Spatial modelling of biodiversity at the community level

1. Statistical modelling is often used to relate sparse biological survey data to remotely derived environmental predictors, thereby providing a basis for predictively mapping biodiversity across an entire region of interest. The most popular strategy for such modelling has been to model distributions of individual species one at a time. Spatial modelling of biodiversity at the community level may, however, confer significant benefits for applications involving very large numbers of species, particularly if many of these species are recorded infrequently. 2. Community-level modelling combines data from multiple species and produces information on spatial pattern in the distribution of biodiversity at a collective community level instead of, or in addition to, the level of individual species. Spatial outputs from community-level modelling include predictive mapping of community types (groups of locations with similar species composition), species groups (groups of species with similar distributions), axes or gradients of compositional variation, levels of compositional dissimilarity between pairs of locations, and various macro-ecological properties (e.g. species richness). 3. Three broad modelling strategies can be used to generate these outputs: (i) 'assemble first, predict later', in which biological survey data are first classified, ordinated or aggregated to produce community-level entities or attributes that are then modelled in relation to environmental predictors; (ii) 'predict first, assemble later', in which individual species are modelled one at a time as a function of environmental variables, to produce a stack of species distribution maps that is then subjected to classification, ordination or aggregation; and (iii) 'assemble and predict together', in which all species are modelled simultaneously, within a single integrated modelling process. These strategies each have particular strengths and weaknesses, depending on the intended purpose of modelling and the type, quality and quantity of data involved. 4. Synthesis and applications. The potential benefits of modelling large multispecies data sets using community-level, as opposed to species-level, approaches include faster processing, increased power to detect shared patterns of environmental response across rarely recorded species, and enhanced capacity to synthesize complex data into a form more readily interpretable by scientists and decision-makers. Community-level modelling therefore deserves to be considered more often, and more widely, as a potential alternative or supplement to modelling individual species.

Bacterial community structure of a pesticide-contaminated site and assessment of changes induced in community structure during bioremediation.

The introduction of culture-independent molecular screening techniques, especially based on 16S rRNA gene sequences, has allowed microbiologists to examine a facet of microbial diversity not necessarily reflected by the results of culturing studies. The bacterial community structure was studied for a pesticide-contaminated site that was subsequently remediated using an efficient degradative strain Arthrobacter protophormiae RKJ100. The efficiency of the bioremediation process was assessed by monitoring the depletion of the pollutant, and the effect of addition of an exogenous strain on the existing soil community structure was determined using molecular techniques. The 16S rRNA gene pool amplified from the soil metagenome was cloned and restriction fragment length polymorphism studies revealed 46 different phylotypes on the basis of similar banding patterns. Sequencing of representative clones of each phylotype showed that the community structure of the pesticide-contaminated soil was mainly constituted by Proteobacteria and Actinomycetes. Terminal restriction fragment length polymorphism analysis showed only nonsignificant changes in community structure during the process of bioremediation. Immobilized cells of strain RKJ100 enhanced pollutant degradation but seemed to have no detectable effects on the existing bacterial community structure.

Implicit attitudes and self-concepts towards transgression and aggression: Differences between male community and offender adolescents, and associations with psychopathic traits.

Research suggests that implicit attitudes play a key role in the occurrence of antisocial behaviours. This study assessed implicit attitudes and self-concepts related to aggression and transgression in community and offender adolescents, using a new set of Implicit Association Tests (IATs), and examined their association with of psychopathic traits. Thirty-six offenders and 66 community adolescents performed 4 IATs assessing 1) implicit attitudes about a) aggression and b) transgression as good, and 2) implicit self-concepts about a) aggression and b) transgression as self-descriptive. They filled in self-report questionnaires: the Youth Psychopathic Traits Inventory, the Child Behaviour Checklist, and explicit measures of their attitudes and self-concepts towards transgression and aggression. Results showed few differences between community and offender adolescents on implicit attitudes and self-concepts, and unexpected negative associations between some implicit attitudes and psychopathic traits, while the association was positive for the corresponding explicit attitudes. Possible explanations of these findings are discussed.

New roles for community pharmacists in modern health care systems: a challenge for pharmacy education and research.

The academic activities led by the Unit of Community Pharmacy can be classified as translational. Our group is interested in person-centered pharmaceutical services aimed at a more responsible use of drugs (effectiveness, safety, efficiency) in collaboration with physicians and other health care professionals in a primary care setting. The following domains of education and research are high priorities for our group: medication therapy management, medication adherence, integrated care, individualization of therapies, care management for the elderly and e-health.

Combining food web and species distribution models for improved community projections

The ability to model biodiversity patterns is of prime importance in this era of severe environmental crisis. Species assemblage along environmental gradient is subject to the interplay of biotic interactions in complement to abiotic environmental filtering. Accounting for complex biotic interactions for a wide array of species remains so far challenging. Here, we propose to use food web models that can infer the potential interaction links between species as a constraint in species distribution models. Using a plant-herbivore (butterfly) interaction dataset, we demonstrate that this combined approach is able to improve both species distribution and community forecasts. Most importantly, this combined approach is very useful in rendering models of more generalist species that have multiple potential interaction links, where gap in the literature may be recurrent. Our combined approach points a promising direction forward to model the spatial variation of entire species interaction networks. Our work has implications for studies of range shifting species and invasive species biology where it may be unknown how a given biota might interact with a potential invader or in future climate.

Etiology of community-acquired pneumonia in hospitalized children based on WHO clinical guidelines

Rapport de synthèse: Enjeux de la recherche : La pneumonie communautaire chez l'enfant est un problème de santé publique considérable. Elle est responsable de 2 millions de mort par année, 70% survenant dans les pays en voie de développement. Sous nos latitudes son incidence est de 40/1000 enfants par année, ce qui représente une morbidité importante. Deux difficultés surviennent lorsqu'on cherche à diagnostiquer une pneumonie. La première est de distinguer une pneumonie bactérienne d'une virale, particulièrement chez les petits enfants où les infections virales des voies respiratoires inférieures sont fréquentes. L'OMS a définit la pneumonie selon des critères exclusivement cliniques et une étude effectuée à Lausanne en 2000 a montré que ces critères peuvent être utilisés dans nos contrées. La seconde difficulté est de définir l'agent causal de la pneumonie, ceci pour plusieurs raisons : L'aspiration endotrachéale, seul examen fiable, ne peut être obtenue de routine chez l'enfant vu son caractère invasif, la culture des secrétions nasopharyngées reflète la flore physiologique de la sphère ORL et une bactériémie n'est présente que dans moins de 10% des pneumonies. L'étiologie de la pneumonie reste souvent inconnue, et de ce fait plusieurs enfants reçoivent des antibiotiques pour une infection non bactérienne ce qui contribue au développement de résistances. L'objectif de cette étude était d'effectuer une recherche extensive de l'agent causal de la pneumonie et de déterminer quels facteurs pourraient aider le clinicien à différencier une pneumonie virale de bactérienne, en corrélant l'étiologie avec la sévérité clinique et les marqueurs de l'inflammation. Contexte de la recherche : II s'agissait d'une étude prospective, multicentrique, incluant les enfants âgés de 2 mois à 5 ans hospitalisés pour une pneumonie, selon les critères de l'OMS, dans le service de pédiatrie de Lausanne et Genève entre mars 2003 et Décembre 2005, avant l'implantation de la vaccination antipneumococcique de routine. Chaque enfant, en plus des examens usuels, bénéficiait d'une recherche étiologique extensive : Culture virale et bactérienne, PCR (Mycoplasma Pneumoniae, Chlamydia Pneumoniae, Virus Influenza A et B, RSV A et B, Rhinovirus, Parainfluenza 1-3, enterovirus, human metapneumovirus, coronavirus OC43, E229 ; et NL 63) et détection d'AG viraux dans les sécrétions nasopharyngées ; sérologies virales et bactériennes à l'entrée et 3 semaines après la sortie (AG Influenza A et B, Parainfluenza 1,2 et 3, RSV, Adenovirus, M.Pneumoniae et S.Pneumoniae). Conclusions : Un agent pathogène a été découvert chez 86% des 99 patients retenus confirmant le fait que plus la recherche étiologique est étendue plus le pourcentage d'agent causal trouvé est élevé. Une infection bactérienne a été découverte chez 53% des patients dont 45% avaient une infection à S. Pneumoniae confirmant l'importance d'une vaccination antipneumococcique de routine. La déshydratation et les marqueurs de l'inflammation tels que la C-Reactive Protein et la Procalcitonine étaient significativement plus élevés dans les pneumonies bactériennes. Aucune corrélation n'a été trouvée entre le degré de sévérité de la pneumonie et l'étiologie. L'étude a confirmé la haute prévalence d'infections virales (67%) et de co-infection (33%) dans la pneumonie de l'enfant sans que l'on connaisse le rôle réel du virus dans la pathogenèse de la pneumonie. Perspectives : d'autres études à la suite de celle-ci devraient être effectuées en incluant les patients ambulatoires afin de déterminer, avec un collectif plus large de patient, une éventuelle corrélation entre sévérité clinique et étiologie. Abstract : Community-acquired pneumonia (CAP) is a major cause of death in developing countries and of morbidity in developed countries. The objective of the study was to define the causative agents among children hospitalized for CAP defined by WHO guidelines and to correlate etiology with clinical severity and surrogate markers. Investigations included an extensive etiological workup. A potential causative agent was detected in 86% of the 99 enrolled patients, with evidence of bacterial (53%), viral (67%), and mixed (33%) infections. Streptococcus pneumoniae was accounted for in 46% of CAP. Dehydration was the only clinical sign associated with bacterial pneumonia. CRP and PCT were significantly higher in bacterial infections. Increasing the number of diagnostic tests identifies potential causes of CAP in up to 86% of children, indicating a high prevalence of viruses and frequent co-infections. The high proportion of pneumococcal infections re-emphasizes the importance of pneumococcal immunization.

Frailty and use of health and community services by community-dwelling older men: the Concord Health and Ageing in Men Project.

BACKGROUND: frailty is a concept used to describe older people at high risk of adverse outcomes, including falls, functional decline, hospital or nursing home admission and death. The associations between frailty and use of specific health and community services have not been investigated. METHODS: the cross-sectional relationship between frailty and use of several health and community services in the last 12 months was investigated in 1,674 community-dwelling men aged 70 or older in the Concord Health and Ageing in Men study, a population-based study conducted in Sydney, Australia. Frailty was assessed using a modified version of the Cardiovascular Health Study criteria. RESULTS: overall, 158 (9.4%) subjects were frail, 679 (40.6%) were intermediate (pre-frail) and 837 (50.0%) were robust. Frailty was associated with use of health and community services in the last 12 months, including consulting a doctor, visiting or being visited by a nurse or a physiotherapist, using help with meals or household duties and spending at least one night in a hospital or nursing home. Frail men without disability in activities of daily living were twice more likely to have seen a doctor in the previous 2 weeks than robust men (adjusted odds ratio 2.04, 95% confidence interval 1.21-3.44), independent of age, comorbidity and socio-economic status. CONCLUSION: frailty is strongly associated with use of health and community services in community-dwelling older men. The high level of use of medical services suggests that doctors and nurses could play a key role in implementation of preventive interventions.

Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.