Une découverte majeure sur le mode de dépollution naturelle des nappes phréatiques

La pollution des cours d’eau et des nappes phréatiques par les rejets agricoles, les nitrates notamment, a de lourdes conséquences sur l’environnement. En France, la communauté scientifique s’est largement mobilisée en 2017 autour du problème d’eutrophisation qui découle de cette pollution et affecte de nombreux écosystèmes aquatiques de la planète. Depuis, les travaux se poursuivent notamment pour mieux comprendre le fonctionnement des nappes phréatiques face à ces pollutions. Retour sur une avancée marquante en la matière, avec Gilles Pinay, biogéochimiste et directeur de recherche au centre Irstea de Lyon.

A la demande des ministères de l’agriculture et de l’environnement, vous avez piloté en 2017 une expertise collective sur l’eutrophisation1. Pouvez-vous rappeler les effets et les causes de ce phénomène et décrire l’état actuel de la situation ?

Gilles Pinay : Les dégâts causés par l’eutrophisation, tels que la prolifération d’algues parfois toxiques ou la perte de biodiversité, sont le résultat de près d’un siècle de déversement d’azote et de phosphore dans notre environnement. En cause : les rejets industriels, les rejets des ménages insuffisamment épurés par les stations d’épuration, mais aussi, et pour une grande part, l’agriculture qui a longtemps misé sur l’utilisation d’engrais azotés (nitrates) pour garantir de hauts rendements.
Des  mesures ont été prises pour freiner le processus (limitation des épandages de lisier, réduction des intrants...) mais, deux décennies plus tard et contrairement aux prédictions, la situation s’est peu améliorée. Un constat qui s’explique en partie par le rôle des nappes phréatiques dans le parcours de l’eau et de l’azote qu’elle transporte. Des études récentes ont en effet montré que de grandes quantités de nitrates demeurent dans les nappes après des années, voire des décennies. Ce nitrate ancien ressort progressivement dans les cours d’eau, ce qui limite l’impact à court terme des mesures mises en œuvre.

Vous venez précisément de contribuer à une étude sur le rôle des nappes phréatiques, et des formations géologiques dites aquifères dans lesquelles elles se trouvent, dans le processus de dénitrification2 des eaux. Publiée en janvier 2019 dans la revue PNAS3, cette étude a abouti à un résultat marquant. Pouvez-vous l’expliquer ?

Gilles Pinay : Nous savons que les nitrates contenus dans les eaux peuvent être dégradés par des bactéries particulières qui vivent dans les aquifères4 et qui sont capables, quand l’oxygène libre manque, de décomposer les molécules de nitrates pour utiliser l’oxygène libéré par cette réaction chimique. Notre but était de mieux comprendre cette capacité dénitrifiante et de l’évaluer. Pour cela, nous avons mis au point une méthode originale, qui associe la modélisation hydrogéologique, soit la simulation du parcours et du temps de résidence de l’eau dans l’aquifère, et l’utilisation de traceurs biogéochimiques (azote moléculaire, oxygène, nitrate, CFC, sulfate, qui circulent sous forme dissoute dans les nappes). Cette approche permet de reconstituer le parcours de l’eau dans les aquifères et d’analyser la répartition des zones dénitrifiantes.

Quels avantages concrets apporte aujourd’hui cette nouvelle méthode ?

Schema écoulement de l'eau
Représentation schématique des écoulements de l'eau dans les aquifères et dans les zones de dénitrification (en rouge). @Irstea

Gilles Pinay : A partir de prélèvements ponctuels via des puits et de l’analyse des indicateurs de suivi, il est désormais possible de localiser au sein des aquifères les zones dénitrifiantes, c’est-à-dire les zones à faible teneur en oxygène où les bactéries sont obligées d’utiliser l’oxygène des nitrates pour respirer. Précisément, nous pouvons définir si elles sont uniformément réparties dans l’aquifère, si elles se situent plutôt proches de la surface ou plutôt en profondeur. Ainsi, si on observe que les zones dénitrifiantes sont en surface, on peut déduire que les nitrates seront rapidement épurés car le chemin de l’eau jusqu’à ces zones sera court. Un tel aquifère sera donc relativement bien protégé de la pollution et efficace pour dépolluer l’eau avant son retour au cours d’eau. Inversement, si les zones dénitrifiantes se situent majoritairement dans les profondeurs de l’aquifère, le chemin de l’eau pour atteindre ces zones sera plus long et, de plus, toutes les eaux n’y passeront pas, laissant une partie ressortir sans avoir été épurée.
Ces informations sont essentielles car elles permettent d’une part de prédire le risque de pollution des nappes phréatiques, et d’autre part de déterminer, lorsqu’une nappe est déjà polluée, si elle pourra éliminer les nitrates et en combien de temps. Des données cruciales en termes d’aménagements : en identifiant les nappes les plus à risque, il devient possible de choisir celles qui sont les mieux adaptées pour les captages d’eau potable par exemple. 

Après cette importante avancée, quels seront vos prochains chantiers ?

Gilles Pinay : Comme nous venons de le voir, les nappes phréatiques jouent un rôle clé dans la qualité de l’eau, et d’autant plus pendant les périodes d’étiage où les cours d’eau atteignent leur niveau le plus bas et sont alimentés par les nappes. Au centre Irstea de Lyon, nous allons poursuivre nos travaux afin de mieux appréhender le parcours de l’eau - de surface et souterraine - dans les bassins versants à forte activité agricole dans le but de mieux comprendre les processus de détérioration et d’amélioration de la qualité de l’eau dans ces territoires. Un projet de développement méthodologique soumis actuellement à l’ANR et un projet sur la gestion des ressources quantitatives et qualitatives des têtes de bassins versants agricoles que nous sommes en train de déposer à l’Europe (H2020) devraient largement nous y aider.

En savoir plus


1- Réalisée par le CNRS, l’Inra, l’Ifremer et Irstea, l’expertise a été menée par une quarantaine d’experts de diverses disciplines, sur la base de l’analyse de plus de 4 000 publications scientifiques. Elle visait à dresser un état des lieux de l’eutrophisation, destiné à éclairer les pouvoirs publics dans le choix de leurs actions.
2- Décomposition des nitrates.
3- Kolbe T., de Dreuzy J.R., Abbott B.W., Aquilina L., Babey T., Green C.T., Fleckenstein J.H,Labasque T., Laverman A.M., Marçais J., Peiffer S., Thomas Z., Pinay G. Stratification of reactivity determines nitrate removal in groundwater. PNAS, jan 2019. 201816892;10.1073/pnas.1816892116.
4- Structures géologiques souvent hétérogènes, formées de roches fracturées, de cailloux ou de sables, au sein desquelles circulent les eaux souterraines.