprendre l’organisation spatio-temporelle de leur biodiversité. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension de la dynamique des métacommunautés de têtes de bassin versant (i) en déterminant les processus à l’œuvre dans dix têtes de bassins subissant différents degrés de fragmentation, (ii) en caractérisant la dynamique temporelle de ces processus dans un bassin versant fragmenté par des structures anthropiques et des assèchements et (iii) en développant une méthode d’identification moléculaire pour affiner la différenciation des communautés d’invertébrés et mieux caractériser leur dynamique. Dans un premier temps, nos résultats ont montré que la diversité alpha était plus faible dans les tronçons intermittents que dans les tronçons pérennes et que les communautés de tronçons intermittents étaient des sous-ensembles de celles des tronçons pérennes. A l’échelle du réseau, les métacommunautés étaient structurées par les distances spatiales, notamment celles associées à la fragmentation. Ces résultats suggèrent que le processus de dispersion est majoritairement à l’œuvre dans les têtes de bassin versant dynamiques et fragmentées à travers des événements d’extinction et de recolonisation des tronçons intermittents par des zones refuges pérennes et par la limitation de la dispersion due à la fragmentation et au dendritisme du réseau. Dans un deuxième temps, nous avons montré que les processus structurant les métacommunautés d’une tête de bassin versant dynamique et fragmentée variaient dans le temps. Ce résultat, couplé au fait que la dispersion est le processus dominant, reflète la réponse des communautés au dynamisme des cycles hydrologiques caractérisant ces écosystèmes. Dans ce contexte de forte fragmentation par les structures anthropiques, les réponses à l’assèchement étaient indécelables suggérant que le rôle de la fragmentation dans la structure des métacommunautés dépend de la nature et du contexte de fragmentation. Enfin, la méthode d’identification moléculaire développée s’est montrée efficace et fiable pour obtenir des informations qualitatives, voire quantitatives, pour les études de métacommunautés par rapport à celle d’identification morphologique classique. L’application de la méthode sur des échantillons prélevés in situ a permis de montrer son potentiel pour étudier les patrons de distribution de groupes d’invertébrés pour lesquels les analyses en identification morphologique ne sont pas possibles dû à une résolution grossière. Ce travail de thèse laisse entrevoir de nombreux axes d’améliorations que ce soit dans la compréhension de la structure des métacommunautés ou dans le développement de la méthode moléculaire. Ce travail peut déjà servir à guider les programmes de gestion et de conservation des têtes de bassin versant en mettant en avant certaines priorités liées à la dispersion, à la variabilité temporelle et au contexte de fragmentation rencontrés dans ces écosystèmes. Cette thèse propose aussi des pistes d'optimisation pour la méthode d’identification moléculaire

Fate and effect of pollutants in rivers: from analysis to modeling

International audience; Implementing operational tools to assess and prioritize the impact of land use on the ecological quality of rivers means relying on the availability of water quality data from monitoring networks. In addition, these tools must account for the nested spatial scales and dynamics, in particular to ensure a good estimate of upstream-downstream relations. The analysis of nested spatial scales and temporal dynamics is necessary to ensure a good overview of these relationships. We have developed a three-stage methodology: data collection and pretreatment, detection of spatial dependence (or not) of water quality scores measured for two successive stations, and modeling the relationship between water status and pressure. Our results, based on two sub watersheds of the Saone (France), identify the human pressures influencing the most the ecological quality of rivers and show that the spatial dependence is not systematic. We subsequently consider extending our approach to other water quality parameters and the Saône basin as a whole.

International audience

Cette notice accompagne la base de données cartographique de l'occupation du sol dans les corridors rivulaires de la Saône. Son objectif est de synthétiser les différentes informations relative à la cartographie afin de permettre son usage. Ce document présente les objectifs de la cartographie, résume la démarche de production, présente les caractéristiques et usages des différentes versions et enfin illustre les différentes classes de la nomenclature hiérarchisée.

The wastewater from freshwater fish farming is responsible for important water quality modifications in receiving ecosystems. These point source pollution cause local problems for the management of the freshwater environment, especially in salmon rivers. The aim of this paper is to study the relationship between plant communities and environmental factors in two rivers basins on which seven fish farms are located and to assess the relative part of water pollution compared to other environmental factors involved in water plant distribution. The disturbance due to fish farming wastewater increased both richness and diversity of aquatic plant communities and modified the distribution of 11 aquatic macrophytes. Nevertheless, the main factors involved in the aquatic plant distribution in the whole data set were not the location upstream or downstream from one point source pollution but the belonging to one river system and the habitat physical features. Relevant prediction of macrophytic communities is a useful tool for bioindication purposes but several groups of variables that manifest themselves at different spatial levels must be considered.