Biosurveillance végétale et fongique

Enjeux de la biosurveillance


Les méthodes physico-chimiques de surveillance de la qualité des milieux mesurent les concentrations de composants présents dans l’environnement, permettant par la suite leur comparaison à des valeurs réglementaires. Cependant, ces techniques n’apportent pas d’information directe sur les effets des polluants sur les organismes. Quelles que soient les évolutions technologiques des systèmes de métrologie, la biosurveillance (basée sur des modèles fongiques ou végétaux) demeurera toujours la seule approche capable d’évaluer des effets biologiques d’une altération de l’environnement (Van Haluwyn et al., 2011).

L’idée d’observer les effets de la pollution atmosphérique sur le compartiment végétal remonte à plusieurs siècles, avec la description de dégâts foliaires en 1661 par J. Evelyn, suite à la contamination de l’air par la combustion de charbon (Treshow & Bell, 2002). Mais le véritable concept de la biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l’air date de la fin du XIXe siècle où Nylander propose d’utiliser les lichens comme « hygiomètres » de la qualité de l’air, après avoir constaté la progressive disparition des colonies à l’approche des villes, comme à Paris (Nylander, 1866). Depuis, la biosurveillance est employée pour répondre à différents objectifs, que ce soit l’analyse des distributions spatiales et temporelles des impacts des polluants ou l’identification et le suivi de sources ponctuelles de contamination. Elle est également de plus en plus intégrée aux méthodologies d’évaluations des risques sanitaires et écologiques et constitue un outil d’information du grand public et d’aide à la décision dans les politiques publiques (Cuny, 2012).

La biosurveillance et ses différents concepts ont été formalisés par Garrec & Van Haluwyn (2002).

« La biosurveillance est l’utilisation des réponses à tous les niveaux d’organisation biologique (moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique, tissulaire, morphologique, écologique) d’un organisme ou d’un ensemble d’organismes pour prévoir et/ou révéler une altération de l’environnement et pour en suivre son évolution ».

Ces approches consistent à observer et mesurer de façon globale la réponse des organismes aux contaminants et intègre les effets du mélange des composés présents dans l’environnement, mais aussi les caractéristiques écologiques et climatiques du territoire (Van Haluwyn, 1998).

Récemment, le processus de normalisation a permis d’établir un consensus européen sur la définition de la biosurveillance.

« La biosurveillance est l’utilisation de systèmes biologiques (organismes et communautés d’organismes) pour suivre les changements de l’environnement dans l’espace et/ou dans le temps » (Leblond et al., 2014).

Cette approche n’est donc pas substitutive des techniques physico-chimiques de surveillance, mais intervient en complément de celles-ci (Cuny et al., 2008 ). Elle propose divers avantages, puisqu’elle emploi de multiples modèles, traduisant des effets à plusieurs niveaux d’organisation biologique. Les modèles végétaux et fongiques les plus couramment utilisés sont le tabac, les bryophytes et les lichens pour l’air, le ray-grass, le chou, le trèfle et les champignons pour les sols, les élodées, les lentilles d’eau et les bryophytes pour les milieux aquatiques.

La biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l'air est complémentaire de la surveillance physico-chimique. Exemple d'une étude menée dans un environnement intérieur.

Complémentarité de la surveillance physico-chimique et de la biosurveillance de la qualité de l’air (Photo APPA)

 

Approches et concepts de la biosurveillance


La biosurveillance s’appuie sur deux approches.

La biosurveillance in situ, également appelée approche intégrée ou passive : cette approche est basée sur l’observation des organismes présents naturellement dans l’environnement étudié. Elle est principalement utilisée pour observer les impacts sur le long terme, en tenant compte des conditions écologiques et climatiques.

La biosurveillance active est une approche basée sur l’introduction dans le site d’étude des organismes cultivés dans des conditions contrôlées (sous serre par exemple) ou prélevés dans un site témoin (techniques de transplantation des lichens qui ne se cultivent pas par exemple). Une approche de laboratoire en conditions entièrement contrôlées en termes de développement et d’exposition est également possible. Elle est principalement utilisée pour observer les impacts à court terme dans des conditions d’exposition spécifiques.

La principale limite de la biosurveillance réside dans la nature biologique de l’indicateur, puisqu’elle dépend de la présence de l’organisme étudié en quantité suffisante, de sa sensibilité à d’autres facteurs (biotiques ou abiotiques) ou encore de sa compétitivité par rapport à d’autres organismes ou espèces (Cuny, 2012). Ainsi des facteurs écologiques peuvent avoir un impact suffisant pour conduire à une mauvaise estimation des effets des polluants étudiés.

La biosurveillance englobe quatre concepts.

La bioindication se situe au niveau individuel et fournit des informations sur les impacts environnementaux. Elle se fonde sur l’observation des effets cliniques et visibles des pollutions sur un organisme, une partie d’un organisme ou une communauté d’organisme (biocénose). Ces effets sont observables au niveau morphologique, tissulaire ou physiologique. Il s’agit par exemple de l’apparition de nécroses foliaires (Silva et al., 2012) ou la modification de la croissance racinaire (Manier et al., 2009).

L'impact de l'ozone sur la végétation est visible par les nécroses observées sur les feuilles de tabac.

Les nécroses causées par l’ozone sur les feuilles de tabac (Photo APPA)

 

La biointégration permet d’évaluer les effets à long terme sur les communautés par l’étude de la densité et de la diversité spécifique de populations au sein d’écosystèmes. Les organismes sentinelles utilisés sont généralement les végétaux supérieurs, les bryophytes et les lichens (Thimonier et al., 1994 ; Takahashi & Miyajima, 2010).

La bioaccumulation est l’accumulation de contaminants dans les tissus des végétaux ou des champignons, qui servent alors de matrice pour le dosage de différents polluants. Ce phénomène d’accumulation en surface et/ou intérieurement intègre des paramètres du milieu environnemental (disponibilité environnementale des polluants par exemple) ainsi que des composantes physiologiques et métaboliques de l’organisme (translocation par exemple). Les concentrations tissulaires sont dans ce cas le reflet de l’imprégnation de l’environnement et correspondent à la part biodisponible qui, in fine, reste dans l’organisme. Ces quantités ne sont donc pas directement celles du milieu environnant. C’est une méthode extrêmement utilisée actuellement qui permet d’étudier l’imprégnation de l’environnement par les polluants et d’en suivre l’évolution spatiale et temporelle (Larsen et al., 2007 ; Cloquet et al., 2009 ; Gerdol et al., 2014).

L’utilisation de biomarqueurs permet de caractériser un

« changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique qui révèle l’exposition présente ou passée d’un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant » (Lagadic et al., 1997).

Un biomarqueur caractérise un effet de stress précoce, non visible et spécifique au niveau infra-individuel. Concept le plus récent dans le domaine de la biosurveillance végétale et encore en développement important, l’utilisation de biomarqueurs repose par exemple sur le suivi de la fluorescence de la chlorophylle, de l’activité photosynthétique (Catalyud & Barreno, 2004 ; Crous et al., 2006), des dosages d’enzymes (Rai & Agrawal, 2008), de l’intégrité membranaire ou de la génotoxicité (Rzepka & Cuny, 2011 ; Misik et al., 2011).

Le test des comètes permet d'évaluer la génotoxicité d'une substance ou d'un milieu, en mesurant les dommages ou cassures à l'ADN.

Le test des comètes permet d’évaluer la génotoxicité d’une substance ou d’un milieu, en mesurant les dommages (cassures) à l’ADN. A: ADN intacte, B et C : ADN endommagé, D : ADN fortement dégradé (Gichner, 2003)

 

La biosurveillance végétale et fongique des milieux dans le Nord-Pas de Calais


Biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l’air

Le tabac, le chou, les lichens, le ray-grass, les mousses et les champignons constituent les principaux modèles végétaux et fongiques de la biosurveillance de la qualité des milieux.

Les principaux modèles végétaux et fongiques de la biosurveillance de la qualité de l’air (Photo APPA)

 

Les lichens

La biosurveillance lichénique est utilisée depuis de nombreuses années par le LSVF, en collaboration avec l’APPA, pour caractériser et suivre l’évolution de la qualité de l’air dans l’espace et le temps (Delzenne-Van Haluwyn, 1973 ; Hardouin, 1983 ; Van Haluwyn, 1994 ; Van Haluwyn & Cottard, 1995 ; Cuny et al., 2004 ; Cuny et al., 2010).

En effet, parmi les organismes utilisés pour la biosurveillance de la qualité de l’air, les lichens épiphytes sont les représentants du règne fongique les plus couramment employés. Ils sont formés par l’association symbiotique entre un champignon et une algue verte (dans 90% des cas) ou une cyanobactérie (dans 10% des cas). Leur appareil végétatif est un thalle (dépourvus de système racinaire, de tiges ou de feuilles), celui-ci supportant également les organes de reproduction sexuées (apothécie, périthèce) et végétatives (isidies, soralies..).

Les lichens se développent lentement (leur croissance varie entre moins d’un millimètre et un centimètre par an selon les espèces et le milieu de vie) et sont exclusivement dépendants de l’atmosphère pour leur nutrition (Loppi & Nascimbene, 2010). De fait, le prélèvement de nutriments se réalise majoritairement à partir de l’atmosphère au travers de la surface du thalle (cortex supérieur : Nieboer et al., 1978). Contrairement aux végétaux supérieurs, ils ne possèdent ni cuticule cireuse, ni stomate qui pourraient moduler leur exposition aux polluants atmosphériques.

Ils sont par conséquent très sensibles aux substances présentes dans l’air ambiant. Les polluants sont ainsi facilement absorbés par les lichens et perturbent profondément leur métabolisme (Conti & Cecchetti, 2001), entraînant parfois des effets morphologiques visibles. Les effets de la pollution atmosphérique peuvent aller jusqu’à modifier la composition des communautés lichéniques en fonction de la sensibilité différentielle des espèces. Ils constituent donc un matériel d’observation de choix dans l’évaluation spatio-temporelle des effets de la qualité de l’air sur le vivant (Loppi et al., 2004).

La diversité lichénique est témoin de la qualité de l'air.

La diversité lichénique, témoin de la qualité de l’air (Photo APPA)

 

Du fait de leur longévité, de leur activité biologique annuelle et dotés d’une paroi fongique offrant une multitude de sites de fixation possible des polluants, les lichens sont aussi d’excellents bioaccumulateurs (Loppi et al., 1997). Cette particularité permet la mesure de concentrations biologiques de polluants bioaccumulables, tels que les éléments traces métalliques, les radioéléments et les polluants organiques persistants. Les lichens constituent ainsi d’excellents indicateurs de la pollution atmosphérique de fond, au titre de bio-intégrateurs et bioaccumulateurs (Gadsdon et al., 2010).

Le lichen Xanthoria parietina est largement utilisé pour évaluer la bioaccumulation des polluants persistants.

Le lichen Xanthoria parietina est largement utilisé pour évaluer la bioaccumulation des polluants persistants (Photo APPA)

 

Réglementation et normalisation de la biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l’air


Au sein de la réglementation européenne, la directive 2004/107/CE concernant l’arsenic, le cadmium, le mercure, le nickel et les hydrocarbures aromatiques polycycliques dans l’air ambiant constitue le seul texte réglementaire faisant explicitement référence à des méthodes biologiques pour la mesure de la qualité de l’air. Ainsi, « l’utilisation de bio-indicateurs peut être envisagée là où les modèles régionaux de l’incidence sur les écosystèmes doivent être évalués », en parallèle d’études physico-chimiques.

La méthodologie de biosurveillance de la qualité de l’air s’appuie sur des normes applicables au niveau français et européen :

  • NF X43-900 Mai 2008 : Biosurveillance de l’air – Bio-indication de l’ozone par le tabac
    • PR NF EN 16789 Novembre 2014 : Air ambiant – Biosurveillance à l’aide de plantes supérieures – Méthode de l’exposition normalisée du tabac (en projet : annulera et remplacera la norme NF X43-900:2008) ;
  • NF X43-901 Mai 2008 : Biosurveillance de l’air – Biosurveillance active de la qualité de l’air à l’aide de ray-grass : des cultures à la préparation des échantillons ;
  • NF X43-902 Mai 2008 : Biosurveillance de l’air – Biosurveillance passive de la qualité de l’air à l’aide de mousses autochtones : de la récolte à la préparation des échantillons
  • NF X43-903 Mai 2008 : Biosurveillance de l’air – Détermination d’un indice biologique de lichens épiphytes (IBLE) ;
  • NF X43-904 Janvier 2013 : Biosurveillance de l’air – Biosurveillance passive de la qualité de l’air à l’aide des lichens autochtones : de la récolte à la préparation des échantillons ;
  • NF X43-905 Octobre 2014 : Biosurveillance passive de la pollution atmosphérique à partir de l’étude des dépôts particulaires foliaires ;
  • NF EN 16413 Mars 2014 : Air Ambiant – Biosurveillance à l’aide de lichens – Évaluation de la diversité des lichens épiphytes – Qualité de l’air ;
  • NF EN 16414 Mars 2014 : Air ambiant – Biosurveillance à l’aide de mousses – Accumulation des contaminants atmosphériques dans les mousses prélevées in situ : de la récolte à la préparation des échantillons ;
  • XP X43-906 Août 2015 : Biosurveillance de l’air – Biosurveillance active de la qualité de l’air à l’aide de mousses ;
  • en cours d’élaboration : PR NF X43-905 – Biosurveillance passive à partir de l’étude des dépôts particulaires foliaires.

 

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Références bibliographiques


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