Section 30 Surface continentale et interfaces

III. Processus biologiques, chimiques et physiques aux interfaces, écotoxicologie, toxicologie environnementale et transferts des contaminants

Dans les écosystèmes terrestres et aquatiques, la dynamique des éléments et des contaminants est contrôlée par des processus physiques, chimiques et biologiques, ces derniers en lien avec la biodiversité. L'étude de l'écodynamique des éléments et des contaminants inclut leur caractérisation et celle des produits issus de leur transformation, ainsi que la quantification de leur flux dans les différents compartiments des écosystèmes. Il est nécessaire d'appréhender non seulement l'effet de ces contaminants sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes, mais aussi la rétroaction du vivant sur les cycles des éléments et sur les contaminants (adaptation, dynamique des éléments/polluants, remédiation).

A. État de l'art, avancées, forces

Dans les travaux sur la biogéochimie des éléments, l'analyse dynamique prend le pas sur l'échantillonnage à faible résolution temporelle, avec d'une part le développement d'expérimentations et de suivis sur le long terme de paramètres biotiques et abiotiques et, d'autre part, la mise au point et l'utilisation de capteurs en continu à haut débit. L'acteur biologique, jusqu'alors centré sur les microorganismes (bactéries, champignons), s'est élargi pour englober les algues (micro- et macro-), les plantes (consommées par l'homme) et plus récemment l'organisme humain lui-même.

Les études des interactions organisme-particule ne se limitent plus à suivre les transferts d'électrons dans une bactérie en contact avec un minéral, mais prennent dorénavant en compte l'activité d'organismes ingénieurs et les phénomènes de bioturbation associés (systèmes racinaires, macrofaune édaphique ou benthique), ainsi que l'interaction et la réactivité de particules entre elles (argiles, matière organique et microorganismes) ou avec un organisme supérieur (plante ou homme). Les travaux sur les nanoparticules illustrent bien cette évolution.

Parmi les contaminants préoccupants étudiés, on retrouve des polluants dits historiques, tels que les éléments en traces métalliques, les pesticides, les hydrocarbures, les HAP, les PCB et les radionucléides, qui restent des polluants prioritaires. Les polluants émergents (e.g., perturbateurs endocriniens, antibiotiques et autres produits pharmaceutiques) et d'autres composés potentiellement polluants et toxiques (e.g., nanoparticules, dioxines, métaux critiques dont les terres rares, micro-plastiques) sont désormais l'objet d'un intérêt croissant. Face à cette multitude de contaminants et à l'émergence de nouvelles molécules, il n'est plus possible d'étudier chaque molécule ou produit indépendamment ; il convient de définir des familles de molécules ayant des effets communs et prédire leur toxicité potentielle à partir de leur configuration.

La caractérisation des polluants minéraux et organiques et de leurs métabolites, ainsi que la détermination de leur spéciation qui conditionne leur disponibilité, mobilité, transfert aux organismes et toxicité éventuelle passent par la mise au point de techniques analytiques innovantes. La combinaison d'études biologiques (génomiques et protéomiques) et spectroscopiques (Raman-SEM-FIB-TEM-STXM, μXAFS, μFTIR, μXRF) a par exemple permis des avancées remarquables sur la compréhension des mécanismes de la biominéralisation (catalyse par les membranes ou les molécules organiques de la précipitation) et de la mobilité des éléments traces. Le marquage avec un isotope stable (SIP) et l'utilisation des isotopes naturels ont permis d'aborder le devenir des contaminants dans les différents compartiments des écosystèmes et la question des processus biotiques et abiotiques régulateurs de ce devenir.

La prise en compte des différents niveaux d'organisation du vivant, de l'individu à la communauté (e.g., approches SPEAR, courbes SSD ou méthodes PICT) constitue une avancée significative en écotoxicologie, qui ne se limite plus uniquement à des évaluations d'effets dose. Les travaux commencent à intégrer la complexité des systèmes, telle que l'effet des interactions biotiques (e.g., parasite-hôte) ou des contaminants sur le comportement des organismes (effets indirects ; e.g. sur la prédation). Dans des situations de pressions/contaminations multiples, des outils diagnostiques, basés sur les réponses de combinaisons de traits d'histoire de vie à l'échelle de la communauté (e.g., invertébrés aquatiques), permettent d'identifier les pressions/contaminations au sein du cocktail dont l'impact sur la biocénose autochtone est le plus significatif. Actuellement limités à un compartiment biologique, ces outils ont maintenant vocation à devenir « multi-compartiments » (e.g., diatomées + invertébrés + poissons en milieu aquatique). Enfin, après des études sur les conséquences et mécanismes de toxicité des contaminations aiguës induites par des concentrations souvent irréalistes, on assiste à l'émergence de travaux de plus en plus proches des conditions environnementales, couplant toxicités chroniques et faibles doses.

La rétroaction du vivant sur l'écodynamique des contaminants a aussi fait l'objet d'avancées significatives, notamment par des travaux en bioremédiation et phytoremédiation associant microorganismes (bactéries, champignons), macroorganismes (invertébrés) ou plantes et basés sur la caractérisation des organismes actifs et de leur diversité. Dans le domaine de la phytoremédiation, on peut citer les travaux sur le transfert de métaux toxiques (phytoextraction, phytostabilisation) vers la plante, ainsi que la valorisation des métaux extraits des végétaux (collaboration avec les chimistes), et plus globalement les travaux qui considèrent le devenir des polluants, leurs biodégradation, transfert ou transformation, mais aussi le devenir et la qualité du sol ou de l'écosystème après traitement, voire la restauration de ces milieux.

Les outils de génomique se sont fortement développés grâce à des plateformes performantes. Ils permettent une meilleure évaluation de la biodiversité dans les écosystèmes et de l'impact des contaminants sur l'expression des gènes, des protéines et des métabolites. Couplés à d'autres outils comme la technique de SIP, ils permettent aussi d'identifier les organismes impliqués dans les processus rétroactifs, et de relier diversité et fonction.

B. Enjeux et verrous

Un des enjeux de l'écodynamique et de l'écotoxicité des contaminants est la prise en compte des contaminations multiples, qui sont le plus souvent la réalité dans les situations de terrain, et des interactions entre polluants ou entre polluants et autres stress (e.g., nutritionnel, changement climatique, salinité, dégradation physique), celles-ci étant encore insuffisamment étudiées. De nouveaux concepts sont à définir pour aborder ces multi-pollutions ou ces multi-stress (synergie-antagonisme, non-additivité des effets et interactions entre contaminants), pour aller vers la modélisation du devenir des polluants en intégrant la prédiction des effets. Il convient aussi d'augmenter la sensibilité et la résolution des équipements analytiques afin d'aborder les faibles teneurs (pollutions chroniques).

Il faut souligner qu'il y a de plus en plus de points communs entre approches toxicologiques et écotoxicologiques. Un exemple est fourni par les approches aux micro-échelles qui peuvent être appliquées à l'interaction d'un contaminant avec la peau ou avec une cellule végétale ou microbienne. L'écotoxicité est cependant encore beaucoup étudiée sur des espèces modèles, des maillons de la chaîne trophique, ou parfois différents niveaux d'organisation biologique (individu, population, communauté) et encore trop peu au sein du continuum complet incluant l'homme.

Une des difficultés en biogéochimie et écotoxicologie réside dans le changement d'échelle, spatiale ou temporelle, puisque les études peuvent aller de l'interface micro- et nanoscopique (e.g., interactions d'un minéral avec la surface d'une cellule bactérienne) au suivi des transferts au niveau d'un bassin versant ou de la Zone Critique (cf. chapitre V). Pour l'écotoxicologie, il s'agit de bien choisir les espèces modèles représentatives des réseaux trophiques (assemblage d'espèces) et d'aborder le changement d'échelle en se basant, par exemple, sur les traits pour prédire la réponse de la communauté.

L'étude des processus biotiques et abiotiques contrôlant le devenir des polluants (e.g., spéciation, dégradation, adsorption et absorption) et de la distinction entre ces processus demeure un enjeu. Cette recherche doit prendre en compte le couplage des cycles (stœchiométrie : co-limitation entre les cycles de C, N, P et S), les interactions entre cycles des éléments majeurs et cycles des contaminants, ainsi que la diversité des vitesses et des voies de transfert.

C. Faiblesses et propositions

La compréhension de la dynamique des éléments/contaminants dans des milieux aussi complexes que les SIC nécessite l'intégration de démarches complémentaires, in situ et au laboratoire, et de démarches forcément pluridisciplinaires qui ne doivent pas se résumer à une juxtaposition d'approches ou à une accumulation de données. Il est nécessaire de coupler des approches de terrain (observations, flux de polluants et variations spatio-temporelles) et des approches expérimentales plus ou moins simplifiées (microcosmes, mésocosmes, lysimètres, écotrons) et d'effectuer des allers-retours entre les différentes approches et échelles. La modélisation du devenir des contaminants incluant la considération des variabilités induites par les différentes échelles reste encore à développer et nécessite des collaborations entre disciplines.

La prise en compte de l'hétérogénéité spatiale et temporelle qui caractérise les écosystèmes aux différentes échelles doit encore être améliorée. Même s'il en existe déjà, le développement et l'utilisation de capteurs environnementaux (biocapteurs), avec des approches non dirigées de l'analyse des données, devraient permettre de mieux appréhender l'hétérogénéité spatiale et temporelle et de mesurer des fonctions in situ.

Pour analyser l'écodynamique des contaminants in situ, en particulier dans le cas de pollutions chroniques ou historiques, des études sur le long terme sont nécessaires. On se heurte pour l'instant au mode de financement des projets de recherche, sur 2 à 4 ans, et au cloisonnement des dispositifs d'observation et de recherche labellisés (e.g., ZA, OHM, SO et SOERE) qui demanderaient à être réorganisés et coordonnés pour mieux soutenir des projets ambitieux à long terme.

Le lancement d'études sur le long terme est nécessaire pour estimer la pertinence et la faisabilité de techniques et procédés de remédiation (e.g., bio-, phytoremédiation ou atténuation naturelle) et identifier les valeurs cibles des contaminants à atteindre dans le milieu. Ces objectifs soulèvent les questions de définition d'écosystèmes de référence (souvent difficiles à identifier dans un monde très anthropisé), de résilience des écosystèmes, de qualité des milieux et d'indicateurs, ainsi que de construction de nouveaux écosystèmes. Le lien et la limite entre la recherche et l'opérationnel ne sont pas toujours clairs. Comme exposé en chapitre II, l'un des écosystèmes qui concentre les problématiques d'écodynamique des contaminants et d'autres forçages anthropiques et mériterait d'être davantage étudié est la ville, avec notamment des enjeux en matière de végétalisation, agriculture urbaine et biodiversité.