Pertinence de la trace: étude théorique et perspectives expérimentales

Pour faire évoluer la science forensique, il faut pouvoir analyser des notions élémentaires appartenant au quotidien et non se focaliser exclusivement sur le développement de nouvelles techniques. Encore non étudiée sous cette perspective, la pertinence fait partie de ces notions fondamentales forensiques pour lesquelles une telle analyse mérite d'être menée. En tenant compte du constat formulé par Inman et Rudin (2000), à savoir que la tâche la plus compliquée est de pouvoir reconnaître des traces matérielles pertinentes, s'interroger sur la pertinence de la trace soulève bien plus qu'une question. Cela met en évidence une multitude de paramètres intervenant dans les processus de raisonnement et de décision opérés sur les lieux d'investigations. Du reste trois facteurs susceptibles d'avoir une influence notable sur la recherche de traces apparaissent : Savoir, Formation et Expérience ou S.F.E. Ils forment, en étant regroupés, un bagage spécifique au spécialiste, composant sa connaissance dans le domaine et à même de jouer un rôle d'importance dans son travail opéré sur les lieux. Afin de déterminer l'influence de ce bagage sur le concept de pertinence, la démarche expérimentale se conduit en deux temps. Dans une première phase, l'approche se veut exploratoire au travers d'un stage réalisé dans une unité d'interventions, permettant de poser des bases statistiques et de dresser une réalité du travail sur le terrain. Puis au cours de la phase expérimentale, la conduite d'entretiens semi-directifs, couplés à un sondage, vise à déterminer quelle perception du concept de pertinence ressort parmi les volontaires interrogés. Ces derniers sont issus de groupes composés de futurs criminalistes, qui suivent une formation forensique à l'Université de Lausanne, et de praticiens expérimentés de formation police et / ou scientifique. En tentant de clarifier le concept de pertinence, l'objectif est de fournir des outils pour renforcer ou orienter la formation de spécialistes sur le terrain, en ayant permis d'amorcer une démarche de réflexion logique face aux champs d'investigations. En se voulant utile pour mieux formaliser la détection et la collecte des traces pertinentes sur les lieux, cela constitue une aide à la gestion : un atout non négligeable à l'heure où les contrôles qualité et les standards ne sont plus seulement une tendance mais une réalité qui s'impose.

Spodosols pedogenesis under barreiras formation and sandbank environments in the south of Bahia

Morphologically differentiated Spodosols usually occur in the Coastal Plain of the South of Bahia and North of Espírito Santo. They are found in profiles known as "muçungas", i.e. sandy soils that accumulate water. In these areas, two kinds of Spodosols, different from those in the Restinga area, can be found: Spodosols with E albic horizon (white muçunungas) and without this horizon (black muçunungas). Eight soil profiles with spodic characteristics were collected and described in order to evaluate differences in the formation process of Barreiras and Restinga Spodosols in the South of Bahia. The soil profiles were also characterized chemically, physically and mineralogically. Additionally, texture and chemical analysis, Fe and Al extraction by sodium dithionite-citrate-bicarbonate (DBC), acid ammonium oxalate and sodium pyrophosphate, ammonium oxalate extract optic density (DOox), sulphuric acid attack, and X ray difractometry of the clay fraction were performed. In the Spodosols of the Barreiras area, fragipan was found the spodic layers. Cemented B spodic horizon were observed in the white muçunungas, and granular structure and dark color from the surface in the black muçunungas. There was no fragipan or hard spodic horizon in the Restinga Spodosol. This soil is acid, dystrophic and alic, with sandy texture and high clay percentages in the spodic horizons. The CEC, based on H + Al, is predominantly represented by the organic matter. The most representative components of the mineral phase of the clay fraction are kaolinite and possibly vermiculite traces with interlayered hydroxy. Chemical, physical, morphological and mineralogical differences were observed between the Barreiras and Restinga environments. The black and white muçunungas differ in morphologic and chemical properties only.

Firmground ichnofacies recording high-frequency marine flooding events (Langhian transgression, Vallè-Penedès Basin, Spain)

The decapod burrow Spongeliomorpha sudolica occurs associated with transgressive firmgrounds in the transition between Aragonian continental red beds and Langhian marine units in some of the inner sectors of the Vallès-Penedès Basin. This ichnospecies designates branching burrow systems with scratch marks in the walls produced by marine crustacean decapods. The occurrence of Spongeliomorpha represents an example of theGlossifungites ichnofacies. The several horizons where the traces are found are intercalated with continental red beds a few meters below the main transgressive surface, which is overlain by fossiliferous marine sandstones. The Spongeliomorpha-bioturbated layers record short, high frequency marine flooding surfaces that may be related either to actual sea-level changes or to variations in tectonic subsidence or sediment input. In any case, these flooding events punctuated the early phases of the Langhian transgression in the basin.

Spatiotemporal analysis of forensic case data: a visualisation approach

Whether for investigative or intelligence aims, crime analysts often face up the necessity to analyse the spatiotemporal distribution of crimes or traces left by suspects. This article presents a visualisation methodology supporting recurrent practical analytical tasks such as the detection of crime series or the analysis of traces left by digital devices like mobile phone or GPS devices. The proposed approach has led to the development of a dedicated tool that has proven its effectiveness in real inquiries and intelligence practices. It supports a more fluent visual analysis of the collected data and may provide critical clues to support police operations as exemplified by the presented case studies.

Highlands of the upper Jequitinhonha valley, Brazil: II - mineralogy, micromorphology, and landscape evolution¹

Palm swanp formations, the so-called veredas, typically occur in the Brazilian biome known as "Cerrado" (savanna-like vegetation), especially on flattened areas or tablelands (chapadas). The aim of this study was to characterize the mineralogy and micromorphology of soil materials from a representative toposequence of the watershed of the vereda Lagoa do Leandro, located in Minas Novas, state of Minas Gerais, Brazil, on plains in the region of the upper Jequitinhonha valley, emphasizing essential aspects of their genesis and landscape evolution. The toposequence is underlain by rocks of the Macaúbas group and covered with detrital and metamorphic rocks (schists of Proterozoic diamictites). The soil profiles were first pedologically described; samples of the disturbed and undisturbed soils were collected from all horizons for further micromorphological and mineralogical analyses. The mineralogical analysis was mainly based on powder X ray diffractometry (XRD) and micromorphological descriptions of thin sections under a petrographic microscope. The soils from the bottom to the top of this toposequence were classified as: Typic Albaquult (GXbd), Xanthic Haplustox, gray color, here called "Gray Haplustox" ("LAC"), Xanthic Haplustox (LA) and Typic Haplustox (LVA). The clay mineralogy of all soils was found to be dominated by kaolinite. In soil of LA and LVA, the occurrence of goethite, gibbsite, and anatase was evidenced; "LAC" also contained anatase and the GXbd, illite, anatase, and traces of vermiculite. The micromorphological analyses of the LVA, LA and "LAC" soils showed the prevalence of a microaggregate-like or granular microstructure, and aggregate porosity has a stacked/packed structure, which is typical of Oxisols. A massive structure was observed in GXbd material, with the presence of illuviation cutans of clay minerals and iron compounds. Paleogleissolos, which are strongly weathered, due to the action of the excavating fauna , and resulted in the present "LAC". The GXbd at the base of the vereda preserved the physical, mineralogical and micromorphological properties that are typical of a pedogenesis with a strong influence of long dry periods.

Allergies alimentaires rares [Rare food allergies]

A limited number of foods explain the majority of food allergies. These allergies can be due to a weak allergenicity (garlic, onion, potato), or a weak (or increasing) exposure to emergent food allergens which can be imported (exotic fruits), or recently introduced (lupin, buckwheat, sesame, inulin) or modified by the industry (lysats, lecithins, traces of antibiotics, caseinates, molds, dust mite). Others are in relation with rarer cross-reactivity food allergy syndrome (Apiaceae-Compositae-mugwort syndrome, egg-bird syndrome, cat epithelium-pork meat syndrome). Others are rarely identified, because the food is masked (pepper, basilic). We illustrate rare cases of food allergy and discuss the diagnostic management which is based on a meticulous patient history. Un nombre restreint d'aliments explique la majorité des allergies alimentaires. Les allergies alimentaires rares sont dues à une faible allergénicité (ail, oignon, pomme de terre) ou à une exposition faible ou croissante à des aliments émergents, importés (fruits exotiques), introduits (lupin, sarrasin, sésame, inuline), ou modifiés par l'industrie (lysats, lécithines, traces d'antibiotiques, caséinates, moisissures, acariens). D'autres sont en relation avec des croisements d'allergènes rares (syndrome croisé ombellifères-composées-armoise, syndrome oeuf-oiseau, syndrome épithélium de chat-viande de porc). D'autres enfin sont rarement identifiées, car l'allergène est masqué (poivre, basilic). Nous décrivons des cas rares illustratifs et rappelons la démarche diagnostique qui s'appuie sur une anamnèse minutieuse.

The Amish Mennonites: A sketch of Their Origin, and of Their Settlement in Iowa, with Their Creed in an Appendix,1894.

Traces the origin and growth of the Mennonite movement from its first summation into a creed in Holland and its story as it has been recorded in American, and in later years in Iowa.

Automated DNA extraction using the QIAsymphony platform: Estimation of DNA recovery from simulated forensic stains

The aim of this study was to evaluate the forensic protocol recently developed by Qiagen for the QIAsymphony automated DNA extraction platform. Samples containing low amounts of DNA were specifically considered, since they represent the majority of samples processed in our laboratory. The analysis of simulated blood and saliva traces showed that the highest DNA yields were obtained with the maximal elution volume available for the forensic protocol, that is 200 ml. Resulting DNA extracts were too diluted for successful DNA profiling and required a concentration. This additional step is time consuming and potentially increases inversion and contamination risks. The 200 ml DNA extracts were concentrated to 25 ml, and the DNA recovery estimated with real-time PCR as well as with the percentage of SGM Plus alleles detected. Results using our manual protocol, based on the QIAamp DNA mini kit, and the automated protocol were comparable. Further tests will be conducted to determine more precisely DNA recovery, contamination risk and PCR inhibitors removal, once a definitive procedure, allowing the concentration of DNA extracts from low yield samples, will be available for the QIAsymphony.

Identification of secretory IgA, free secretory piece and serum IgA in the ovine and caprine species.

Caprine and ovine IgA were identified by cross-reaction with anti-human and anti-bovine IgA sera in colostrum, mature milk, saliva, urine and serum. Secretory component (SC) was shown in the free form and associated with polymeric serum IgA in secretions. Mean molecular weights were determined for the IgA and the free secretory components. The high IgA content of saliva suggested that it was a major secretory immunoglobulin in these species. Traces of secretory IgA were also found in normal sera but most of the serum IgA had no secretory determinant. Secretory IgA, serum IgA and free secretory component were purified. Levels of the sheep and goat immunoglobulins were measured in various fluids.

Magnetoresistance at artificial interfaces in the itinerant SrRuO3 ferromagnet

The magnetoresistance across interfaces in the itinerant ferromagnetic oxide SrRuO3 have been studied. To define appropriately the interfaces, epitaxial thin films have been grown on bicrystalline and laser-patterned SrTiO3 substrates. Comparison is made with results obtained on similar experiments using the double-exchange ferromagnetic oxide La2/3Sr1/3MnO3. It is found that in SrRuO3, interfaces induce a substantial negative magnetoresistance, although no traces of the low-field spin tunneling magnetoresistance are found. We discuss these results on the basis of the distinct degree of spin polarization in ruthenates and manganites and the different nature of the surface magnetic layer formed at interfaces.

Interpretation: Printed Document Examination and Evidence

The literature dealing with the interpretation of results of examinations performed on "printed" documents is very limited. The absence of published literature reflects the absence of formal guidelines to help scientists assess the relationship between a questioned document and a particular printing technology. Generally, every printout, independent of the printing technology, may bear traces induced by characteristics of manufacture and/or acquired features of the printing device. A logical approach to help the scientist in the formal interpretation of such findings involves the consideration of a likelihood ratio. Three examples aim to show the application of this approach.

Radiological detection of dissolved cocaine

Introduction: Smuggling dissolved drugs, especially cocaine, in bottled liquids is a problem at borders nowadays. Common fluoroscopy of packages at the border cannot detect contaminated liquids. To find a dissolved drug, an immunological test using a drug-test panel has to be performed. This means that a control sample of the cargo must be opened to perform the test. As it is not possible to open all boxes, and as smugglers hide the drugcontaining boxes between regularly filled boxes, contaminated cargos can be overlooked. Investigators sometimes cannot perform the drug-test panel because they try not to arouse the smugglers' suspicion in order to follow the cargo and to find the recipient. Aims: The objective of our studies was to define non-invasive examination techniques to investigate cargos that are suspicions to contain dissolved cocaine without leaving traces on the samples. We examined vessels containing cocaine by radiological cross-section techniques such as multidetector computed tomography (MDCT) and magnetic resonance spectroscopy (MRS). Methods: In a previous study, we examined bottles of wine containing dissolved cocaine in different quantities using an MDCT unit. To distinguish between bottles containing red wine and those where cocaine was solved in the wine, cross sectional 2D-images have been reconstructed and the absorption of X-rays was quantified by measuring the mean density of the liquid inside the bottles. In our new study, we investigated phantoms containing cocaine dissolved in water with or without ethanol as well as cocaine dissolved in different sorts of commercially available wine by the use of a clinical magnetic resonance unit (3 tesla). To find out if dissolved cocaine could be detected, magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) was performed. Results: By using a MDCT-unit and measuring the mean attenuation of X-rays, it is possible to distinguish weather substances are dissolved in a liquid or not, if a comparative liquid without any solutions is available. The increase of the mean density indicates the presence of dissolved substances without the possibility to identify the substance. By using magnetic resonance spectroscopy, dissolved cocaine can be clearly identified because it produces distinctive resonances in the spectrum. In contrast to MDCT, this technique shows a high sensitivity (detection of 1 mM cocaine in wine). Conclusions: Cross-sectional imaging techniques such as MDCT and MRS appropriated to examine cargos that are suspicious to contain dissolved cocaine. They allow to perform non-invasive investigations without leaving any trace on the cargo. While an MDCT scan can detect dissolved substances in liquids, identification of cocaine can be obtained by MR-spectroscopy. Acknowledgment: This work was supported by the Centre d'Imagerie BioMédicale (CIBM) of the University of Lausanne (UNIL), the Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), the University of Geneva (UniGe), the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV), the Hôpitaux Universitaire de Genève (HUG) and the Leenaards and the Jeantet Foundations.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

How to measure cortical folding from MR images: a step-by-step tutorial to compute local gyrification index.

Cortical folding (gyrification) is determined during the first months of life, so that adverse events occurring during this period leave traces that will be identifiable at any age. As recently reviewed by Mangin and colleagues(2), several methods exist to quantify different characteristics of gyrification. For instance, sulcal morphometry can be used to measure shape descriptors such as the depth, length or indices of inter-hemispheric asymmetry(3). These geometrical properties have the advantage of being easy to interpret. However, sulcal morphometry tightly relies on the accurate identification of a given set of sulci and hence provides a fragmented description of gyrification. A more fine-grained quantification of gyrification can be achieved with curvature-based measurements, where smoothed absolute mean curvature is typically computed at thousands of points over the cortical surface(4). The curvature is however not straightforward to comprehend, as it remains unclear if there is any direct relationship between the curvedness and a biologically meaningful correlate such as cortical volume or surface. To address the diverse issues raised by the measurement of cortical folding, we previously developed an algorithm to quantify local gyrification with an exquisite spatial resolution and of simple interpretation. Our method is inspired of the Gyrification Index(5), a method originally used in comparative neuroanatomy to evaluate the cortical folding differences across species. In our implementation, which we name local Gyrification Index (lGI(1)), we measure the amount of cortex buried within the sulcal folds as compared with the amount of visible cortex in circular regions of interest. Given that the cortex grows primarily through radial expansion(6), our method was specifically designed to identify early defects of cortical development. In this article, we detail the computation of local Gyrification Index, which is now freely distributed as a part of the FreeSurfer Software (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/, Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital). FreeSurfer provides a set of automated reconstruction tools of the brain's cortical surface from structural MRI data. The cortical surface extracted in the native space of the images with sub-millimeter accuracy is then further used for the creation of an outer surface, which will serve as a basis for the lGI calculation. A circular region of interest is then delineated on the outer surface, and its corresponding region of interest on the cortical surface is identified using a matching algorithm as described in our validation study(1). This process is repeatedly iterated with largely overlapping regions of interest, resulting in cortical maps of gyrification for subsequent statistical comparisons (Fig. 1). Of note, another measurement of local gyrification with a similar inspiration was proposed by Toro and colleagues(7), where the folding index at each point is computed as the ratio of the cortical area contained in a sphere divided by the area of a disc with the same radius. The two implementations differ in that the one by Toro et al. is based on Euclidian distances and thus considers discontinuous patches of cortical area, whereas ours uses a strict geodesic algorithm and include only the continuous patch of cortical area opening at the brain surface in a circular region of interest.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.