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Evaluation grossière de la pollution des eaux au moyen de bioessais
Les bioessais se prêtent particulièrement bien à l'évaluation de la qualité de l'eau lorsque le milieu est contaminé par des substances biologiquement actives et des cocktails chimiques qui ne peuvent pas être totalement appréhendés par les méthodes classiques d'analyse. Nous proposons une stratégie robuste et pratique d'évaluation grossière de la pollution des milieux aquatiques qui se base sur l'utilisation de tests biologiques d'écotoxicité. Une première étape dans l'évaluation globale et intégrée de la qualité de l'eau.
Dans l'Union européenne, la qualité des eaux est évaluée par le dosage de composés individuels dont les concentrations sont ensuite comparées à des seuils basés sur des données d'écotoxicité appelés normes de qualité environnementale. Cette approche sera également bientôt adoptée en Suisse et sera inscrite dans la nouvelle ordonnance sur la protection des eaux actuellement en préparation. Elle a cependant l'inconvénient de se limiter aux polluants individuels mesurables pour lesquels suffisamment de données d'écotoxicité sont disponibles. Si l'évaluation de la qualité de l'eau doit sortir du cadre de ces composés individuels, il est nécessaire de faire appel à des méthodes globales et intégrées comme le recours aux essais biologiques. Ce genre de tests donne des informations sur la toxicité générale de l'eau ou de l'effluent ou sur la toxicité spécifique de certains groupes de substances. Ils permettent donc d'évaluer la toxicité globale des cocktails de polluants présents dans un échantillon d'eau. Les bioessais sont particulièrement utiles pour détecter les effets de substances qui agissent à très faible concentration et qu'il est difficile de doser par les méthodes classiques d'analyse chimique.
Avec l'aide de l'Office fédéral de l'environnement, des services cantonaux de la protection des eaux, de bureaux d'étude et de laboratoires de recherche, le Centre Ecotox a élaboré une stratégie qui permet une évaluation de routine de l'écotoxicité du milieu dans les cours d'eau pollués par les eaux usées. La méthode a été développée dans le cadre du module Ecotoxicologie du système modulaire gradué suisse, c'est-à-dire dans le cadre du projet visant à fournir aux autorités d'exécution et de contrôle des méthodes standardisées d'appréciation de la qualité des eaux de surface. Ces méthodes portent sur toutes les caractéristiques des cours d'eau - morphologie, hydrologie, chimie et biologie - pour apprécier leur état dans sa globalité. Les méthodes écotoxicologiques permettent, en complément des autres modules, d'évaluer les effets des polluants sur la faune, la flore et les micro-organismes.
Les œstrogènes et les herbicides en ligne de mire
Pour les analyses de routine effectuées dans un cadre réglementaire, les bioessais doivent remplir un certain nombre de conditions : ils doivent être bon marché, pratiques et faciles à interpréter. « L'expérience a montré que les tests effectués avec des cellules individuelles pour détecter les groupes de polluants par leurs effets spécifiques étaient les mieux adaptés aux besoins du terrain », souligne Cornelia Kienle, du Centre Ecotox. Pour la stratégie d'évaluation grossière présentée ici, les chercheurs chargés du projet ont adopté une solution pragmatique en se concentrant tout d'abord sur deux familles de substances : celles présentant des effets œstrogènes et celles capables d'inhiber la photosynthèse. « Les polluants œstrogènes constituent un réel danger pour les écosystèmes sensibles, explique Cornelia Kienle. Ces perturbateurs endocriniens se comportent en effet comme des hormones naturelles et se fixent sur les récepteurs des œstrogènes, ce qui peut fortement affecter les fonctions reproductrices des organismes aquatiques. » Les œstrogènes présents dans les cours d'eau peuvent être d'origine naturelle ou artificielle (médicaments, plastiques, filtres solaires, pesticides, etc.) et peuvent agir à des concentrations inférieures aux seuils de détection des techniques d'analyse chimique.
Le deuxième groupe de substances choisi par les chercheurs était celui des inhibiteurs du photosystème II (PSII) en raison de leur présence fréquente à des concentrations notables dans les eaux de surface suisses. Ces composés portent atteinte aux algues et aux plantes aquatiques qui jouent un rôle essentiel dans l'écosystème en servant notamment de nourriture aux daphnies et aux poissons et en produisant de l'oxygène. « Une inhibition de la photosynthèse peut également affecter la croissance des algues et des plantes aquatiques et affaiblir leur résistance vis-à-vis d'autres facteurs de stress », souligne Cornelia Kienle. Le groupe des inhibiteurs de la photosynthèse est essentiellement composé d'herbicides utilisés dans des fonctions biocides ou phytopharmaceutiques qui sont mal éliminés dans les stations d'épuration classiques. Mais d'autres polluants comme le triclosan, divers médicaments et certains métaux peuvent également présenter une activité phytotoxique.
Les œstrogènes détectés grâce aux levures
Pour évaluer la pollution du milieu par les œstrogènes, le test d'œstrogénicité sur levure (test YES) est une méthode aussi robuste qu'efficace : dans ce bioessai faisant appel à des cellules de levure transgéniques, la fixation des perturbateurs endocriniens sur le récepteur humain des œstrogènes est rendue visible par un changement de couleur du jaune au rouge. Ce test simple et bon marché est librement utilisable par tous sans brevet et déjà très répandu ; il est en cours de certification ISO. Pour être quantifiée, l'activité œstrogénique est exprimée en une concentration d'équivalents œstradiol (EEQ) qui correspond à la concentration de 17β-œstradiol ayant le même effet que l'échantillon testé. En général, le test YES nécessite une pré-concentration des échantillons d'eau car leurs teneurs en composés œstrogéniques sont trop faibles pour être mesurées directement. Grâce à cette étape préalable, le test atteint une limite de détection de 0,09 ng EEQ/l et une limite de quantification d'environ 0,22 ng EEQ/l, ce qui permet de déterminer l'œstrogénicité dans les milieux les moins pollués. Sans pré-concentration, la limite de détection du test YES est en moyenne de 9,2 ng EEQ/l.
L'inhibition de la photosynthèse mise en évidence par les algues
La pollution des eaux par les inhibiteurs du PSII peut être déterminée à l'aide du test algues combiné avec l'algue verte unicellulaire Pseudokirchneriella subcapitata. Grâce à son utilisation sur des plaques de microtitration et à la faible durée d'exposition qu'il nécessite, ce test combiné est beaucoup plus rapide et beaucoup moins cher que les tests d'inhibition de la croissance algale certifiés par l'ISO et l'OCDE. Il permet d'évaluer les effets sur la photosynthèse en à peine deux heures et sur la croissance en seulement 24 heures. En détectant ces deux types d'effets, le test combiné met en évidence différents modes d'action, ce qui le rend particulièrement intéressant pour la veille environnementale. Une normalisation DIN/ISO du test algal miniaturisé est actuellement en préparation. Pour être quantifiée, l'inhibition de la photosynthèse est exprimée en une concentration d'équivalent diuron (DEQ). Le test algues combiné peut être utilisé aussi bien pour des échantillons bruts que pour des échantillons pré-concentrés. Après une étape d'extraction sur phase solide, il atteint une limite de détection de 1-2 ng DEQ/l et une limite moyenne de quantification de 3-6 ng DEQ/l. Sans pré-concentration, sa limite de quantification est en moyenne de 129 ng DEQ/l.
Appréciation de la qualité de l'eau
Lorsque des œstrogènes ou des inhibiteurs de la photosynthèse ont été détectés dans un milieu, il convient d'interpréter les résultats en termes de qualité de l'eau. Pour ce faire, les concentrations d'équivalents sont comparées aux critères de qualité environnementale correspondants (CQE), c'est-à-dire aux concentrations à ne pas dépasser pour que l'environnement aquatique ne subisse pas de dommages. A partir du rapport entre la concentration environnementale et le CQE, la qualité de l'eau est évaluée selon un système de cinq classes allant de très bonne à mauvaise. Pour l'évaluation de la contamination œstrogénique, le critère de qualité environnementale pris comme référence est celui déterminé pour les expositions chroniques au 17β-œstradiol (0,4 ng/l) ; pour les inhibiteurs de la photosynthèse, il s'agit du critère de qualité « chronique » déterminé pour le diuron (20 ng/l). Ce système d'évaluation permet une appréciation intégrée de la qualité des eaux et une identification des tronçons présentant des concentrations problématiques d'œstrogènes et d'inhibiteurs du PSII.
La méthode présentée est conçue pour l'appréciation de la qualité des milieux aquatiques contaminés par des eaux usées et constitue une première étape sur la voie d'une évaluation globale et intégrée de la qualité de l'eau. Les bioessais proposés sont censés compléter les analyses de composés individuels de la méthode d'appréciation classique pour appréhender de façon intégrée un plus large éventail de micropolluants organiques. Le Centre Ecotox soutient activement les travaux de normalisation et de certification ISO des tests proposés, nécessaires à la finalisation du système d'évaluation grossière de la pollution de l'eau. Il travaille également à la sélection d'autres essais biologiques pouvant être successivement intégrés au système d'évaluation pour en améliorer les performances.
Rapport final: