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L'utilisation des bioessais pour le monitoring environnemental
Les bioessais sont de mieux en mieux acceptés pour l'appréciation de la qualité des eaux et des sédiments. Plus de 90 spécialistes issus de l'administration, de l'économie privée et de la recherche ont répondu à l'invitation du Centre Ecotox en participant à un symposium de deux jours organisé sur ce sujet en juin 2018.
Dans les études menées jusqu'à présent, plus de 900 composés chimiques ont été détectés dans les cours d'eau européens, dont la moitié seulement ont pu être identifiés. La multiplicité des substances présentes, qu'elles soient connues ou inconnues, rend une estimation des effets de ces cocktails chimiques sur les écosystèmes particulièrement difficile. Les biotests écotoxicologiques permettent de mesurer aussi bien l'impact des composés isolés sur les organismes biologiques que celui des mélanges de polluants. Les bioessais sont des méthodes d'analyse qui mettent en œuvre des cellules, des organismes ou des communautés pour mesurer leurs réactions aux polluants présents dans l'environnement.
Les biotests en écotoxicologie réglementaire de routine
Pour qu'ils puissent être utilisés dans un cadre réglementaire, les biotests doivent répondre à de fortes exigences : ils doivent être robustes, bon marché, faciles à réaliser, sensibles et faciles à interpréter. Les autorités allemandes en emploient déjà depuis les années 1970 pour surveiller la qualité des eaux. Depuis 1996, l'ordonnance allemande sur les eaux résiduaires intègre une batterie de tests biologiques composée du test sur les œufs de poisson, du test sur daphnies, du test de bioluminescence bactérienne, du test sur lentilles d'eau et du test de génotoxicité umuC. Les seuils utilisés pour les différents tests ne se réfèrent pas au milieu naturel aquatique mais aux rejets des stations d'épuration (STEP) : la dilution pour laquelle un échantillon ne doit plus être toxique dans le bioessai est imposée (valeur G) ; si cette valeur est dépassée avec l'effluent de STEP, le gestionnaire doit prendre des mesures pour réduire la pollution. Des expériences positives ont également été faites en Suisse avec l'évaluation des eaux résiduaires à l'aide de biotests. Toutefois, les tests n'y sont pas imposés. Ils ont principalement été utilisés pour évaluer l'élimination des micropolluants dans les STEP. Pour l'évaluation de la qualité de l'eau dans un cadre réglementaire, les autorités suisses privilégient souvent les indices biotiques basés sur les communautés de macroinvertébrés tels que l'indice de saprobie, l'indice IBCH ou encore l'indice SPEAR pesticides.
Une alternative à l'expérimentation animale
Les tests sur cultures cellulaires peuvent être très intéressants si l'on souhaite réduire l'utilisation des poissons pour l'évaluation des produits chimiques et des échantillons de matrices environnementales. Les cellules branchiales de poissons sont particulièrement appropriées : la toxicité à leur endroit est évaluée en combinant plusieurs tests portant sur l'activité cellulaire. Les résultats ainsi obtenus sont en bonne concordance avec ceux de tests sur poissons ou œufs de poissons. Les tests d'activité cellulaire peuvent être complétés d'analyses de biomarqueurs et sont compatibles avec les approches de monitoring en ligne et à distance grâce aux possibilités offertes par la mesure de l'impédance cellulaire.
Utilisation des bioessais sur le terrain
Les bioessais menés directement dans le milieu aquatique naturel associent les avantages des essais de laboratoire – c'est-à-dire la correspondance directe entre l'exposition aux polluants et les effets mesurés dans les organismes – et de l'analyse des communautés biotiques – qui reflète les conditions environnementales réelles mais subit l'influence de nombreux facteurs. Le gammare, Gammarus fossarum, se prête particulièrement bien à ce type d'approches in situ. Des gammares d'élevage sont alors mis à incuber de 1 à 3 semaines sur le terrain et des effets tels que la mortalité, le dérèglement de la reproduction, la neurotoxicité et la perturbation hormonale sont mesurés. La qualité de l'eau peut ainsi être évaluée sur place.
Pour pouvoir suivre l'action des polluants sur les organismes sur le terrain, les biomarqueurs constituent également une option intéressante. Ils permettent un diagnostic sur la santé des individus et reflètent les conditions réelles d'exposition. Les nouvelles méthodes d'analyse permettent de suivre de nombreux biomarqueurs, comme par exemple l'expression de gènes indicateurs modifiée sous l'action des produits chimiques ou d'autres facteurs de stress. En Suisse, les biomarqueurs de truite commune ont permis de mettre en évidence l'influence des effluents de STEP sur la qualité de l'eau avec une grande fiabilité : l'expression des gènes biomarqueurs indicateurs de stress était systématiquement plus forte en aval des STEP qu'en amont et, un an après que le déversement d'effluents d'épuration a été stoppé dans un cours d'eau donné, la méthode indiquait un retour à la normale de l'expression génique.
Mise en œuvre de batteries de biotests
Les études de cas menées jusqu'à présent indiquent que les biotests doivent généralement être combinés entre eux pour livrer une bonne appréciation de la qualité des eaux de surface. Cette constatation a été faite aussi bien dans le cadre du contrôle du rendement d'épuration des STEP et de la surveillance des eaux recevant leurs effluents que lors de la caractérisation de la pollution diffuse des eaux par les produits phytosanitaires. Pour ce genre d'études, il est généralement opportun de combiner divers essais de laboratoire et méthodes de terrain sélectionnés en fonction des mécanismes d'action des micropolluants ciblés. Les effets peuvent alors être appréhendés à différents niveaux avec une grande sensibilité. Pour pouvoir utiliser les biotests dans un contexte réglementaire, il est cependant indispensable de disposer de seuils, c'est-à-dire de valeurs limites indiquant pour chaque test à partir de quel moment des effets néfastes sont susceptibles d'affecter l'organisme. Ces seuils doivent à la fois tenir compte de la variabilité des mesures et de l'extrapolation des effets du niveau cellulaire à celui de l'organisme. Plusieurs approches peuvent être adoptées : 1) se baser sur la dilution nécessaire pour que l'échantillon ne soit plus toxique (la valeur G utilisée en Allemagne), 2) utiliser les critères de qualité environnementale déterminés pour les substances de référence (pour cibler des effets spécifiques comme l'activité œstrogénique par exemple) ou 3) déterminer des triggers à partir des NQE de plusieurs substances (cocktails chimiques).
Le cas particulier de l'évaluation de la qualité des sédiments
Les sédiments sont un espace de vie très important pour de nombreux organismes mais ils sont aussi très souvent pollués par des composés qui se fixent sur leur matière organique. Lorsque les sédiments sont déplacés, ces composés peuvent être remis en solution et altérer la qualité de l'eau. L'évaluation du risque concernant les sédiments peut donc porter soit sur les risques encourus sur place à travers la perturbation de l'écosystème, soit sur la qualité de sédiments dragués qui décidera de leur futur devenir.
L'utilisation des biotests est moins établie pour l'évaluation des sédiments que pour celle des échantillons d'eau et les difficultés sont autres. Les Pays-Bas adoptent une démarche en plusieurs étapes complémentaires alors que la Belgique n'en considère qu'une seule, l'Italie mise sur une stratégie de type « weight of evidence » et l'Allemagne n'étudie que les sédiments dragués. Comme dans le domaine aquatique, il est judicieux, pour évaluer la qualité des sédiments, d'utiliser une batterie de tests englobant différentes voies d'absorption, différents niveaux d'organisation biologique, différents niveaux trophiques et différents critères d'effets. En Allemagne, les sédiments dragués sont classés en fonction de leur capacité à être déplacés dans le cours d'eau. Une batterie simple est tout d'abord employée – dans le domaine dulçaquicole, elle est composée d'un test de bioluminescence bactérienne, d'un test algal et d'un test sur daphnies. Si des effets sont constatés, une batterie modulaire est mise en œuvre. En Suisse, le Centre Ecotox travaille actuellement à l'élaboration d'un module « Sédiment » pour le système modulaire gradué d'appréciation de la qualité des eaux. Jusqu'à présent, les cantons ne disposent pas de méthode harmonisée pour l'évaluation des sédiments. Le projet vise donc tout d'abord à proposer une méthodologie pour l'échantillonnage et le prétraitement des sédiments. Ensuite, un système de notation en différentes classes de qualité chimique est proposé sur la base de nouveaux critères de qualité spécifiques aux sédiments, déterminés pour de nombreuses substances.
Des études de cas pour le monitoring des sédiments
Dans les études de cas menées jusqu'à présent sur le monitoring des sédiments, les principaux tests utilisés avec succès étaient les suivants : essais de mesure des effets de type dioxine avec des lignées cellulaires humaines et tests avec des algues, des daphnies, des vers tubicoles, des larves de chironomes et des mollusques bivalves. Par ailleurs, les tests avec des diptères, des larves de trichoptères et des gammares ont livré une bonne indication de la bioaccumulation.
Évaluation de la qualité des sédiments à l'aide d'indices biocénotiques
La qualité des sédiments peut également être évaluée à l'aide de différents indices biocénotiques basés sur la qualité d'indicateurs de certains groupes taxonomiques comme les oligochètes. Parmi les indices oligochètes de qualité biologique, on peut citer le TRF (Traits fonctionnels), l'IOBL (lacs) et l'IOBS (rivières). Les indicateurs peuvent être le nombre de taxons identifiés (IOBS), la part de vers sans soies capillaires, la densité d'oligochètes ou la proportion d'espèces sensibles. Les oligochètes ont toutefois l'inconvénient d'être difficiles à déterminer. Une méthode basée sur le barcoding génétique serait donc souhaitable (voir page 5).
L'indice NemaSPEAR, basé sur le pourcentage d'espèces particulièrement sensibles de nématodes, s'est également avéré très intéressant pour l'évaluation de la qualité des sédiments. Les nématodes se prêtent particulièrement bien à l'étude des sédiments fins. Les critères de qualité spécifiques aux sédiments basés sur les nématodes sont comparables à ceux relatifs au macrozoobenthos.
La tolérance des communautés microbiennes aux polluants présents localement (Pollution Induced Community Tolerance = PICT) est également un bon indicateur de la pollution des sédiments. Les communautés microbiennes s'adaptent assez rapidement aux modifications de leur environnement. Le fait qu'une communauté soit tolérante à un ou plusieurs polluants révèle l'existence d'une exposition antérieure à ce ou ces composés. L'approche PICT s'est avérée être un bon outil d'appréciation de l'état chimique des sédiments dans différents écosystèmes et pour différents polluants.