EcoImpact

EcoImpact – élucider l’impact écologique des micropolluants dans les eaux courantes

La contamination des systèmes d’eau douce par les micropolluants est considérée comme un problème écologique majeur; s’il existe quantité de données sur l’impact des micropolluants sur des organismes précis, nous en savons en revanche peu sur la manière dont ces micropolluants affectent la structure et la fonction complexe d’écosystèmes aquatiques naturels entiers.

Le projet de recherche interdisciplinaire EcoImpact mené à l’échelle de l’Eawag a pour but de combler cette lacune scientifique. L’initiative EcoImpact (début 2013) est dans une large mesure motivée par la décision d’améliorer l’infrastructure des stations d’épuration suisses. Les modifications prévues dans le cadre de ce programme d’amélioration représentent une opportunité unique d’étudier l’impact des micropolluants sur les écosystèmes aquatiques naturels. Dans ce contexte, nous poursuivons deux approches complémentaires: une étude de terrain dans des effluents de stations d’épuration choisis et des approches expérimentales dont un système de canaux jaugeurs (Maiandros) où les propriétés chimiques de l’eau sont contrôlées. Maiandros a été développé par l’Eawag dans le but de tester expérimentalement les effets de mélanges de micropolluants.

Dans le cadre de l'étude de terrain, des méthodes établies seront utilisées pour évaluer sur une sélection de sites les paramètres de qualite de l'eau, ainsi que différentes valeurs limites biologiques et compositions d'espèces (p.ex.macroinvert
Étude de terrain
Dans l'approche expérimentale, la composition des effluents fera l'objet de manipulations contrôlées et les divers organismes ou combinaisons d'organismes seront exposés aux différents effluents.
Approche expérimentale

Contact

Parentaires

Office fédéral de l'environnement, OFEV, Division Eaux

  • Aquabug, Sciences naturelles et environnement, Neuchatel

Les partenaires sont des autorités gouvernementales et cantonales ainsi que des entreprises et des organismes à but non lucratif.

Présentation (Vidéo) à l’université de Waterloo

Micropolluants

Les micropolluants sont des polluants chimiques organiques ou inorganiques présents dans l’eau à de très faibles concentrations. Malgré ces faibles niveaux de concentration, les micropolluants peuvent avoir des impacts négatifs sur les organismes ou contaminer les ressources en eau potable. Les micropolluants sont issus de nombreux produits utilisés dans l’industrie, l’agriculture, le secteur du tourisme et par les ménages, notamment les produits de soins personnels, les matériaux de construction, les produits pharmaceutiques ou les biocides. Ils pénètrent dans les milieux aqueux par différents biais tels que les eaux usées urbaines ou le ruissellement des terres agricoles et des surfaces routières.

Les effets des micropolluants

Même à très faibles concentrations, les micropolluants sont susceptibles de provoquer des effets sur les organismes. Conçus comme des composés biologiquement actifs (p. ex. biocides, produits pharmaceutiques ou phytosanitaires), on peut s’attendre à observer des effets similaires mais indésirables sur l’environnement. C’est ainsi que les produits phytosanitaires, par exemple, inhibent également les organismes photosynthétiques aquatiques. De même, des vertébrés tels que les poissons réagissent par exemple aux hormones et les insecticides ont un impact négatif sur les insectes des milieux aquatiques.

Élimination incomplète des micropolluants dans les stations d’épuration

Les effluents des installations d’épuration d’eaux usées constituent une voie d’entrée majeure des micropolluants dans les milieux aquatiques. Les stations d’épuration (STEP) actuelles ont été conçues principalement pour éliminer les nutriments. En cela, elles ont contribué avec succès au respect des objectifs de protection de l’eau. Au cours des dernières années, il s’est avéré que beaucoup de micropolluants ne sont pas complètement éliminés par le traitement classique dans les STEP et qu’il faut des mesures de traitement supplémentaires. Dans le cadre de la «stratégie MicroPoll» les autorités suisses ont décidé d’ajouter une étape de traitement dans à peu près 100 des 700 STEP suisses. Cette modification représente une opportunité unique d’étudier l’impact des micropolluants sur les écosystèmes aquatiques naturels dans le cadre de notre projet EcoImpact.

Hypothèses et objectifs

En combinant des études de terrain et des approches expérimentales, EcoImpact testera les deux hypothèses suivantes:

  • Le rejet de micropolluants provenant des STEP provoque des changements allant au-delà des effets d’autres composants de l’eau usée comme les nutriments (p. ex. la perte et la réduction d’espèces sensibles sur les sites en aval ou une tolérance induite face aux micropolluants).
  • Il existe des effets indirects des micropolluants, médiés par des interactions biologiques allant au-delà des effets directs de micropolluants sur les organismes et les fonctions clés.

Le projet EcoImpact est axé sur trois objectifs:

  • Établissement du lien de causalité
    Nous voulons déterminer si les différences écologiques observées sur les divers sites sont dues aux différentes expositions à des groupes de micropolluants particuliers. L’impact des micropolluants doit être isolé des facteurs confusionnels.
  • Intégration
    Nous surveillerons plusieurs paramètres moléculaires, physiologiques et écologiques, puis intégrerons les mesures, les observations et les tendances.
  • Conclusion d’ordre général
    Nous préconisons des déclarations d’ordre général plutôt que des déclarations individuelles propres aux différents sites étudiés.

Etude de terrain et sites d’étude

Dans le cadre de l’étude de terrain, des méthodes établies sont utilisées pour évaluer les paramètres de qualité de l’eau, différents paramètres biologiques, la biodiversité et des caractères fonctionnels à des sites choisis. Les 24 tronçons de rivière choisis en amont et en aval de rejets de STEP se trouvent dans le plateau suisse et le Jura. Les buts de cette démarche sont, d’une part d’examiner les effets biologiques des eaux usées traitées en général et des micropolluants en particulier, d’autre part de disposer d’une référence pour surveiller les modifications ultérieures subséquentes à la rénovation des infrastructures des stations d’épuration.

  • Les eaux réceptrices incluent seules les eaux courantes, non pas les lacs
  • Aucun rejet d’eaux usées en amont des stations d’épuration choisies
  • La proportion des effluents en aval de la station d’épuration est d’au moins 20% par temps sec (Q347)
  • Surface habitée sur le bassin versant < 21%
  • Superficie allouée à la vigne et à la production de fruits < 10%
Source de données: © 2017 swisstopo (JD100041)

Approches expérimentales

Afin de pouvoir dissocier les effets de différents facteurs environnementaux sur la structure et la fonction des écosystèmes aquatiques, il faut procéder à des expérimentations. Dans le but d’étudier le rôle particulier de micropolluants, nous avons à la fois effectué des expériences à petite échelle au laboratoire et élaboré Maiandros – un système de 16 canaux dont le nom s’inspire du dieu grec Méandre (Μαίανδρος) du fleuve Méandre (dans l’actuelle Turquie). Dans le système Maiandros, différents organismes peuvent être simultanément exposés à quatre différentes qualités d’eau contrôlées. Pour l’instant, Maiandros est installé dans la STEP de Fällanden, en Suisse alémanique, où différentes expériences ont été exécutées jusqu’à présent. D’une part, la qualité de l’eau a été variée en mélangeant de l’eau de rivière avec des eaux usées de la STEP en différentes proportions. D’autre part, l’eau de rivière a été enrichie avec des nutriments et/ou des micropolluants pour discerner  des effets éventuellement opposés de nutriments et de micropolluants.

Le système de canaux expérimental «Maiandros»

Résultats

Les résultats obtenus jusqu’à présent montrent que les micropolluants influencent les écosystèmes fluviaux. Sur tous les sites d’étude, le rejet d’eaux usées a augmenté la charge et les concentrations de micropolluants en aval des STEP. Les tests biologiques indiquent clairement que ces concentrations augmentent les effets écotoxicologiques, par exemple l’inhibition de la photosynthèse. Les communautés de périphyton en aval sont plus tolérantes par rapport à ces micropolluants et sur certains sites, chez la truite de rivière on observe l’induction de l’expression de gènes responsables de la détoxification. Tous ces résultats montrent que les micropolluants exercent un stress sur les organismes, ce qui provoque des réponses biologiques. De tels effets ont aussi été observés pour les macroinvertébrés. En particulier, les espèces qui sont sensibles aux pesticides sont moins nombreuses en aval des STEP, ce qui indique que ces polluants se trouvent dans les eaux usées traitées. Cet effet est d’autant plus grand lorsque la quantité d’eau usée rejetée augmente par rapport au débit moyen de la rivière. Cet effet est indépendant de la qualité de l’eau de rivière en amont de la STEP. Les fonctions de l’écosystème comme la décomposition des feuilles sont aussi affectées par le rejet d’eaux usées et éventuellement par les micropolluants.

Jusqu’à présent, quatre expériences ont été conduites en utilisant le système de canaux Maiandros. Elles ont permis d’élucider une partie des processus complexes qui se déroulent sur le terrain. Par exemple, des tests de dégradation utilisant des bandes de coton ont révélé que les nutriments ‘masquent’ les effets toxiques des micropolluants. Les résultats de l’étude de terrain et des approches expérimentales seront comparés pour mieux comprendre les tendances observées sur le terrain.

Publications

Les publications suivantes sélectionnées viennent le projet EcoImpact ou sont fortement associées à la rubrique.

Tlili, A.; Hollender, J.; Kienle, C.; Behra, R. (2017) Micropollutant-induced tolerance of in situ periphyton: establishing causality in wastewater-impacted streams, Water Research, 111, 185-194, doi:10.1016/j.watres.2017.01.016, Institutional Repository
Stamm, C.; Räsänen, K.; Burdon, F. J.; Altermatt, F.; Jokela, J.; Joss, A.; Ackermann, M.; Eggen, R. I. L. (2016) Unravelling the impacts of micropollutants in aquatic ecosystems: interdisciplinary studies at the interface of large-scale ecology, In: Dumbrell, A. J.; Kordas, R. L.; Woodward, G. (Eds.), Large-Scale Ecology: Model Systems to Global Perspectives, 183-223, doi:10.1016/bs.aecr.2016.07.002, Institutional Repository
Burdon, F. J.; Reyes, M.; Alder, A. C.; Joss, A.; Ort, C.; Räsänen, K.; Jokela, J.; Eggen, R. I. L.; Stamm, C. (2016) Environmental context and magnitude of disturbance influence trait-mediated community responses to wastewater in streams, Ecology and Evolution, 6(12), 3923-3939, doi:10.1002/ece3.2165, Institutional Repository
Czekalski, N.; Díez, E. G.; Bürgmann, H. (2014) Wastewater as a point source of antibiotic-resistance genes in the sediment of a freshwater lake, ISME Journal, 8(7), 1381-1390, doi:10.1038/ismej.2014.8, Institutional Repository
Deiner, K.; Walser, J.-C.; Mächler, E.; Altermatt, F. (2015) Choice of capture and extraction methods affect detection of freshwater biodiversity from environmental DNA, Biological Conservation, 183, 53-63, doi:10.1016/j.biocon.2014.11.018, Institutional Repository
Eggen, R. I. L.; Hollender, J.; Joss, A.; Schärer, M.; Stamm, C. (2014) Reducing the discharge of micropollutants in the aquatic environment: the benefits of upgrading wastewater treatment plants, Environmental Science and Technology, 48(14), 7683-7689, doi:10.1021/es500907n, Institutional Repository
Fischer, S.; Klüver, N.; Burkhardt-Medicke, K.; Pietsch, M.; Schmidt, A.-M.; Wellner, P.; Schirmer, K.; Luckenbach, T. (2013) Abcb4 acts as multixenobiotic transporter and active barrier against chemical uptake in zebrafish (Danio rerio) embryos, BMC Biology, 11, 69 (16 pp.), doi:10.1186/1741-7007-11-69, Institutional Repository
Hollender, J.; Zimmermann, S. G.; Koepke, S.; Krauss, M.; McArdell, C. S.; Ort, C.; Singer, H.; von Gunten, U.; Siegrist, H. (2009) Elimination of organic micropollutants in a municipal wastewater treatment plant upgraded with a full-scale post-ozonation followed by sand filtration, Environmental Science and Technology, 43(20), 7862-7869, doi:10.1021/es9014629, Institutional Repository
Margot, J.; Kienle, C.; Magnet, A.; Weil, M.; Rossi, L.; de Alencastro, L. F.; Abegglen, C.; Thonney, D.; Chèvre, N.; Schärer, M.; Barry, D. A. (2013) Treatment of micropollutants in municipal wastewater: ozone or powdered activated carbon?, Science of the Total Environment, 461, 480-498, doi:10.1016/j.scitotenv.2013.05.034, Institutional Repository
Ort, C.; Hollender, J.; Schaerer, M.; Siegrist, H. (2009) Model-based evaluation of reduction strategies for micropollutants from wastewater treatment plants in complex river networks, Environmental Science and Technology, 43(9), 3214-3220, doi:10.1021/es802286v, Institutional Repository
Schymanski, E. L.; Singer, H. P.; Longrée, P.; Loos, M.; Ruff, M.; Stravs, M. A.; Ripollés Vidal, C.; Hollender, J. (2014) Strategies to characterize polar organic contamination in wastewater: exploring the capability of high resolution mass spectrometry, Environmental Science and Technology, 48(3), 1811-1818, doi:10.1021/es4044374, Institutional Repository
Schuwirth, N.; Kattwinkel, M.; Stamm, C. (2015) How stressor specific are trait-based ecological indices for ecosystem management?, Science of the Total Environment, 505, 565-572, doi:10.1016/j.scitotenv.2014.10.029, Institutional Repository
Tlili, A.; Berard, A.; Blanck, H.; Bouchez, A.; Cássio, F.; Eriksson, K. M.; Morin, S.; Montuelle, B.; Navarro, E.; Pascoal, C.; Pesce, S.; Schmitt-Jansen, M.; Behra, R. (2015) Pollution-induced community tolerance (PICT): towards an ecologically relevant risk assessment of chemicals in aquatic systems, Freshwater Biology, 61, 2141-2151, doi:10.1111/fwb.12558, Institutional Repository

Équipe de projet

Gestion de projets

Chef de projet: Christian Stamm

Membres de l’équipe de projet

Le projet est mené en étroite collaboration avec les membres de l’équipe élargie du projet, constituée de représentants des disciplines divers de l’Eawag et du Centre Ecotox Eawag/EPFL. 

Les différentes missions du projet seront exécutées par des groupes de mission composés de collaborateurs scientifiques et techniques de tous les échelons; elles seront supervisées par un chef de mission.

Partenaire scientifique

Assoc. Prof. Scott D. Tiegs, Biological Sciences, Oakland University, Michigan, USA
Dr. Yaohui Bai, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Conseil consultatif

Prof. Dr. R. Brouwer
Professor in Environmental Economy, University of Waterloo, Canada

Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel
Professor in Environmental Engineering, Technical University, Berlin, Germany

Dr Pim E.G. Leonards
Senior researcher department of Chemistry and Biology, Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands

Dr. Guy Woodward
Reader in ecology, Imperial College, London, England