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Développement d'un capteur optique et d'un système drone pour la surveillance spatiale des cyanobactéries dans les écosystèmes aquatiques continentaux – OSS-CYANO

Nouveaux outils pour la surveillance des cyanobactéries dans les plans d’eau, le projet OSSCyano

Le projet OSS-Cyano visait au développement (i) d’un capteur optique aérien pouvant être couplé à un système drone pour surveiller les cyanobactéries dans les écosystèmes aquatiques et (ii) d’un outil de modélisation permettant de prédire la dynamique et la distribution des cyanobactéries dans les plans d’eau.

Contexte et objectifs du projet

Les cyanobactéries sont des microorganismes photosynthétiques capables de proliférer dans certains plans d’eau et rivières. Ces proliférations représentent un risque pour la santé animale <br />et humaine en raison des capacités de ces bactéries à produire des toxines. C’est pourquoi les cyanobactéries font l’objet d’une surveillance dans les lacs et rivières utilisés pour des activités récréatives ou pour produire de l’eau potable. <br />Cette surveillance repose le plus souvent sur des prélèvements d’eau puis des analyses en laboratoire pour déterminer le nombre de cellules et/ou la quantité de cyanotoxines dans l’eau. Elle est très coûteuse en temps ce qui se traduit très souvent par une limitation du nombre de prélèvements et d’analyses réalisés. De plus, les délais d’obtention des résultats sont au minimum de deux jours ce qui peut présenter un risque sanitaire pour les populations humaines. <br />Pour toutes ces raisons, les gestionnaires des plans d’eau ont besoin de nouveaux outils de surveillance permettant un suivi à haute fréquence des cyanobactéries et délivrant des informations en temps réel. Le projet OSS-Cyano se place très directement dans cette problématique avec trois objectifs majeurs : <br />- Le développement d’un capteur aérien de faible coût <br />- Le développement d’un système drone permettant de porter le capteur aérien et d’autres systèmes de surveillance <br />- Le développement d’un outil de modélisation et d’une interface utilisateur permettant d’informer les utilisateurs des plans d’eau et de faire de la prédiction du développement des cyanobactéries à l’échelle de plusieurs jours

Concernant le capteur aérien, la technologie choisie est celle de la mesure de la réflectance. Lorsque la couche de surface des plans d’eau contient de fortes concentrations en cyanobactéries, une variation significative de la réflectance sera observée dans les longueurs d'onde correspondant à la signature spectrale de pigments spécifiques des cellules cyanobactériennes. Cette signature spectrale a été déterminée par des mesures réalisées en laboratoire sur diverses souches des cyanobactéries et de microalgues fréquentes dans les plans d’eau. Un prototype de capteur utilisant des photodiodes a ensuite été testé en laboratoire, puis en système expérimental et enfin sur le terrain.
Le système drone est un petit hélicoptère permettant d’emporter au maximum 4 kg de matériel. Quatre types d’appareils devaient pouvoir être fixés à cet hélicoptère :
o Le capteur de réflectance développé dans OSS-Cyano
o Un petit spectrophotomètre réalisant des mesures d’absorbance
o Une sonde multiparamètres pour réaliser des mesures dans l’eau
o Un système de prélèvement d’eau
L’un des défis technologiques les plus importants était de concevoir des plateformes interchangeables portant chacune un de ces appareils. Tous ces systèmes ont été testés en conditions réelles sur des plans d’eau.
Enfin le module de modélisation reposait sur l’utilisation du modèle hydrodynamique Delft3D-Flow (Deltares, 2014). Sa calibration a été réalisée sur deux lacs à l’aide de mesures en continu fournies par des capteurs sub-aquatiques placés dans ces lacs. Une interface graphique accessible sur Internet a ensuite été développée pour fournir aux utilisateurs finaux du système une interface conviviale permettant de visualiser les résultats.

Trois résultats majeurs ont été obtenus lors de ce projet :
o Le premier concerne le développement ’un capteur de réflectance qui permet de suivre l’évolution de la quantité de cyanobactéries présente dans un plan d’eau. L’intérêt de ce capteur est que son prix de revient est très faible (< 800 €) ce qui est un paramètre très important pour une utilisation future par les gestionnaires des plans d’eau.
o Le second concerne la démonstration qu’il sera possible dans un avenir proche d’utiliser des drones équipés de différentes plateformes pour surveiller la qualité de l’eau d’un écosystème aquatique.
o Le troisième concerne le développement d’une interface conviviale pour de futurs utilisateurs d’un système de surveillance basé sur l’utilisation de capteurs aériens et sub-aquatiques alimentant un module de modélisation prédictive.

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Le projet a fait l’objet d’une première publication académique portant sur le développement du capteur aérien, sachant que plusieurs autres publications sont en préparation. OSS-Cyano a fait également l’objet de différentes communications dans des réunions scientifiques nationales et internationales, mais aussi dans plusieurs réunions avec des professionnels, utilisateurs potentiels du capteur ou du drone. Enfin, une session spéciale et une session satellite ont été organisées lors de la conférence internationale sur les Algues Toxiques qui s’est tenue à Nantes en Octobre 2018 (ICHA 2018) pour présenter nos résultats finaux à la communauté scientifique internationale mais aussi au Comité de Suivi du projet qui réunissait des professionnels de divers horizons (Agences de l’eau, Traiteurs d’Eau…) invités pour cette journée.

Lors de leurs phases de prolifération, les cyanobactéries perturbent le fonctionnement des plans d’eau ainsi que leurs usages, car elles sont capables de synthétiser des toxines dangereuses pour la santé. C’est pourquoi de nombreux pays ont mis en place des programmes pour leur surveillance afin de limiter les risques d’exposition humaine à ces toxines. La principale difficulté dans cette surveillance est liée à l’hétérogénéité de la distribution spatiale des cyanobactéries. A l’échelle verticale, ces microorganismes peuvent occuper différentes strates dans la colonne d’eau et à l’échelle horizontale, les cellules peuvent s’accumuler en certains points des écosystèmes, sous l’effet des vents ou des courants. Pour tenter d’améliorer cette surveillance, de nombreux programmes de recherche ont été engagés dans le but de développer de nouveaux outils, à l’instar des bouées mises au point lors du programme PROLIPHYC (ANR PRECODD). Si cet outil s’est révélé performant, il ne permet pas cependant d’évaluer la distribution horizontale des cyanobactéries et le coût de ces équipements est très élevé. De plus, si l’utilisation de la télédétection par satellite s’est révélée concluante pour estimer la biomasse et la distribution horizontale des cyanobactéries dans un plan d’eau, le coût de cette technologie et le manque de disponibilité des satellites ne peuvent encore en faire un outil de suivi en routine. Dans ce cadre général, notre projet OSS-CYANO a pour objectif de développer et de valider un nouveau capteur aérien de faible coût, destiné à être utilisé en point fixe, seul ou en réseau, pour détecter la présence de cyanobactéries dans un écosystème. Par ailleurs, OSS-CYANO a également pour but de développer un système drone capable d’embarquer ce capteur pour réaliser des mesures spatiales à l’échelle de grands plans d’eau ou des tronçons de rivière, et d’autres instruments pour faire des prélèvements ou des mesures avec des sondes dans la colonne d’eau. Notre projet sera organisé en cinq tâches. La Tâche 1 est dédiée (i) à la coordination du projet, (ii) à son animation scientifique et au dialogue avec les utilisateurs finaux à travers la constitution d’un comité de suivi et enfin (iii), à la diffusion des résultats, notamment par l’organisation, en fin de projet, d’un workshop international dédié aux nouveaux outils de surveillance. La deuxième tâche permettra de mieux identifier les utilisateurs finaux potentiels et de préciser leurs attentes vis-à-vis des outils développés. La Tâche 3 centrale à ce projet, concernera les développements techniques du capteur (choix des longueurs d’onde, étude de l’influence de certains processus naturels sur la mesure…) et du système drone (réalisation d’une plateforme porteuse d’instruments interchangeables). Ces développements s’appuieront en grande partie sur les facilités offertes par la plateforme PLANAQUA qui bénéficie du label « Investissements d’Avenir » et qui offre tous les équipements nécessaires à la réalisation de tests du capteur sur des systèmes aquatiques allant du microcosme jusqu’au macrocosme. La quatrième tâche permettra de tester en conditions réelles d’application, et sur le long terme, le capteur et le système drone sur différents lacs et sur une rivière représentatifs des systèmes impactés par les cyanobactéries. Enfin la dernière tâche se rapportera (i) aux méthodologies de traitement et d’intégration des données, (ii) à la mise en œuvre d’un modèle hydrodynamique tri-dimensionnel exploitant les données du capteur et/ou du drone pour faire des prévisions à court terme sur l’évolution de la dispersion spatiale des cyanobactéries dans un plan d’eau, et (iii) de définir les futures caractéristiques d’un système d’alerte. Ce projet repose sur la participation de six laboratoires de recherche et d’une société privée. Toutes ces équipes possèdent les compétences nécessaires à l’ensemble des travaux envisagés et elles ont déjà collaboré sur d'autres projets de recherche.

Coordinateur du projet

Monsieur Jean françois Humbert (CNRS DR Paris B / Biogéochimie et Ecologie des Milieux Continentaux) – jean-francois.humbert@upmc.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MNHN Cyanobactéries, cyanotoxines et environnement
ENPC/LEESU Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains
Université Paris-Sud Ecology, Systematics and Evolution
IFSTTAR Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux
CNRS DR 2 / CEREEP CNRS DR Paris B / Centre de Recherche en Ecologie Expérimentale et Prédictive & Ecotron Ile-de-France
ARTELIA ARTELIA EAU & ENVIRONNEMENT
CNRS DR 2 / BIOEMCO-UMR 7618 CNRS DR Paris B / Biogéochimie et Ecologie des Milieux Continentaux

Aide de l'ANR 654 238 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 42 Mois

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