EcoImpact 1

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

La contamination des systèmes d’eau douce par des micropolluants est considérée de nos jours comme un problème environnemental majeur. S’il existe quantité de données concernant 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 1 mené à l’échelle de l’Eawag avait pour but de combler cette lacune scientifique. L’initiative EcoImpact 1 a été lancée en 2013 en prévision de la future mise à niveau des STEP en Suisse. Les modifications prévues dans ce cadre représentent une occasion unique d’étudier l’impact des micropolluants sur les écosystèmes aquatiques naturels. Dans ce contexte, deux approches complémentaires ont été poursuivies : une étude de terrain sur des effluents de STEP choisis et des expériences contrôlées dans le système de canaux jaugeurs (Maiandros).

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

Dr. Christian StammChef de département adjointTel. +41 58 765 5565Envoyez un message

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 (MP) sont des polluants chimiques organiques ou inorganiques présents dans l’eau à de très faibles concentrations. Malgré ces faibles niveaux de concentration, les MP peuvent tout de même avoir des impacts négatifs sur les organismes ou sur la qualité des eaux potables. Les MP sont issus de nombreux produits utilisés dans l’industrie, l’agriculture, le secteur du tourisme et par les ménages, notamment les produits cosmétiques, les matériaux de construction, les médicaments ou les biocides. Ils pénètrent dans le milieu aquatique par différentes voies d’apport telles que les eaux usées urbaines ou le ruissellement des terres agricoles et des surfaces de circulation.

Effets des micropolluants (MP)

Même à très faibles concentrations, les MP sont déjà susceptibles d’avoir des effets sur les organismes. Conçus comme des composés biologiquement actifs (p. ex. biocides, médicaments ou produits phytosanitaires), les micropolluants sont suspectés de provoquer des effets similaires, mais indésirables sur l’environnement. C’est ainsi que les produits phytosanitaires, par exemple, inhibent également le développement de certains organismes photosynthétiques aquatiques. De même, des vertébrés tels que les poissons peuvent réagir par exemple aux hormones et les insecticides ont un impact négatif sur les insectes des milieux aquatiques.

Élimination incomplète des micropolluants (MP) dans les stations d’épuration (STEP) conventionnelles

Pour un grand nombre de MP, les STEP constituent une voie d’accès majeure aux cours d’eau. Les STEP actuelles ont été conçues principalement pour éliminer les nutriments. De ce fait, elles ont contribué avec succès au respect des objectifs de protection des eaux. Au cours des dernières années, il s’est avéré que beaucoup de MP ne sont pas complètement éliminés dans les STEP et qu’il faut des étapes d’épuration supplémentaires. Dans le cadre de la « stratégie MicroPoll », les autorités suisses ont décidé d’équiper une centaine des STEP suisses (au total, il y en a 700) d’une étape d’épuration supplémentaire. Les modifications liées à ce projet représentent une opportunité unique d’étudier l’impact des MP sur des écosystèmes aquatiques naturels dans le cadre de notre projet de recherche EcoImpact.

Hypothèses et objectifs

En combinant des études de terrain et des approches expérimentales, EcoImpact 1 a testé les hypothèses suivantes :

  • Le rejet de MP provenant de 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 envers les MP).
  • Il existe des effets indirects des MP, médiés par des interactions biologiques allant au-delà des effets directs de MP sur les organismes et les fonctions clés.

Le projet EcoImpact 1 a poursuivi trois objectifs :

  • Établissement de liens de causalité
    L’Eawag a étudié si les divergences écologiques observées entre les divers sites sont dues à différentes expositions à des groupes de MP (spécifiques). L’impact des MP doit être isolé de celui d’autres facteurs d’influence.

  • Intégration
    Le projet a englobé une multitude de paramètres moléculaires, physiologiques et écologiques, et intégré les différentes mesures, observations et tendances.

  • Conclusion d’ordre général
    Nous préconisons des déclarations d’ordre général plutôt que des déclarations individuelles propres aux différents sites étudiés.

Étude de terrain et sites d’étude

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

La sélection des sites étudiés reposait sur les critères suivants :

  • Seules les eaux courantes sont considérées comme des eaux réceptrices, pas les lacs.
  • Aucun rejet d’eaux usées en amont des STEP choisies
  • Par temps sec, la proportion des effluents en aval de la STEP est d’au moins 20 % (Q347)
  • Surface habitée sur le bassin versant < 21 %
  • Superficie allouée à la vigne et aux arbres fruitiers sur le bassin versant < 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 MP, nous avons à la fois effectué des expériences à petite échelle en laboratoire et élaboré Maiandros – un système de 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. A cette fin, Maiandros a été installé dans la STEP de Fällanden, en Suisse alémanique, où différentes expériences ont été exécutées. D’une part, la qualité de l’eau a été influencée par le mélange de l’eau de rivière avec des eaux usées purifiées de la STEP à proportions variables. D’autre part, l’eau de rivière a été enrichie avec des nutriments sélectionnés et/ou des mélanges de MP pour identifier d’éventuels effets opposés de nutriments et de MP.

Le système de canaux expérimental «Maiandros»

Résultats

Les résultats obtenus jusqu’à présent montrent que les MP ont des impacts sur les écosystèmes fluviaux. Sur tous les sites d’étude, le rejet d’eaux usées a augmenté la charge et les concentrations de MP dans les tronçons fluviaux en aval des STEP. Des tests biologiques montrent que ces concentrations augmentent les effets écotoxicologiques – par exemple, l’inhibition de la photosynthèse, sur différents paramètres fonctionnels. Les communautés de périphyton (biofilm constitué d’algues, de bactéries et de champignons) en aval sont plus tolérantes par rapport à ces MP et, sur certains sites, on a observé l’induction de l’expression de gènes nécessaires dans les activités de détoxification chez la truite de rivière. Tous ces résultats montrent que les MP exercent un stress physiologique sur les organismes. De tels effets ont également été observés sur des macroinvertébrés. En particulier, les espèces sensibles aux pesticides étaient décimées sur les sites en aval des STEP. Les fonctions de l’écosystème comme la décomposition des feuilles sont également affectées par le rejet d’eaux usées et, éventuellement, par les MP.

Les expériences qui ont été conduites en utilisant le système de canaux Maiandros. Elles ont permis d’élucider une partie des processus complexes constatés dans les études de terrain. Par exemple, des tests de dégradation utilisant des bandes de coton ont révélé que les nutriments « masquent » les effets toxiques de MP. Les résultats de l’étude de terrain et du système de canaux sont maintenant 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.

Burdon, F. J.; Bai, Y.; Reyes, M.; Tamminen, M.; Staudacher, P.; Mangold, S.; Singer, H.; Räsänen, K.; Joss, A.; Tiegs, S. D.; Jokela, J.; Eggen, R. I. L.; Stamm, C. (2020) Stream microbial communities and ecosystem functioning show complex responses to multiple stressors in wastewater, Global Change Biology, 26(11), 6363-6382, doi:10.1111/gcb.15302, Institutional Repository
Arlos, M. J.; Schürz, F.; Fu, Q.; Lauper, B. B.; Stamm, C.; Hollender, J. (2020) Coupling river concentration simulations with a toxicokinetic model effectively predicts the internal concentrations of wastewater-derived micropollutants in field gammarids, Environmental Science and Technology, 54(3), 1710-1719, doi:10.1021/acs.est.9b05736, Institutional Repository
Kienle, C.; Vermeirssen, E. L. M.; Schifferli, A.; Singer, H.; Stamm, C.; Werner, I. (2019) Effects of treated wastewater on the ecotoxicity of small streams – unravelling the contribution of chemicals causing effects, PLoS One, 14(12), e0226278 (30 pp.), doi:10.1371/journal.pone.0226278, Institutional Repository
Mansfeldt, C.; Deiner, K.; Mächler, E.; Fenner, K.; Eggen, R. I. L.; Stamm, C.; Schönenberger, U.; Walser, J.-C.; Altermatt, F. (2020) Microbial community shifts in streams receiving treated wastewater effluent, Science of the Total Environment, 709, 135727 (12 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2019.135727, Institutional Repository
Burdon, F. J.; Munz, N. A.; Reyes, M.; Focks, A.; Joss, A.; Räsänen, K.; Altermatt, F.; Eggen, R. I. L.; Stamm, C. (2019) Agriculture versus wastewater pollution as drivers of macroinvertebrate community structure in streams, Science of the Total Environment, 659, 1256-1265, doi:10.1016/j.scitotenv.2018.12.372, Institutional Repository
Munz, N. A.; Fu, Q.; Stamm, C.; Hollender, J. (2018) Internal concentrations in gammarids reveal increased risk of organic micropollutants in wastewater-impacted streams, Environmental Science and Technology, 52(18), 10347-10358, doi:10.1021/acs.est.8b03632, Institutional Repository
Stamm, C.; Burdon, F.; Fischer, S.; Kienle, C.; Munz, N.; Tlili, A.; Altermatt, F.; Behra, R.; Bürgmann, H.; Joss, A.; Räsänen, K.; Eggen, R. (2017) Einfluss von Mikroverunreinigungen, Aqua & Gas, 97(6), 90-95, Institutional Repository
Neale, P. A.; Munz, N. A.; Aїt-Aїssa, S.; Altenburger, R.; Brion, F.; Busch, W.; Escher, B. I.; Hilscherová, K.; Kienle, C.; Novák, J.; Seiler, T.-B.; Shao, Y.; Stamm, C.; Hollender, J. (2017) Integrating chemical analysis and bioanalysis to evaluate the contribution of wastewater effluent on the micropollutant burden in small streams, Science of the Total Environment, 576, 785-795, doi:10.1016/j.scitotenv.2016.10.141, Institutional Repository
Munz, N. A.; Burdon, F. J.; de Zwart, D.; Junghans, M.; Melo, L.; Reyes, M.; Schönenberger, U.; Singer, H. P.; Spycher, B.; Hollender, J.; Stamm, C. (2017) Pesticides drive risk of micropollutants in wastewater-impacted streams during low flow conditions, Water Research, 110, 366-377, doi:10.1016/j.watres.2016.11.001, Institutional Repository
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
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
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. (2016) Pollution-induced community tolerance (PICT): towards an ecologically relevant risk assessment of chemicals in aquatic systems, Freshwater Biology, 61(12), 2141-2151, doi:10.1111/fwb.12558, Institutional Repository

Équipe de projet

Gestion de projets

Chef de projet: Christian Stamm

Dr. Christian StammChef de département adjointTel. +41 58 765 5565Envoyez un message
Prof. Dr. Rik EggenDirecteur adjointTel. +41 58 765 5320Envoyez un message

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. 

Dr. Francis J. Burdon
ancien Eawag PostDoc
dans EcoImpact 1

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