Colloque de restitution scientifique ECCO

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Agathe Malenfant
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1 Rôle de la faune aquatique sur le fonctionnement des interfaces eau-sédiment impactées par des sédiments issus du ruissellement des eaux pluviales en milieu urbain MERMILLOD-BLONDIN F. 1, NOGARO G. 1, MONTUELLE B. 2, BEDELL J.-P. 3, BOISSON J.C. 3, LAFONT M. 2, FRANÇOIS- CARCAILLET F. 4, GAUDET J.-P. 5, POGGIALE J.-C. 6, GIBERT J. 1 1 UMR-CNRS 523 LEHF, Université Lyon I 2 CEMAGREF, Groupement de Lyon 3 LSE, ENTPE 4 UMR-CNRS 5119 Ecosystèmes Lagunaires, Université Montpellier II 5 UMR-CNRS 5564 LTHE, Université de Grenoble 6 UMR-CNRS 6117 LMGEM, Université Aix-Marseille II Colloque de restitution scientifique ECCO

2 Participants au projet ECCO LSE, ENTPE, Vaulx en Velin Diversité microbienne CEMAGREF Lyon Activités microbiennes, Détermination des invertébrés UMR-CNRS 523 LEHF Expérimentations Analyses physicochimiques et biologiques UMR-CNRS 5564 LTHE, Grenoble Expertise en hydrologie UMR-CNRS 6117 LMGEM, Marseille UMR-CNRS 5119 Ecosystèmes Lagunaires, Montpellier Modélisation de la bioturbation et des flux biogéochimiques

3 Problématique Importance des interfaces eau - sédiment dans les processus biogéochimiques Eau O 2, 2, NO 3-, NH 4+, PO Dégradation de la matière organique s fins déposés Réduction de la perméabilité Perturbation des échanges eau - sédiment

Cas des systèmes de collecte en eau pluviale Exemple de système colmaté : bassin d infiltration d eau pluviale Eaux pluviales nutriments, polluants

invertébrés Surface imperméable Carbone organique : 5,2 8, % de sed sec Hydrocarbures : 596-676 mg.kg -1 de sed sec Cadmium : 4,88-5,18 mg.

4 Cas des systèmes de collecte en eau pluviale Exemple de système colmaté : bassin d infiltration d eau pluviale Eaux pluviales nutriments, polluants organiques et métalliques hétérogène urbain pollué Processus biogéochimiques? invertébrés Surface imperméable Carbone organique : 5,2 8, % de sed sec Hydrocarbures : mg.kg -1 de sed sec Cadmium : 4,88-5,18 mg.kg -1 de sed sec Plomb : 163,2 188,2 mg.kg -1 de sed sec Cuivre : ,4 mg.kg -1 de sed sec Zinc : mg.kg -1 de sed sec Perméabilité du système? Limitation de l infiltration Infiltration Nappe phréatique Processus de bioturbation

5 Objectifs Influence des sédiments issus du ruissellement pluvial en milieu urbain sur le fonctionnement d un système en infiltration (type bassin d infiltration d eau pluviale - rivière périurbaine) Influence de deux groupes d invertébrés présentant des activités différentes dans les sédiments sur le fonctionnement (colmatage, processus biogéochimiques) du système Importance des interactions entre les invertébrés sur les processus : le couplage des deux invertébrés a-t-il une influence significative sur le fonctionnement du système?

6 Plan expérimental Influence d un apport en matière organique (MO) et en polluants MANIP 1 Milieu perturbé (+sédiments urbains) MANIP 2 Milieu sain MANIP 3 Milieu sain Enrichi en MO Sans faune Influence de la faune + Vers Tubificidés + Larves de Chironomes + Vers et Chironomes = 12 Unités Expérimentales = 12 UE = 12 UE

7 Unité expérimentale et paramètres mesurés Eau synthétique + nitrates et acétate Pompe péristaltique Remaniement sédimentaire : Luminophores Apport de sédiment en surface 2 cm + 5 cm -1 cm Mesure de charge hydraulique 3-6 cm -5 cm Eau libre et interstitielle - Activités et diversité microbiennes, nombre de bactéries totales et actives -C, N, P - HAP, métaux lourds cm cm - 15 cm - 25 cm - NO 3-, NO 2-, NH PO COD - O 2 - HAP, métaux lourds Début et Fin d expérience : Traçage de l eau

8 Matériel utilisé 3 colonnes témoins sans organisme 3 colonnes avec 8 larves de chironomes Apport de sédiment en surface 1 mm (d après FITTER & MANUEL, 1994) 3 colonnes avec 16 oligochètes tubificidés hétérogène 5 mm (d après FITTER & MANUEL, 1994) 3 colonnes avec 4 chironomes + 8 oligochètes

9 Caractéristiques des sédiments utilisés Paramètres urbain sain organique Carbone organique (g/kg) 5-6 g/kg 1-2 g/kg 6-7 g/kg Azote total (g/kg) 3 g/kg <,5 g/kg 1,1 g/kg Phosphore total (g/kg) 1,1 g/kg,34 mg/kg,4 mg/kg Métaux lourds (mg/kg) 2,7 mg/kg de Cd 11 mg/kg de Pb 26 mg/kg de Zn 75 mg/kg de Cu <,2 mg/kg de Cd < 5 mg/kg de Pb < 25 mg/kg de Zn < 6 mg/kg de Cu HAP (mg/kg) ex : 2,5 mg/kg de Fluoranthène non détecté non détecté Pourcentage de particules inférieures à 1 µm (% en volume) % % %

10 Impact des sédiments urbains : colmatage Entrée d eau Charge hydraulique = différence de niveau d eau (en cm) Charge hydraulique (en cm) Temps (jours) Sortie d eau Perméabilité calculée : 18 cm / h Perméabilité calculée :,33 cm / h

11 Impact des sédiments sur les profils en O 2 Profondeur (cm) -1-2 Concentration en oxygène (mg/l) Eau libre Consommation en O 2 de à 5 cm (en mg / jour) «urbain» sain «pauvre en MO» «organique»

12 Impact des sédiments sur les profils en NH 4 + Concentration en NH 4+ (mg/l),2,4,6,3 Production de NH 4 + de à 25 cm (en mg / jour) Profondeur (cm) -1-2 Eau libre,2,1 «urbain» sain «pauvre en MO» «organique»

13 Rôle des invertébrés : colmatage Colmatage (charge hydraulique en cm) Ajout de la faune Temps (jours) Perméabilités calculées :,22 cm / h,33 cm / h 17,7 cm / h Témoins Chironomes Oligochètes

Rôle des invertébrés : bioturbation Colonne témoin Colonne avec

larves de chironomes Galeries produites par les vers tubificidés

profondeur par les vers contre 12 % par les chironomes -

14 Rôle des invertébrés : bioturbation Colonne témoin Colonne avec chironomes Colonne avec oligochètes Tubes en U produits par les larves de chironomes Galeries produites par les vers tubificidés REMANIEMENT SEDIMENTAIRE : - 4 % de luminophores enfouis en profondeur par les vers contre 12 % par les chironomes - luminophores retrouvés à 4-5 cm de profondeur avec les vers contre 2 cm avec les chironomes

15 Rôle des invertébrés sur l oxygène Profondeur (cm) Concentration en oxygène (mg/l) Eau libre «urbain» Profondeur (cm) Concentration en oxygène (mg/l) Eau libre sain «pauvre en MO» Concentration en oxygène (mg/l) Témoins Chironomes Oligochètes Profondeur (cm) -1-2 Eau libre «organique»

16 Rôle des invertébrés sur la minéralisation (remise en solution d ammonium) Concentration en NH 4+ (mg/l),1,2,3,4,5 Concentration en NH 4+ (mg/l),1,2,3,4,5 Profondeur (cm) -1-2 Eau libre «urbain» Profondeur (cm) -1-2 Eau libre sain «pauvre en MO» Concentration en NH 4+ (mg/l),1,2,3,4,5 Témoins Chironomes Oligochètes Profondeur (cm) -1-2 Eau libre «organique»

17 Rôle des invertébrés sur la remise en solution de polluants [HAP] (ng/l) Témoins Chironomes Oligochètes Naphtalène 65,7 ± 5,8 54,3 ± 16,9 57,3 ± 9, Acénaphtène 16,3 ± 2,1 14,7 ± 1,5 16, ± 1, Fluorène ND 3,3 ± 5,8 ND Phénanthrène ND ND ND Anthracène ND ND ND Fluoranthène ND ND ND Benzo (b) fluoranthène ND ND ND Benzo (k) fluoranthène ND ND ND Benzo (a) pyrène ND ND ND Benzo (ghi) pérylène ND ND ND Indéno (1,2,3 cd) Pyrène ND ND ND Chrysène ND ND ND Dibenzo (a,b) anthracène ND ND ND Pyrène ND ND ND Benzo (a) anthracène ND ND ND [Métaux lourds] (mg/l) Témoins Chironomes Oligochètes Cadmium,18 ±,,18 ±,,16 ±,3 Plomb,15 ±,4,17 ±,1,13 ±,4 Zinc,2 ±,,3 ±, ND Cuivre ND ND ND ND = Non Détecté

18 Rôle des interactions entre invertébrés dans les sédiments urbains Concentration en oxygène (mg/l) Concentration en NH 4+ (mg/l) ,1,2,3,4,5 Profondeur (cm) -1-2 Eau libre Chironomes Oligochètes Profondeur (cm) -1-2 Eau libre Chiros + Oligos «urbain» Résultats comparables pour l ensemble des processus mesurés et des sédiments testés

19 Conclusions Les sédiments issus du ruissellement urbain conduisent en un colmatage et une eutrophisation (appauvrissement en oxygène, relargage d ammonium mais aussi de phosphore et de carbone organique dissous) du milieu sédimentaire. Les vers tubificidés maintiennent la conductivité hydraulique du milieu sédimentaire par création de galeries traversant la couche de sédiments colmatés. Flux d eau Processus O 2 microbiens réduits O 2 phénomènes d anoxification O 2 Processus microbiens (respiration aérobie, nitrification, dénitrification, )

20 Conclusions L action des vers tubificidés sur la perméabilité ne s accompagne pas d une remise en solution de métaux et d hydrocarbures dans le système (dans nos conditions expérimentales). Les invertébrés peuvent produire une stimulation de la dégradation de la matière organique accumulée dans le milieu sédimentaire. Cette stimulation dépend toutefois de la qualité des sédiments déposés. Les interactions entre invertébrés n ont pas d effet significatif sur les processus mesurés.

Conclusions : effet des vers sans flux vertical eau surnageante sédiment galeries Respiration en O 2 (mg par jour) 14

21 Conclusions : effet des vers sans flux vertical eau surnageante sédiment galeries Respiration en O 2 (mg par jour) Relargage de NH 4 + (mg par jour) 1,25 1,,75,5,25 Mermillod-Blondin et al. (25) témoin avec vers tubificidés

22 Perspectives Traitement des données (diversité microbienne, Biolog, traçage de l eau au bromure) Développement d un modèle couplant hydrodynamisme, processus de respiration et action de la faune. Importance des invertébrés sur le colmatage dans des conditions de charge constante en eau et avec des hauteurs variables en sédiment urbain. Travaux sur d autres systèmes expérimentaux (ex. : rivières artificielles).

23 Co-financements Programme ACI-ECCO «Ecosphère Continentale : Processus et Modélisation» de l INSU Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU) Programme Thématique «Développement Durable» de la Région Rhône-Alpes

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