Gestion des sédiments contaminés en milieux aquatiques

Les sédiments contribuent à bon fonctionnement écologique des milieux aquatiques et au maintien de la biodiversité. Ils sont également un lieu de stockage plus ou moins permanent pour de nombreux contaminants chimiques. Pour mieux gérer ces sédiments contaminés dans le milieux aquatiques comme à terre, il est nécessaire de connaître les évolutions spatio-temporelles des principales substances chimiques associées, de comprendre leur mécanisme de transfert vers les biotes aquatiques, et de disposer d’un référentiel méthodologique pour évaluer leur dangerosité (le potentiel écotoxique). Cette page regroupe l’ensemble des travaux de l’Office français de la biodiversité (OFB) menés dans le cadre de ses partenariats de recherche.

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Les sédiments : un lieu de stockage des polluants chimiques

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.
Le Grenelle de l’Environnement a souligné la nécessité d’une amélioration de la gestion des sédiments. Il est en effet nécessaire de limiter l’impact des travaux de dragage et de la gestion à terre des sédiments extraits sur la qualité des milieux récepteurs.

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 :

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• 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 puits naturel de contaminants qui peut se transformer en source lors d’épisodes de remise en suspension d’origine :

• physique : crues, chasses, curages…,
• 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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Les sédiments interfèrent parfois avec les usages de l’eau et des milieux aquatiques. Tout en maintenant les fonctionnalités écologiques des cours d’eau, 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.

Les options de gestion s'effectuent :

• dans la voie d’eau avec remise en suspension des sédiments,
• ou à terre avec la mise en dépôt des sédiments ou leur valorisation.

La plupart ne peuvent être envisagées que si les sédiments ne constituent pas un danger pour l’environnement et pour les organismes du milieu récepteur. Cela implique de pouvoir évaluer ce danger potentiel avant toute opération.

L'activité de recherche et développement (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).

A. Yari, Aymeric Dabrin, Marina Coquery. Recommandations pour l'estimation des tendances temporelles et des distributions spatiales des concentrations de contaminants dans les sédiments. Rapport de recherche. Irstea. 2017, pp.124.

E. Lionard, A. Dabrin, Marina Coquery. Méthodologies d’évaluation de tendances spatiales et temporelles des teneurs en contaminants dans les sédiments. Rapport de recherche. Irstea. 2015, pp.68.

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.

André-Marie Dendievel, Brice Mourier. Bilan de l’exploitation des archives sédimentaires le long des grands fleuves pour analyser l’évolution des contaminations chimiques. OFB. 2022, 46p.

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.

Brice Mourier, Elie Dhivert, Thierry Winiarski. Feuille de route pour l'échantillonnage et analyse des archives sédimentaires. ENTPE; Coopérative Coopétic-Recherche. 2022, 6p.

En savoir plus

• Spatio-temporal assessment of the polychlorinated biphenyl (PCB) sediment contamination in four major French river corridors (1945–2018)
• Dataset of natural metal background levels inferred from pre-industrial palaeochannel sediment cores along the Rhône River (France)
• Metal pollution trajectories and mixture risk assessed by combining dated cores and subsurface sediments along a major European river (Rhône River, France)
• Key factors influencing metal concentrations in sediments along Western European Rivers: A long-term monitoring study (1945–2020)
   

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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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).