Approche intégrée biogéochimique, géographique et hydrologique pour déterminer les sources de contaminants sur des bassins versants d’usage mixte – CHYPSTER

Il s’agit tout d’abord d’identifier et localiser les sources potentielles de contaminants, à l’échelle du bassin versant, afin d’orienter la localisation des prélèvements dans les cours d’eau pour les analyses chimiques et microbiologiques. Dans ce cadre, des enquêtes sont menées auprès d’acteurs du territoire afin d’identifier les pratiques et modes de gestion à l’échelle du bassin versant. En parallèle, des cartographies d’occupation et d’usage des sols sont produites à partir de données de télédétection et de bases de données diverses afin de représenter finement les activités et usages sur les deux bassins versants étudiés : le bassin versant de la Claduègne et le bassin versant du Ratier (sous bassin de l’Yzeron).
Le projet CHYPSTER repose ensuite sur l’acquisition d’un grand jeu de données issues d’analyses (chimiques et microbiologiques) d’échantillons d’eau prélevés sur ces deux bassins versants avec d’une part, des campagnes de terrain sur les sources (identifiées lors de l’étape précédente) et, d’autre part, le suivi d’évènements hydrologiques aux exutoires des bassins versants. Les sources de contaminants sont caractérisées afin de définir des empreintes biogéochimiques spécifiques, qui seront ensuite combinées avec les flux simulés à l’exutoire des bassins versants par un modèle hydrologique distribué. Le modèle validé sur des suivis d’évènements hydrologiques sera appliqué à des scénarios ciblés pour estimer la contribution des sources et prédire les cocktails de contaminants dans la rivière, selon différentes trajectoires des bassins versants évaluées avec les acteurs socio-économiques locaux.

La méthodologie d’échantillonnage des sources (diffuses/ponctuelles) en lien avec les occupations et usages des sols est finalisée et employée dans le projet. Une dizaine de sites « sources » ciblés pour l’échantillonnage ont été identifiés et localisés sur chacun des deux bassins versants étudiés. Plusieurs campagnes de prélèvements ont été réalisées et ont permis de collecter à date plus de 170 échantillons (sur 180 prévus). Les résultats des analyses chimiques et microbiologiques réalisées sur les échantillons collectés sont bancarisés. Ces données sont déjà utilisées en vue d’affiner la méthodologie de construction des empreintes biogéochimiques des sources de l’Yzeron et sur la Claduègne. En complément, une première cartographie à la recherche des sources de contaminants à l’aide d’outils low-cost (analyses spectrophotométriques et microbiologiques) a été réalisée sur le bassin du Ratier (Yzeron). Des prélèvements ont été réalisés en vue des analyses UV-Vis et qPCR sur plus de 50 sites sur une journée.
Dans l’objectif de pouvoir utiliser le modèle hydrologique distribué J2000P pour décomposer les écoulements en rivière et tracer les contributions de différentes sources, un module de décomposition spatiale du débit a été développé et appliqué sur le bassin versant du Ratier. Intégré au modèle J2000P, ce module permet de tracer les contributions au débit total des différentes sources de contamination identifiées sur les bassins d’application du projet, à chaque pas de temps et en tout point du réseau hydrographique (dont les exutoires). Ce module de décomposition spatiale du débit est pour l’instant intégré au modèle J2000P du bassin versant du Ratier. Il sera également intégré au bassin versant de la Claduègne dans la suite du projet. Il s’agira ensuite de comparer la modélisation hydrologique aux exutoires aux décompositions issues des modèles de mélange biogéochimiques pour les évènements hydrologiques ciblés.

Ce projet apportera de nouvelles connaissances sur la caractérisation des cocktails chimiques et de la contamination microbienne des rivières. Les résultats faciliteront l'identification et la quantification des principales sources de contaminants en lien avec les usages des sols dans les bassins versants d’usage mixte (sources multiples) et méso-échelle, afin de définir et d'engager des actions pertinentes (ex : gestion des déversoirs d’orage et des bassins de rétention pour la partie urbaine, les zones tampons dans les zones agricoles) pour réduire la pression des contaminants sur les hydrosystèmes et les risques et impacts écologiques associés. Les projections futures de la qualité de l'eau des rivières en fonction de scénarios de changement d'utilisation et d'occupation des sols donneront des clés pour la gestion des eaux et des sols à l'échelle du bassin versant, afin de réduire la contamination. Ce projet contribuera au développement d'outils et de marqueurs innovants pour le suivi de la qualité de l'eau, transférables à d'autres laboratoires de recherche, y compris privés.

Le projet CHYPSTER a été présenté lors des journées OZCAR (mars 2022) et des journées de l’OTHU (juin 2022), ce qui a permis de communiquer sur les objectifs et les premiers résultats du projet à une large audience scientifique au niveau national. Les avancées sur les modèles hydrologique et géochimique ont été présentées lors de plusieurs conférences nationales et internationales (thèse O. Grandjouan).
L’article Bouchali et al. (Microorganisms, 2023 ; doi.org/10.3390/microorganisms11040922) présente une étude exploratoire des modalités d’analyse des corrélations entre concentrations en composés pharmaceutiques et entités taxonomiques bactériennes pour des échantillons collectés au sein de bassins versants impactés.
L’article Boukra et al. (STOTEN, 2023 ; dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162104) explore le lien entre les occupations de sols et les empreintes de matière organique dissoute obtenues dans les échantillons de cours d’eau en aval de sous-bassins homogènes.

La présence de nombreux contaminants chimiques et microbiologiques dans les écosystèmes aquatiques peut entraîner une dégradation importante de l'état écologique des eaux et augmenter l'exposition des hommes et des animaux à ces contaminants par le biais de l'eau potable, de l'irrigation des cultures ou des usages récréatifs ; ils peuvent également entraîner une augmentation des gènes de résistance aux antimicrobiens et des bactéries pathogènes. Les bassins versants méso-échelle (~10-1000 km²) sont particulièrement sensibles à ces contaminations. L'artificialisation croissante des surfaces ainsi que le changement climatique pourraient entraîner une dégradation critique de la qualité de l'eau dans ces bassins versants.
Le projet CHYPSTER vise à définir et tester une nouvelle méthodologie intégrée pour identifier les sources (diffuses/ponctuelles) de contaminants anthropiques et prédire la contamination des cours d’eau en fonction des conditions hydrologiques, des changements d’occupation des sols et du changement climatique. Cette approche sera appliquée sur deux bassins versants de méso-échelle (les sites de la Claduègne et de l'Yzeron qui appartiennent à l’infrastructure de recherche nationale OZCAR) en combinant un diagnostic sur les usages et pratiques, l’analyse et le suivi d’empreintes biogéochimiques et une modélisation hydrologique distribuée. Une expertise méthodologique en analyse spatiale, combinant géomatique et enquêtes sera mobilisée afin d'identifier les sources potentielles de contaminants et leur localisation. Des outils innovants (échantillonnage passif couplé à de l’analyse ciblée et non ciblée, chimique et microbiologique) seront déployés pour caractériser les sources de contaminants et définir des empreintes biogéochimiques spécifiques, qui seront ensuite combinées avec les flux simulés par un modèle hydrologique. Le modèle validé sur des suivis d’évènements hydrologiques sera appliqué à des scénarios ciblés pour estimer la contribution des sources et prédire les cocktails de contaminants dans la rivière, selon différentes trajectoires des bassins versants évaluées avec les acteurs socio-économiques locaux.
Ce projet apportera de nouvelles connaissances sur la caractérisation des cocktails chimiques et de la contamination microbienne des rivières. Les résultats faciliteront la localisation, l'identification et la quantification des principales sources de contaminants (y compris les contaminants émergents) en lien avec les usages des sols dans les bassins versants d’usage mixte (sources multiples) et méso-échelle, afin de définir et d'engager des actions pertinentes (e.g. la gestion des déversoirs d’orage et des bassins de rétention pour la partie urbaine, les zones tampons dans les zones agricoles) pour réduire la pression des contaminants sur les hydrosystèmes et les risques et impacts écologiques associés. Les projections futures de la qualité de l'eau des rivières en fonction de scénarios de changement d'utilisation et d'occupation des sols donneront également des clés pour la gestion des eaux et des sols à l'échelle du bassin versant, afin de réduire la contamination. Ce projet contribuera également au développement d'outils et de marqueurs innovants pour le suivi de la qualité de l'eau qui seront transférables à d'autres laboratoires de recherche, y compris privés. De plus, l'utilisation d'échantillonneurs passifs appelés germcatchers permettra de déduire les relations entre les contaminants chimiques et les taxa bactériens se développant sous forme de biofilms dans les systèmes fluviaux. Ces données apporteront donc de nouvelles informations sur les résistomes qui émergent dans l'environnement, ainsi que sur les recrutements de gènes de résistance aux antimicrobiens ou les enrichissements de taxa bactériens associés.