Indices biologiques de qualité de l'eau

Les indices biotiques servent à mesurer la qualité des eaux de rivières à partir de la présence/absence de la faune locale. Cette animation permet de comprendre la façon dont ils fonctionnent.

Difficulté

Expert Expert

Durée

2 hour(s) heure(s)

Disciplines scientifiques

Science de la terre, Science de la vie

Biodiversité, macro-invertébrés, identification, rivières, qualité, eau, Agence de l'eau, bon état, 20000 lieues, Indices

Introduction

La question de la qualité des eaux de surfaces (rivière, lac…) se pose souvent dans notre société :

- Est-il possible de se baigner à cet endroit

- Est-il possible de prélever de l’eau pour irriguer un champ ou bien pour l’utiliser comme eau de boisson ?

- Et surtout, les activités humaines ont-elles des conséquences sur les espèces qui peuplent ces écosystèmes ?

Les scientifiques se sont posés la question de savoir comment construire des indices de qualités de l’eau qui permettent, au-delà d’une simple approche chiffrée, de connaître et comprendre l’ensemble des perturbations qui adviennent dans une rivière.

Ces perturbations peuvent être classées en deux grands types¹ :

- Les perturbations aiguës. Elles sont souvent accidentelles, comme une fuite d’essence massive dans une rivière. Ce type de perturbation peut entraîner une forte mortalité des espèces présentes dans le milieu. Par sa nature temporaire, elle ne laisse pas toujours de trace perceptible à long terme dans le milieu, sauf au sein des communautés des êtres vivants ;

- Les perturbations chroniques. Elles sont continues dans le temps, comme la canalisation d’un cours d’eau, les rejets d’eau chaude d’une centrale nucléaire ou encore ceux de contaminants métalliques d’une usine sidérurgique. Ce type de perturbation peut être appréhendé lors d’une étude de terrain ou via des prélèvements ponctuels. Avec le temps, ce type de perturbation peut aller jusqu’à une stérilisation du milieu.

La difficulté est donc de construire un indice pouvant rendre compte des perturbations aiguës aussi finement que des perturbations chroniques. Il est en effet très probable de ne pas la percevoir si l’on fait des prélèvements d’eau ponctuels dans la rivière. De plus, les perturbations peuvent avoir une origine difficile à percevoir dans le temps et dans l’espace. En effet, celles-ci peuvent être :

- Différées. Elles résultent de l’accumulation d’un type de pollution dans le milieu ou à proximité. L’effet de cette perturbation entrera en jeu lors d’un aléa qui peut être très éloigné dans le temps de l’émission des polluants. Par exemple, l’accumulation de contaminant d’origine métallique dans un bras mort d’une rivière qui va brutalement être remis en suspension dans la colonne d’eau de la rivière lors d’une crue ;

- Diffuses. Ce sont des pollutions à bas bruit, comme la contamination des eaux par des nitrates d’origine agricole qui proviennent souvent de multiples sources dans tout le bassin versant.

Afin de pouvoir rendre compte de compte de cela, les scientifiques ont donc construit des indices de qualité de l’eau basés sur les organismes qui vivent dans ces eaux.

En effet, si une pollution aiguë a lieu et détruit une partie des êtres-vivants présents dans le milieu, leur absence lors d’une étude sur le terrain représente une forme d’enregistrement de la perturbation.

La bioindication*désigne « la capacité d’organismes ou d’un ensemble d’organismes à révéler par leur présence, leur absence ou leur comportement démographique les caractéristiques et l’évolution d’un milieu » (Blandin, 1986)².

En France, quatre indices biocénotiques basés sur la bioindication sont utilisés en routine³ :

• Un indice basé sur les poissons ;
• Un indice basé sur les macrophytes (les plantes aquatiques qui sont visibles à l’œil nue) ;
• Un indice basé sur les diatomées (il s’agit d’algues microscopiques unicellulaires. Elles présentent une enveloppe externe siliceuse, permettant de déterminer de quelle espèce il s’agit) ;
• Un indice sur les macro-invertébrés benthiques (il s’agit des invertébrés qui vivent sur le fond des rivières).

Dans cette expérience, nous allons essayer de comprendre

1. Les conséquences des perturbations sur les communautés ;
2. Comment sont construits ces indices biologiques.

Lors de cette expérience, nous allons utiliser le terme « communauté » dans le sens qu’il porte en écologie :

« En Écologie, une communauté est un ensemble d’organismes appartenant à des populations d’espèces différentes constituant un réseau de relations. » (Sources : Wikipédia).

Ici le terme communauté correspond à l’ensemble des macro-invertébrés qui vivent au même endroit, dans la même station.

Nota : Le terme écologie fait ici référence à la science qui étudie les relations des êtres vivants entre eux et avec le milieu dans lequel ils vivent. Il est rattaché à la grande famille des sciences biologiques.

Attention : Cette expérience est faite dans un but pédagogique et est destinée au grand public. Elle n’est en aucun cas une retranscription fidèle de la réalité du fonctionnement des écosystèmes.

Il a été choisi d’ignorer délibérément des facteurs très importants d’influence sur les communautés, comme :

- L’influence des hydroécorégions (zone homogène du point de vue de la géologie, du relief et du climat ; Sources : data.eaufrance.fr) ;

- La diversité en habitat des cours d’eau (présence et abondance des végétaux, vitesse du courant diversifiée, plusieurs zones de profondeurs différentes…) ;

- Le fait que naturellement les paramètres du milieu évoluent de l’amont vers l’aval et avec eux les communautés, même en l’absence de perturbation d’origine anthropique (humaine). Cela correspond au rang du cours d’eau. Celui-ci se réfère à la progression du cours d’eau de l’amont vers l’aval. Les cours d’eau à la source reçoivent le numéro 1, puis les affluents immédiats de ce cours d’eau, le numéro 2 et ainsi de suite.

Cette fiche expérience s’intègre dans le Parcours 3 : Solutions et techniques d'étude. Elle est réalisée dans le cadre d'un partenariat avec l'agence de l'eau Loire - Bretagne. La fiche mise en page est disponible en version PDF et téléchargeable ici.

• Matériel et outils
• Fichiers

Carton

Le terme carton désigne certains types de papiers généralement caractérisés par une rigidité, une épaisseur et/ou un grammage relativement élevés ; cependant, la distinction peut être faite en fonction des caractéristiques et de l’emploi. Par exemple, certains matériaux cannelés légers sont considérés comme des cartons alors que les feuilles de papier buvard ou certains supports artistiques à fort grammage sont considérés comme des papiers.

Carton

Feuille papier 80g

Feuille de papier type imprimante 80g

Feuille papier 80g

Feutre de couleur

Sert a colorier

Feutre de couleur

Crayon

Long et fin, souvent polygonal et parfois coloré à l'extérieur, le crayon est un outil simple qui sert à écrire. Les mines sont parfois de couleurs différentes. Les mines de graphite des crayons à papier ont des duretés différentes (HB, H, etc.).

Crayon

Scotch

Scotch transparent

Scotch

Ciseaux

Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.

Ciseaux

Les_indices_biologiques_de_qualit__de_l_eau_Illustration1.pdf

Indices_biologiques_de_qualit__de_l_eau_Illustration3.pdf

Étape 1 - Imprimer et découper les vignettes illustratives 1/2

Découper les différents éléments.

Les illustrations des stations avec :

• Une illustration pour la station sans perturbation d’origine anthropique ;
• Une illustration de station avec une perturbation chimique d’origine anthropique de type matière organique (voir plus loin pour plus de détail) ;
• Une illustration de station avec une perturbation morphologique d’origine anthropique (voir plus loin pour plus de détail).

Les illustrations des résultats de prélèvements de macro-invertébrés avec :

• La station de référence ;
• La station « Biocides » ;

Étape 2 - Imprimer et découper les vignettes illustratives 2/2

Imprimer et découper plusieurs exemplaires de chaque résultat de prélèvements sans l’illustration du type de station :

• La station de référence ;
• La station « Biocides » ;
• La station « Matières Organiques » ;
• La station « Morphologies »

Étape 3 - Dessine-moi une rivière !

Lors de cette étape, faire dessiner une rivière aux participant.e.s.

Cette étape peut être développée autant que souhaitée.

Pour cela, utiliser un grand morceau de carton ou une grande feuille de papier. Mettre à disposition des participant.e.s des fournitures de bureau (crayons de couleur, feutres, feuilles supplémentaires, ciseaux, scotch…).

Idéalement, il faudrait que figurent sur le schéma les éléments principaux d’un bassin versant :

• La rivière collectrice ;
• Différents affluents (idéalement un ou deux) ;
• La mer ;
• Rajouter différents éléments du paysage (ville, forêt, champ, prairie).

Pour réaliser cette étape, il est possible de se rendre localement sur une hauteur qui donne une vue sur une rivière et de la longer lors d’une sortie terrain afin de noter les éléments du paysage qui s’enchaînent le long de celle-ci, ou de réaliser des étapes de photo-interprétation.

Étape 4 - Les perturbations

Faire émerger par la discussion les différentes perturbations liées aux différents éléments du décor.

Les perturbations les plus courantes sont :

• Les perturbations chimiques de type biocides qui correspondent au jeton avec le pulvérisateur. Un biocide est un produit dont le but est de tuer une catégorie d’êtres vivants (les herbicides tuent les plantes, les insecticides tuent les insectes, les fongicides tuent les champignons, les rodenticides tuent les petits mammifères comme les souris…). Les perturbations de ce type les plus courantes sont d’origine agricole. Les produits utilisés en agriculture finissent en partie dans les cours d’eau. Il s’agit aujourd’hui du facteur majeur de dégradation des cours d’eau ;
• Les perturbations chimiques de type organique qui correspondent au jeton avec le fumier et la fourche. Les perturbations de ce type viennent de différentes sources : les évacuations individuelles des maisons (rejets des égouts directement dans la rivière), les évacuations collectives (type station d’épuration) et les rejets d’origine agricole. Les premières disparaissant et les deuxièmes s’améliorant, c’est encore l’origine agricole qui est majoritaire pour ce type de pollution ;
• Les autres types de perturbations physico-chimiques. Il peut s’agir de pollution d’origine industrielle actuelle ou ancienne (il reste de nombreux produits chimiques prisonniers des sédiments dans les barrages par exemple), de pollution due aux médicaments ou au salage des routes en hiver, de pollution thermique due au refroidissement des centrales nucléaires, etc. ;
• Les perturbations de type morphologique qui correspondent au jeton avec la tractopelle. Il s’agit de toutes les perturbations qui viennent modifier le cours naturel de la rivière. Il en existe de nombreuses sortes : calibrage, rectification, surcreusement, canalisation, déplacement du lit mineur, chenalisation (creusement d’un chenal navigable…) ou encore les barrages. Ce type de perturbation est très courant.

Étape 5 - Introduire la notion de station de référence

Par contraste avec les différentes perturbations présentées ci-dessus, introduire la notion de station de référence.

Pour cela, il est nécessaire de définir la notion de station.

« Endroit où l’on effectue des observations scientifiques ; installations qui y sont aménagées. » (Sources, Dictionnaire Le Robert).

Une station de référence est une station (donc un endroit où l’on effectue des observations scientifiques) qui servirait à comparer les effets des perturbations énoncées à l’étape 4.

Il s’agit de stations sur lesquelles le moins de pressions humaines possible (voir plus loin « mise en garde ») ne s’appliquent. Même si dans les faits, ce type de station dite « de référence » est théorique, il convient ici de sélectionner les endroits les plus éloignés possible des perturbations.

Déposer sur le plan un ou plusieurs jetons « station de référence ». Pour cela,

privilégier des têtes de cours d’eau (ou amont) situés à proximité de forêts ou de prairies. Elles doivent être le plus possible éloignées des zones urbaines, des champs de labours tandis que le cours d’eau ne doit pas avoir subi de perturbation morphologique.

Étape 6 - Étape Optionnelle – Présentation des macro-invertébrés

On trouve dans les cours d’eau de nombreuses espèces différentes, ayant des formes, des tailles, des régimes alimentaires, des cycles de vie très divers.

Les macro-invertébrés contribuent largement à plusieurs processus écosystémiques indispensables dans les cours d’eau, comme le recyclage de la matière organique.

Du fait de leur taille et de leur abondance, ils servent de nourritures à de nombreux autres animaux qui dépendent d’eux pour leur survie (mammifères, oiseaux, poissons, amphibiens, etc.).

Il est conseillé d’imprimer et de présenter les exemples proposés (voir illustration3.pdf).

Étape 7 - Étape Optionnelle – Détermination des macro-invertebrés

Avant de passer à la suite de l’expérience, il convient de présenter les êtres vivants sur lesquels cette fiche est basée. Il s’agit des macro-invertébrés benthiques d’eau douce.

Il s’agit d’invertébrés, c’est-à-dire d’êtres vivants ne possédant pas de squelette interne articulé, et qui sont visibles à l’œil nue (macroscopique). Ceux-ci vivent à proximité du fond de la rivière (benthique).

L’idéal pour introduire cette catégorie d’être vivant est de réaliser au préalable l’expérience « Détermination de macro-invertébrés ».

Étape 8 - Perturbations et échantillonnage 1/2

Placer à côté du schéma de la rivière les différentes perturbations avec leurs jetons.

• Perturbation chimique de type Biocide ;
• Perturbation chimique de type Organique ;
• Perturbation de type Morphologique.

Afficher les différents résultats d’échantillonnages sur le schéma, sans les jetons, pour les différentes stations :

• Station de référence ;
• Station « biocide » ;
• Station « Matière organique » ;
• Station « Morphologie ».

Étape 9 - Perturbations et échantillonnage 2/2

Les différents paramètres sont les suivants :

Dans la boite de Pétri de gauche est affiché la diversité en espèces. Pour cela le symbole représentant les organismes est coloré selon un gradient de couleur :

• Les organismes sont colorés en rouge lorsqu’on trouve peu d’espèces de ce groupe dans la station. On parle alors de station, peu diversifiée ;
• Les organismes sont colorés en orange lorsqu’on trouve quelques espèces de ce groupe dans la station. On parle alors de station moyennement diversifiée ;
• Les organismes sont colorés en vert lorsqu’on trouve beaucoup d’espèces de groupe dans la station. On parle alors de station diversifiée.

Dans la boite de Pétri de droite est affichée l’abondance en individus pour chaque groupe.

Plus le nombre d’individus pour chaque groupe est important, plus le nombre de symbole de chaque groupe est important.

Ensuite, pour chaque station est disponible quatre symboles d’organisme différents :

• Groupe des Éphémères – Trichoptères – Plécoptères. Il s’agit d’un groupe très sensible ou « polluo-sensible ». La plupart des espèces de ce groupe ont besoin d’une eau de bonne qualité, avec peu de pollution, une bonne oxygénation de l’eau et de la matière organique présente sans excès ;
• Groupe des Diptères. Il s’agit d’un groupe moyennement à peu sensible ou « polluo-résistant ». La plupart des espèces de ce groupe supportent une mauvaise qualité de l’eau avec parfois une concentration importante en polluants et en matière organique, ainsi qu’une oxygénation faible ;
• Groupe des mollusques et crustacés. Il s’agit d’un groupe moyennement sensible à la pollution. Ces espèces vont pouvoir vivre dans des eaux avec des paramètres moyens de qualité de l’eau.

Ce dernier groupe rassemble les espèces qui ne rentrent pas dans les trois groupes précédents. Il réunit des espèces très différentes et ne rend compte que de la diversité et de l’abondance dans le milieu.

Idéalement, illustrer les exemples avec des images d’exemples locaux ou trouvées sur internet : pulvérisation à proximité d’un cours d’eau, écoulement de lisier dans un cours d’eau, etc.

Étape 10 - Montrer les résultats des échantillons

Une fois les différentes stations présentées, mettre sur le schéma du bassin versant, en s’appuyant sur les éléments du schéma, les résultats de prélèvement imprimés sans les jetons de station associés.

Par exemple :

• Afficher le résultat Biocide à proximité d’un champ ;
• Afficher le résultat Mo à proximité de représentation d’animaux ;
• Afficher le résultat Morpho à proximité d’une station.

À l’aide seulement des prélèvements, il s’agira de faire trouver le type de station en montrant que le profil des communautés présentes dans le milieu, par comparaison à la station de référence, est un enregistrement des perturbations advenues dans le milieu.

Étape 11 - Faire trouver le type de perturbation auquel correspond chacun des résultats d’échantillonnages

Confronter les résultats d’échantillonnage avec les images affichées lors des étapes 8 et 9 (images comprenant les jetons de perturbations ainsi que les profils de communautés associées).

Par comparaison, il est possible de relier une activité humaine avec un profil de communauté de macro-invertébrés, et par conséquent avec un type de perturbation.

Étape 12 - Faire émerger la notion d’indices biologiques

Par la discussion, il est possible de faire émerger la notion d’indices biologiques.

En mesurant un écart à une norme (station de référence), il est possible d’appréhender l’intensité et les effets des perturbations anthropique qui s’appliquent sur une station.

Pour cela, deux activités suivantes sont réalisables :

• Bon état écologique, qui permet de découvrir comment on établit qu'un cours d'eau est en « bon état » ;
• La diversité spécifique, l'assurance de la fonctionnalité, qui permet d'en savoir plus sur le lien entre espèces, perturbation et fonction écosystémique.

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Les perturbations d’origine anthropique ont une influence sur les communautés de macro-invertébrés.

Certains groupes (comme les Éphémères, Trichoptères et Plécoptères) vont être très sensibles aux perturbations, alors que d’autres, comme les Diptères, vont l’être beaucoup moins.

En regardant dans une station les macro-invertébrés présents, il est possible de comparer avec une station « dite » de référence. Cela permet d’appréhender à quel point l’influence des activités humaines est forte sur le milieu.

Explications

Il est possible d’étudier les communautés de plusieurs façons différentes.

> Il est possible de compter le nombre d’espèces (ou de taxon, selon le niveau de détermination choisi, voir fiche détermination) total ou par groupe (par exemple le nombre d’espèce de trichoptères). Il s’agit de la richesse dite richesse spécifique ;

> Il est possible de compter le nombre d’individus total ou par groupe (voir même par espèce). Il s’agit de l’abondance.

Ces deux paramètres sont centraux en écologie et sont couramment étudiés. De nombreux facteurs peuvent faire varier la richesse et l’abondance, comme la température, la disponibilité en ressources, l’introduction d’espèces…

Ces deux paramètres sont aussi étudiés séparément et de façon concomitante. Si la mesure de la richesse et de l’abondance donne déjà des informations sur la structure des communautés, associer les deux donne des informations supplémentaires.

Dans cette activité, il est possible de voir que :

- La perturbation « Matière organique » ne va pas avoir d’effet sur la richesse, mais va en avoir une sur l’abondance en favorisant les Diptères, moins polluo-sensibles, au détriment des Éphémères – Plécoptère – Trichoptères ;

- Les perturbations « Biocide » et « Morphologie » vont avoir un effet sur l’abondance et sur la richesse, en provoquant une chute à la fois du nombre d’espèces et d’individus, mais pas de la même façon.

1. La perturbation « Biocides » va provoquer une chute des effectifs et de la diversité de tous les groupes avec un effet moindre sur les Diptères, plus polluo-resistants. Cela va traduire l’effet toxique direct sur les individus ;
2. La perturbation « Morphologie » va provoquer aussi une chute des effectifs et de la diversité de tous les groupes avec un effet moindre sur les Éphémères – Plécoptère – Trichoptères cette fois. Ce résultat va plutôt traduire la disparition des habitats dans le milieu et donc la capacité de celui-ci à accueillir des communautés variées et abondantes.

Plus d'explications

C’est en se basant sur ce constat que les scientifiques ont bâti des indices biologiques. Ils répondent à des normes (cahier des charges précis) et permettent de comparer les résultats en minimisant au maximum les effets liés à la personne qui réalise l’observation, à l’hydroécorégion, etc. Les différents indices permettent d’appréhender le « bon état écologique » des eaux de surface⁴.

Ces indices ne permettent toutefois que de faire un diagnostic de l’état de dégradation de la biodiversité des milieux aquatiques, en mesurant les effets à relativement long terme de pressions chroniques. Ils permettent, par l’ampleur des effets sur l’abondance et la richesse, de quantifier l’intensité de cette pression. Par le maillage territorial, ils permettent d’identifier approximativement la localisation de cette pression. Cependant, d’autres outils sont nécessaires pour parvenir à anticiper, ou tout du moins à agir précocement, dès que les premiers effets d’une perturbation sont mesurables. Pour cela, des indicateurs à l’échelle moléculaire (expression des gènes) ou physiologique (modification de la reproduction par exemple) sont en cours de développement.

Les différents groupes utilisés sont les suivants⁵ :

• Les diatomées (algues qui présentent une enveloppe externe en silice (sable), avec l’indice IBD2007⁶ ;
• Les macrophytes (plantes aquatiques visibles à l’œil nue), avec l’indice IBMR⁷ ;
• Les poissons, avec l’indice IPR+⁸ ;
• Les macro-invertébrés, avec l’indice I₂M₂⁹.

Ces différents indices servent en routine et sont utilisés dans toutes l’Europe.

Éléments pédagogiques

Sources et ressources

(1) http://www.ac-grenoble.fr/savoie/pedagogie/docs_pedas/eau_aptv/docs/fede_peche_savoie_Atteintes.pdf

(2) https://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=7985991

(3) https://eau.maine-et-loire.fr/surveiller-et-proteger/qualite-des-rivieres/indicateurs#c3596

(4) https://www.eaufrance.fr/regles-devaluation-de-letat-des-eaux

(5) https://www.eaufrance.fr/sites/default/files/2018-07/bioindication-outils-d-evaluation-onema-2012.pdf

(6) https://fr.wikipedia.org/wiki/Indice_biologique_diatom%C3%A9es

(7) https://fr.wikipedia.org/wiki/Indice_macrophytes

(8) https://hydrobio-dce.inrae.fr/cours-deau/poissons/

(9) https://www.aquabio-conseil.com/blog/le-coin-des-experts-10/post/l-indice-invertebres-multi-metrique-i2m2-281

(10) https://www.eaufrance.fr/chiffres-cles/part-des-masses-deau-cours-deau-au-moins-en-bon-etat-ecologique-en-2015

Dernière modification 13/03/2024 par user:Nathanaël Latour.

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