Centre interinstitutionnel

de recherche en écotoxicologie

C  I  R  É

 

Évaluation du potentiel toxique des effluents urbains

Responsables :

  • Montréal : Christian Gagnon, Environnement Canada
  • Gatineau : Daniel Cyr, INRS-Institut Armand-Frappier
  • Québec, Lévis : Patrice Couture, INRS-ÉTÉ
  • Laval : Pauline Brousseau, INRS-Institut Armand-Frappier
  • Saint-Laurent maritime : Jocelyne Pellerin, ISMER

L'accès à une eau potable de qualité et la préservation de cette ressource essentielle constitue l'un des défis majeurs du nouveau siècle. Le Québec possède par ailleurs l'une des plus importantes réserves d'eau douce de la planète et se doit de préserver cette richesse naturelle.
Généralement et en relation avec la taille des installations de traitement, le suivi des rejets se fait dans le but d'établir si la chaine de traitement est conforme avec les objectifs de traitement qu'impose le gouvernement du Québec.
Les paramètres de suivi évaluent principalement la Demande biologique en oxygène (DBO5), les matières en suspensions (MES), le phosphore total (Ptot), les coliformes fécaux et dans certains cas une exigence en azote ammoniacal (NH4) peut être également exigée. Ces paramètres peuvent paraître rudimentaires pour certains, toutefois les stations d'épuration à travers leurs procédés d'épuration feront un travail d'abattement supplémentaire.
Ainsi, une station de type physico-chimique (comme celle de Montréal) aura pour conséquence de diminuer la charge en métaux d'environ 50% mais n'aura aucun effet sur la charge organique dissoute. Une station d'épuration de type biologique (comme celles de Québec) aura quant à elle,  pour conséquence de diminuer substantiellement la charge organique dissoute (incluant les substances émergentes) dans ses eaux usées mais son efficacité au niveau de la diminution de la charge des métaux sera faible.
À la suite du programme d'assainissement des eaux du Québec, la qualité de ces divers plans d'eau s'est améliorée de façon substantielle. Il n'était pas rare, dans les années '60 de voir des milliers de poissons flottants et pourrissants laissant un environnement peu intéressant à tous ceux qui voulaient pratiquer des activités récréatives sur le fleuve Saint-Laurent ou encore de pratiquer de la randonnée sur les rives. Aujourd'hui, grâce aux interventions quotidiennes des municipalités en matière de traitement des eaux usées, les cours d'eau au Québec n'ont pu à subir des  rejets toxiques (toxicité aiguë).
 Une deuxième étape s'amorce au niveau des exigences environnementales de rejets, Il s'agit des rejets de substances dites émergentes. Ces dernières  ont des effets préoccupants et mesurables sur les organismes aquatiques. Il s'agit principalement des hormones, produits pharmaceutiques et des composés chimiques organiques complexes d'origines industriels.  Même si les installations de traitement des eaux usées municipales font l'objet de suivis rigoureux elles devront au cours des prochaines années modifier leurs chaines de traitements afin de répondre à de nouvelles normes environnementales.
La recherche vise donc a développer des méthodes et protocoles analytiques qui permettront d’évaluer la performance de stations d’épuration d’eaux usées municipales (une technologie d’assainissement), et à définir les connaissances scientifiques sur lesquelles peuvent être basés des procédés de traitement, des technologies et des pratiques de gestion novateurs.
De plus, la mise à niveau de ces installations dans les années à venir impliquera des investissements publics faramineux il est donc important d’assoir les choix de procédés sur des données solides d’évaluation écotoxicologique.
Si les classes de polluants majeurs identifiés à partir de la seconde moitié du siècle dernier (tels les métaux lourds et les composés organochlorés dont les tristement célèbres BPCs) font l'objet d'une attention toute particulière, de nouvelles substances ainsi que leurs métabolites apparaissent constamment dans l'environnement et sont susceptibles de représenter un risque écotoxicologique important.
Citons par exemple les xénoestrogènes (substances ayant un potentiel oestrogénique, c'est-à-dire capable d'induire une féminisation) présents notamment dans les rejets domestiques ainsi que de nombreux métabolites de produits pharmaceutiques. La plupart de ces composés ne sont pas pris en compte dans l'évaluation de la toxicité des effluents municipaux et ne font par conséquent l'objet d'aucune réglementation.
 L’ensemble de nos études faites dans le Saint-Laurent chez le mené queue à taches noires et la moule d’eau douce (Elliptio complanata) révèlent entre autre, que les effluents municipaux ont un potentiel toxique important pour les systèmes reproducteur et immunitaire (phénomène d’intersexe, perte de motilité des spermatozoïdes, baisse de l’activité de  phagocytose par les macrophages, etc.).
Suite à ces travaux des projets de recherche ont été mis en place avec la participation de différentes grandes villes du Québec.

 Ville de Montréal

Dans le cas des grandes métropoles comme Montréal, les volumes d’effluents sont extrêmement importants ce qui ajoute encore à la complexité de la problématique.  La totalité des eaux usées de Montréal est traitée par une seule station parmi les plus importantes au monde.
Afin d'aider à répondre aux multiples défis que pose le traitement d'un tel volume d'eaux usées et leur rejet dans l'environnement, le Centre Interinstitutionnel de Recherche en Écotoxicologie a développé un programme en partenariat avec la ville de Montréal et sa station d'épuration des eaux usées.
Le programme pour Montréal vise à préciser:
  •  La toxicité de l'effluent par expositions contrôlées de truites et de moules effectuées au Centre St-Laurent, à l'Université Concordia et à la station d'épuration des eaux usées de la ville de Montréal.
  • L'impact de procédés de désinfection sur la toxicité de l'effluent par expositions contrôlées de truites et de moules effectuées à la station d'épuration des eaux usées de la ville de Montréal.
  • Le comportement hydrodynamique de l’émissaire dans le fleuve par utilisation de données de contaminants et validation de modèles de comportement hydrodynamique du panache.
  • Le comportement et la dispersion des contaminants dans le fleuve par analyse chimique de l'eau, des sédiments et de tissus biologiques.
  • L'impact de l'effluent sur les populations d’organismes vivants dans le fleuve par un programme de suivi ichtyologique (indice de biodiversité, marqueurs de toxicité), de suivi de la population de menés queues à tache noire et de mises en cages de moules.
  • Les conséquences de la consommation de poissons exposés à des xénoestrogènes sur l’expression du profil génétique dans le foie, des compétences immunitaires et reproductrices du rat comme modèle des effets potentiels pour l'humain.
Le programme vise également à la mise en place du programme de suivi écotoxicologique pour la ville de Montréal. A cette fin et grâce à la collaboration et au soutien de la ville et du personnel de la station d'épuration, nous avons mis en place plusieurs installations au sein même de la station. Cette infrastructure permet la réalisation de projets de recherche de pointe qui servent directement les objectifs du programme et dont les applications se trouvent en prise directe avec la gestion des eaux usées.
L'expertise développée par le Centre Interinstitutionnel de Recherche en Écotoxicologie dans la gestion et l'évaluation de la toxicité des eaux de rejets d'une métropole telle que Montréal sera mise à profit pour d'autres villes.

 Ville de Gatineau

Ce projet avec la ville de Gatineau a débuté en 2001.
Trois sites ont été sélectionnés sur la Rivière Ottawa.
  • Un site de référence, Deep River localisé en amont des municipalités d’Ottawa et de Gatineau.
  • Un deuxième site, Rivière Blanche localisé en aval des effluents municipaux
  • Un troisième, Plaisance toujours en aval mais à une plus grande distance des effluents. Ce dernier site reçoit aussi les effluents de cinq papetières.
Les travaux effectués à date ont montré que les eaux de cette région sont fortement contaminées par des modulateurs endocriniens (ME). De plus des études de populations ont montré que les dorés jaunes femelles localisés dans les sites contaminés souffrent d’un retard dans leur maturation sexuelle évalué à environ de trois à quatre années. Ce sont ces facteurs qui ont amené les chercheurs sur la piste de la fonction thyroïdienne et les déiodinases chez ces poissons.
Cette étude est toujours en cours  afin :
  • d’obtenir et de valider des outils performants pour bien caractériser l’impact des ME sur les systèmes endocriniens et reproducteurs des poissons.

Ville de Laval

La ville de Laval compte trois usines d’épuration.
Deux localisées dans le nord de l’île (Auteuil, Fabreville) qui traitent des eaux provenant de secteurs résidentiels et une troisième localisée dans le sud est de l’île (Lapinière) qui traite les eaux provenant des secteurs industriel et hospitalier.
Cette dernière usine sera utilisée pour notre étude. Cette recherche préliminaire doit commencer à l’automne 2006 et se terminer à l’automne 2007.
A :  Auteuil
:  Fabreville
: Lapinière
Le programme peut se résumer ainsi :
  • Dans un premier volet nous allons faire l’analyse des contaminants.  Des analyses chimiques seront faites de l’effluent juste à la sortie de l’usine pour retracer entre autres des nonylphénols, des stéroïdes, des produits pharmaceutiques, des pesticides, de métaux lourds et des organochlorés.
  • Dans un deuxième temps, quelques produits seront sélectionnés et des prélèvements d’eau en rivière seront effectués afin d’évaluer le facteur de dilution.
  • Dans un troisième temps, ces effluents seront utilisés pour faire des expositions in-vitro de différents types de cellules provenant de mené queue à taches noires et la moule d’eau douce. Nous allons aussi procéder à des expositions in vivo, contrôlées en laboratoire et des expositions in situ. Les biomarqueurs déjà identifiés comme la phagocytose et des phénomènes comme l’intersexe seront suivis.
Suite à l’analyse des résultats obtenus, un projet de plus grande envergure pourra être envisagé.

 Villes de Québec et Lévis

La ville de Québec et les municipalités voisines, situées de part et d’autre du fleuve entre l’embouchure de la rivière Chaudière et l’Ile d’Orléans, représentent la dernière agglomération urbaine et industrielle d’importance le long du Saint-Laurent.
En plus des rejets locaux, la qualité de l’eau du fleuve à Québec est aussi potentiellement affectée par des polluants émis en amont a partir des Grands Lacs, de Montréal et des municipalités, zones agricoles et industrielles que drainent les tributaires du Saint-Laurent. La ville de Québec est dotée de deux usines de traitement des eaux usées récemment construites et qui offrent des traitements primaires et secondaires.
Elle traite les eaux usées municipales ainsi que celles de plusieurs industries qui sont reliées à son réseau d’égouts. Lévis (rive sud) ainsi que plusieurs industries majeures de la région sont aussi munies de leurs propres usines de traitement des eaux usées. Plusieurs municipalités de la région utilisent aussi le fleuve comme source d’eau pour la potabilisation.
Il est impératif pour la région de Québec que la nature et la charge des contaminants arrivant par l’amont, ainsi que de ceux rejetés localement dans le Saint-Laurent, soient caractérisées. Nous devons aussi déterminer les impacts de ces contaminants dans le milieu récepteur, tant pour la qualité de l’eau que pour les effets sur l’écosystème aquatique.
L’objectif à long terme du projet proposé est de diminuer les risques environnementaux que représentent les effluents municipaux résidentiels et industriels combinés en améliorant d’abord nos connaissances des classes de contaminants, de leur dispersion, de leur quantité et de leurs effets sur le milieu récepteur, pour ultimement tester puis proposer des améliorations ciblées aux infrastructures de traitement des eaux usées de la région de Québec et des environs. Le projet va débuter à l’automne 2006 pour se terminer à l’automne 2009.
 La recherche proposée se compose de quatre volets principaux : 
  • Étude du comportement hydrodynamique des effluents,
  • Détermination de la charge en contaminants chimiques des effluents,
  • Toxicité des effluents sur le tête de boule, le queue à taches noires et la moule d’eau douce en laboratoire,
  • Impacts des effluents sur le milieu récepteur : Contamination et santé d’espèces
  • sentinelles de poissons et d’invertébrés    benthiques.

Saint-Laurent maritime

Pour le Saint-Laurent, les caractéristiques physico-chimiques, la présence de courants et l'influence du phénomène de marée font de ce milieu un biotope extrêmement complexe.
Ces caractéristiques favorisent le développement d'une grande biodiversité souvent, malheureusement, mise en péril par la contamination des cours d'eau.
Les sites échantillonnés sont Rivière du Loup, Trois-Pistoles, Rimouski, Matane et Gaspé.
Les polluants véhiculés par les rivières se déversent dans le milieu marin, ce qui dans certains cas peut mener à une contamination importante de ces écosystèmes. Les estuaires sont en effet le théâtre de réactions chimiques complexes susceptibles de piéger les contaminants au niveau des sédiments. La présence de marais salant ajoute encore à la complexité de ces écosystèmes. De plus, ces milieux sont des sites privilégiés pour l'aquaculture, une activité économique actuellement en plein essor.
Les résultats de nos premières expériences démontrent que les xénobiotiques présents dans ces régions peuvent provoquer des modulations au niveau des systèmes immunitaire, endocrinien et reproducteur.
A l'interface de nombreux enjeux écologiques et économiques majeurs, le milieu estuarien est soumis à des pressions croissantes et il est essentiel d'en évaluer les impacts. Le Centre Interinstitutionnel de Recherche en Écotoxicologie, en partenariat avec le Ministère des pêches et Océans – Canada, le Centre spécialisé des pêches de Grande-Rivière, le Conseil de recherche en Pêches et en Agroalimentaire du Québec (CORPAQ), le Ministère de l'agriculture, des pêches et de l'alimentation du Québec (MAPAQ) et la ville de Rimouski, à développer un programme de recherche multidisciplinaire qui vise à:
  • Caractériser la contamination et déterminer la toxicité des sédiments de l'estuaire maritime du     Saint-Laurent.
  • Modéliser la dispersion des effluents de la région de Québec dans le fleuve en tenant compte de la marée.
  • Identifier et déterminer l'impact des pesticides présents dans les régions côtières du Saint-Laurent maritime.
  • Déterminer la charge en polluants dans l'effluent de la ville de Rimouski et le niveau d'exposition dans le panache, en particulier dans le marais salant de Pointe-au-Père.
  • Déterminer des sites d'étude des effets d'effluents municipaux et de bassins versants sur les écosystèmes des marais salants (Pointe-au-Père, L'Islet, Rivière-du-Loup, etc.).
  • Evaluer l'efficacité des stations d'épuration à éliminer les composés organiques complexes.
  • Évaluer le potentiel toxique de l'effluent de la ville de Rimouski avant son arrivée en zone subtidale par des mises en cage de moules d'eau douce dans les chicanes et sur le parcours de l'effluent.
  • Déterminer les effets toxiques de l'effluent de la ville de Rimouski sur l'environnement incluant les effets sur le marais salant de Pointe-au-Père et dans le panache de dispersion. Le suivi saisonnier des effets dans le panache de dispersion sera fait sur des moules bleues, des myes et des poissons en cage ainsi que sur des espèces résidentes d'étoiles de mer, de mollusques et de poissons.
  • Déterminer la qualité du milieu dans des sites d'élevage de moules.
  • Développer de nouveaux biomarqueurs adaptés aux organismes marins ainsi que les outils bio-analytiques afin de rendre opérationnelle une stratégie de monitoring et la mise en place d'un programme de suivi écotoxicologique.
Cette recherche nous permettra de faire avancer nos connaissances sur la composition et l'impact des rejets urbains et industriels dans le fleuve, et ultimement de développer des outils pour mieux quantifier ces effets et les réduire.

En développant ce programme d'étude des impacts de la pollution environnementale en milieu estuarien, le Centre Interinstitutionnel de Recherche en Écotoxicologie ouvre son champ de compétence vers la connaissance et la protection d'un des milieux les plus riches de la biosphère.

Publications

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 Aravindakshan, J., Paquet, V., Gregory, M., Dufresne, J., Fournier, M., Marcogliese, D., Cyr, D.G. 2004. Consequences of xenoestrogen exposure on male reproductive function in spottail shiners (Notropis hudsonius). Toxicological Sciences 78(1):156-65.
 Gagne F, Blaise C, Pellerin J, Pelletier E, Douville M, Gauthier-Clerc S, Viglino L. 2003. Sex alteration in soft-shell clams (Mya arenaria) in an intertidal zone of the Saint Lawrence river (Quebec). Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. Feb;134(2):189-98.
 Gagné, F., Fournier, M., Blaise, C. 2004. Serotonergic effects of municipal effluents: induced spawning activity in freshwater mussels. Fresenius Environmental Bulletin. 13, 1099-1103.
 Gagné, F., Bérubé, E., Fournier, M. Blaise C. 2005. Inflammatory properties of municipal effluent to Elliptio complanata mussels – lack of effects from anti-inflammatory drugs. Comparative Biochemistry and Physiology C Toxicol Pharmacol 141(4): 332-337.
 Gagné, F., Blaise, C., Fournier, M., Hansen, P.D. 2006. Effects of selected pharmaceutical products on phagocytic activity in Elliptio complanata mussels. Accepted in Comparative Biochemistry and Physiology.
 Gauthier C, Couture P, Pyle GG. 2006. Metal effects on fathead minnows (Pimephales promelas) Under field and laboratory conditions. Ecotoxicol Environ Saf., 63:353-64.
 Marcogliese, D., Gendron, A., Plante, C., Fournier, M., Cyr, D. 2006.  Parasites of spottail shiners (Notropis hudsonius) in the St. Lawrence River: effects of municipal effluents, habitat and biodiversity. Accepted in Canadian Journal of Zoology.
Picard-Aitken, M., Fournier, H., Pariseau, R., Marcogliese, D.J., Cyr, D. Thyroid disruption in walleye (Sander vitreus) exposed to environmental contaminants : cloning and use of iodothyronine deiodinases as molecular biomarkers. Journal of Molecular Biology (submitted).
Pyle GG, Rajotte JW, Couture P.,2005. Effects of industrial metals on wild fish populations along a metal contamination gradient. Ecotoxicol Environ Saf.,61:287-312.
Siah A, Pellerin J, Amiard JC, Pelletier E, Viglino L. 2003. Delayed gametogenesis and progesterone levels in soft-shell clams (Mya arenaria) in relation to in situ contamination to organotins and heavy metals in the St. Lawrence River (Canada).
Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. Jun;135(2):145-56.