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Mitchell, Edward
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Mitchell, Edward
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Professeur ordinaire
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edward.mitchell@unine.ch
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- PublicationRestriction temporaireUnveiling the biogeography of terrestrial protists through microscopy, metabarcoding, and species distribution modelling : from testate amoebae as model organisms to community patterns(Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2024)
; ; Ma thèse de doctorat porte sur la biogéographie et l'écologie des protistes terrestres libres en tant que communauté et des amibes à thèque de l’ordre des arcellinides (Amoebozoa: Arcellinida) en tant qu’organismes modèles. Mes recherches s’articulent autour de deux objectifs principaux: (1) le développement d'une stratégie d'échantillonnage pour étudier, à l’aide du métabarcoding de l’ADN environnemental, l’ensemble de la communauté des protistes du sol le long de gradients d'altitude en tenant compte de leur dynamique spatiotemporelle, et (2) le développement de modèles de distribution d’espèces d’amibes à thèque pour évaluer si les prédictions de distribution à l’échelle globale corroborent l'hypothèse selon laquelle les micro-organismes ont une distribution géographique restreinte. De plus, ces modèles prédictifs visent également à étudier la capacités et les limitations de distribution des amibes à thèque à atteindre des écosystèmes insulaires isolés, et à évaluer leurs risques d'extinction en réponse aux futurs changements climatiques. Dans la première étude, mes recherches ont porté sur la dynamique spatio-temporelle de l’ensemble de la communauté des protistes du sol le long de multiples gradients d’altitude dans les Alpes suisses et la Sierra Nevada espagnole. L’objectif était de déterminer, à l’aide du métabarcoding de l’ADN environnemental, si la dynamique temporelle des communautés de protistes du sol pourrait introduire des biais dans l’études de leur biodiversité lorsque plusieurs gradients d’altitude échantillonnés à travers différentes saisons, habitats, régions ou latitudes sont comparés. Mes analyses ont révélé que la bêta-diversité des communautés de protistes du sol est principalement influencée par l’hétérogénéité spatiale plutôt que par le turnover temporel. Ainsi, les résultats indiquent que, dans les climats tempérés, un seul échantillonnage le long d’un gradient d'altitude n'introduit pas de biais dû aux différences phénologiques entre les saisons. Par conséquent, la bêta-diversité entre plusieurs gradients et plusieurs régions peut être comparée de manière fiable, même si l'échantillonnage n'est pas simultané. Mon deuxième projet a permis d’étudier la distribution et le potentiel de dispersion à longue distance de l'amibe à thèque Apodera vas (Certes) Loeblich & Tappan à l'aide d'un modèle de distribution d’espèce à l’échelle mondiale et basé sur la niche climatique. Les résultats ont révélé de surprenantes divergences entre le potentiel de dispersion à longue distance latitudinale et longitudinale. En effet, alors que le modèle indique de nombreuses zones propices à A. vas dans l’hémisphère nord, le potentiel de distribution interhémisphérique du taxon semble limité, contrairement au potentiel de dispersion longitudinale par le vent ou par les oiseaux qui a été confirmé, notamment dans les îles péri-antarctiques. En outre, en extrapolant le modèle aux climats passés et futurs, j'ai évalué les expansions et contractions des zones propices à A. vas au fil du temps. Jusqu’à la fin du 21ème siècle, les prévisions annoncent une forte réduction des zones propices à ce taxon sur tous les continents en raison du changement climatique. Apodera vas étant un complexe d’espèces cryptiques, mes résultats mettent en évidence d’importants risques d'extinctions régionaux et souligne la nécessité de stratégies de conservation ciblées qui incluent les protistes du sol. J'ai utilisé la même approche de modélisation dans le cadre de la troisième étude pour déterminer les aires propices à l'amibe à thèque Hyalosphenia papilio Leidy à l’échelle globale et étudier les raisons de son absence dans l'archipel des Açores (Portugal) malgré la présence de vastes tourbières à sphaignes. Comme pour A. vas, le modèle de distribution de H. papilio suggère une absence de potentiel de distribution interhémisphérique, mais confirme qu'une dispersion sur de courtes distances est possible. Alors que plusieurs espèces de la même taille que H. papilio ont été trouvées dans des échantillons de sphaigne des Açores, H. papilo ainsi que d'autres espèces mixotrophes étaient absentes, et ceci malgré un climat favorable et la présence d'un habitat approprié. Ce cas de disharmonie insulaire est probablement dû davantage au développement récent des tourbières à sphaignes déclenché par des changements hydrologiques liés au déboisement qu'à une limitation de la dispersion. Pour conclure, en évaluant la robustesse des méthodes d'échantillonnage le long des gradients d'altitude, mon étude a mis en évidence que, dans les régions tempérées, un effort d'échantillonnage réduit (c'est-à-dire une fois par an au lieu d'un échantillonnage répété) ne fausserait pas la comparaison de la bêta-diversité dans le cadre d’études à large échelle. En utilisant la modélisation et les amibes à thèque comme organismes modèles, mes deux autres chapitres de thèse approfondissent les connaissances sur les potentiels mécanismes de dispersion, les filtres environnementaux et l’héritage de l’impact humain passé qui régissent la biogéographie des protistes du sol et soulignent qu'en effet, au moins certains microorganismes ont une biogéographie. De plus, la modélisation permet non seulement d'orienter les études futures, mais met également en exergue les menac es climatiques importantes qui pèsent sur la diversité microbienne. Par conséquent, mes résultats soutiennent l'idée que, à l'instar des plantes et des animaux, les protistes du sol sont fortement structurés dans l'espace à la fois à l'échelle régionale (le long des gradients d'altitude) et à l'échelle mondiale. En outre, ces motifs de distribution peuvent être observés à différents niveaux taxonomiques . En définitive, ma thèse met en lumière l’utilité de combiner différentes approches méthodologiques et différents niveaux taxonomiques pour étudier la biogéographie de protistes du sol. Elle souligne également le besoin urgent de combler les lacunes taxonomiques (‘Linnean shortfall’) et de distribution (‘Wallacean shortfall’) des protistes du sol. Finalement, mon travail illustre l'importance de la collaboration entre les chercheurs et chercheuses en protistologie, en modélisation et en conservation afin d'élaborer des mesures de conservation concrètes pour ces communautés microbiennes vitales et les écosystèmes qu'elles habitent. ABSTRACT My PhD thesis delves into the biogeography and ecology of terrestrial free-living protists, as a community, and on arcellinid testate amoebae (Amoebozoa: Arcellinida) as model organisms. My research is centred on two principal objectives:(1) the development of a metabarcodingbased sampling strategy to study spatio-temporal dynamics of soil protist communities across elevation gradients, and (2) the development of global-scale testate amoebae species distribution models to evaluate if these models corroborate the hypothesis that microorganisms possess restricted geographical distributions. These predictions further aim to investigate the dispersal capabilities and limitations of testate amoebae to reach isolated island ecosystems and to assess their extinction risks in response to future climate change. In the first study, my research investigated the spatio-temporal dynamics of the entire soil protist community along multiple elevation gradients in the Swiss Alps and Spanish Sierra Nevada using environmental DNA metabarcoding. The aim was to determine if temporal dynamics in soil protist communities could introduce biases in biodiversity studies when multiple elevation gradients sampled across different seasons, habitats, regions, or latitudes are compared. My analyses revealed that soil protist community beta-diversity is primarily influenced by spatial heterogeneity rather than temporal turnover. Thus, the results indicate that conducting a single sampling across an elevation gradient in temperate climates does not introduce biases due to phenological differences between seasons. Consequently, beta diversity patterns can be reliably compared between gradients and regions, even if the sampling is not simultaneous. My second project allowed to investigate the distribution and long-distance dispersal (LDD) potential of the testate amoeba Apodera vas (Certes) Loeblich & Tappan using a global climate niche modelling approach. The results revealed intriguing discrepancies between latitudinal and longitudinal LDD for A. vas, with no evidence of interhemispheric LDD, whereas longitudinal LDD, either by wind or by birds, was confirmed, notably in peri-Antarctic islands. Furthermore, by extrapolating the model to past and future climates, I assessed range expansions and contractions over time. Until the end of the 21st century, the predictions forecast a strong reduction in climate suitability for this taxon on all continents due to future climate change. Apodera vas being a complex of cryptic species, this underscores significant risks of regional extinctions and emphasizes the need for targeted conservation strategies that include soil protists. I employed the same modelling approach in the third project and investigated the global climate niche suitability of the testate amoeba Hyalosphenia papilio Leidy and the reasons for its absence in the Azores archipelago (Portugal), despite the presence of extensive Sphagnum-dominated peatlands. Similar to A. vas, the model suggested a lack of interhemispheric LDD for H. papilio but confirmed that short distance dispersal is likely. While several species of the same size range of H. papilio were found in Sphagnum samples from the Azores, H. papilo was absent as well as other mixotrophic species, despite favourable climatic and the presence of the appropriate habitat. This case of island disharmony may be due more to the recent development of Sphagnum peatlands triggered by hydrological changes due to forest clearance than to dispersal limitation. To conclude, by assessing the robustness of the sampling design along elevation gradients, my study highlighted that, in temperate regions, reduced sampling effort (i.e., once per year versus repeated sampling) would not bias beta diversity comparison of large-scale studies. By using species distribution modelling and testate amoebae as model organisms, my two other studies provide insights into the potential dispersal mechanisms, environmental filtering and legacy of past human impact governing the biogeography of soil protists and emphasize that at least some microorganisms do have a biogeography. Additionally, species distribution modelling not only has the potential to guide future studies but also highlights the significant climate threats to microbial diversity. Overall, my results support the notion that soil protist diversity is strongly structured spatially at both regional (along elevation gradients) and global scales, akin to plants and animals. Furthermore, these distribution patterns can be observed at different taxonomic levels (i.e., single testate amoeba taxa vs. entire soil protist community). Consequently, my thesis underscores the utility of combining different methodological approaches and focusing on different taxonomical levels to study soil protist biogeography. It also stresses the urgent need to address the Linnean (taxonomic) and Wallacean (distributional) shortfalls in soil protists. Finally, my work highlights the importance of collaboration among protist researchers, species distribution modeller and conservationists to develop concrete conservation measures for these vital microbial communities and the ecosystems they inhabit. - PublicationRestriction temporaireMorphological and molecular taxonomy of aquatic and terrestrial protists as a prerequisite for studies of evolution, biodiversity, biogeography, bioindication and ecosystem functioning –examples from euglyphid and arcellinid testate amoebaeMacro-eukaryotes (i.e., organisms that do not need magnification to be seen) appear to being the dominant component of ecosystems, but they are not the only driving forces of ecological processes. Microorganisms are known to play important roles in ecological processes such as elements, and nutrients cycling and are also known to shape macro-eukaryotic communities via parasitism or symbiosis (e.g., mycorrhiza). Now we are starting to assess the diversity and the impact on ecological processes of freshwater and marine micro-organisms but little is known of the soil-dwelling microbes, especially non-fungal and non-plant unicellular microeukaryotes (known as the protists). Maybe because most do not form recognizable colonies like the bacteria and the fungi, soil protists have been overlooked even by microbiologists. Some protists such as the diatoms, radiolarians, foraminiferans and coccolithophores have proved to be potent proxies and are commonly used to evaluate current or past environmental changes, but it concerns only a fraction of the protistan diversity. Furthermore, those are mostly marine organisms. Among the plethora of soil protists and their possible uses, only testate amoebae are regularly used as proxies to monitor the evolution of peatlands. And probably, one of the major reasons that could be invoked is the largely incomplete taxonomy of soil protists. The use of protists as bioindicators implies a sound taxonomic framework. However, the diversity and the taxonomy of these organisms is still far from being understood, as most species have not been described. Protists were mainly characterized with light microscopy, but the absence of characteristic morphological traits - and the fact that the phenotypical plasticity of protists was considered as being extremely high - has led naturalists to underestimate their diversity for a long time. It is only recently with the appearance of staining protocols, electron microscopy and molecular biology that we start to assess the true diversity of these organisms. With these new tools, it appears that many described species were in fact morphospecies complexes including more than one biological species that, sometimes, could be completely unrelated. Among these tools, High Throughput Sequencing (HTS) allows to evaluate more easily the micro-eukaryotic community of an environmental sample, revealing that many clades of protists have not been characterized and are still to be discovered. There is then a need for taxonomists to describe this hidden diversity and to update old descriptions in order to build a sound taxonomy. The aim of this thesis is to cover the several steps required to improve the taxonomy of soil protists, with a focus on testate amoebae, so that they can be used in larger surveys to study their ecology, diversity and evolution.
- PublicationAccès libreFrom fundamental questions to practical conservation actions: a study of the ecological niche (soil and vegetation), the pollination system, population genetics, population demography and mycorrhizal associations of "Cypripedium calceolus" (Orchidaceae)The current epoch, the Anthropocene, is witnessing a generalized and rapid extinction of species worldwide. As the causes of such extinctions, often related to global change drivers (e.g., habitat destruction, pollution, climate change), might not be hampered immediately, conservation actions should focus on preserving, restoring and regenerating the disappearing species through concrete action plans. Rare and endangered plant species, for instance, can be preserved by reintroducing seedlings in the same habitat, or introducing them into yet unoccupied habitats to generate novel populations. While this approach holds several good promises, it often generates mixed results, likely due to the fact that the current or novel habitat do not actually offer the optimal conditions for the target species to grow and thrive. With this thesis, we have tackled the problem of how to better characterize the ecological requirements of an endangered plant species in order to increase the success rate of future (re)introduction actions and to develop more efficient and targeted conservation measures. By focusing on the iconic and endangered orchid species Cypripedium calceolus (Lady’s Slipper) as a model species, we have taken a broad-range perspective, including both geomatics and field work to study the links between multiple ecological factors (soil properties, climate, association with local vegetation and health of 34 C. calceolus populations across Switzerland). In the first chapter, we propose a two-step approach to identify (re)introductions sites for endangered plant species using C. calceolus as a model species. The first step involves modelling its niche and its distribution with bioclimatic and topographical predictors. The second step consists in refining these bioclimatic predictions by analysing stationary ecological factors, such as edaphic conditions, and relating them to populations-level fitness values. The first results show that climatic predictions alone were not precise enough, but nevertheless could highlight a likely decline of the species range during the next 50 years due to predicted climate warming. Moreover, when incorporating topographical layers for the modelling approach at the regional scale, we show that the species is more likely to occur near forest edges. Finally, by analysing in situ soil factors, we show that soil organic matter, cation-exchange capacity and pH correlated most strongly with C. calceolus population fitness variables as described by multivariate function trait space. We thus advocate for the combination of modelling tools with fine scale on-site ecological surveys to identify suitable reintroduction sites for this, and potentially other, endangered plant species. In the second chapter, we aimed to determine the relationships between the performance of C. calceolus populations and soil and vegetation factors, to improve this species conservation and but also to advance the theoretical underpinning of which facets of an ecosystem most influence this species fitness. By studying C. calceolus functional traits of 34 sites across Switzerland, we found that large (>20 individuals) populations of C. calceolus displayed a specific assemblage of measurable characteristics that discriminate them from small (<10 individuals) populations, indicating that it is possible to assess the health of a population of a rare plant species by measuring a specific set of traits. While we could not direct predict population health status from vegetation (phytosociological alliances) and soil types, we show that a unique combination of companion plants and several edaphic variables, such as soil organic matter (SOM), CaCO3, pH, and P could be used to potentially assess the optimal sites to implement (re)-introduction actions for this emblematic and patrimonial orchid species. In the third chapter, we addressed the pollination ecology of C. calceolus by studying the links between plant vegetative and floral traits and local pollinator biodiversity. Moreover, we studied potential variation at the population level of how plants attract their pollinators and subsequently how this variation relates to the overall reproductive effort of C. calceolus individuals. We found that small C. calceolus populations occur in less diverse sites, both in terms of surrounding plants and insects. However, while plants from larger populations were physically larger and produced more flowers per capita, they produce the same number of seeds per capita (i.e., seed set) as small populations. This occurred despite the lower pollinator diversity present at the small population sites, meaning that plants from small populations must compensate by providing a stronger attraction to pollinators. Indeed, we discovered that floral volatile organic compounds are produced in higher quantity from the flowers of plants from small populations, suggesting that small populations compensate for low pollinator diversity by producing a stronger floral scent. Two additional perspective chapters deal with the genetic structure of the Swiss C. calceolus populations and their association with mycorrhizal fungi. While these data opens new interesting venues, these topics merits further investigations in the future. In summary, our results do not only increase the fundamental knowledge about C. calceolus biology and ecology but also allow to establish concrete conservation measures and to select more appropriate translocation sites. Moreover, this thesis emphasizes the complexity of orchid ecology and supports the use of integrated research and practical protection measures for this family of plants, and likely others. In a context of global climatic changes and due to the fragility of orchid ecological needs, this kind of approach is more relevant than ever. From a broader perspective, the method we developed is transposable to other plant taxa. Therefore, we advocate for the use of comprehensive methodologies based on multiple aspects of plant biology and ecology, as presented here, to study and protect a broad range rare and endangered plants.
- PublicationAccès libreExploration and characterization of "Amoebozoa" diversity and investigation of their diversity patterns at regional and global scales(2020)
; ; La diversité mondiale des eucaryotes est dominée par des organismes (principalement) unicellulaires appelés protistes. Parmi eux, les Amoebozoa sont l'un des groupes les plus abondants, diversifiés et caractéristiques du sol, jouant ainsi des rôles importants dans le fonctionnement des écosystèmes. Cependant, leur étude a été entravée par la difficulté de les détecter et le manque de traits morphologiques stables dans la plupart des groupes. Toutefois, certains amibozoaires comme les Hyalospheniformes (Arcellinida) produisent une thèque (c.-à-d. une coquille) caractéristique qui facilite leur identification, et sont donc considérées comme un groupe modèle approprié pour étudier les schémas de répartition de la diversité. Le développement récent du barcoding moléculaire a considérablement aidé pour l’identification taxonomique, tandis que le métabarcoding a permis de révéler la composition des communautés microbiennes sans biais d'observation et de culture. Ces méthodes se sont révélées efficaces pour plusieurs groupes microbiens, mais seulement quelques études ont été conçues pour les Amoebozoa et les protocoles disponibles sont encore assez rares. Les objectifs de ma thèse étaient alors 1) améliorer et développer des méthodes moléculaires pour étudier la diversité et l'écologie des amibozoaires, 2) estimer la diversité taxonomique et fonctionnelle présente dans le sol, 3) améliorer la taxonomie et phylogénie de cette diversité afin d'établir une base solide pour de futures recherches et 4) caractériser les facteurs écologiques susceptibles d'influencer la diversité microbienne à l'échelle locale, continentale et mondiale. Nous avons d'abord identifié un nouveau marqueur moléculaire pour étudier plusieurs groupes d’arcellinides, qui s'est révélé efficace pour discriminer des taxons proches et étudier simultanément les relations phylogénétiques profondes entre des taxons éloignés (chapitre 2). De plus, nous avons également adapté un protocole de métabarcoding pour étudier le genre Nebela avec des amorces COI spécifiques et une résolution taxonomique fine (chapitre 6). Ensuite, nous avons isolé, cultivé et décrit le premier membre d'un clade environnemental d’amibozoaires évolutivement très divergent (chapitre 3). Cette amibe, l'une des plus petites espèces d'amibes décrites, présente un cycle de vie unique avec une alternance de trophozoïtes actifs phagotrophes et de ramifications osmotrophes ressemblant aux champignons. Sa présence a été fréquemment reportée dans de nombreuses études de métabarcoding du sol, mais cet organisme n'avait jamais été caractérisé auparavant. En revanche, les Hyalospheniformes sont connus depuis les travaux d’Ehrenberg au XIXe siècle. Cependant, leur diversité au niveau de l’espèce reste mal caractérisée. Dans le chapitre 4, nous avons montré que l'espèce emblématique d’amibe à thèque, Nebela militaris, n'appartenait pas au genre Nebela, mais constituait une entité distincte dans l'arbre des Hyalospheniformes. Par conséquent, nous avons érigé le nouveau genre Alabasta pour cette espèce (chapitre 4). De plus, nous avons montré que la diversité des Hyalospheniformes avait été largement sous-estimée. En effet, nos résultats morphologiques et moléculaires ont révélé la présence de plusieurs espèces au sein des genres Apodera, Alocodera et Padaungiella. Cette nouvelle diversité a des impacts sur la biogéographie microbienne, car Apodera vas et Alocodera cockayni étaient auparavant considérées comme deux espèces non-cosmopolites avec des aires de répartition géographique très étendues et de grandes tolérances écologiques. Par conséquent, nous avons montré que la situation était beaucoup plus complexe, suggérant l'existence d'endémismes locaux étroits et de spécialistes écologiques, à l'instar des genres Hyalosphenia et Nebela (chapitre 5). Finalement, nous avons exploré la diversité du genre Nebela le long d’un gradient d’élévation (chapitre 6). Nous avons observé une diminution de l’abondance et de la diversité en haute altitude ce qui correspond à un effet typique de « milieu de domaine ». Notre étude a également révélé plusieurs phylotypes inconnus limités à de hautes altitudes qui semblent présenter une exclusion réciproque avec des taxons généralistes présents à des altitudes inférieures. En conclusion, cette thèse met en évidence que des méthodes moléculaires associées à des observations morphologiques robustes sont efficaces pour révéler et décrire la diversité des Amoebozoa. De plus, ces organismes microbiens possèdent des schémas biogéographiques et macro-écologiques similaires aux animaux, plantes et champignons, dès lors que ces groupes sont étudiés au même rang taxonomique, c'est-à-dire au niveau de l'espèce. ABSTRACT The world eukaryotic diversity is dominated by (mostly) single-celled organisms referred to as protists. Among them, the Amoebozoa are one of the most numerous, diverse and characteristic groups in soil, thus playing important roles in ecosystem functioning. However, their study has been impeded by the difficulty in detecting them and the lack of stable morphological traits in most groups. Nevertheless, some amoebozoans such as the Hyalospheniformes (Arcellinida) are characterized by a self-constructed test (i.e. shell) which facilitates their identification, and are then considered as a suitable model group for investigating diversity patterns of repartition. The recent development of DNA barcoding has helped considerably taxonomic identification, whereas metabarcoding has allowed revealing microbial community composition without observational and cultivation biases. These methods have proved efficient for several microbial groups, but only few studies have been designed for Amoebozoa and available protocols are still rather scarce. The aims of my thesis were then to 1) improve and develop molecular methods to study the amoebozoan diversity and ecology, 2) estimate their taxonomic and functional diversity in the soil, 3) improve the taxonomic and phylogenetic frame for this diversity in order to build a sound basis for further research and 4) characterize the ecological drivers which are likely to influence microbial diversity at local, continental and global scales. We first identified a new molecular marker to survey arcellinids taxa, which proved to be efficient for discriminating closely-related taxa and simultaneously investigating deep relationships among distant taxa (Chapter 2). In addition, we also adapted a metabarcoding protocol with specific COI primers to survey the diversity within the genus Nebela at a fine taxonomical resolution (Chapter 6). Then, we isolated, cultivated and described the first member of a deep-branching environmental clade of Amoebozoa (Chapter 3). This amoeba, one of the smallest amoeboid species described, presents a unique life cycle with an alternation of phagotrophic active trophozoites and osmotrophic fungi-like ramifications. Its presence has been pervasively reported in many soil metabarcoding studies, but this organism had never been characterized. By contrast, Hyalospheniformes are known since the works of Ehrenberg in the 19th century. However, their diversity at the species level remains poorly characterized. In chapter 4, we showed that the iconic testate amoeba species Nebela militaris did not belong to genus Nebela but branched as a separate entity in the Hyalospheniformes tree. Therefore, we erected the new genus Alabasta for this species (Chapter 4). In addition, we demonstrated that Hyalospheniformes diversity had been greatly underestimated. Indeed, our morphological and molecular results have revealed the presence for several species within the genera Apodera, Alocodera and Padaungiella. This new diversity has implications on microbial biogeography as Apodera vas and Alocodera cockayni were previously considered as two non-cosmopolite species with very broad geographical ranges and large ecological tolerances. Furthermore, we showed that the situation was far more complex, suggesting the existence of narrow local endemisms and ecological specialists, similarly to genera Hyalosphenia and Nebela (Chapter 5). Finally, we explored the diversity patterns of the genus Nebela along an elevation gradient (Chapter 6). We observed a decrease of abundance and diversity in high elevation corresponding to a typical mid-domain effect. Our study also revealed several unknown phylotypes restricted to the higher elevation that seemed to present competitive exclusion with the generalist taxa from lower elevation. In conclusion, this thesis highlights that molecular methods associated to robust morphological observations are efficient to reveal and describe the diversity of Amoebozoa. Furthermore, these microbial organisms display biogeographical and macroecological patterns similarly to animals, plants and fungi, when all groups are studied at the same taxonomical rank, i.e. species level. - PublicationAccès libreLa gestion durable des sols agricoles: sécuriser les démarches ou légitimer les controverses ? L’exemple des politiques agroenvironnementales autour de l’érosion hydrique des sols arables en Suisse(2018)
; ; Cette recherche interdisciplinaire (sciences naturelles – sciences politiques et sociales) porte sur la thématique de la gestion durable des sols agricoles. Plus spécifiquement, elle s’est focalisée sur les politiques environnementales et agricoles suisses autour de la protection qualitative des sols et de la lutte contre de l’érosion hydrique des sols arables. L’étude a abouti à une question adressée aux experts scientifiques et administratifs, et vise une réflexion sur les approches dominantes de la protection des sols en Suisse et à l’échelle globale : face aux constats d’échec des politiques agroenvironnementales, faut- il continuer comme le soutien l’ONU et la FAO à persévérer dans une unique stratégie de « sécurisation » de l’environnement et des sols, synonyme d’innovations techniques qu’il faut parvenir à faire appliquer, ou faut-il plutôt miser sur le développement de nouveaux espaces de débats et de processus décisionnels sur la base d’innovations sociales et politiques ? La révolution industrielle et agricole des 19e et 20e siècles a bouleversé la société européenne et le monde agricole. Cela a conduit notamment à une intensification et à une rationalisation des pratiques agricoles et de l’aménagement de l’espace rural, causes les plus évidentes de la dégradation des sols. Ce constat émis par les scientifiques des sols a alerté l’ONU dès les années 1950 qui y a vu un enjeu capital pour la sécurité alimentaire mondiale. Avec les experts scientifiques comme alliés, cette organisation a développé au début des années 2000 des cadres d’analyses autour des concepts de services écosystémiques ou d’intensification durable de la production agricole, ainsi que des lignes d’action qui ont très fortement influencé les recherches en sciences environnementales et les programmes des administrations étatiques occidentales. En Suisse, les experts des sols ont tiré la sonnette d’alarme dès les années 60- 70 et ont œuvré principalement à travers la Société suisse de pédologie (SSP) pour que le problème de la destruction et de la dégradation des sols soit cadré dans des bases légales. Pionnières en la matière, les autorités suisses ont inscrit la conservation à long terme de la fertilité des sols dès 1983 dans la Loi sur la protection de l’environnement (LPE), puis la gestion durable des ressources durant les années 1990 dans la Loi sur l’agriculture (LAgr). Durant la dernière décennie, sous l’impulsion de la FAO et de l’International technical panel on soils (ITPS), l’Office fédéral de l’environnement (OFEV) a soutenu un changement de paradigme de la protection des sols orienté notamment sur un couplage des pratiques agricoles durables et des fonctions des sols : le function-based decision making. Après 20 ans de mise en œuvre de la LPE-OSol 98 et de la LAgr-OPD 98, le constat demeure mitigé en matière de dégradation des sols. D’un côté il est raisonnable d’affirmer que sans ces instruments, l’état de fertilité (selon la définition de l’OSol) des sols serait pire aujourd’hui. De l’autre, la dégradation et de l’érosion se poursuivent à des degrés très divers. L’OFEV et l’Office fédéral de l’agriculture (OFAG) s’accordent à dire dans un rapport, dix-huit ans après l’entrée en vigueur des textes de loi, que les objectifs agroenvironnementaux n’ont pas été atteints. Ces instruments d’action publique, construits par les experts scientifiques et politico-administratifs, les acteurs du monde agricole et les élus politiques, n’ont pas généré les effets escomptés. Cette étude a donc cherché à comprendre pourquoi, en s’intéressant au problème de l’érosion, vécu sur le terrain notamment par les agriculteurs, les conseillers agricoles, ou les employés des administrations cantonales, et décrit par la recherche scientifique et les rapports nationaux et internationaux. Elle s’est également penchée sur la manière dont les scientifiques ont abordé ce problème et les limites de leur expertise. Finalement, elle a analysé comment les bases légales définissent le problème, comment elles ont été construites, mises en œuvre et évaluées. Au final, 67 entretiens et 15 observations ont été effectués, et une centaine d’articles et de rapports ont été parcourus. Cette enquête ethnographique aboutit au constat que l’érosion des sols agricoles n’est pas qu’un problème écologique et agronomique, mais un problème socio- environnemental comportant des dimensions économiques, sociales, administratives, politiques et culturelles. Pourtant les porte-paroles et le cadrage historique dominant légitimé tant au niveau international que national est celui des sciences environnementales et techniques qui ont avant tout considéré le problème de la dégradation des sols cultivés sous l’angle des effets sur la productivité agricole et de la prévention des risques (notamment érosif), et dont l’approche principale vise aujourd’hui à développer des modèles numériques et des innovations techniques qu’il faut parvenir à transférer aux destinataires de ces mesures. Cette expertise scientifico-technique qui s’affiche pourtant publiquement comme voulant être rationnelle et efficace est, face à l’étude et à la gestion des problèmes environnementaux, pétrie d’incertitudes, de controverses et de manque d’effectivité chronique de mise en œuvre. Dans le cas de l’érosion et de la dégradation des sols, les scientifiques eux-mêmes s’accordent à dire qu’ils ne sont pas parvenus à répondre aux questions fondamentales de leur discipline. En Suisse, les entretiens avec les divers acteurs impliqués révèlent qu’il demeure des zones d’ombre majeures de l’expertise scientifique autour de l’érosion hydrique des sols agricoles : l’apport des réflexions et des connaissances en sciences sociales et politiques ; des énoncés scientifiques socio-économiques concrets sur les impacts de la libéralisation des marchés sur les pratiques agricoles et sur l’état de l’environnement ; des énoncés scientifiques concrets sur les effets du développement territorial et des améliorations foncières sur la dégradation et l’érosion des sols. Face aux limites bien normales de cette seule forme d’expertise, ces mêmes groupes d’experts préconisent malgré tout à l’avenir, la production de données visant à alimenter des modèles toujours plus précis pour offrir aux décideurs des administrations des mesures de lutte (ou des pratiques agricoles) toujours plus ciblées. Mais des voix s’élèvent dans la communauté scientifique, affirmant qu’une telle approche conduit à un confinement toujours plus grand des scientifiques dans leur laboratoire, qu’elle ne pourra jamais contrôler toutes les incertitudes, qu’elle consolide le statut dominant des scientifiques « durs » et des ingénieurs sur les problèmes environnementaux dans les arènes politico- administratives, et qu’elle écarte largement d’autres types d’expertise profane ou scientifique en amont des processus décisionnels. Ce rôle central (nécessaire et important) des experts techniques travaillant dans les cantons, la confédération et les instituts de recherche tel Agroscope en tant que porte-parole et entrepreneur de causes s’est vérifié tout au long de l’histoire de la protection des sols. Ce rôle ne doit ni être minimisé ni être perçu rétroactivement de manière négative. Ce sont grâce à ces acteurs agissant dans ces scènes discrètes que des bases légales ont vu le jour. Mais la dégradation et l’érosion sont restées des problèmes d’experts. Ils ne sont jamais devenus des problèmes appropriés par d’autres acteurs de la société civile. En outre, le processus de construction des politiques agroenvironnementales a été marqué par des mécanismes de filtrage de l’expertise scientifico-technique conduisant à des incohérences importantes dans les bases légales. Citons en exemple la séparation entre la protection quantitative (surfaces) et qualitative (fertilité) du sol, l’absence du rôle des améliorations foncières dans les bases légales, l’absence de politique cohérente de la gestion de la matière organique (humus), l’absence de lignes d’action autour des dégâts off-site de l’érosion, des valeurs indicatives pour l’érosion scientifiquement incorrectes, etc. La mise en œuvre de la LPE-OSol et de la LAgr-OPD est également lacunaire. Cela est dû au manque de ressources humaines, financières, politiques et cognitives d’appliquer en particulier dans les services de l’environnement, et à des résistances et des blocages chroniques aux mesures de gestion durable ou aux instruments de contrôles de l’érosion. En bref, les consensus trouvés après de longues négociations sont sans cesse remis en cause. Finalement, les évaluations officielles de la Confédération reposent sur des critères mettant en avant les taux de participation ou le manque de données biogéographiques et techniques. Or, une telle posture des autorités peut être interprétée comme une façon de légitimer les politiques et les budgets agroenvironnementaux en vigueur. Sous cet angle d’analyse, les dimensions techniques sont instrumentalisées au sein des arènes politiques. Ce problème environnemental n’est donc pas tant technique, mais politique et démocratique. L’inégalité des ressources d’action entre les milieux environnementaux et agricoles, ainsi que l’influence des lobbys et des grands distributeurs pèse lourd sur ces enjeux et s’exprime à travers l’ensemble des processus décisionnels au sein du cycle des politiques publiques (mise à l’agenda, programmation, mise en œuvre, évaluation). Or, la technicisation des débats politico-administratifs et des rapports de la Confédération dépolitise systématiquement les questions et les objectifs fondamentaux des politiques agroenvironnementales : par exemple en discutant ad aeternam des moyens techniques pour contrôler l’érosion, pour finalement aboutir à des consensus qui sont remis en cause dès leur application. Voilà pourquoi dans cette étude, l’auteur a souhaité se détourner de cette focalisation sur les agriculteurs « coupables » et « à convaincre » en le portant sur le rôle des sciences, de l’État et du fonctionnement de notre démocratie. Il a plutôt cherché à remettre en question l’approche dominante de la protection des sols dans le monde sans vouloir la décrédibiliser, mais en l’incitant à davantage de réflexivité et à s’ouvrir aux autres sciences et formes de connaissances. Il use dans ce travail engagé de la liberté de parole d’un doctorant universitaire en ethnologie pour fournir une étude atypique et exploratoire. En conclusion, cette recherche plaide pour favoriser l’émergence de nouveaux porte-paroles légitimés des sols : des artistes, des agriculteurs, des jardiniers amateurs, des paysagistes, des sociologues, des philosophes, des historiens, etc. Elle soutient la création de panels d’experts pluridisciplinaires, p. ex. au sein de la Société suisse de pédologie (SSP), et la mise en place de nouveaux espaces de discussions publics et/ou confidentiels, p. ex. en mobilisant la convention d’Arhus sur le principe de participation. Finalement, cette étude encourage une meilleure formation de terrain sur les « sols » au sein des universités, des hautes écoles et des écoles d’agricultures. Techniciser les débats et dépolitiser les enjeux a été une stratégie gagnante des acteurs de la SSP et politico-administratifs pour amener des bases légales et construire des instruments en évitant tout débordement politique qui auraient causé instantanément des blocages. Mais 30 ans plus tard, face à l’échec des politiques agroenvironnementales et face à l’énorme déséquilibre des ressources d’action entre les milieux environnementaux et les milieux agricoles, cette approche a montré qu’elle ne peut plus avancer seule. À terme, seule une réforme des processus décisionnels démocratiques visant à créer de nouveaux espaces de controverses scientifiques et politiques, ainsi qu’une légitimation de nouvelles formes d’expertise semblent pouvoir conduire à une remise en question des priorités politiques et à une redistribution des rapports de forces. Les débats fondamentaux sur les causes structurelles de la dégradation de l’environnement, sur la cohérence des politiques agroenvironnementales, et sur les objectifs à définir et à atteindre, ne doivent plus être tenus entre quelques experts techniques aux pauses café, mais bien trouver leur place dans de nouvelles arènes de discussion publiques, politiques et administratives., This interdisciplinary dissertation (combining natural, political and social sciences) focuses on the sustainable management of agricultural soils. More specifically, it tackles Swiss environmental and agricultural policies for qualitative soil protection and the accompanying measures to limit water erosion of arable lands. Aiming to launch sustained debate and reflection about the dominant approaches to soil protection in Switzerland and at the global level, it asks scientific and administrative experts the following question: given the failures of agri-environmental policies to date, should we persevere, as the United Nations (UN) and the Food and Agriculture Organization (FAO) propose, with the single-strand strategy of environmental and soil “security”, or is it not time to focus on the development of new spaces for debate and decision- making, based on social and political innovations? The industrial and agricultural revolutions of the 19th and 20th centuries have deeply transformed European society and the agricultural world. This has led to an intensification and rationalization of agricultural practices and zoning in rural areas, the most obvious causes of land degradation. Warnings by soil scientists have alarmed the UN since the 1950s, and led to the identification of world food security as a pressing issue. At the beginning of the 2000s, with scientific experts as allies, this organization developed analytical frameworks around the concepts of “ecosystem services” and “sustainable intensification” of agricultural production, as well as guidelines that have strongly influenced the environmental sciences and policy in Euro-American countries. Soil experts working mainly through the Soil Science Society of Switzerland (SSSS) warned Swiss authorities of the problem of soil destruction and degradation in the 60s and 70s, and began investigating the legal bases for action. Pioneers in the field, Swiss authorities heeded these warnings and enshrined the long-term conservation of soil fertility in the Swiss Environmental Protection Act (EPA) as early as 1983, and the sustainable management of resources in the Agricultural Act (AgricA) during the 1990s. Over the past decade, under the leadership of the FAO and the International Technical Panel on Soils (ITPS), the Swiss Federal Office for the Environment (FOEN) undertook a paradigm shift in soil protection, focusing in particular on the coupling of sustainable agricultural practices and soil functions, promoting so- called “function-based decision making”. Today, after 20 years of implementation of the EPA-OSol 98 and the AgricA- OPD 98, observers all conclude that the results of these efforts to reduce or stop soil degradation remain disappointing. On the one hand, it is reasonable to say that without these instruments, soil fertility (as defined by OSol) would be worse today. On the other hand, degradation and erosion continue, albeit at different speeds and to different degrees. The FOEN and the Federal Office for Agriculture (FOAG) agree, eighteen years after the implementation of this legislation, that their agri-environmental objectives have not been met. These instruments of public policy, co-conceived by scientists, politico-administrative experts, spokespeople for the agricultural sector and politicians, have not generated the expected results. This present study seeks to understand why, by conducting ethnographic fieldwork and interviews with farmers, agricultural advisers, public servants in cantonal and federal administrations and scientists, and by analyzing existing national and international reports. By focusing on how these diverse actors have tackled this problem, it identifies the limits of their expertise, with a particular focus on soil scientists. Finally, it analyzes how the legal bases that define and frame the problem were constructed, implemented and evaluated. In the end, 67 interviews and 15 field observations were carried out, and about 100 articles and reports were consulted. This ethnographic survey leads to the observation that the erosion of agricultural soils is not only an ecological and agronomic problem, but also a socio-environmental problem involving economic, social, administrative, political and cultural dimensions. However, the main actors and the dominant historical framework, recognized both internationally and nationally, are all limited to the environmental and technical sciences. These “technosciences” traditionally consider the problem of cultivated soil degradation in terms of its effects on agricultural productivity and risk prevention (especially erosive risk). Their main methods involve the development of numerical models, thought to justify the direction and content of technical innovations that must then be transferred to their end-users, that is to say, farmers and agricultural advisors. However, despite their public claims to rationality and effectiveness, a careful analysis of these forms of scientific and technical expertise reveals multiple uncertainties, controversies and a systemic lack of implementation. In Switzerland, interviews carried out with the various actors involved revealed that there are still major blind spots in scientific expertise around water erosion of agricultural soils. These blind spots revolve around: knowledge in the social and political sciences; a detailed and concrete assessment of the impacts of market liberalization on agricultural practices and the environment; and detailed scientific study of the effects of zoning and land improvement on soil degradation and erosion. While acknowledging the inevitable limits of single-strand expertise, these same experts nonetheless recommend that future policy emphasize the production of yet more data aimed at feeding more and more precise models to offer decision-makers control measures for increasingly precise targeting of farmers and farming practices. More recently, a small but audible portion of the scientific community has voiced the opinion that such an approach leads to the increasing confinement of scientists within their laboratories, to the detriment of real-world solutions. These critics point out that these mono-disciplinary policy measures will never be able to control all of the uncertainties in this area, that they consolidate the dominant role of “hard” scientists and engineers in addressing environmental issues, thereby largely excluding other types of scientific of practice-based expertise from upstream decision-making processes. The central (and no doubt necessary and important) role of technical experts working in the cantons, the Swiss Confederation and research institutes such as Agroscope who function as spokespersons and moral entrepreneur for soil policy has been a constant throughout the history of this issue. This role should not be minimized or perceived negatively today. It is thanks to these experts, acting discretely but effectively behind the scenes, that Switzerland has the legal bases it needs to undertake qualitative soil protection. However, by confining the problem of the degradation and erosion of agricultural soil to expert circles, this top-down approach has made it more unlikely that these policies are appropriated by other actors in civil society, most importantly, those people who are supposed to apply them. In addition, the process of creating agri-environmental policies has been marked by filtering mechanisms central to scientific and technical expertise, leading to significant inconsistencies. Examples include the disconnect between quantitative (surface) and qualitative (fertility) soil protection measures, the lack of any mention of land improvement in the legal bases for policy-making, the lack of a coherent policy for the management of organic matter (humus), the lack of guidelines around off-site erosion damage, and scientifically incorrect indicative values for erosion, etc. As mentioned, a further problem is that the implementation of EPA-OSol and AgricA-OPD is spotty and incomplete. This is due to lack of human, financial, political and cognitive resources in environmental administrations, and to resistance and chronic inertia with respect to sustainable management measures or erosion control instruments. The analysis presented here demonstrates how points of consensus reached after long negotiations are constantly being called into question, sending confusing signals to all actors involved. Finally, the official assessments that the Confederation undertakes to evaluate the effectiveness of these policies are based on criteria that highlight participation rates or that focus single- mindedly on lack of biogeographic and technical data. Such an official attitude can be interpreted as a way of legitimizing existing agri-environmental policies and budgets, in a country where agriculture represents a highly charged political issue. From this perspective, the dissertation concludes that the technoscientific orientation of current policy serves distinct purposes within political arenas. In other words, the environmental problem of agricultural soil fertility is not so much a technical as a political and democratic problem. The unequal budgets and legitimacy as between environmental and agricultural administrations, as well as the influence of lobbies and the food industry, weigh heavily on these issues. All of these framing mechanisms can be seen through a detailed analysis of the decision-making processes within the public policy cycle (setting of the political agenda, programming, implementation, evaluation), as demonstrated here. However, through “technicization” of the politico- administrative debate, the reports of the Confederation systematically depoliticize these issues, losing sight of the fundamental objectives of agri- environmental policies. This “failure as usual” model for tackling environmental problems is particularly evident in the eternal discussions about the technical means to control erosion, which, time and again lead to fragile agreements that are challenged as soon as they are applied. Thus, farmers continue to refuse or neglect these policy measures, while experts continue to deprive themselves of the means fully to evaluate their effectiveness. For all these reasons, this dissertation takes its distance from the focus on technical fixes that seek to convince “conservative” or “ignorant” farmers to tow the line. Rather, it focuses on the role of science and the functioning of Swiss democracy. It seeks to challenge the dominant approach to soil protection around the world without discrediting it, by encouraging it to be more reflexive and open to other sciences and other forms of knowledge production. Using his academic freedom as a PhD student in anthropology, the author takes an engaged and critical, and yet informed and respectful, stance with respect to scientific expertise, hoping to provide innovative avenues for reflection in an area in urgent need of new solutions. In conclusion, this research argues in favor of the emergence of new soil spokespersons: farmers, hobby gardeners, landscapers, artists, sociologists, philosophers, historians, etc. It recommends the creation of multidisciplinary expert panels, for example within the SSSS, and the establishment of new public and/or private forums for discussion, for example by mobilizing the Aarhus Convention on the principle of participation. Finally, this study encourages better field training in soil sciences in universities, colleges and agricultural schools. Technicizing the debates and depoliticizing the issues was a winning strategy for the SSSS and politico- administrative actors in their attempts to create the legal basis for the protection of agricultural soil, by avoiding the political resistance that frank and open discussion of the stakes at hand would have encountered. However, thirty years later, faced with the failure of agri- environmental policies and the huge imbalance of resources for action as between environmental and agricultural authorities, this approach has shown that it can no longer advance alone. Ultimately, only a reform of democratic decision-making processes aimed at creating new spaces for scientific and political disagreement, as well as the legitimization of new forms of expertise, can lead to a realignment of political priorities and a redistribution of power and influence in this area. The fundamental debates on the structural causes of environmental degradation, on the coherence of Swiss agri-environmental policies, and on the objectives to be defined and to be achieved must no longer be held between technical experts over coffee breaks, but find their rightful place in new public, political and administrative arenas. - PublicationAccès libreImpact of vertebrate cadavers on soil communities and soil chemistry to develop new forensic indicators for estimating the time after death(2017)
; La décomposition des cadavres dans l'écosystème sol créée des "hot spots" éphémères particuliers, en introduisant de l'eau, des communautés microbiennes et de grandes quantités de liquides riches en éléments nutritifs dans le sol. Ceci a un impact fort, quoique spatialement et temporellement limité, sur la chimie et les organismes du sol. La recherche des impacts des cadavres sur l'environnement du sol est à l'interface entre les sciences écologiques et les sciences forensiques ; le premier domaine se focalise sur leur importance en tant que ressource dans les écosystèmes et le second sur l'estimation de l’intervalle post-mortem ou post-mortem interval (PMI) qui est le temps écoulé depuis la mort. Cependant, la recherche sur les cadavres est encore limitée et, en particulier, les connaissances sur leurs impacts sur les organismes du sol. En science forensique, l'estimation des intervalles post-mortem longs (plusieurs semaines, mois, voire années) reste un défi, parce que les méthodes actuelles comme l'examen médical du défunt ou l'utilisation de preuves d'insectes (entomologie forensique) perdent leur précision après quelques jours ou plusieurs semaines respectivement. Il y a donc une demande croissante de méthodes nouvelles et applicables en science forensique. Cette thèse de doctorat se focalise sur trois sujets clés: (1) caractériser les changements dans les caractéristiques chimiques des sols en réponse aux cadavres en décomposition, (2) évaluer les réponses de différents groupes d'organismes (thécamoebiens, nématodes, insectes) à ces changements et évaluer leur potentiel pour l´estimation du PMI (3) tester plusieurs méthodes (analyse des os, des acariens, nématodes et des micro-Eucaryotes du sol) dans une cas réel, combinant différentes disciplines (datation au 14C, microscopie, séquençage à haut débit). L'objectif global est d'améliorer notre compréhension de l'impact des cadavres sur le sol et d'utiliser ces connaissances pour développer de nouvelles méthodes d'estimation de PMI. Par conséquent, nous avons conduit deux expériences dans les forêts à proximité de Neuchâtel, en Suisse avec trois cadavres de cochons (Sus scrofa) dans la première (2009-2010) et dix cadavres de cochons dans la deuxième expérience (2013-2014). Dans la première expérience, nous avons comparé trois traitements (trois répétitions chacun) : 1) placettes témoin (sol nu pour référence), 2) des faux cochons (sacs de coton de taille et de masse équivalente à les cadavres de cochons pour les effets microclimatiques) et 3) des cadavres de cochons (placés directement sur le sol pour des effets microclimatiques et fluides cadavériques). Dans la deuxième expérience, nous avons augmenté le nombre de répétitions (cinq) et ajouté un quatrième traitement, soit des cadavres de cochons suspendus (cadavres suspendus dans des cages à 1 m au-dessus du sol) pour les effets fluides cadavériques seulement. Dans les deux expériences, l'échantillonnage a commencé peu de temps avant que les cadavres soient mis en place et après dans des intervalles définis. Les résultats de cette thèse de doctorat ont révélé des changements clairs dans la chimie du sol et dans l'abondance et la structure des communautés de thécamoebiens et de nématodes montrent qui peuvent être liés au processus de décomposition. Ni les constituants chimiques du sol, ni la composition communautaire des organismes du sol analysés n'étaient retournés au statut initial (soit avant le processus de décomposition) après 10 ou 12 mois. Par conséquent, ces approches ont un grand potentiel pour une estimation de PMI long. Enfin, cette thèse de doctorat montre que la combinaison de disciplines - ici l'acarologie, l'anthropologie, l'entomologie, le séquençage à haut débit des Eukaryotes, et l‘étude des caractéristiques chimiques du sol – est particulièrement puissante pour les enquêtes de cas réels. Dans cette thèse de doctorat, nous avons non seulement démontré avec succès l'importance du sol en science forensique, mais aussi ouvert la voie à d'autres marqueurs forensiques pour estimer le PMI. ABSTRACT Decomposing cadavers in terrestrial ecosystem represent discrete ephemeral “hot spots” that introduce water, microbial communities and high amounts of nutrients into the soil. This has a strong, although spatially and temporally limited, impact on soil chemistry and belowground soil organisms. The study of cadaver impacts on the soil environment is at the interface between ecological and forensic sciences, the former focusing on their importance as a resource in ecosystems and the latter on the estimation of the post-mortem interval (PMI) which is the time elapsed since death. However, carrion research is still sparse and especially knowledge about cadaver impacts on soil organisms remains extremely poor. In forensic science the estimation of long post-mortem intervals (after weeks, months or years) is still a challenge, because current established methods such as the medical examination of the deceased or the use of insect evidence (forensic entomology) lose their accuracy after a few days or several weeks respectively. Hence, there is an increasing demand for new and applicable methods in forensic science. This PhD thesis focuses on three key subjects: (1) characterising the changes in soil chemical characteristics in response to decomposing cadavers, (2) assessing the response of organism groups (testate amoebae, nematodes, insects) to these changes and evaluating their potential for PMI estimation (3) testing several methods (analysis of bones, mites, nematodes and micro-Eukaryotes) in a real case investigation, combining different disciplines (14C dating, microscopy, high throughput sequencing). The overall aim is to improve our understanding of cadaver impact on the soil and use this knowledge to develop new methods for PMI estimation. Therefore we conducted two experiments, using three pig cadavers (Sus scrofa) in the first (2009-2010) and ten pig cadavers in the second experiment (2013- 2014) that were placed in forest areas near Neuchâtel, Switzerland. In the first experiment, we compared three treatments (three replicates each): 1) control (bare soil for reference), 2) fake pigs (cotton bags of the same size as the pig cadavers for microclimatic effects) and 3) ground pigs (cadavers directly placed on the ground for microclimatic and cadaveric fluids effects). In the second experiment, we increased the number of replicates (five) and added a fourth treatment i.e. hanging pigs (cadavers hanging 1 m above ground) for cadveric fluids effects only. In both experiments sampling started shortly before the cadavers were put in place and continued in defined intervals after. The results from this PhD thesis revealed that changes in soil chemistry and in the abundance and community structure of testate amoebae and nematodes show identifiable patterns that can be related to the decomposition process. Neither the chemical constituents of the soil, nor the community composition of the analysed soil organisms had returned to the initial status (i.e. before the decomposition process) after 10 or 12 months. Therefore, these approaches have a high potential for long PMI estimation. Finally, this PhD thesis shows that the combination of disciplines - in this case, acarology, anthropology, entomology and soil science – is especially powerful for real case investigations. In this PhD thesis we have not only successfully shown the importance of soil in forensic science, but also paved the way for additional forensic markers to estimate the PMI. - PublicationAccès libreUsing testate amoeba community structure and functional diversity to assess the impact of climate changes on ecosystem functioning: finding relevant and convenient tools for bio-monitoring of "Sphagnum" peatlands evolution or recoveryL’impact grandissant de l’homme sur les écosystèmes et les changements climatiques en cours font disparaître nombre de milieux naturels dans le monde. Il est aujourd’hui acquis que les écosystèmes naturels et la biodiversité ont un rôle important dans le bien-être de l’humanité et que les services qu’ils rendent ont une valeur monétaire qui peut être estimée (services écosystémiques). Parmi ces écosystèmes, les zones humides et les tourbières ont une importance particulière, liée autant à la flore très spécifique qui y vit qu’à leur rôle de puits de carbone. En effet, leurs sols, détrempés une grande partie de l’année, sont anoxiques et la matière organique s’y décompose très lentement. Elle s’y accumule, permettant de fixer dans le sol (la tourbe) du carbone atmosphérique. Mais cette fonction est liée directement à l’engorgement en eau, qui dépend du régime des précipitations et donc du climat. Dans un contexte de changement climatiques, mais aussi à une pression anthropique croissante, les tourbières sont partout dans le monde en voie de régression. En Suisse, par exemple, il ne reste actuellement que 10% des zones humides existantes au XIXème siècle. Dès lors, il est urgent de développer des outils qui permettent de suivre leur évolution.
L’objectif de cette thèse est de mettre au point des indicateurs permettant de suivre l’état des tourbières ainsi que leur fonctionnement en tant qu’écosystème. Les relevés de végétation utilisés depuis longtemps permettent de suivre les changements sur le long à très long terme ; cependant, cet outil est insuffisant pour documenter des changements rapides de l’ordre de quelques mois. En particulier, lors de travaux de revitalisation, il est difficile d’estimer l’impact des mesures prises (comme par exemple : manipulation de la nappe d’eau, réintroduction d’espèces végétales, etc.) sur le fonctionnement général de la tourbière. Si la végétation prendrait des années à se modifier, les communautés de micro-organismes vont réagir en effet beaucoup plus rapidement. Parmi ces micro-organismes, les amibes à thèques, un groupe de protistes unicellulaires se protégeant dans une coquille (appelé thèque), jouent un rôle prépondérant dans le réseau trophique des sols de tourbière et sont aujourd’hui reconnues comme étant de bonnes indicatrices de divers gradients tel l’humidité, le pH, les nutriments ou les polluants. Les thèques de ces organismes ont une forme caractéristique qui permet leur identification au niveau de l’espèce. Des traits morphologiques ont été corrélés aux préférences écologiques des espèces, et il est possible, en les observant, de mettre en évidence des filtres environnementaux. La définition des traits fonctionnels nécessite des expérimentations en milieu contrôlé pour définir clairement les corrélations entre les traits morphologiques et le fonctionnement de l’écosystème.
Le premier article (chapitre 2) a permis de montrer qu’une sélection d’espèces d’amibes à thèque est plus finement corrélée aux changements de micro-gradients (humidité) que la végétation dans un gradient altitudinal de tourbières naturelles relativement préservées. En effet, dans cette étude, nous montrons qu’un pool de dix espèces d’amibes à thèque faciles à identifier, permettent de suivre la profondeur de la nappe le long du gradient gouille – buttes, à diverses altitudes alors que la végétation (globale ou séparée entre plantes vasculaires et bryophytes) est plutôt mieux corrélée à l’altitude et autocorrélée au site lui-même. Dès lors, ces dix espèces d’amibes sont de meilleures indicatrices de l’état et du fonctionnement de la tourbière.
Dans le second article (chapitre 3), nous comparons la structure de la communauté d’amibes ainsi que la moyenne pondérée des traits fonctionnels entre une tourbière artificielle créée au Jardin Botanique de Neuchâtel (d’une surface d’environ 100m2) avec une tourbière naturelle en cours de régénération (Bois des Lattes, NE). Recréer une tourbière fonctionnelle à basse altitude est un solide défi, surtout lorsque la météo impose une longue sécheresse la première année. Nos résultats indiquent que la population d’amibes à thèque à fortement changé durant cette première année et semble indiquer que le fonctionnement de la tourbière a été profondément perturbé. En effet, la comparaison entre les communautés d’amibes sur le site de référence et les deux échantillonnages du jardin botanique (2015 et 2016) montrent des différences significatives ; alors que Corythion dubium représente environ 1/5-1/3 de tous les individus vivants rencontrés au jardin botanique, cette communauté est dominée par Difflugia sp. et Phryganella acropodia sur le site de référence (Bois des Lattes, NE). Par contre, sur la base des traits fonctionnels, le fonctionnement semble assez proche entre les sites, avec des signes indiquant un stress hydrique important mais comparable entre le site de référence (sphaignes sur tourbe nue) et le jardin botanique.
La troisième partie de cette thèse nous a permis de corréler les traits fonctionnels avec la fluctuation de la nappe d’eau dans une situation contrôlée en mésocosmes. Dans la première phase de l’expérimentation (article 3, chapitre 4) le niveau d’eau a été réglé à −4cm (humide), −15cm (contrôle) et −25cm (sec) depuis le sommet des capitulums et plusieurs échantillonnages ont été réalisés durant 18 mois. Les traitements mouillés et contrôle ont peu changé durant cette phase, restant largement dominés par Hyalosphenia papilio, une espèce mixotrophe fréquente en tourbière et avec une bonne tolérance aux variations de la nappe. Dans les réplicas secs, nos résultats montrent que la population d’amibes à thèque répond rapidement au traitement en basculant vers des espèces connues pour mieux tolérer les conditions sèches (groupe de Nebela tincta, Corythion dubium). Les traits fonctionnels mis en évidence dans le traitement sec sont un biovolume plus petit, un pseudostome caché (ventral ou ventral-central) et étroit ainsi que la perte de la mixotrophie. Dans la seconde phase (papier 4, chapitre 5), nous avons simulé une situation de régénération en remontant le niveau d’eau à −10cm de la surface de la sphaigne. Quatre échantillonnages ont été pris en compte, le premier et le dernier de la première phase, ainsi que deux échantillons 2 et 6 mois après l’égalisation du niveau d’eau. Dans le traitement sec, la population d’amibes à thèque revient progressivement à son état du début de l’expérimentation avec une diminution des taxa adaptés aux conditions sèches et la réapparition de taxa corrélés à des conditions humides (et en particulier Hyalosphenia papilio). La moyenne pondérée des traits fonctionnels se modifie indiquant des contraintes environnementales moins drastiques. De façon intéressante, certains échantillons des traitements humides et contrôle ont vu leur communauté d’amibes ainsi que leur moyenne pondérée de traits indiquer que la situation locale était plus sèche et reflétait ainsi l’état de la sphaigne dans laquelle l’échantillonnage s’est fait.
Cette thèse permet de montrer le potentiel de bio-indication des amibes à thèque et de leurs traits fonctionnels dans le suivi des tourbières, que ce soit pour suivre des mesures de revitalisation ou pour faire un diagnostic de leur état et de leur fonctionnement. L’approche par les traits, en contournant la difficulté d’une identification des taxa très précise et en mettant en évidence les mécanismes en cours, permettrait de créer un outil de bio-indication basé sur des classes de traits et des proportions, ne nécessitant pas l’utilisation de statistiques complexes., Human activity and ongoing climate changes have an increasing impact on ecosystems and lead to the loss of several natural habitats. Ecosystems provide functions contributing to human well-being and these functions could be estimated based on a monetary value. Among these ecosystems, wetlands and peatlands are of primary importance, by hosting a specific flora and acting as a carbon sink. Their waterlogged soils are anoxic, and the mineralisation of the organic matter is slow. Organic matter accumulates in the peat and thus fixes atmospheric carbon in soil. But this function is directly linked to the humidity content, which depends on precipitation rate and local climate. With ongoing climate changes and human pressure on peatlands, these ecosystems are regressing all over the world. In Switzerland for example only 10% of the wetlands, that still existed in the 19th century, remained until now. Henceforth, developing tools that allow the monitoring of peatlands has become a key priority.
The aim of this thesis was to develop bio-indicators that can be used to monitor the status and functioning of Sphagnum peatlands. Until now, monitoring of Sphagnum peatlands was mainly conducted through vegetation surveys. However, as vegetation responds to perturbation with a delay, its power to assess short term changes is limited. Particularly, it is difficult to estimate the impact of revitalisation actions (i.e. manipulation of water table, introduction of vegetation, etc.) on the global functioning of the peatland. While vegetation takes years to reflect changes, micro-organismal communities will react sooner. Among these micro-organisms, testate amoebae, a group of unicellular protists building a shell (test), play an important role in food web functioning in Sphagnum peatland’s soils and are well correlated to local changes. They are now used to monitor various gradients like humidity, pH, nutrients contents and pollutants. The shell is characteristic and allows the identification to species level. Recently morphological traits were correlated to ecological preferences of taxa and studies use them to underline environmental gradients. However, studies in control conditions are needed to define functional traits i.e. traits that are correlated with environmental filters. Therefore a clear definition of the correlation between morphological traits and ecosystem functioning is necessary.
In this thesis we showed that a group of selected testate amoeba taxa is more precisely correlated to microgradient (humidity content) than vegetation along an altitudinal gradient of Sphagnum peatlands in Switzerland. We demonstrated that these ten selected taxa, which were easy to determine, allow to monitor the water table depth along the pool – hummock gradient at each elevation while vegetation (global or vascular plant and bryophytes separately) was better correlated to elevation or autocorrelated to the site itself. Henceforth, these ten testate amoeba taxa describe the status and functioning of the bogs more precisely. In addition we compared the structure of testate amoeba community and community weighted mean of functional traits between an artificial peatbog (covering an area of 100m2) set up in the Botanical Garden in Neuchâtel and a regenerated bog in Bois des Lattes (NE). Rebuilding a fully functional Sphagnum peatbog at low elevation is challenging, especially with long warm and dry periods during the first year. Our results showed that testate amoeba community structure changed drastically during this first year and seemed to indicate that the bog functioning was deeply disturbed. Henceforth, the comparison between the community structure found on bare peat in Bois des Lattes and the living community structure found in both samplings (2015 and 2016) in the Botanical Garden was significantly different. In the Botanical Garden, Corythion dubium represented ca. 20% to 30% of the whole living population while the Difflugia genus and Phryganella acropodial dominated sampling in Bois des Lattes (ca. 25%). On the other hand, the global functioning of both sites appeared to be quite similar based on functional traits and indicated a water stressed situation. Thus, even if the community structure was relatively different between the Botanical Garden bog and Bois des Lattes, the global functioning remained in the same range in both sites.
We also monitored the changes in testate amoeba community structure and correlated functional traits with water table fluctuations in a controlled experiment i.e. mesocosms. We assessed the response of testate amoeba community structure and weighted mean of traits to three levels of water tables, wet (-4cm), intermediate (-15cm, taken as control) and dry (-25cm). In wet and intermediate plots, little changes occurred over 18 months and the community stayed largely dominated by Hyalosphenia papilio, a mixotrophic taxa common in Sphagnum peatlands and with a relatively wide tolerance to fluctuation in water level depths. In dry plots, the shift in community structure occurred rapidly and taxa related to dryer conditions dominated the community (Nebela tincta group, Corythion dubium). In these plots, the shift in community weighted mean of functional traits went towards small taxa, with a small hidden pseudostome (ventral and ventral-central) and the loss of mixotrophy. In the follow-up of this experiment, we simulated a regeneration situation by putting the water level at -10cm in all plots. Four samplings were taken into account, the first and the last of the previous experiment and two additional samplings were done, two and six months after the rewetting. Our results showed that, during the recovery period, the community structure of testate amoebae reflected the change in water level, in the former dry treatment. Taxa living in more humid conditions like H. papilio, recovered whereas N. tincta, and C. dubium, taxa related to dry conditions, regressed in community structure. The community weighted mean of traits shifted and indicated that the environmental constraints were less drastic in theses plots. Interestingly, the community structure and the weighted mean of traits in some former wet and intermediate plots indicated that the local conditions should be dryer and, indeed, this reflected the state of Sphagnum stems which was very dry in these plots.
This thesis confirms the bio-indication potential of testate amoeba communities and functional traits in Sphagnum peatlands monitoring. This can be used either for a follow- up of the revitalisation measures or to diagnose their functioning. The trait based approach, by circumventing the difficulties of precise identification and by highlighting ongoing processes, provide cues to build bio-indication tools based on functional trait classes and proportion without the need of complex statistics. Moreover, assessing the success of restoration measures is important to assess the role of peatlands in the carbon cycle. In this context, easy to handle bio-monitoring tools better correlated to very local hydrologic conditions are needed and testate amoeba community structure and community weighted mean of functional traits could play this role. - PublicationAccès libreA molecular approach to microeukaryotic diversity, ecology and biogeography associated with Sphagnum mosses(2017)
; Malgré le fait que les micro-eucaryotes composent la majeure partie de la biodiversité terrestre et jouent de nombreux rôles essentiels dans le maintien des écosystèmes, la connaissance de leur diversité, de leur écologie ainsi que de leurs aires de répartition reste très lacunaire. Dans ce sens, les objectifs de cette thèse sont 1) d’accroître la connaissance de la diversité des micro-eucaryotes 2) de caractériser les préférences écologiques et de déterminer quelles sont les principales variables qui influencent la composition des communautés et enfin 3) de comprendre les règles qui dirigent les communautés à l’échelle locale et globale. Pour atteindre ces objectifs, un milieu spécifique a été sélectionné : la "sphagnosphère", celui-ci désigne l’eau interstitielle sous l’influence des mousses de sphaignes (Sphagnum). Cet environnement est un excellent modèle en biologie car il se caractérise par une faible teneur en éléments nutritifs, un faible pH, des quantités élevées d’acides organiques et une grande stabilité dans le temps.
Nous avons d’abord exploré la diversité de deux groupes de protistes vivant dans les sphaignes. Le premier groupe est le genre Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), un groupe d’amibes à thèque composé d’espèces étroitement apparentées. Nous avons décrit formellement la plus abondante et l’avons nommée Nebela gimllii en raison de la taille de sa thèque. Les différents profils de communautés ont révélé que les espèces ne sont pas distribuées de manière aléatoire dans les tourbières. Au contraire, nous avons observé un fort groupement phylogénétique dans les zones oligotrophes, ce qui suggère que les teneurs faibles en azote exercent une forte pression environnementale. Nous avons également étudié la diversité moléculaire du clade d’Oomycota. Ce sont des stramenopiles qui se composent de nombreux parasites d’animaux, de champignons et de végétaux, ainsi que d’espèces saprotrophes. Nous avons révélé une grande diversité dans ce clade ce qui était inattendu pour des organismes osmotrophes vivant dans des habitats oligotrophes. De plus, la plupart des phylotypes trouvés ne sont pour le moment pas décrits morphologiquement ni génétiquement, ce qui suggère l’existence d’organismes hautement spécialisés.
Nous avons également étudié la diversité des micro-eucaryotes vivant dans des Sphaignes situées à différentes altitudes dans trois zones climatiques différentes : tempérée (Suisse-France-Italie), subtropicale (Japon) et tropicale (Costa Rica). Nos résultats suggèrent que 25% des phylotypes étaient communs dans ces trois zones. Nous avons également trouvé une corrélation significativement négative entre la quantité de phylotypes liés aux organismes mixotrophes et des températures élevées. Cela suggère que la mixotrophie est désavantageuse dans un climat chaud. Enfin, nous avons étudié la répartition spatiale d’une espèce emblématique d’amibe à thèque trouvé dans les tourbières de l’hémisphère nord: Hyalosphenia papilio. Un total de 13 lignées ont été trouvées, dont neuf présentent des distributions restreintes et quatre sont bien réparties dans tout le domaine holarctique. Nous avons montré, sur la base de reconstructions phylogénétiques et d’une reconstitution des caractères ancestraux, que l’origine de H. papilio se situe probablement sur la côte ouest de l’Amérique du Nord.
En résumé, ma thèse démontre que l’environnement « sphagnosphère » accueille une diversité élevée et unique de micro-eucaryotes. Cette diversité est influencée par des variables environnementales physicochimiques à l’échelle locale mais également par le climat et la distance géographique à l’échelle mondiale. Nous avons identifié et quantifié les principales variables abiotiques locales (à savoir la microtopographie et la teneur en azote) qui influencent fortement les communautés au sein d’une même zone climatique. Ces variables ont exercé un fort effet de filtre environnemental, qui semble être un processus fondamental dans la mise en place des communautés. De plus, à l’échelle mondiale, nous avons démontré que la température était le principal paramètre influençant la composition de la communauté, et notamment l’abondance mixotrophique. Aux deux échelles, la composition des communautés, et donc les interactions biotiques (et probablement le fonctionnement des écosystèmes), changent radicalement., Despite the fact that free-living microeukaryotes compose the major part of Earth’s biodiversity and play numerous essential roles in ecosystems, knowledge on their true diversity, ecology and their global patterns of distribution remain limited. In this sense, the objectives of this thesis are 1) to increase the knowledge on the diversity of microeukaryotes 2) characterize the ecological preferences and determine which are the main variables that influence community composition, and finally 3) to understand the rules that shape the communities at both local and global scales. To meet these objectives a specific component of the earth surface was selected: the “Sphagnosphere” i.e. the interstitial water directly influenced by Sphagnum mosses. This understudied but unique microenvironment is characterized by low nutrient contents, low pH, and high amounts of organic acids produced by the mosses. It is also very stable over time.
We first explored the diversity of two groups of protists in Sphagnum peatlands. The first group was genus Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), a common testate amoeba taxon in acidic soils. We formally described the most abundant one and named it Nebela gimllii due to the small and stout shells. The different community profiles revealed that species are not randomly distributed among microhabitats in peatlands. Instead, we observed a strong phylogenetic clustering in nitrogen-poor areas suggesting that little amounts of nitrogen exerted strong environmental filtering. We also surveyed the molecular diversity of Oomycota, a clade of fungi- like stramenopiles which enclose many animal, fungi and plant parasites, as well as saprotrophic species. We revealed a high diversity, which was unexpected for osmotrophic organisms in nutrient-poor habitats unless most are parasitic. Moreover, most phylotypes found were not recorded in previous studies, which suggest the existence of highly specialized organisms.
We also surveyed the diversity of microbial eukaryotes along altitudinal gradients in three different climatic zones, temperate (western Alps), subtropical (Japan) and tropical (Costa Rica). We showed that 25 percent of phylotypes were shared in the three climatic zones. We found also a significant negative correlation between the proportion of phylotypes related to mixotrophic organisms and temperature. This, in line with other lines of evidence in the literature corroborates the idea that mixotrophy is disadvantageous under warm climates. Finally, we studied the spatial distribution of an emblematic morphospecies of testate amoeba found in the northern hemisphere peatlands: Hyalosphenia papilio. A total of 13 lineages were found, from which nine showed narrowly restricted distributions, and four were well distributed across the Holarctic realm. We showed, based on phylogenetic analyses and ancestral character reconstructions that H. papilio most probably appeared somewhere in the West Coast of North America.
In summary, my PhD revealed that the Sphagnosphere environment hosts high and unique diversity. This diversity is driven by physicochemical factors at the local scale and by climate and geographical distance at the global scale. We identified and quantified the main local abiotic variables, amongst which micro-topography and nitrogen content appeared to be the most significant in shaping micro-eukaryotic diversity within the same climate zone. These variables exerted strong environmental filtering, which appeared to be fundamental process of community assembly. On the other hand, at a global scale, we demonstrated that temperature was the factor that best explain community composition, and notably the abundance of mixotrophs (and hence a different functioning). At both scales, community composition, and therefore biotic interactions (and most probably ecosystem functioning) change drastically. - PublicationAccès libreAssessing soil micro-eukaryotic diversity using high-throughput amplicons sequencing: spatial patterns from local to global scales and response to ecosystem perturbation(2017)
; Les micro-eucaryotes exhibent une immense diversité qui remplit plusieurs fonctions essentielles dans les écosystèmes colonisés. Ces micro-organismes sont impliqués dans tous les niveaux trophique microbiens, interagissent entre eux ainsi qu’avec d’autre groupes d’organismes tel les procaryotes ou les macro-organismes, et influencent les cycles d’éléments comme ceux du carbone ou de l’azote. Les diversités et écologie des micro-eucaryotes sont étudiées à partir de la morphologie de ces organismes et de plus en plus avec des méthodes moléculaire devenant plus abordable que jamais. Le séquençage haut débit de fragments d’ADN donnant une information taxonomique prise directement de l’environnement est maintenant le standard pour établir les communautés microbiennes et pratiquement saturer la diversité microbienne. Cette thèse profite des avancées dans cette technique pour étudier l’écologie des microeucaryotes des sols, organismes qui représentent la base de la plupart des écosystèmes terrestre et sont impliqué dans de critique questions écologique comme les changement climatique ou l’approvisionnement alimentaire. Les cinq chapitres suivent des communautés contraintes par différent niveaux de stress ou perturbation et distribuées autant sur de petite surfaces que sur le globe. Des analyses écologique classique et innovante sont utilisées dans ce travail pour couvrir des questions à propos de bioindication, fonctions, niveaux trophique, distribution spatiale et diversité de ce groupe de micro-organismes peu connu à l’immense diversité., Micro-eukaryotes exhibit a huge diversity which fulfils many essential functions in the colonized ecosystems. These micro-organisms are involved in every level of microbial trophic networks. They interact with each other and with other biota like prokaryotes or macro-organisms, and influence element cycles like the carbon or nitrogen cycle. The diversity and ecology of micro-eukaryotes are studied based on morphological analyses and more and more with molecular methods which are increasingly affordable. High-throughput sequencing of taxonomically informative DNA fragments taken directly from the environment is now the golden standard to assess microbial communities and virtually saturate the microbial diversity. This thesis takes advantage of the advances in this technique to study the ecology of micro-eukaryotes in soils, which represent the basis of most terrestrial ecosystems and are involved in critical ecological issues like climate changes or food supply. The five chapters follow communities constrained by different levels of stress or perturbation and distributed from very limited areas to global ecosystems. Classical and innovative ecological analyses are used in this work to cover questions about the bioindication, functions, trophic networks, spacial distributions and diversity of these hyper-diverse and largely unknown micro-organisms. - PublicationAccès libreEffect of simulated climate change on the structure and functioning of Sphagnum peatlands-an experimental and modeling study(Neuchâtel : Université de Neuchâtel, Faculté des sciences, 2016)
; The main objective of this thesis was to investigate the response of Sphagnum dominated peatland to water table manipulations in an integrative approach. We conceived a mesocosms experiment that simulates artificial peatlands at different water regimes. We first show that our mesocosms behave according to the literature, with respiration and decomposition rates enhanced by the combined effects of water and temperature. We hypothesize that this C cycle dynamic is regulated by microbial activity. To address this question, we investigate the topological change of micro eukaryotic interaction network along the gradient and show that the structure of the network evolves along the gradient, showing a change point around -10 cm. Then we study the functional response of one functional group of micro eukaryotes, the testate amoebae. We show that environmental filtering constrained by manipulated water level promotes traits selection, and that this traits response can be used to mathematically model Hutchinson niche concept. Finally, we demonstrated the phenotypic plasticity on Hyalosphenia papilio, showing that traits selection acts both between species by community replacement, and within species by phenotypic plasticity. We propose a framework to model environmental filtering, integrating all components of this study.