| Conférencier |
Transcription |
| Mike Anderson |
Salut tout le monde ! |
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J'ai une petite confession à faire. Au début de la pandémie, j'avais du mal à trouver le temps, disons, et j'ai donc décidé de me lancer dans l'installation d'aquariums et d'apprendre à le faire. |
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C'était vraiment sympa. J'ai pu passer plus de temps avec ma fille. Nous sommes allées à l'aquarium et avons choisi de jolis poissons. |
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Mais avant tout, il fallait que je crée un environnement sûr pour mes poissons. Et aujourd'hui, je veux répondre à cette question : « Pourquoi mes poissons sont-ils morts ? » |
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Et cela nous ramène à cette vieille chose que nous avons quand nous allons à l'animalerie, nous achetons ce joli petit aquarium, |
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Et nous mettons le gravier, nous mettons l'eau, vous savez, peut-être que nous mettrons quelques produits chimiques, nous installons le filtre, nous installons le barboteur, et nous y jetons quelques poissons rouges et espérons le meilleur. |
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Et tout va bien pendant trois ou quatre jours, puis un matin, vous vous réveillez avec les yeux remplis de larmes de votre enfant, avec ses yeux remplis de larmes, et vous savez que vos enfants pleurent et |
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Les poissons sont morts. Et là, la question que vous vous posez, c'est : « Pourquoi ? » Vous savez que les aquariums sont propres. On ne les a pas trop nourris, on a fait tout ce qu'on devait faire. Eh bien, |
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Il s’avère que, à bien des égards, le problème était probablement dû aux excréments de poisson. |
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Et, sans vouloir tomber dans le scatologique, nous allons aujourd'hui parler de gestion des déchets. À bien des égards, c'est précisément de cela dont nous parlons aujourd'hui. |
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Et comment gérer le fait que, lorsqu'on nourrit un poisson, on sait qu'il ressort par l'autre bout. C'est tout ce qu'il peut faire. Et il s'avère que si on laisse ce produit trop longtemps dans l'aquarium, il peut tuer le poisson. |
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Eh bien, dans de nombreux cas, ces poissons viennent de la nature, donc la nature est vraiment la meilleure, le meilleur professeur lorsqu'il s'agit de cette situation. |
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Alors, comment la nature gère-t-elle les excréments des poissons ? Pensez à ces étangs et à tout ce qui |
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Ils sont, à bien des égards, bloqués. Leurs flux d'entrée et de sortie sont plutôt faibles. Ils sont plutôt statiques. Alors, comment gèrent-ils le fait qu'ils soient constamment en contact avec des poissons, qu'ils mangent et fassent leurs besoins… |
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Eh bien, ils ont... Il y a un cycle dans l'aquarium... dans le monde aquatique appelé « Le cycle de l'azote » et c'est ce que nous allons essayer d'imiter dans l'aquarium. |
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Le cycle de l'azote est assez simple à comprendre. Les poissons mangent la nourriture, |
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et ils... |
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traitez-le. |
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Et ces aliments transformés se transforment en ammoniac ou commencent à en émettre. |
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Et l'ammoniac, |
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dans la nature, |
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est mangé par une petite espèce bactérienne qui vit dans l'eau, et vit dans le sol - sur les rochers, et tout ce truc au fond du... dans la boue au fond du |
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L'eau corporelle, où qu'elle se trouve. Et cet insecte transforme l'ammoniac en une espèce appelée nitrite. |
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Eh bien, il s'avère que le nitrite est en réalité plus toxique que l'ammoniac. C'est donc un problème en soi. En aquarium, si l'ammoniac ne suffit pas, le nitrite le fera. |
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Donc, vous êtes en difficulté avec ces deux premières étapes. Donc, dans la nature, |
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Il existe ensuite une autre espèce de bactérie qui transforme le nitrite en nitrate. Ce simple changement de lettre transforme un produit très dangereux en un produit extrêmement sûr. |
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Et il s'avère que vous ne faites qu'ajouter de l'oxygène supplémentaire. C'est tout ce que vous faites. |
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Mais une fois que le nitrate atteint ce stade, les plantes du milieu aquatique peuvent l'utiliser comme nourriture et comme engrais. |
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Cela, à son tour, fournit de la nourriture aux poissons, ou à d'autres créatures ou aux algues qui la mangent. Toutes ces choses. Ce qui n'est pas consommé par ces créatures… par le milieu aquatique. |
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Ce nitrate est évacué par n'importe quel moyen de sortie que l'eau du corps peut avoir. |
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La nature a donc une excellente façon de mettre en place ce système, de gérer en particulier ces deux espèces primaires et particulièrement mortelles de composés azotés qui peuvent rester dans la colonne d'eau, tout cela parce que les poissons font leurs besoins. |
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La question devient alors : comment gérer cela dans un aquarium ? |
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Nous devons essentiellement imiter la nature dans un aquarium. |
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Eh bien, si vous allez sur Internet, sur les forums de discussion, lisez des livres ou autres, ou allez dans votre magasin d'aquariophilie, vous y trouverez des informations sur ce qu'on appelle un biofiltre. Ou encore, sur le cycle de l'aquarium. |
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Et le biofiltre peuple l’aquarium avec ces deux espèces de bactéries. |
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Et, une fois que vous les avez, ils peuvent très rapidement transformer l'ammoniac en nitrate. Ensuite, si vous le souhaitez, vous pouvez mettre des plantes dans votre aquarium et cela élimine le ou les nitrates, ou vous effectuez des changements d'eau, ou les deux. C'est ce que je fais pour gérer les nitrates. |
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- Ce qui n'est pas aussi toxique. Mais il faut quand même le limiter, car on finira par en arriver à un point où ce sera toxique. Mais vous avez beaucoup plus de temps qu'avec les deux autres espèces. |
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Mais nous avons un petit problème. Car, pour lancer ce processus – la mise en place du biofiltre – nous avons besoin d'une source d'ammoniac, et cette source naturelle est constituée par les excréments de poissons. |
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Donc, pour avoir des excréments de poisson, il faut des poissons. On ne vend pas simplement des fientes de poisson en magasin pour que vous puissiez les consommer. |
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La question devient alors : « Comment pouvons-nous gérer cela ? » |
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En fait, nous éliminons complètement le poisson de l'équation, car la source d'ammoniac n'a aucune importance. |
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Et il s’avère que nous disposons d’une source d’ammoniac incroyablement propre, bon marché et facile à utiliser sous la forme de chlorure d’ammonium. |
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Et, en fait, les aquariophiles ont des petits seaux de ce produit. – Des petits pots remplis de ce produit. – Ceux qui prennent ça au sérieux – de faire ce processus sans poisson. C'est ce qu'on appelle le « cycle sans poisson ». |
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Et ce que nous faisons, c'est que nous remplaçons de faibles doses de chlorure d'ammonium, |
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dans l'eau pour alimenter le biofiltre en cours de mise en place. Et, une fois le processus terminé, nous pouvons ajouter du chlorure d'ammonium… |
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Et 24 heures plus tard, il n'y a plus d'ammoniac dans le système, ce qui signifie que notre aquarium est cyclé. Cela signifie que le cycle de l'azote est établi et que nous pouvons ajouter des poissons en toute sécurité. |
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Voilà donc le processus complet. Vous pouvez le consulter à votre rythme, si vous le souhaitez. Mais, pour les besoins de notre travail, les parties que nous pouvons surveiller, ou que nous devons surveiller, sont ces trois étapes colorées. |
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La première étape est celle sur laquelle nous allons nous concentrer aujourd'hui. Cette étape avec le chlorure d'ammonium est plutôt amusante à observer. |
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Les autres se produisent tout seuls, mais notez qu'il faut presque un mois pour établir ce filtre biologique. |
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Mais ce que nous faisons, c'est ajouter de faibles doses d'ammoniac comme aliment au filtre biologique. Les premières espèces de bactéries se développent, se multiplient et deviennent heureuses. |
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Et ils commencent à transformer les éléments en nitrites. Les espèces de nitrates les absorbent et se multiplient, s'épanouissent, etc. À chaque étape, nous pouvons surveiller ce processus. Une fois terminé, il suffit de changer 50 % de l'eau et d'ajouter des poissons. |
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Voici à quoi ressemble ce processus si on le faisait avec un poisson. Nous ne proposons pas de le faire. Mais voici ce que l'on observerait avec le poisson. On commencerait dans l'aquarium sans ammoniac. |
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Et un poisson, et vous le nourrissez. Le poisson transforme la nourriture en substance qui produit de l'ammoniac. Le taux d'ammoniac grimpe, grimpe, grimpe, grimpe. |
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Et il y a de fortes chances que les poissons meurent quelque part en cours de route, mais finalement les niveaux d'ammoniac commenceront à baisser. |
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Ensuite, les niveaux de nitrites commençaient à grimper de façon spectaculaire. Finalement, ils commençaient à baisser, et c'est à ce moment-là que les nitrates commençaient à remonter. |
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C'est ce que nous voulons imiter sans aucun poisson impliqué. |
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D'accord. Comment surveiller cela ? Traditionnellement, si vous allez en magasin de poissons, ils vous vendent un kit de test utilisant des indicateurs colorimétriques. Ce sont de petits réactifs chimiques que vous ajoutez et qui changent de couleur. |
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- Une gamme de couleurs dépend de la quantité de la substance testée. Dans ce cas, elles virent au vert, selon la quantité d'ammoniac présente dans le système. Le violet correspond aux nitrites. Et les rouges, jaunes et oranges correspondent aux nitrates. |
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Le problème, c'est que votre œil peut être vraiment trompé. Surtout dans cette zone basse : les échantillons D, E et F. |
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Votre œil peut être très facilement trompé quant à la présence d’une faible concentration d’ammoniac ou de l’absence d’ammoniac. |
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Et vous voulez vraiment savoir quand est-ce qu'il faut « sans ammoniaque ». Alors, étant chimiste et ayant beaucoup de temps libre pendant la pandémie, j'ai décidé de voir s'il existait une meilleure façon de procéder. |
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Et il s'avère que la spectroscopie est la solution. Je me souviens, à l'époque où j'étais en chimie générale, que nous parlions de la loi de Beer, dont nous parlerons plus en détail dans un instant. |
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Mais laissez-moi vous présenter ce qu'est vraiment la spectroscopie, car ceux qui sont dans le public ne savent peut-être pas de quoi nous parlons. |
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La spectroscopie consiste essentiellement à utiliser la lumière pour recueillir des informations sur un échantillon. |
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Et ce qu'est un spectromètre, si on le réduit à ses composants les plus simples, et il existe des spectromètres incroyablement complexes. Mais, en résumé, ils sont une source de lumière, |
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Vous passez ensuite à travers un échantillon. En le traversant, la lumière capte des informations sur son contenu. |
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Ensuite, nous faisons passer cette lumière à travers des fentes. Le but est de créer une ligne lumineuse nette et agréable. Il faut donc un faisceau très fin et très haut, pour obtenir de belles lignes. |
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Et nous passons à travers quelques collimateurs. Dans le cas de mon spectromètre, il s'avère que ma source lumineuse était si brillante, par rapport au spectromètre, qu'une partie de ce que je faisais ici perdait également de la lumière supplémentaire. |
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J'avais trop de lumière, j'ai donc dû réduire l'intensité au fur et à mesure que je travaillais. J'ai donc désaccordé mon spectromètre et quelques boîtiers. Ce qui, étonnamment, n'était pas ce à quoi je m'attendais. |
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Mais après avoir traversé les deux fentes, on arrive à ce qu'on appelle le réseau de diffraction. C'est ce que nous utilisons aujourd'hui. Ce sont en fait des films gravés de lignes espacées de manière très précise. |
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Soit par lithographie, soit par pressage. Autrefois, on utilisait des prismes. C'est donc possible avec un prisme. Mais l'objectif d'un prisme ou de la diffraction est de décomposer la lumière en ses longueurs d'onde composantes. |
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qui sont ensuite transmis. |
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Pour le détecteur dans mon cas c'est une webcam. |
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Ouais, c'est une webcam. |
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Voici donc quelques exemples, à gauche, d'un spectromètre très simple. Nous avons un prisme, une fente unique et une source lumineuse. |
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Et si nous regardons l'image du milieu, de ce côté, nous pouvons voir - c'est une lumière incandescente, |
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En traversant la fente, on observe qu'il se décompose en toutes les longueurs d'onde qui le composent : c'est le spectre du corps noir. Il contient toutes les longueurs d'onde de la lumière de l'arc-en-ciel. |
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Et si nous regardons quelque chose comme une ampoule CFL, au bas de celle-ci, nous pouvons voir qu'il y a des signatures distinctes, et ce sont les lignes d'émission du mercure, ou de tout autre gaz utilisé pour créer la fluorescence dans l'ampoule. |
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Mais c'est exactement ce que nous faisons. Nous faisons la même chose avec les spectromètres. Nous allons séparer, faire passer la lumière à travers un échantillon. |
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et séparer les longueurs d'onde des composants de l'échantillon afin que nous puissions voir ce qui se passe dans l'échantillon en regardant la lumière. |
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C'est un modèle plus sophistiqué à gauche, ou à droite ici, nous avons une belle source de lumière halogène. |
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Vraiment beau et lumineux. Et la lumière est réfléchie d'un point à un autre. C'est en fait la diffraction. C'est une diffraction de qualité optique. |
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Et cela, à son tour, est renvoyé vers ce détecteur. C'est un système à double rebond. Comme je l'ai dit, ils deviennent très, très complexes. |
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Le mien l’était moins. |
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J'avais des Legos. Des lames de rasoir. Un DVD-R que je traînais et que je pouvais démonter pour extraire le message de diffraction. Et une vieille webcam cassée. C'est donc ce que j'ai choisi. |
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Voilà à quoi ça ressemble. L'important, c'est qu'il possède tous les mêmes composants. J'ai une cellule d'échantillonnage. J'ai même pu me procurer une petite cuvette bon marché. |
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Vous ne pouvez pas voir les fentes optiques, car je les ai retirées. Vous pouvez donc voir le reste du système. Voici le réseau de diffraction. |
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DVD-R, ou vous pouvez les trouver à très bas prix sur Amazon aussi. Ils coûtent environ 0,99 $ les 12, ou quelque chose comme ça. Et puis, il y a la webcam bon marché à l'arrière. |
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Et cette webcam peut ensuite être branchée sur quelque chose comme ImageJ ou peut être branchée sur quelque chose qui peut vous aider à collecter les spectres et à les intégrer, afin que nous puissions l'utiliser dans JMP, travailler avec elle dans JMP. |
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Voici ce que nous obtenons ici. En bas, nous voyons un exemple de spectre pour un échantillon vierge. En haut, nous voyons le spectre des canaux rouge, vert et bleu. Nous voyons également le canal moyen pour cet échantillon. |
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Maintenant, ça marche, passons à JMP. Assez de PowerPoint ! |
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Comme je l'ai mentionné plus tôt, nous avons évoqué la loi de Beer. Cette loi stipule que, pour une série donnée de concentrations, si l'on a… et si l'on appelle ces concentrations « c », |
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Elles seront proportionnelles à une absorbance observée, « A ». |
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La proportionnalité est basée sur la longueur du trajet optique, c'est-à-dire la quantité de matière traversée par la lumière. Pour une cuvette qui nous entoure, elle mesure généralement un centimètre. Il existe également une constante de proportionnalité, « Êta ». |
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C'est donc une ligne droite. Et quand j'ai pris mes données de dilutions en série que vous avez vues plus tôt – ces cuvettes qui montraient que nous allions du vert au jaune – |
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Et, en observant les concentrations connues et leur absorbance, on a constaté qu'elles formaient une ligne droite. C'est un phénomène que nous apprécions particulièrement lorsqu'un tel phénomène se produit. Et, plus important encore, cette ligne droite suit la même formule que celle attendue. |
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Voilà ma concentration. C'est ma constante de proportionnalité. Et ce nombre pourrait tout aussi bien être nul. Si l'on regarde l'intervalle de confiance, on ne peut pas dire qu'il ne soit pas nul pour l'intervalle de confiance à 95 %. Cela suit donc parfaitement la loi de Beer. |
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C'est formidable, mais cela a nécessité beaucoup de traitement. Pour chaque spectre, je devais extraire l'absorption maximale. J'ai dû nettoyer les données. C'était un vrai désastre, et chaque étape a pris beaucoup de temps. |
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La question est donc : comment puis-je faire cela lorsque j'ai 36, 37, 40 spectres différents à gérer ? |
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Eh bien, je peux le faire avec l’analyse de données fonctionnelles assez facilement. |
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Parlons maintenant brièvement de l’ensemble de données avec lequel je travaille ici. |
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Voici mon ensemble d'étalonnage et nous pouvons voir que, à mesure que ma concentration augmente à travers cet ensemble de données, |
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On observe une augmentation de l'intensité de la région verte du spectre, la seule que j'ai affichée pour le moment. Les couleurs passent donc d'un rouge foncé à un jaune clair vif. On observe donc une augmentation de l'intensité avec la concentration. C'est la loi de Beer qui est à l'œuvre. |
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Maintenant. |
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La question à laquelle j'ai dû répondre lorsque j'ai commencé est de savoir lequel des canaux... Dois-je utiliser une absorbance moyenne pour l'ensemble du spectre ? |
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Ou dois-je choisir l'un de ces trois canaux avec lesquels travailler ? |
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Et si nous regardons le spectre dans son ensemble, nous pouvons voir qu'il y a beaucoup de jaune, beaucoup de couleurs vives et saturées dans la région bleue du spectre, qui est la substance sur le côté, juste ici et dans la région rouge du spectre ici. |
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Cela tend à indiquer que ces régions sont rapidement saturées. Elles n'ont pas la plage dynamique supérieure dont j'ai besoin… |
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...pour pouvoir m'assurer d'avoir une belle réponse linéaire sur toute la plage de mon détecteur. |
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J'ai donc fini par me concentrer uniquement sur la zone verte du spectre. Vous remarquerez qu'elle présente des aigus, des graves et des zones intermédiaires. Sa plage dynamique est très large et elle exploite toute la plage dynamique du détecteur. Et par « détecteur », j'entends « webcam ». |
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Une autre façon de voir les choses : ici, regardons ces spectres. Voici le blanc, il n'y a rien dedans. |
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Et si on ajoute un tout petit peu d'ammoniaque, on voit que le rouge monte très vite. On ne veut pas ça. On veut qu'il monte très, très progressivement. Très, très lentement. |
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Et nous pouvons voir que, plus précisément, c'est ce qui se passe lorsque nous utilisons la région verte du spectre juste ici. |
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Et nous pouvons voir que, particulièrement entre l'échantillon à 2 ppm et l'échantillon à 3 ppm, le rouge sature à 2 ppm et le vert sature à 3 ppm. |
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C'est important. C'est une différence importante. Cela représente une quantité importante d'ammoniac supplémentaire. Et il est important de pouvoir détecter cette différence, car cela permet d'établir la trajectoire dès le début. |
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Comment gérer cela, et comment le faire dans Functional Data Explorer ? Nous avons les courbes. C'est logique. FDE est un excellent outil pour travailler avec les courbes. |
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Mais comment extraire les concentrations d'inconnues lorsque nous travaillons avec une courbe d'étalonnage comme celle-ci ? |
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Eh bien, le secret réside dans le fait que... Eh bien, tout d'abord, nous avons tout mis en place comme prévu. |
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Nos traces pour nos différents échantillons vont dans Y, la longueur d'onde va dans X, l'ID de l'échantillon va dans la fonction ID. |
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Nous allons donc obtenir les concentrations de l'ensemble d'étalonnage, de la droite d'étalonnage de la loi de Beer que nous avons créée. Nous allons les intégrer à la concentration. C'est la magie. |
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Laissez-moi vous montrer pourquoi. Je vais commencer par définir ma première inconnue comme fonction cible. |
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Pourquoi ai-je fait ça ? Eh bien, laissez-moi vous montrer dans un instant. Je vais masquer le tracé, le traitement des données, les résumés de données. Je n'en ai pas besoin pour l'instant. Je vais accéder aux modèles. Je vais simplement utiliser une b-spline. |
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Et encore une fois, je le fais pour des raisons mécaniques. J'aurais peaufiné un peu plus le modèle FDE du modèle DOE fonctionnel. |
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Mais le point essentiel à souligner est ici : lorsque nous examinons l'erreur intégrée, qui est notre fonction cible, elle est très faible ; elle présente un minimum. |
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Et il s’avère que ce minimum est la concentration d’ammoniac dans l’échantillon inconnu. |
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Donc, tout ce que j'ai à faire pour trouver ce minimum... |
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c'est maximiser ma désirabilité... |
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et lisez... |
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ma concentration. |
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Malheureusement, je ne peux pas revenir en arrière et établir une nouvelle fonction cible dans cette même instance de FDE. |
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Je dois donc le faire une fois par jour pour chaque fonction. Heureusement, je ne le faisais qu'une fois par jour, ce qui n'était pas fastidieux. Mais si j'avais plus de données et que je devais tout faire en une seule fois, cela prendrait un peu plus de temps. |
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Mais regardons à quoi cela ressemble au final. |
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Revenons à la loi de Beer. Les points bleus ici sont les données d'étalonnage. Ce sont celles qui… Ce sont les délires en série que j'ai utilisés pour établir le modèle. |
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On voit que les inconnues correspondent toutes parfaitement à la loi de Beer. Bravo, la science fonctionne ! Pas vrai ? Et, plus important encore, on observe une belle plage dynamique, on voit qu'on peut tout détecter. |
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Et ça marche plutôt bien. |
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Regardons ce qui se passe au fil du temps, car c’est un élément assez intéressant ici. |
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Alors, en observant les données au fil du temps, j'ai ajouté une spline pour vous aider à y voir plus clair. On voit que notre concentration diminue. |
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Et si vous prenez du recul et plissez les yeux (et ignorez ce maximum - nous en parlerons dans une seconde), vous pouvez voir qu'il suit la même courbe que celle que nous nous attendrions à voir sur la moitié arrière... |
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De cela... |
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Courbe de l'ammoniac dans le cycle de l'azote. |
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Et maintenant, qu'en est-il de ces maxima ? |
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Eh bien, j'ai procédé différemment d'un cycle traditionnel. J'ai notamment utilisé mon filtre et je l'ai installé dans un aquarium déjà cyclé. J'en avais un depuis quelques années. |
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Et je l'ai mis dans ce réservoir pour que le filtre soit déjà peuplé d'un filtre biologique. |
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J'ai donc commencé avec un filtre – je ne dirais pas mature – mais un filtre déjà peuplé d'espèces ammoniacantes. J'ai donc eu très rapidement beaucoup de nitrites dans mon aquarium. |
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Et j'en suis arrivé au point où les détecteurs étaient saturés. Je ne pouvais plus détecter de changement. |
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C'est ici que j'ai fait un changement d'eau. En général, ce n'est pas nécessaire. Mais j'ai fait un changement d'eau ici, juste pour ramener mes nitrites à un niveau où ils pourraient être mesurés à nouveau. |
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Malheureusement, ce faisant, j'ai également perturbé les bactéries consommatrices d'ammoniac. J'ai perdu une partie de cette colonie, et j'ai dû attendre qu'elle revienne pour terminer le cycle. |
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Donc, ce que vous voyez là, c'est que je perturbe mon système avant qu'il ne soit mature et prêt à gérer ce genre de... |
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procédure invasive. |
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Mais, encore une fois, le fait est que nous sommes arrivés à la fin de ceci ici en bas lorsque nous avons atteint zéro, j'ai fait une autre édition d'ammoniac, |
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J'ai attendu 24 heures, j'ai refait une mesure. J'avais à nouveau zéro. J'ai vérifié mes nitrites, zéro nitrite. J'ai vérifié mes nitrates. Ils étaient au plus haut, comme je m'y attendais. J'ai fait un changement d'eau. Et je suis allé à l'aquariophilie. Et c'était parti. |
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Tout d'abord, si vous envisagez de démarrer un aquarium, PS... Annonce d'intérêt public... PSA. |
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N'oubliez pas de faire le cycle de votre aquarium au préalable. Certains disent que certains flacons de solution… avec l'inscription « Pas de cycle, ajout immédiat des poissons ». |
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N'y croyez pas. Prenez le chemin le plus long. Vos poissons seront plus heureux. Ils vivront plus longtemps. Et vous vivrez une expérience bien plus agréable avec eux. |
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Alors, n'oubliez pas de faire un cycle dans votre aquarium lorsque vous ajoutez des poissons. |
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Point deux : les Legos ne servent pas seulement à créer un champ de mines dans le salon. On peut les utiliser pour faire de la vraie science, comme on l'a vu ici. J'ai construit un spectromètre en Legos avec une webcam et un DVD. Et ça marche. |
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Troisième étape, ou point trois : ne laissez jamais un ingénieur sans surveillance pendant de longues périodes. On ne sait jamais ce qui va se passer. |
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Merci et amusez-vous bien avec vos aquariums. |
