Outils et méthodes innovants pour la détection ou la mesure des contaminants

Le recours à des techniques innovantes ou alternatives pour le diagnostic de la qualité aquatique est une nécessité, afin notamment de pouvoir appréhender de la façon la plus complète possible les incidences des multiples contaminations, qui s’exercent à des teneurs parfois infimes.

 Nouvelles publications 2016-2019

Echantillonneurs et capteurs in-situ

La qualité des données issues de la surveillance est conditionnée par l’utilisation de méthodes et de technologies de prélèvement et d’analyse fiabilisées. Un premier retour d’expérience sur les résultats de la surveillance a permis de mettre en évidence des difficultés récurrentes à quantifier dans l’eau, à des niveaux de concentration proches des normes de qualité environnementale (NQE), certaines substances organiques et des métaux traces. De plus, afin de tenir compte des effets ecotoxiques chroniques sur les organismes du milieu, la DCE exige une évaluation de l’état de contamination représentative de durées longues ; à cet égard le recours à des séries limitées de prélèvements ponctuels permet difficilement d’assurer cette évaluation dans le cas courant où les pressions polluantes ou le milieu sont soumis à des variations significatives au cours du temps.

Techniques de stabilisation des échantillons pendant leur transport

L’état chimique des molécules prélevées dans le milieu est susceptible de s’altérer dans les flacons utilisés pour conditionner les échantillons ; c’est notamment le cas lorsque le temps de transport est grand, comme cela se produit pour les Département d’Outre-Mers, puisque les analyses en laboratoires s’effectuent le plus souvent en territoire métropolitain. Pour limiter ces effets, Aquaref a pu évaluer une technique d’extraction des molécules sur phase solide effectuée directement sur le terrain, préalablement à leur expédition vers la métropole. Cette étude conclut favorablement à la faisabilité de cette stratégie, dont les conditions d’application restent désormais à consolider.

Echantillonnage intégratif

Afin d’accroître la sensibilité et la représentativité temporelle des analyses environnementales, en cohérence avec les obligations de la directive fille 2008/105/CE, l’utilisation de matrices intégratrices et alternatives à l’eau (sédiment, organismes aquatiques « biote », échantillonneurs passifs) est souvent évoquée.

Pour les échantillonneurs passifs, le consortium Aquaref s’est activement attaché à mettre en valeur ces outils pour la mise en œuvre de la DCE, notamment en publiant des fiches méthodes et des guides et en organisant des essais inter-laboratoires et des séminaires sur le sujet. Un premier document synthétique sur l’applicabilité de ces dispositifs pour la DCE a été produit dès 2011.
Depuis lors les experts d’Aquaref mènent des actions complémentaires d’évaluation de ces échantillonneurs pour cibler des domaines d’application prioritaires (notamment pour les eaux littorales dans lesquelles les polluants sont fortement dilués), et avaient pu en 2015 établir un premier bilan de leur utilisation dans les eaux françaises pour la réalisation de campagnes à grande échelle.

Les efforts d'Aquaref se sont concentrés sur l'amélioration des capacités de quantification de certains échantillonneurs, par exemples s'agissant de leur utilisation pour évaluer les contamination aux pesticides. La capacité de ces échantillonneurs à détecter des événements brefs de pollution, par exemple liés à l’utilisation intermittente de pesticides, fait également l’objet d’études spécifiques, avec de premiers résultats informatifs livrés en 2016, s'agissant d'outils de types SBSE ou POCIS. Ces expérimentations ont ensuite été exportées sur le terrain et étendues au cas  métaux.

L’expérience acquise par Aquaref ces dernières années a conduit à la production de références pour l’utilisation de ces outils, d’une façon générale pour la maîtrise de la qualité des résultats, et plus spécifiquement s’agissant des capacités de ces outils à contribuer à la surveillance réglementaire dans la cadre de la DCE.

Depuis 2016 Aquaref s'est investi dans la mise en oeuvre d'un exercice de démonstration de grande ampleur de ces outils, dans le cadre du réseau de surveillance prospective piloté par le Ministère de l'Ecologie, l'AFB et les agences de l'eau. Ce sont ainsi une centaine de substances DCE qui ont été intensivement mesurées sur une vingtaine de sites en France, les résultats étant attendus pour fin 2019.

Ces résultats de campagnes à grande échelle sont complémentés par des développements réalisés au sein de projets locaux, notamment dans le cadre du dispositif "Micropolluants des eaux urbaines":

  • le projet parisien Cosmeteau décrit le développement d'une technique échantillonnage passif par membranes polymériques dopées pour les agents conservateurs triclosan et le triclocarban mesurés en Seine.
  • Le projet Rempar s'est quant à lui attaché à évaluer la contamination métallique au sein du bassin d'Arcachon et de ses tributaires à l'aide d'échantillonneurs passifs de types DGT.
  • le projet bordelais Regard s'est attaché à optimiser la configuration d'échantillonneurs passifs de type POCIS pour les
    MiniPocisRegard
    Mini POCIS pour réseau d'assainissement. Projet Regard
    rendre compatibles avec des mesures en réseau d'assainissement et en station d'épuration. Deux nouvelles configurations miniaturisées ont peut être testées avec succès et devraient pouvoir être mise en oeuvre opérationnellement par la suite.
  • le projet strasbourgeois Lumieau-Stra a pu éprouver l'application d'autres techniques d'échantillonnage passif, également en réseau d'assainissement. Il a fournit un retour d'expérience complet sur l'utilisation de plusieurs outils:  la cellule Prebio, ainsi que l'échantillonneur SBSE et des cartouches au charbon actif, ces deux derniers étant disposés au sein d'un réceptacle adapté (le CFIS, Continuous flow integrative sampler).

Par ailleurs les matières en suspension peuvent également faire l'objet d'une surveillance intégrative. Aquaref a récemment produit un état de l'art à ce sujet.

Développements de capteurs in-situ et analyse en continu

Aquaref effectue une veille technologique sur les capteurs in-situ en développement.

S'agissant des techniques de suivi en continu, qui permettent a priori une information fine sur le comportement temporel des polluants et trouvent des applications pour la prévention de crises aiguës de pollution (protection de la ressource), l’Onema avait soutenu en 2013 l’initiative des Pôles de compétitivité Eau consistant à produire un premier retour d’expérience sur les intérêts technico-économiques de l’utilisation de ces dispositifs.

Nouvelles techniques de préparation des échantillons au laboratoire

La préparation des échantillons au laboratoire, avant leur introduction dans la chaîne d’analyse, constitue un autre levier important pour permettre ou pour optimiser une quantification des polluants compatible avec les exigences de sensibilité et de précision requises par la réglementation, qui plus est dans des conditions de coût acceptables.

Le consortium Aquaref s’est récemment fortement mobilisé sur ces aspects en évaluant plusieurs options techniques d’extraction ou de pré concentration, qu’il s’agisse de l’utilisation des barreaux SBSE pour l’analyse des substances organiques halogénées ou de pesticides dans l’eau, de la technique du "speed disk" pour les organochlorés, de la préconcentration en ligne pour les perfluorés et plus récemment de la technique « Quechers » (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) appliquée pour les HAP, PCB, PBDE et pesticides dans les sédiments, et le biote.

AquarefEtat de l'Art extractions

Un état des lieuxdes pratiques des laboratoires pour ces techniques d’extraction récentes a été réalisé récemment par Aquaref.

Enfin la prise en charge en labo des extraits issus des échantillonneurs passifs avait également fait l’objet de recommandations spécifiques.

Nouvelles techniques d'analyse

Deux grands défis (au moins!) se posent aujourd'hui aux chimistes impliqués dans la surveillance des milieux aquatiques:

  1. La détection et la quantification des substances les plus hydrophiles et ionisables (dites substances "polaires"), jusqu'à présent encore difficile voire impossible à réaliser en conditions de routine pour les laboratoires. Ces composés sont particulièrement mobiles et induisent des enjeux pour la qualité des eaux, notamment souterraines.
  2. L'identification et la quantification de composés non identifiés présents dans les échantillons, qui sont désormais détectés par milliers grâce aux nouvelles techniques de spectrométrie de masse à haute résolution. En d'autres termes l'analyse dite "non ciblée".

Divers partenaires de l'AFB ont ces dernières années contribué à faire progresser ces deux sujets.

S'agissant des composés polaires, Aquaref avait produit dès 2014 un état de l’art des méthodes applicables, avec des focus portés sur les résidus médicamenteux, et des herbicides tels que le glyphosate ou les ammoniums quaternaires. Le projet Européen Promote (2015-2017), impliquant notamment l'Université de Poitiers, s'est intéressé à repérer en utilisant 4 méthodes analytiques différentes les contaminants organiques mobiles et persistants enregistrés dans la réglementation REACH, et susceptibles d'impacter les ressources en eaux potables. Au total 45 molécules à enjeux ont ainsi été identifiées. Ce projet a servi de base à l'édition par le Ministère Allemand de l'Environnement d'un document cadre sur l'évaluation des molécules Persistantes-Mobiles et Toxiques (PMT) ayant vocation à faire évoluer la réglementation européenne.

Le second grand domaine évolutif en matière de méthode de chimie analytique concerne l'émergence des techniques de criblage non ciblé (ou Non Target Screening, NTS). Dès 2015 avait fait le point sur les potentialités de ces nouveaux outils dans le champ de la DCE. Depuis lors les campagnes nationales de surveillance prospective menées en 2017 et 2018 ont permis l'acquisition en parallèle par Aquaref de nombreux spectres à haute résolution, qui pourront être exploités dans les années à venir en vue d'y identifier de nouveaux composés jusque-là non recherchés.

NTS_STEU

En parallèle, le projet bordelais Regard a pu mettre à profit cette technique pour l'analyse globale d'échantillon d'entrée et de sortie d'une station d'épuration, révélant la présence de près de 6000 composés en entrée de stations, dont 1000 restent repérables en sortie, auxquels s'ajoutent près de 3000 nouveaux composés qui n'étaient pas vus en entrées... Au-delà de ces analyses globales, des étapes d'identification de certains composés ont peu y être menés à bien, précisant la présence importante de tensioactifs tels que les polyéthylènes glycol utilisés par exemple dans les cosmétiques ou les alcools éthoxylates utilisés comme détergents, des pharmaceutiques et des stéroïdes, y compris en sortie de station.

Ces activités s'effectuent en fortes synergie avec le réseau européen Norman sur les substances émergentes, dont l'une des activité est spécifiquement dédiée à l'harmonisation des protocoles NTS ainsi qu'au partage international des données associées. L'enjeu est de taille, sachant par exemple que Norman possède désormais une liste de plus de 40.000 composés chimiques pour lesquels des données analytiques existent.

Développements analytiques pour les contaminants émergents

La chimie analytique a fait des progrès spectaculaires ces 2 dernières décennies, mais l’analyse de molécules émergentes, c’est-à-dire souvent peu étudiées, constitue à chaque fois un défi à relever pour les laboratoires.

Au-delà de l’identification des molécules à enjeux, il est donc essentiel d’explorer et de consolider les protocoles permettant leur mesure. C’est ainsi que les partenaires de l’AFB, et notamment Aquaref, ont été encouragés dans leurs récentes initiatives visant à établir les performances atteignables des méthodes analytiques, pour un certain nombre de familles de micropolluants.

Ainsi, en phase avec les priorités du récent Plan national Santé Environnement (PNSE3), un état des lieux approfondi a abouti en 2018 concernant les métabolites de pesticides.

Dans le cadre de l'appel à projets sur les micropolluants des eaux urbaines, plusieurs projets ont produits des avancées sur la caractérisation de contaminants émergents dans les eaux résiduaires et les milieux récepteurs:

Plusieurs études semblables avaient précédemment produit des résultats de référence concernant cette fois des résidus aqueux de médicaments, qu’il s’agisse des conditions de stabilité de ces molécules après leur prélèvement des échantillons dans le milieu  (aspects traitement et conservation, ainsi que considérations sur les phases dissoutes et particulaires), ou bien encore de la réalisation d’essais inter-laboratoires consacrés à ces résidus.

    Outils d’évaluation du risque écotoxique

    L’amélioration de la surveillance implique également le développement et l’optimisation d’outils permettant de mieux rendre compte de la totalité du risque (éco-)toxique lié à la présence dans l’environnement d’un cocktail de substances chimiques et de leurs produits de dégradation. En ce sens, la surveillance des effets de la contamination chimique à l’aide d’outils biologiques intégratifs innovants comme les biomarqueurs ou les tests cellulairesin vitro représente une voie complémentaire aux approches classiques de surveillance.

    L’Ineris a entrepris, depuis 2008, des études visant à évaluer la faisabilité d’intégrer ces outils à des programmes de surveillance, passant par la production d’états de l’art (20), (21), (22), et la réalisation de démonstration de ces outils (23), sur le terrain en vue de leur validation. Ce travail a été réalisé dans le cadre de la convention Onema – Ineris.

    En milieu marin, le suivi de certains biomarqueurs conjointement à la réalisation d’analyses chimiques a été rendu obligatoire sous l’égide de certaines conventions. Un suivi de l’intensité de l’imposex (24), biomarqueur d’effets du Tributyl-Etain mesuré chez le gastéropode marin Nucella lapillus, a débuté en 2003 le long des côtes françaises de l’Atlantique et de la Manche en réponse aux exigences de la convention d’OSPAR pour la protection du milieu marin de l’Atlantique du Nord-Est, et a fait l’objet d’un rapport de l’Ifremer en 2010.

    Toujours dans le cadre d’OSPAR, Ifremer a participé au programme ICON mis en œuvre par la CIEM (Conseil International pour l’Exploration de la Mer), visant à développer une surveillance des contaminants chimiques et des effets des substances dangereuses en Atlantique du Nord-Est. A partir de données acquises au niveau de sites pilotes couvrant l’ensemble du territoire OSPAR, et d’une démarche de recherche pré-normative s’appuyant sur un processus d’assurance qualité, une vingtaine de bioessais et biomarqueurs pertinents ont ainsi été validés, avec la détermination pour chacun d’entre eux de seuils d’interprétation (i.e. niveau de base : BAC, et seuil de stress : EAC). Le rapport final de ce programme montre l’applicabilité des biomarqueurs et bioessais sur une large échelle géographique en Manche / mer du Nord, pour trois espèces sentinelles du milieu marin : la limande, le flet et la moule (25).