Importance écologique des sédiments des milieux aquatiques

Les sédiments sont une composante essentielle des milieux aquatiques. Ils contribuent à leur bon fonctionnement écologique et au maintien de la biodiversité (rôle d’habitat et de site de ponte pour de nombreuses espèces benthiques). Le compartiment sédimentaire joue également un rôle clé dans de nombreuses fonctions écologiques, telles que la minéralisation de la matière organique, la dégradation des polluants ou la production de biomasse.

Les sédiments : un lieu de stockage des polluants chimiques

Les sédiments sont des récepteurs naturels pour certains contaminants qui s’y accumulent avec le temps, notamment ceux présentant une forte affinité pour la matière organique sédimentaire :

  • les éléments traces métalliques,
  • les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP),
  • les polychlorobiphényles (PCB),
  • les dioxines et les furanes (PCDD/F),
  • les pesticides organochlorés (DDT et produits de dégradation),
  • les retardateurs de flamme bromés (RFB).

Le compartiment sédimentaire représente donc un puit naturel de contaminants qui peut se transformer en source lors d’épisodes de remise en suspension d’origine physique (crues, chasses, curages…) ou biologique (bioturbation) ou en cas de désorption ou de solubilisation des contaminants induite par des modifications physico-chimiques à l’interface eau-sédiment.

Les substances chimiques associées aux sédiments peuvent présenter, selon les conditions de biodisponibilité, un danger pour les communautés biologiques inféodées au compartiment sédimentaire, comme les communautés benthiques. Elles peuvent exercer une toxicité directe sur ces organismes, mais également pour l’ensemble des organismes de la colonne d’eau via leur transfert dans les réseaux trophiques, par des processus de bioaccumulation et de bioamplification. La contamination des sédiments par des substances chimiques peut ainsi, dans certains cas, compromettre l’atteinte du bon état écologique des masses d’eau (Directive cadre sur l’eau).

Les sédiments : un compartiment en lien avec les activités humaines

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Evaluation environnementale et gestion des sédiments des milieux aquatiques

Les sédiments interfèrent parfois avec les usages de l’eau et des milieux aquatiques. Leur gestion est essentielle afin de garantir certaines activités socio-économiques (navigation, production d’énergie hydroélectrique, etc.), la sécurité des populations riveraines (prévention des risques d’inondation et de crue), tout en maintenant les fonctionnalités écologiques des cours d’eau.

La plupart des options de gestion (dans la voie d’eau avec remise en suspension des sédiments ou à terre avec la mise en dépôt des sédiments ou leur valorisation) ne peuvent être envisagées que si les sédiments ne constituent pas un danger pour l’environnement et pour les organismes du milieu récepteur, ce qui implique de pouvoir évaluer ce danger potentiel avant toute opération.

L'activité R&D menée sur les sédiments contaminés

Dans le cadre de plusieurs partenariats scientifiques, l’OFB s’intéresse à trois problématiques liées aux sédiments contaminés :

  • l’évaluation de leur qualité,
  • l’évaluation de l’impact des opérations de dragage sur les milieux aquatiques,
  • la gestion à terre des sédiments.

Évaluation de la qualité des sédiments

Le compartiment sédimentaire n’est pas directement pris en compte dans l’évaluation « réglementaire » de l’état chimique des masses d’eau (par exemple, il n’existe pas de normes de qualité environnementale spécifiques au sédiment définies dans la directive-fille « NQE »). La Directive cadre sur l’eau (DCE) impose cependant le contrôle des sédiments à une fréquence régulière afin de fournir des données suffisantes à une analyse de tendance à long terme de substances prioritaires s’accumulant dans ce compartiment.

Évaluer les tendances de la contamination des sédiments

Dans le cadre de son partenariat avec l’OFB, le consortium AQUAREF a recensé les principales techniques de prélèvement et de prétraitement des sédiments, et des méthodes d’exploitation des données pour l’évaluation des tendances spatiales et temporelles de leur contamination chimique. Une méthodologie proposée par AQUAREF pour évaluer les tendances temporelles de contamination en micropolluants organiques et en métaux a été appliquée sur plusieurs jeux de données de surveillance portant sur des sédiments de surface (dépôts de sédiments sur le lit mineur), à partir de différentes études de cas (en termes de familles de substances, longueur des chroniques et possibilités de normalisation des données).

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Un des moyens d’intégrer la dimension temporelle aux stratégies de surveillance de la qualité de l’eau et des milieux aquatiques est de procéder à des rétro-observations à partir d’archives sédimentaires (carottes datées). Dans le projet INTERPOL, mis en place dans le cadre du dispositif des zones ateliers de l'Institut écologie et environnement (INEE) du CNRS, animé par le laboratoire d’écologie des hydrosystèmes naturels et anthropisés (LEHNA) et soutenu par l’OFB, une synthèse des données issues d’études rétrospectives à partir d’archives sédimentaires déjà disponibles et de celles issues des suivis règlementaires du réseau de contrôle de surveillance (sédiments de surface et matières en suspension ) a permis de reconstituer l’évolution historique (pluri-décennale) de la contamination en PCB et en métaux traces de 4 fleuves français : la Seine, le Rhône, la Loire et la Garonne.

Livrable INTERPOL

Des recommandations ont aussi été formulées pour les différentes étapes de l’analyse d’archives sédimentaires prélevées en milieu fluvial, afin d’optimiser le positionnement, le prélèvement et la datation des carottes sédimentaires, ainsi que les méthodes permettant d’évaluer les tendances de contamination sur le long terme.

Livrable INTERPOL

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Établir un diagnostic de la contamination des sédiments

Les contaminants chimiques et les nutriments (azote, phosphore) présents en excès dans les sédiments peuvent altérer les valeurs d’un ou plusieurs « éléments de qualité biologique » (macrophytes et/ou phytoplancton, invertébrés, poissons) et ainsi compromettre l’atteinte du bon état écologique. Dans les situations où la contamination du sédiment est suspectée d’être à l’origine du déclassement en mauvais état d’un site, un diagnostic est nécessaire pour comprendre et confirmer la nature du problème et orienter les mesures de gestion appropriées.

Une démarche de diagnostic en plusieurs étapes est proposée :

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Approche TRIADE basée sur trois lignes de preuves successives pour l’évaluation de la qualité des sédiments (d’après SedNet 2004 « Contaminated sediments in European river basins »)
  1. Comparaison des concentrations en contaminants chimiques mesurées dans la matrice sédimentaire à des critères de qualité spécifiques aux sédiments pour évaluer la dangerosité de ces derniers, et identifier et prioriser des sites présentant des niveaux de contamination des sédiments pouvant constituer une menace pour la faune aquatique.
  2. Approche des éléments de preuve (weight of evidence) combinant analyses chimiques, bioessais sur des organismes modèles et observations de terrain au niveau des communautés pour évaluer les effets toxiques et l’impact réels des contaminants associés au sédiment. Il s’agit de tenir compte de l’ensemble des substances chimiques présentes dans les sédiments, de leur biodisponibilité, et des effets de leurs interactions (en allant, le cas échéant, jusqu’à l’identification des toxiques responsables des effets observés à l’aide d’approches de type EDA, analyse chimique dirigée par l’effet).

Évaluer le potentiel écotoxique des contaminants chimiques présents dans les sédiments à l’aide de critères de qualité spécifiques

Critères de qualité permettant de protéger les organismes benthiques

L’Ineris a établi un état des lieux des différentes méthodologies, existantes ou en cours de développement, pour déterminer les valeurs seuils à ne pas dépasser pour assurer la protection des organismes benthiques et dressé un bilan de leurs avantages et limites. Ce travail a aussi permis d’inventorier les différentes valeurs de référence pour plusieurs centaines de substances dans différents pays (France, Pays-Bas, Belgique, Canada, USA, Australie) et dans le cadre de la convention pour la protection du milieu marin de l'Atlantique Nord-Est (convention OSPAR).

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Parmi ces méthodologies, celle de l’équilibre de partage (EqP) est une approche mécanistique proposée au début des années 90, particulièrement indiquée en l’absence de données de terrain ou issues d’essais de laboratoire (réalisés sur des organismes benthiques dont la disponibilité reste très limitée). Elle permet via une feuille de calcul d’estimer des valeurs seuils spécifiques au sédiment à partir de NQE/VGE définies dans l’eau et des valeurs du coefficient de partage carbone organique/eau (Koc) des substances, en utilisant le système d’équations sous-jacent à la méthode de l’équilibre de partage. Ce tableur permet notamment d’adapter les critères de qualité des sédiments en fonction des conditions particulières du site/milieu, comme la teneur en carbone organique total (COT) du sédiment.

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Critères permettant de protéger les prédateurs supérieurs contaminés indirectement, par l’ingestion de proies contaminées (processus d’empoisonnement secondaire)

Les sédiments fins sont reconnus pour jouer un rôle clé dans le processus de contamination du biote par des contaminants organiques hydrophobes. Plusieurs études menées dans le cadre du partenariat OFB-INRAE (anciennement Irstea) ont aidé à mieux comprendre les relations entre la contamination des sédiments et celle des organismes d’eau douce (invertébrés et poissons de rivière), en les décrivant par des modèles de bioaccumulation plus ou moins complexes (facteurs d’accumulation sédiment-biote « BSAF », modèles statistiques, modèles biodynamiques, modèles à base éco-physiologique).

D’un point de vue opérationnel, l’application de ces modèles permet notamment de déterminer des niveaux seuils de contaminants dans les sédiments « équivalents » aux teneurs maximales dans les biotes fixées par la réglementation. Objectifs : protéger les prédateurs supérieurs (oiseaux piscivores, mammifères aquatiques) contre un risque d’empoisonnement secondaire, et l’Homme contre un risque sanitaire lié à la consommation de produits de la pêche contaminés. En première intention, ces valeurs-seuils visent à repérer des situations où la contamination des sédiments peut entrainer des dépassements de la norme de qualité environnementale pour le biote (par exemple : mercure, PFOS, HBCDD, HAP) ou une valeur-limite équivalente.

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Cas des PCB

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Évaluer les effets combinés des contaminants chimiques présents dans les sédiments à l’aide d’essais biologiques (bioessais) et évaluer les impacts sur les communautés benthiques

Dans le cadre des activités du groupe de travail « Bioessais », animé par l’Ineris et l’OFB (convention OFB-AQUAREF), les méthodes existantes d’évaluation de l’écotoxicité applicables à des échantillons environnementaux (dont les sédiments) ont été inventoriées. L’applicabilité de nouveaux protocoles d’essai (tests sur nématode, ostracode, macrophyte et bactérie) a été évaluée pour juger leur pertinence et leur sensibilité par rapport aux essais plus classiquement réalisés (essais sur larves de chironomes par exemple)

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L’opérationnalité d’outils bio-analytiques innovants, permettant de détecter des activités endocriniennes et de type dioxine (dioxin-like), a été testée par l’Ineris sur des sédiments de rivière prélevés sur plus de 120 sites dans le cadre du réseau de surveillance prospective (RSP). Des données originales ont été obtenues sur l’occurrence, dans les sédiments, de substances chimiques actives sur le système endocrinien et de type dioxine à l’échelle du territoire national. L’étude a permis de démontrer l’intérêt de ces outils de « screening » haut-débit pour la surveillance de l’état chimique des milieux aquatiques et la hiérarchisation de sites à risque, et d’orienter l’identification chimique des polluants responsables des effets observés (via l’approche EDA).

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Évaluer les impacts sur les communautés microbiennes

Les communautés microbiennes, et en particulier bactériennes, représentent la majorité de la biomasse du compartiment sédimentaire où elles jouent un rôle fonctionnel majeur. L’exposition chronique des communautés microbiennes aux contaminants peut se traduire par la sélection d’espèces tolérantes mais également par des phénomènes d’adaptation génétique et/ou physiologique. Ces processus d’adaptation peuvent engendrer l’acquisition et le développement de capacités de tolérance conformément au concept Pollution Induced Community Tolerance (PICT). L’étude de ces capacités adaptatives, généralement assez spécifiques d’un composé chimique (ou d’une famille de composés partageant un même mode d’action), s’avère particulièrement intéressante pour établir un lien de causalité entre la réponse biologique observée à l’échelle des communautés et leur niveau d’exposition en contaminant dans le milieu. De récents travaux menés par l’INRAE ont démontré que l’approche PICT était applicable dans le compartiment sédimentaire à partir de l’étude des communautés microbiennes.

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Un collectif franco-suisse de gestionnaires et de chercheurs réunis à l’initiative d’INRAE et du Centre Ecotox (Dübendorf, Suisse) a émis, en 2017, une série de recommandations afin de mieux caractériser la contamination des sédiments, les niveaux d’exposition des communautés benthiques et les effets possibles sur ces espèces.

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Évaluer et limiter l'impact des opérations de dragage et de la gestion à terre des sédiments, sur la qualité des milieux récepteurs

Opérations de dragage (ou extraction) des sédiments

De nombreux cours d’eau, canaux, estuaires et ports sont sujets à des accumulations importantes de sédiments en raison notamment de modifications hydromorphologiques. Afin de maintenir ou développer les activités de navigation et d’aménagement des berges, des opérations de dragage sont régulièrement menées. Cependant leur impact sur le compartiment sédimentaire s’avère non négligeable, car elles peuvent remobiliser certains contaminants chimiques ayant tendance à s’y accumuler.

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Une campagne exploratoire de mesure de l’impact d’une opération de dragage mécanique sur le canal de Lens (Pas-de-Calais) a permis de recueillir des données qui tendent à montrer un effet du dragage des sédiments sur une distance non-négligeable du linéaire se traduisant à la fois par une dégradation de la qualité physico-chimique des eaux (diminution du taux d’oxygénation, augmentation des concentrations en ion ammonium), et par la remobilisation de certains contaminants hydrophobes présents dans les sédiments (par exemple retardateurs de flamme bromés).

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Des fiches de bonnes pratiques ont été élaborées pour limiter l’impact des opérations de dragage en milieu continental et surveiller leurs effets sur la qualité des milieux.

Gestion à terre des sédiments extraits

Afin de préserver les milieux aquatiques, les sédiments trop fortement contaminés (au titre de la réglementation en vigueur) ne peuvent être remis en suspension dans le milieu et doivent donc être gérés à terre. La majorité des tonnages ainsi gérés sont envoyés en centre de stockage des déchets. Pour autant que les sédiments ne soient pas classés comme dangereux (au sens de la règlementation sur les déchets), différentes filières de valorisation sont envisageables. Dans un état de l’art des connaissances et des pratiques en matière de gestion à terre des sédiments (traitement, stockage et valorisation) réalisé en 2014, l’Ineris a recensé les filières de valorisation et leurs procédés de traitement, et mis en avant les verrous techniques et méthodologiques limitant leur mise en œuvre à une échelle industrielle.

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Dans une démarche de consolidation des bonnes pratiques en la matière, l’Ineris apporte des connaissances nouvelles sur le comportement à long terme de ces matériaux complexes que sont les sédiments, et sur leur capacité à piéger ou relâcher leurs contaminants dans les conditions de leur valorisation à usage de matériaux routiers.

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Guide pour l’évaluation de la dangerosité des sédiments contaminés en eau douce - Une démarche graduée pour estimer le danger | Guides et protocoles | septembre 2019

Ce guide propose une démarche permettant d'évaluer le danger potentiel relatif aux sites d'accumulation de sédiments d'eau douce continentale (ouvrages et voies navigables), notamment en amont de travaux ou d'opérations susceptibles d'impliquer un curage, un dragage ou une remise en mouvement de sédiments potentiellement contaminés. Il est également adapté au diagnostic des causes de déclassement en mauvais état d'un site lors de suivi de qualité dans un contexte DCE.

GP2019_dangerosite-sediments_couv