Le contenu de cette page a été mis à jour en 2018. Certaines données peuvent donc être obsolètes.
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.
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).
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).
La biosurveillance végétale et fongique des milieux dans le Nord-Pas de Calais
Biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l’air
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).
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).
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.
Références bibliographiques
Catalyud A & Barreno E. 2004. Response to ozone in two lettuce varieties on chlorophyll a fluorescence, photostnthetic pigments and lipids peroxidation. Plant Physiology and Biochemistry, 42: 549-555.
Cloquet C, De Muynck D, Signoret J, Vanhaecke F. 2009. Urban/peri-urban aerosol survey by determination of the concentration and isotopic composition of Pb collected by transplanted lichen Hypogymnia physodes. Environmental Science and Technology, 43 (3): 623-9.
Conti ME, Cecchetti G. 2001. Biological monitoring: lichens as bioindicators of air pollution assessment: a review. Environ Pollut, 114: 471-92.
Crous KI, Vandermeiren K, Ceulemans R. 2006. Physiological responses to cumulative ozone uptake in two white clover (Trifolium repens L. cv. Regal) clones with different ozone sensitivity. Environmental and Experimental Botany, 58(1-3): 169-179.
Cuny D, Davranche L, Thomas P, Kempa M, Van Haluwyn C. 2004. Spatial and temporal variations of trace element contents in Xanthoria parietina thalli collected in a highly industrialized area in Northern France as an element for a future epidemiological study. Journal of Atmospheric Chemistry, 49: 391-401.
Cuny D, Rzepka MA, Van Haluwyn C. 2008. Introduction à la biosurveillance végétale et fongique de la qualité de l’air, concept et intérêt. Spectra Analyse, 264: 31-35.
Cuny D., Quarre S., Devred I. et al. (2010). Évolution spatiale et temporelle des concentrations en Éléments Traces Métalliques de thalles de Xanthoria parietina récoltés sur la zone industrialo-portuaire de Dunkerque. Air Pur, n° 77, p. 43-49.
Cuny D. 2012. La biosurveillance végétale et fongique de la pollution atmosphérique : concepts et applications. Annales Pharmaceutiques Françaises, 70: 182—187.
Delzenne-Van Haluwyn C. 1973. Contribution à l’étude de la distribution des lichens épiphytes dans le Nord de la France : application au problème de la pollution atmosphérique. Thèse de doctorat, Faculté de Pharmacie, Lille: 162 p.
Gadsdon S, Dagley JR, Wolseley PA, Power SA. 2010. Relationships between lichen community composition and concentrations of NO2 and NH3. Environmental Pollution, 158: 2553-2560.
Garrec J-P, Van Haluwyn C. 2002. Biosurveillance végétale de la qualité de l’air. Tec & Doc, Paris.
Gerdol R, Marchesini R, Iacuminb P, Brancaleoni L. 2014. Monitoring temporal trends of air pollution in an urban area using mosses and lichens as biomonitors. Chemosphere, 108: 388-395.
Gichner T. 2003. DNA damage induced by indirect and direct acting mutagens in catalase-deficient transgenic tobacco Cellular and acellular Comet assays. Mutation Research 535: 187–193.
Hardouin M. (1983) Les lichens épiphytes de la région Sud-Est de Lille: généralités, distribution et estimation de la pollution atmosphérique acide. Thèse de Doctorat en Pharmacie. 137p.
Lagadic L, Caquet T, Amiard JC. 1997. Biomarqueurs en écotoxicologie : principes et définitions. Dans Lagadic L, Caquet, Amiard JC, Ramade F. Biomarqueurs en écotoxicologie – Aspects fondamentaux. Masson, Paris: 1-9.
Larsen RS, Bell JNB, James PW, Chimonides PJ, Rumsey FJ, Tremper A, Purvis OW. 2007. Lichen and bryophyte distribution on oak in London in relation to air pollution and bark acidity. Environmental Pollution, 146: 332-340.
Leblond S, Gombert-Courvoisier S, Louis-Rose S. 2014. Normalisation dans le domaine de la biosurveillance de la qualité de l’air. Workshop International « Biosurveillance végétale et fongique de la Qualité de l’Air ». Lille, France.
Loppi S, Nelli L, Ancora S, Bargagli R. 1997. Accumulation of trace elements in the peripheral and central parts of a foliose lichen thallus. Bryologist, 100: 251 –253.
Loppi S, Frati L, Paoli L, Bibabli V, Rossetti C, Bruscoli C, Corsini A. 2004. Biodiversity of epiphytic lichens and heavy metal contents of Flavoparmelia caperata thalli as indicators of temporal variations of air pollution in the town of Montecatini Terme (central Italy). Science of the Total Environment, 326: 113–122.
Loppi S. & Nascimbene J. (2010) Monitoring H2S air pollution caused by the industrial exploitation of geothermal energy: The pitfall of using lichens as bioindicators. Environmental Pollution 158 : 2635-2639.
Manier N, Deram A, Lecurieux F, Marzin D. 2009. Comparison between new wild plant Trifolium repens and Vicia faba on their sensitivity in detecting the genotoxic potential of heavy metal solutions and heavy metal-contaminated soils. Water, Air, and Soil Pollution, 202 (1-4): 343-352.
Misík M, Ma TH, Nersesyan A, Monarca S, Kim JK, Knasmueller S. 2011. Micronucleus assays with Tradescantia pollen tetrads: an update. Mutagenesis, 26(1): 215-21.
Niober EA, Richardson DHS, Tomassini FD. 1978. Mineral Uptake and Release by Lichens: An Overviewed. Bryologist, 81: 226-246.
Nylander W. 1866. Les lichens du Jardin du Luxembourg. Bulletin de la Société botanique de France, 13: 364‑372.
Rai R & Agrawal M. 2008. Evaluation of physiological and biochemical responses of two rice (Oryza sativa L.) cultivars to ambient air pollution using open top chambers at a rural site in India. Science of the Total Environment, 407 (1): 679-691.
Rzepka MA & Cuny D. 2011. Recherches préliminaires sur la mise en place dʼune biosurveillance végétale de la pollution atmosphérique en zone industrielle complexe : applications du ray-grass dans la zone industrialoportuaire de Dunkerque. Acta Botanica Gallica, 158(3): 387-400.
Silva DT, Meirelles ST, Moraes RM. 2012. Relationship between ozone, meteorological conditions, gas exchange and leaf injury in Nicotiana tabacum Bel-W3 in a sub-tropical region. Atmospheric Environment, 60: 211-216.
Takahashi T & Miyajima Y. 2010. Effects of roads on alpine and subalpine plant species distribution along an altitudinal gradient on Mount Norikura, central, Japan. Journal of Plant Research, 123: 741-749.
Thimonier A, Dupouey JL, Bost F, Becker M. 1994. Simultaneous eutrophication and acidification of a forest ecosystem in North-East France. New Phytologist, 126: 533-9.
Treshow, M. & Bell, J. N. B. 2002. Air pollution and plant life. Ed. John Wiley & Sons. Chichester, England. 467 pages. 2nd Ed.
Van Haluwyn C. (1994) Niveaux de la qualité de l’air sur le littoral Calais-Dunkerque ; évaluation en fonction de la diversité lichénique, Rapport SPPPI du Littoral. 57-74.
Van Haluwyn C. & Cottard S. (1995) Cartographie de la qualité de l’air de la communauté urbaine de Lille à partir de l’observation des lichens, Rapport AREMA LM. 14p.
Van Haluwyn C. 1998. La bioindication : applications dans notre région. Air Pur, 55: 23-25.
Van Haluwyn C, Cuny D, Garrec J-P. 2011. Introduction générale – Définitions, concepts et enjeux généraux de la biosurveillance de la qualité de lʼair. Pollution Atmosphérique, Numéro spécial : 7-13.