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Résumé

La qualité des milieux aquatiques et de la ressource en eau peut être appréhendée du point de vue de sa contamination chimique ou de la biodiversité qu'elle accueille. La présence de contaminants chimiques (pesticides, composés perfluorés, produits pharmaceutiques...), issus entre autres des rejets de station d'épuration, du ruissellement urbain ou des activités agricoles et industrielles, est néfaste pour la santé des écosystèmes. Elle a des effets nocifs sur les organismes aquatiques et provoque une perte de biodiversité. Les écosystèmes aquatiques, en particulier les rivières, connaissent en effet un déclin inquiétant de la biodiversité, en raison des perturbations anthropiques.

Editeur

Les nouvelles Annales des Ponts et Chaussées

Descripteur Urbamet

Descripteur écoplanete

pollution de la mer ;biodiversité ;impact sur l'environnement

Thème

Sciences de la terre

Texte intégral

HAL Id: hal-05406516 https://enpc.hal.science/hal-05406516v1 Submitted on 9 Dec 2025 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L?archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d?enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Relier la pression chimique à ses effets sur la biodiversité dans les eaux Julien Le Roux, My Dung Jusselme, Adèle Bressy To cite this version: Julien Le Roux, My Dung Jusselme, Adèle Bressy. Relier la pression chimique à ses effets sur la biodiversité dans les eaux. Transitions. Les nouvelles Annales des Ponts et Chaussées, 2025, 5, pp.70- 74. ?hal-05406516? https://enpc.hal.science/hal-05406516v1 https://hal.archives-ouvertes.fr 70 Transitions, n° 5, 2025 Relier la pression chimique àseseffets sur la biodiversité dans les eaux Julien Le Roux Enseignant-chercheur, Université Paris-Est Créteil, LEESU My Dung Jusselme Enseignante-chercheuse, Université Paris-Est Créteil, LEESU Adèle Bressy Chargée de recherche, École nationale des ponts et chaussées, LEESU Introduction L a qualité des milieux aquatiques et de la ressource en eau peut être appréhen? dée du point de vue de sa contamination chimique ou de la biodiversité qu?elle accueille. La présence de contaminants chimiques (pes? ticides, composés perfluorés, produits phar? maceutiques?), issus entre autres des rejets de station d?épuration, du ruissellement urbain ou des activités agricoles et industrielles, est néfaste pour la santé des écosystèmes. Elle a des effets nocifs sur les organismes aqua? tiques et provoque une perte de biodiversité. Les écosystèmes aquatiques, en particulier les rivières, connaissent en effet un déclin inquiétant de la biodiversité, en raison des perturbations anthropiques. Ce déclin a sus? cité l?émergence du Kunming?Montreal Global Biodiversity Framework (GBF), qui souligne la nécessité d?adopter des approches innovantes en matière de biosurveillance (Nicholson etal., 2021). La biodiversité des écosystèmes aqua? tiques englobe une grande diversité de groupes taxonomiques, de tailles variées, allant des virus et bactéries (de quelques nanomètres ?nm ? àquelques micromètres ?µm) aux poissons (de quelques mm à plusieurs m), et couvrant plu? sieurs niveaux d?organisation, de la population au réseau trophique. Cette diversité joue un rôle clé dans le fonctionnement et la stabilisation des écosystèmes. Il est donc essentiel de la surveil? ler de manière efficace, afin d?assurer la péren? nité de ces milieux et de leurs bénéfices pour la société humaine1. Les pollutions chimiques peuvent également entraîner des risques pour la santé humaine, en dégradant la qualité des ressources pour la production d?eau potable et en favorisant le développement de phénomènes d?antibiorésistance. Caractériser la qualité chimique par spectrométrie de masse hauterésolution Pour caractériser la diversité des contaminants chimiques présents dans les milieux aquatiques, des méthodes d?analyse non ciblée par spectro? métrie de masse haute résolution (HRMS) ont été développées (Hollender etal., 2023). Ce type de méthode vise à acquérir une empreinte chimique (fig. 1) la plus exhaustive possible des contaminants organiques présents dans un échantillon, sans cibler de molécule particulière, comme le font les méthodes plus courantes d?analyse. La haute résolution des détecteurs de spectrométrie de masse actuels (comme les détecteurs à temps de vol ou de type Orbitrap) 1. On parle alors de « services écosystémiques », qui renvoient aux bénéfices et bienfaits apportés par la biodiversité aux êtres humains. Cette notion permet de remettre en question l?idée selon laquelle il y aurait une stricte séparation entre les êtres humains et la nature. 71 relier lA pression chimique àseseffets sur lA Biodiversité dAns les eAuX | Julien le rouX et al. Transitions, n° 5, 2025 permet de différencier des molécules de masses moléculaires très proches et d?estimer la composition élémentaire (nombre d?atomes de carbone, d?hydrogène, d?oxygène et d?autres éléments), voire la structure moléculaire com? plète des contaminants détectés. En couplant ce type de détecteur avec de la chromatographie en phase liquide ou en phase gazeuse (qui per? met de séparer les molécules d?un mélange), il est possible de rechercher une gamme étendue de molécules de propriétés physico?chimiques variées (par exemple, des molécules plus ou moins volatiles ou polaires). De façon à détecter des contaminants présents en faibles quantités dans les milieux aquatiques, il est nécessaire de mettre en oeuvre des étapes d?extraction préa? lables pour concentrer les échantillons et limiter les interférences dues aux autres composants des eaux (telle que la matière organique). Des phases adsorbantes de compositions diverses sont utilisées pour conserver un maximum de molécules au cours de cette étape (Huynh etal., 2021). Une fois les analyses effectuées, il existe plusieurs approches pour analyser les signaux obtenus. La méthode la plus courante consiste à rechercher des molécules d?intérêt à partir de leur masse moléculaire exacte, de leurs spectres de masse (soit des éventuels fragments formés dans l?instrument) et d?autres informations potentiellement connues (temps de rétention chromatographique, mobilité ionique?). Cette approche par recherche de « suspects » nécessite toutefois d?établir des bases de données contenant l?ensemble de ces informations, ce qui restreint la recherche aux molécules déjà connues ou disponibles commercialement. D?autres approches d?identi? fication de molécules inconnues, sans à priori, existent et sont basées sur des traitements statis? tiques des signaux, par exemple pour identifier des marqueurs discriminants entre des échan? tillons de nature différente. Au Laboratoire Eau Environnement et Systèmes urbains (LEESU), ce type d?approche a notamment permis d?identi? fier des additifs ajoutés aux matériaux des pneus automobiles et relargués dans les eaux de ruis? sellement de chaussées (Sandré etal., 2022), ou bien de détecter des produits formés lors de la désinfection de rejets de station d?épuration par réaction entre le désinfectant utilisé (acide performique) et les micropolluants organiques présents dans les eaux résiduaires urbaines (Nihemaiti etal., 2022) (fig. 1). Les méthodes d?extraction et de détection mises en jeu dans ces analyses ont été optimisées au LEESU et appliquées à l?analyse des polluants dans différentes eaux urbaines, en particulier dans les filières de traitement des eaux usées et dans les rivières franciliennes. Des analyses non ciblées par HRMS sont notamment effectuées depuis 2021 dans le cadre de l?Observatoire de la ville porté par le SIAAP (Service public de l?assainissement francilien), visant à documenter la contamination en micropolluants des eaux usées. L?objectif général tend à suivre l?état de santé des populations et à connaître leurs modes de consommation (Lopez Viveros etal., 2023). Les recherches actuelles ambitionnent de déve? lopper des outils informatiques avancés de trai? tement des données acquises par HRMS, avec des approches numériques et statistiques cher? chant en particulier à relier les signaux détectés avec la toxicité mesurée d?échantillons d?eau, notamment par apprentissage machine (Sepman etal., 2023). Différents outils numériques sont en cours de développement au LEESU pour trai? ter et interpréter les spectres HRMS de contami? nants dans les eaux et prédire les impacts de ces contaminants sur les organismes aquatiques : outil de conversion des données dans un for? mat libre et universel permettant leur exploitation avec un grand nombre de langages de pro? grammation (Le Roux, Sade, 2024) ; chaîne de traitement des données permettant leur prétraite? ment (détection des composés, alignement des résultats entre différentes séquences d?échan? tillons, identification des composés inconnus par recherche dans des bases de données?) ; et outil de prédiction de la toxicité des échantil? lons à partir des molécules détectées par HRMS offrant aux gestionnaires de station d?épuration d?évaluer la toxicité de leurs rejets. Figure1. Empreinte chimique HRMS d?un rejet de station d?épuration désinfecté par l?acide performique (en bleu) et chromatogrammes de molécules individuelles isolées à partir de cette empreinte à l?aide de leur masse exacte (Lidocaïne, en noir, et Lidocaïne N?oxide en rouge). La lidocaïne est un médicament anesthésique local fréquemment retrouvé dans les eaux résiduaires qui se transforme en lidocaïne N?oxide par réaction avec l?acide performique. Auteur : Julien LeRoux, 2025. 72 relier lA pression chimique àseseffets sur lA Biodiversité dAns les eAuX | Julien le rouX et al. Transitions, n° 5, 2025 Caractériser la qualité biologique avec l?ADN environnemental Pour caractériser la qualité biologique des milieux aquatiques, il existe des méthodes tra? ditionnelles fondées sur des pêches et prélève? ments d?organismes aquatiques. Elles reposent sur l?étude de la morphologie des individus mais n?identifient pas efficacement, ni de manière standardisée, certaines espèces, surtout celles qui sont étroitement apparentées, ni ne détectent de nouvelles espèces dont le phénotype a été modifié par des conditions environnementales. De plus, ces méthodes sont considérées comme invasives pour les espèces étudiées, voire hau? tement destructives. Il est donc urgent de déve? lopper des approches fiables et efficaces pour évaluer la biodiversité avec une haute précision et une large gamme de groupes taxonomiques. L?étude de l?ADN environnemental (ADNe), dans lequel les signaux des macro? et micro? organismes de l?environnement sont récupérés à partir d?échantillons d?eau, est de plus en plus utilisée pour la surveillance de la biodiversité des milieux (Altermatt etal., 2023). L?ADNe est défini comme du matériel génétique obtenu directement à partir d?échantillons environne? mentaux (Thomsen etal., 2015). Cette approche est née du constat que les méthodes basées sur la culture reflètent de manière inexacte la composition des populations microbiennes présentes dans leur milieu naturel. Eneffet, de nombreux micro?organismes ne peuvent pas être cultivés en laboratoire : l?ADN consti? tue ainsi un accès unique à des informations sur leur composition génétique. La découverte d?ADNe issu de micro?organismes, qu?ils soient anciens ou récents, dans divers environnements (eaux, sols, air?) a permis le développement de cette approche pour étudier la biodiversité des micro?organismes dans son ensemble. Cette approche a été par la suite élargie aux autres organismes vivants de plus grande taille (macro?organismes), permettant de distinguer les différentes espèces d?organismes présents dans le milieu (de tailles allant du µm au m). Dans le cas des micro?organismes, il est pos? sible de capturer l?organisme entier, tandisque pour les macro?organismes (par exemple, les poissons), seuls l?ADN extracellulaire ou des échantillons de tissus inactifs peuvent être col? lectés. Les macro?organismes libèrent effec? tivement en permanence de l?ADN dans leur milieu sous diverses formes, telles que l?urine, les excréments, la peau, les écailles, les poils ou encore la décomposition des individus morts. Le fait que l?ADN persiste dans l?environnement sur des périodes variées (de quelques semaines à plusieurs centaines de milliers d?années), et qu?il puisse être prélevé, extrait, analysé et identifié, constitue une avancée technologique et scientifique majeure. Le développement des méthodes d?analyse basées sur l?ADNe a révo? lutionné la surveillance de la biodiversité, en offrant une détection rapide, performante et non invasive à grande échelle, tout en permettant l?identification simultanée de plusieurs groupes d?organismes à partir d?un seul échantillon. L?évolution rapide des technologies de séquen? çage de nouvelle génération (Next?Generation Sequencing, ou NGS) a rendu possible des études de biodiversité à grande échelle avec des coûts limités. Cette avancée a renforcé les approches multi?espèces, grâce aux techniques de metabarcoding et de métagénomique, qui permettent le séquençage massif d?ADN pour l?identification simultanée de multigroupes, dans un échantillon complexe. Les informations acquises permettent alors d?étudier la biodiver? sité dans sa globalité, en incluant sa conser? vation ou sa dégradation, qui peuvent être impactées par divers facteurs environnemen? taux, tels que la présence de polluants. De telles méthodes par analyse de métagéno? mique ont été récemment appliquées au LEESU pour caractériser avec précision les différentes communautés bactériennes présentes dans la Seine, les dynamiques de ces communautés soumises à différentes pressions anthropiques (parmi lesquelles les rejets urbains avec diffé? rents niveaux de traitement, y compris la désin? fection), comme aux variations saisonnières et climatiques (fig. 2) (Bagagnan etal., 2024). La mesure de l?ADNe offre ainsi de nombreux avantages pour étudier la biodiversité des rivières par rapport aux autres méthodes de suivi classiques. Elle présente cependant plusieurs défis : (i) l?incapacité actuelle à estimer avec pré? cision la densité ou la biomasse de différentes espèces (par exemple, le nombre d?individus d?une espèce réellement présents dans le milieu au moment du prélèvement peut être biaisé par des artefacts et contaminations liées au transport de l?ADN par les courants) ; (ii) les absences 73 relier lA pression chimique àseseffets sur lA Biodiversité dAns les eAuX | Julien le rouX et al. Transitions, n° 5, 2025 d?individus pour effectuer des mesures et observer les morphologies ; (iii) la disponibi? lité de bases des données de référence pour l?identification des gènes et des espèces ; et (iv) la compétence et l?expertise dans le traitement des données issues du séquençage à l?aide des outils bio?informatiques. Vers des méthodes couplant analyse chimique et analyse biologique ? Les progrès techniques qui permettent aujour? d?hui d?enregistrer des empreintes chimiques HRMS par des approches non ciblées, ou de mesurer l?ADN environnemental pour étu? dier la biodiversité, fournissent des données complexes et de taille importante. Elles néces? sitent des étapes de traitement souvent chro? nophages. L?analyse de ces données requiert donc des infrastructures informatiques solides et des méthodes numériques avancées. Des efforts sont également entrepris à l?échelle inter? nationale (notamment dans le réseau européen NORMAN) pour permettre le partage des don? nées (comme les spectres HRMS de polluants ou les séquences d?ADN) et les mettre à dis? position de la communauté scientifique, afin de faciliter les identifications de polluants ou d?espèces vivantes. Le défi consiste à mettre en place les outils d?analyse multivariée pour faci? liter l?utilisation de ces données, pour extraire des indicateurs de biodiversité ou expliquer les variabilités spatio?temporelles. Les études de biodiversité dans les milieux aquatiques relient en général les évolutions observées sur les espèces détectées avec la présence de pressions anthropiques (tels que les rejets de stations d?épuration) ou de pol? luants chimiques spécifiques. Cependant, relier les signaux acquis par HRMS avec la diversité génétique mesurée à travers l?ADNe n?a pas encore fait l?objet de recherches. Toutefois, les mélanges complexes de produits chimiques doivent être pris en compte en même temps que leurs effets complexes et leurs impacts sur les écosystèmes. Ces deux approches partagent une philosophie commune visant à acquérir des signaux les plus exhaustifs possibles, s?agis? sant d?empreinte chimique de contaminants d?une part, et de diversité biologique d?autre part. Leur couplage pourrait ainsi permettre de mettre en évidence des liens inédits entre les espèces vivantes présentes dans un milieu et les contaminants qui y sont rejetés, voire d?iden? tifier des marqueurs de pollution entraînant des modifications génétiques et le développement de nouvelles résistances bactériennes. Ce sont les objectifs principaux proposés dans le cadre du projet ChemBiodiv2 porté par le LEESU et en collaboration avec le SIAAP. Intégrer ces approches dans la surveillance de la qualité des milieux aquatiques constitue donc une oppor? tunité pour mieux comprendre les impacts des activités humaines sur les organismes vivant dans ces milieux. Figure2. Abondance relative (%) des différents groupes bactériens identifiés par la technique de séquençage de nouvelle génération dans les eaux de surface de la Seine à Juvisy?sur?Orge (JSO), Choisy?le?Roi (CLR), Vitry?sur?Seine (VSS), Champigny?sur?Marne (CSM), Bougival (BOUG), Conflans?Sainte?Honorine (CSH), Triel?sur?Seine (TSS) en fonction de la saison (printemps, été, automne et hiver) en 2021. Autrice : MyDung Jusselme, 2025 ; d?après Jusselme, Bagagnan, Moilleron etal., 2025. 2. Voir en ligne : https://www. leesu.fr/chembiodiv-presentation Groupes bactériensGroupes bactériens Proteobacteria Actinobacteriota Bacteroidota Firmicutes Cyanobacteria Bdellovibrionota Campilobacterota 74 relier lA pression chimique àseseffets sur lA Biodiversité dAns les eAuX | Julien le rouX et al. Transitions, n° 5, 2025 Altermatt Florian, Luca Carraro, Manuel Antonetti et al., 2023. « Quantifying biodiversity using eDNA from water bodies: General principles and recommendations for sampling designs », Environmental DNA, vol. 5, n° 4, p. 671?682. https://doi.org/10.1002/edn3.430 Bagagnan Sadia, Sabrina Guerin-Rechdaoui, Anthony Marconi etal., 2024. « Overview of microbial communities in the surface water of the Seine River to understand their response to climate change and human activities », Aquatic Ecology, vol. 58, n° 4, p. 1067?1089. https://doi.org/10.1007/s10452?024?10124?3 Hollender Juliane, Emma L. 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