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Caractérisation et quantification dans les eaux souterraines

Micropolluants : la lutte s'intensifie Actu-Environnement.com - Publié le 28/11/2016
Micropolluants : la lutte s'intensifie  |    |  Chapitre 8 / 11
Caractérisation et quantification dans les eaux souterraines
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Quels sont les micropolluants dits "émergents" dans les eaux souterraines ? Comment identifier et quantifier ces substances dans le milieu naturel ? Quels sont leur comportement et leur devenir dans les milieux aquatiques ? Face à toutes ces interrogations, le BRGM se positionne depuis de nombreuses années comme un acteur de premier plan, dont les capacités d'innovation sont aujourd'hui particulièrement prometteuses. Notamment en matière de métrologie.

Cosmétiques, lessives, pesticides, molécules pharmaceutiques, métaux lourds, nanoparticules, explosifs (tel le perchlorate), produits industriels, agricoles ou de consommation… Toutes ces substances peuvent se retrouver dans le milieu naturel et entraîner des contaminations chimiques des eaux souterraines. D'où la nécessité de les identifier, de les quantifier et de caractériser les processus qui régissent leur comportement dans l'environnement.

Fort de son expertise pluridisciplinaire en matière de géosciences, le BRGM, service géologique national, étudie l'occurrence de certaines de ces substances à l'échelle de l'Hexagone, développe des outils analytiques de pointe et caractérise les processus (bio)géochimiques qui régissent leur comportement dans l'environnement. Avec l'objectif d'atténuer la pression globale sur les ressources en eau, notamment les eaux souterraines, destinées à la consommation d'eau potable ou aux besoins agricoles et industriels.

Grâce à l'amélioration constante des techniques de prélèvement et d'analyse (spectrométrie de masse, échantillonnage passif, traçage isotopique…), le BRGM a d'ores et déjà mis en évidence de nouvelles classes de substances, plus particulièrement des produits pharmaceutiques, produits de soins et des métabolites de pesticides, à des concentrations très faibles. Leur quantification est désormais possible même dans des "cocktails" complexes de polluants présents dans certains milieux contaminés. Le BRGM a par exemple déjà pu rechercher des médicaments et métabolites dans les eaux souterraines en Alsace et dans le Loiret, ou rechercher des métabolites de pesticides en Ariège.

Des micropolluants qui restent à identifier

Si, en Europe, l'évaluation de l'état chimique des masses d'eau est définie par la Directive cadre sur l'eau et ses directives filles sur les eaux de surface et les eaux souterraines, qui édictent des normes de qualité pour des substances prioritaires et certains autres polluants, de nombreux composés sont toujours non réglementés. Le BRGM mène des travaux sur ces substances dites "émergentes" et développe dans ce but des outils analytiques pour mieux les identifier et améliorer leur quantification, ainsi que des recherches sur les processus biologiques et physico-chimiques qui régissent leur comportement dans l'environnement. Le BRGM est à ce titre impliqué dans des projets européens comme NanoHeter et NanoRem, pour mieux appréhender le comportement des nanoparticules dans l'environnement, ainsi que les interactions avec les autres composés naturels ou anthropiques. Le BRGM a également contribué à une campagne nationale de recherche de 411 contaminants émergents, sur 494 sites en eau souterraine. Avec quelques résultats chocs : sur un seul site, il est arrivé d'identifier 180 substances !

L'expertise analytique, le BRGM la partage avec les autres membres du consortium Aquaref, laboratoire national de référence soutenu par l'Office national de l'eau et des milieux aquatiques (Onema) pour la surveillance des milieux aquatiques : l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer), l'Institut national de l'environnement industriel et des risques (Ineris), l'Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (Irstea) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE). Avec ces partenaires, il a démontré sa capacité technique et scientifique à répondre à des questions critiques pour la surveillance des milieux aquatiques tant en chimie qu'en hydrobiologie pour satisfaire aux besoins de surveillance générés par la DCE. Aquaref a notamment pour mission d'élaborer 31 des recommandations techniques relatives aux processus de mesure, de prélèvement et d'analyse afin de fiabiliser la qualité des données de surveillance, de proposer de nouvelles méthodologies d'échantillonnage ou d'analyse afin de contribuer à faire évoluer les conditions de la surveillance des masses d'eaux et d'apporter une aide aux pouvoirs publics au sein des groupes d'experts techniques européens.

Innovations métrologiques

Parmi les enjeux identifiés par le BRGM comme prioritaires - et pour lesquels il investit fortement et développe des technologies innovantes - on trouve les questions relatives à l'amélioration des méthodes d'analyse de composés organiques. C'est ainsi que le service géologique national a doté ses laboratoires d'un outil de spectrométrie de masse haute-résolution, dit "à temps de vol" (fondé sur l'accélération des ions et l'analyse de leur vitesse) : il peut désormais détecter dans les eaux des molécules non encore identifiées, en vue d'un suivi adapté, ouvrant du même coup un champ nouveau dans la recherche et le suivi des polluants émergents.

Cet outil, également appelé LC-Q-TOF, pour Liquid chromatography/time-of-flight/mass spectrometry, provoque un véritable changement de paradigme en terme de screening environnemental : il permet non seulement de trouver et d'étudier dans des échantillons d'eau les molécules que l'on connaît, mais également celles que l'on ne connaît pas pour définir, après traitement statistique, les plus fréquentes, puis les caractériser voire les identifier.

Et toujours en matière de métrologie, le BRGM met en oeuvre des procédés d'échantillonnage passif, qui permettent d'atteindre des limites de détection très basses et d'améliorer la représentativité de la mesure. Avec, là encore, de nouvelles perspectives. Ces techniques, dites DGT, SPMD ou encore POCIS, pour Polar Organic Chemical Integrative Samplers, ciblent des polluants métalliques ou organiques polaires (composés ayant une affinité avec l'eau et qui se répandent par ce vecteur) ou apolaires. Chaque support contient un adsorbant adapté au piégeage spécifique d'un type de contaminant, qui est retenu et accumulé. L'échantillonneur passif va ainsi permettre de détecter le polluant même à des niveaux très faibles (on parle d'infra-traces), et améliorer la précision des mesures pour les flux de contaminants dans les eaux superficielles ou souterraines.

C'est dans le cadre d'un projet Agence locale de la Recherche (ANR) que le BRGM s'est particulièrement intéressé à la problématique spécifique de la surveillance des eaux souterraines avec les POCIS, afin de mesurer le niveau de fiabilité (et les limites) de ces échantillonneurs (travaux de calibration et de validation en laboratoire et sur différents sites). Avec de bons résultats sur le plan qualitatif : dans les milieux déjà connus, les POCIS ont produit des informations plus complètes que les analyses classiques ; et ailleurs, les échantillonneurs ont permis de détecter des polluants à très faible concentration, validant leur caractère "d'alerte" d'une pollution et de son évolution.

Dans le cadre d'un projet Investissements d'avenir intitulé Critex, le BRGM est en charge du développement d'un prototype d'échantillonneur des eaux souterraines couplant des prélèvements profonds et des méthodes d'échantillonnage passif (DGT et POCIS). Dans le cadre de l'étude de la zone critique (0-100m), ce système de prélèvement intégratif en forage permettra d'avoir accès à des mesures isotopiques dans les eaux souterraines en intégrant temporellement le signal afin d'étudier les échanges eau-roche ou les apports anthropiques. Ces échantillonneurs sont pressentis pour jouer un rôle dans la mise en oeuvre des programmes de surveillance prévus par la DCE. A ce titre, des campagnes de démonstrations large échelle vont être mises en place dès 2017 ainsi que des transferts technologiques vers les opérateurs de la surveillance.

Jean Philippe Ghestem et Philippe Négrel, respectivement chef de projet BRGM - Unité Chimie Environnementale - Direction des laboratoires, Membre du comité scientifique et technique d'Aquaref et directeur adjoint de la Direction des laboratoires BRGM

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