Bioindicateurs du sol

Le sol est une ressource essentielle pour les sociétés humaines et les écosystèmes. Il abrite une multitude d'organismes interdépendants jouant des rôles importants dans son fonctionnement et dans les cycles biogéochimiques. Néanmoins bien que ces fonctions soient reconnues, l'identification et la mesure de ces fonctions ne sont que très peu étudiées. Ainsi des recherches sur la composante biologique des sols sont nécessaires pour améliorer notre compréhension de leurs fonctions et pour identifier des bioindicateurs, organisme (ou une partie d'un organisme ou une communauté d'organismes) renseignant sur l'état et le fonctionnement de l'écosystème « sol ».

Historique

L'ADEME a mis en œuvre un programme bioindicateurs dont les objectifs généraux sont de développer de nouveaux outils de surveillance, de caractérisation et d'évaluation des risques basés sur les propriétés biologiques du sol. La première phase du programme de 2004 à 2008 portant sur le développement a permis d'évaluer plus de 80 indicateurs biologiques, de l'état cellulaire aux populations, sur des végétaux, des animaux et des microorganismes et a réuni 39 équipes de recherche. A l'issue de cette première phase, une sélection en deux étapes a permis d'identifier les indicateurs les plus pertinents et opérationnels pour leur mise en œuvre sur le terrain lors de la seconde phase. Cette sélection a été effectuée indépendamment par les équipes réunies en groupes de travail par grand type d'organismes (microorganismes, végétaux et animaux) sur la base d'un consensus mais également par une équipe externe au programme par le biais de méthodes multicritères. Les critères retenus pour la sélection étaient à la fois scientifiques dépendant de l'indicateur (ex : variations spatiales et/ou temporelles connues, capacité à renseigner rapidement sur une modification du milieu, facilité à différentier les variations naturelles des perturbations/stress/contraintes induits par l'activité humaine) et techniques dépendant de la méthode (ex : normalisation, niveau de compétences, coût actuel, opérationnalité, base de données disponible pour interpréter les résultats).

La seconde phase du programme ayant débuté en 2009 a pour objectif de mettre en œuvre tous les outils biologiques sélectionnés sur les mêmes sites ateliers (site agricole, site forestier et site contaminé) et de valider leur utilisation en fonction de la problématique étudiée (surveillance, caractérisation biologique, étude de risques...).

Cette validation consistera sur une douzaine de sites à :

  1. calibrer l'outil, c'est-à-dire graduer l'outil (connaître l'amplitude des réponses à la présence d'un toxique ou à une modification du sol telle que le tassement, le changement d'usage, l'acidification...),
  2. connaître la sensibilité de l'outil (distinguer les réponses liées aux variations naturelles des réponses liées à un toxique ou à une modification du sol),
  3. connaître les limites d'utilisation de ces outils (certains outils seront plus adaptés pour mettre en évidence un impact lié la présence de polluants et d'autres à un changement d'usage),
  4. élaborer un premier référentiel permettant de faciliter l'interprétation des données,
  5. juger de la possibilité d'utiliser des résultats issus de la biosurveillance des sols dans le cadre de la modélisation des transferts de contaminants et de l'évaluation des risques.

Méthode de mesure de l'indicateur MacroFaune en forêt

 Méthode de mesure de l'indicateur MacroFaune en forêt

Rôle de l'OPE

L'Observatoire Pérenne de l'Environnement s'est donc associé à l'ADEME et à l'Université de Rennes 1 afin de participer à la seconde phase du programme en mettant en œuvre cette batterie de bioindicateurs sélectionnés sur trois stations instrumentées en forêt (hétraie), prairie et grande culture dans un même contexte climatique et sur un même type de sol (calcolsol peu profond 40-70cm de profondeur).

L'objectif pour l'OPE est d'établir un état de référence exhaustif de la composante biologique des sols au sein de ces trois stations « représentatives » de la zone d'observation, complémentaire des indicateurs biologiques déployés au sein du réseau d'observation de la qualité des sols bénéficiant d'une couverture spatiale plus importante mais d'un nombre plus réduit d'indicateurs.

Pour l'ADEME et l'Université de Rennes, l'intérêt est de disposer de situations de référence témoin supplémentaires en milieu naturel et agricole non contaminé mais aussi d'évaluer la sensibilité des indicateurs à l'occupation du sol (toutes choses égales par ailleurs, notamment conditions climatiques et pédologiques).

Méthode de mesure de l'indicateur vers de terre en forêt

 Méthode de mesure de l'indicateur vers de terre en forêt

 

Bioindicateurs

Les bioindicateurs retenus pour leur mise en œuvre :

  • Indicateurs de diversité bactérienne de structure (obtenue par des techniques de biologie moléculaires) et de fonction (obtenue par des techniques métaboliques globales de type respiration ou par le suivi d'activités enzymatiques spécifiques) (tableau 1)
Tableau 1. Indicateurs basés sur la microflore du sol retenus pour la seconde phase du programme
Type d'indicateursDescription des indicateursLaboratoire impliqué
Indicateurs de quantité Globaux Extraction et quantification de l'ADN total*

Biomasse fongique

Biomasse bactérienne et pseudo cultivable

Biomasse bactérienne / fongique PLFA*

ESITPA

INRA Versailles-Grignon

Université de Rouen

INRA Dijon

Non globaux Pseudomonas cultivables/non-cultivables (par qPCR) qPCR16s et qPCR18s
Indicateurs d'activité Activités enzymatiques (déshydrogénase, phosphatases acides et alcalines, ß-glucosidase, ß-galactosidase, N-acétylglucosaminidase, arylsulfatase, arylamidase, uréase, cellulase/xylanase, phénoloxydase, phospho di/tri-estérase) ESITPA

INRA Versailles-Grignon

Université de Provence

Diversité fonctionnelle (Biolog et essai multi-enzymatique*)

Université de Provence

ESITPA

Potentiel de minéralisation de C et N INRADijon

Université de Provence

Indicateurs de structure génétique PCR-TTGE CNRS Nancy
PCR-Empreinte ARISA INRA Dijon

*en cours de normalisation à l'ISO TC 190-Qualité des sols

  • Indicateurs de diversité des populations d'invertébrés du sol (macrofaune totale, lombriciens, nématodes, collemboles) (tableau 2)
Tableau 2. Indicateurs basés sur la faune du sol retenus pour la seconde phase du programme
Type d'indicateursDescription des indicateursLaboratoire impliqué
Global Indicateur global de la qualité des sols basé sur la macrofaune totale et sur des données physico-chimiques (IGQS) IRD Bondy
Mesure des communautés Macrofaune* IRD Bondy
Nématofaune totale et phytoparasitaire IRD Montpellier
Mésofaune (collemboles et acariens) ENSAIA Nancy
Lombriciens Université de Rennes I
Mesure sur des individus Biomarqueurs moléculaires mesurés sur lombriciens (métallothionéines) Université de Lille
Bioaccumulation passive et active chez l'escargot Université de Franche-Comté

*en cours de normalisation à l'ISO TC 190-Qualité des sols

  • Indicateurs d'exposition des populations végétales (tableau 3)
Tableau 3. Indicateurs basés sur la flore du sol retenus pour la seconde phase du programme
Type d'indicateursDescription des indicateursLaboratoire impliqué
Effets individuels Lipides foliaires Université de Bordeaux II
Teneurs en acides aminés libres IUT Clermont Ferrand
Bioaccumulation des ETM ENSM Saint-Etienne

Tous ces indicateurs seront mesurés sur les sites de l'Andra. En plus de ces bioindicateurs, des métriques paysagères seront calculées sur chaque site afin de prendre en compte l'influence potentielle de l'environnement des sites sur les indicateurs biologiques (en effet, l'importance de la fragmentation du paysage peut parfois expliquer la répartition et l'abondance de la diversité des organismes).

Les sites ateliers

Différents sites ateliers ont été sélectionnés en fonction de différents critères : thématique d'étude, accès libre, pas de modification de l'usage pendant 3 ans, existence de données sur le site pour positionner les zones de prélèvement, antériorité de mesures de type bioindicateurs... Le tableau 4 présente les 12 sites initiaux ainsi retenus en fonction de leur usage, de leur niveau de contamination. Certains sites couvrent plusieurs contextes pédologiques ou d'usage des sols (ex : Metaleurop, Auzon, bassin versant normand) et feront l'objet de plusieurs zones de prélèvements.

Dans le cadre de sa collaboration avec l'ADEME et l'Université de Rennes 1, l'Andra met à la disposition des différentes équipes les sites des trois stations de suivi de son Observatoire pérenne de l'environnement : parcelle sous prairie, sous culture et sous forêt. Les données acquises sur ce dispositif de trois parcelles avec un même type de sol avec des occupations complémentaires viendront enrichir le programme, notamment dans le cadre de la validation des bioindicateurs (calibration, sensibilité, échelle de référence) dans un contexte faiblement contaminé.

La figure 1 présente la localisation des différents sites.

Carte du réseau de sites du programme bioindicateurs

Figure 1. Localisation des différents sites atelier du programme Bioindicateur.

Tableau 4. Liste des sites ateliers retenus – Contexte et niveau de contamination des différents sites
Usage

Nom du site

Gestionnaire

ThématiqueNiveau de contaminationNb*
Agricole

Thil

ISARA Lyon

Site expérimental en agriculture biologique et effet du labour Faible 4

Gotheron

INRA Aix

Site expérimental en verger (différentes protections phytosanitaires) Faible à forte 6

Feucherolles

INRA Versailles-Grigon

Site expérimental d'épandage de déchets Faible 5

Bassin versant en Normandie

Université de Rouen

Parcelles sous culture et sous prairie Faible à moyenne (liée à la contamination diffuse en HAP par la proximité du port autonome de Rouen) 6
OPE Andra Parcelles sous culture et sous prairie (Haute-Marne) Faible 2
Milieu naturel** PS 76 Pin sylvestre (Seine-Maritime) Faible à moyenne (liée à des retombées atmosphériques) 1
EPC 08 Epicéa (Ardennes) 1
SP 57 Sapin (Moselle) 1
EPC 63 Epicéa (Puy-de-Dôme) 1
Station OPE - Andra "sol brun calcique" Hêtre (Meuse) 1
Sol contaminé***

MetalEurop

ISA Lille

Plusieurs paysages et usages des sols Faible à forte (liée à la contamination diffuse des sols par des éléments traces suite à l'exploitation d'une fonderie) 8

Auzon

IUT Clermont Ferrand

Ancienne usine de production des phytosanitaires Faible à forte (liée à la contamination locale en As) 8

Crassier métallurgique stéphanois

ENSM St-Etienne

Crassier plus ou moins recolonisé par des végétaux Faible à forte (liée aux dépôts plus ou moins anciens de déchets métallurgiques) 3

GISFI

CNRS Nancy

Contamination en HAP sous atténuation naturelle Faible à forte 2

* Nombres de zones de prélèvements.

** Les sites « milieu naturel » correspondent à des placettes forestières du réseau RENECOFOR (Réseau National de suivi à long terme des ECOsystèmes FORestier) sous la gestion de l'Office National des Forêts (excepté pour le site OPE-Andra). Ces parcelles ont été choisies en fonction de leur proximité avec les autres sites agricoles ou anthropisés étudiés.

***Sur chaque site contaminé, différentes zones de prélèvement ont été identifiées, présentant des gradients de concentration permettant notamment de définir une zone dite « témoin ».

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