En
guise d'introduction:
Le Centre d'Hydrogéologie et le Laboratoire de microbiologie
de l'Université de Neuchâtel collaborent depuis plusieurs
années au développement de nouveaux traceurs biologiques
pour l'hydrologie et l'hydrogéologie. L'utilisation des
traceurs artificiels pour estimer la nature, la direction et la
vitesse des écoulements ne date pas d'aujourd'hui. Mais
malgré l'expérience actuelle ainsi que le grand
nombre de traceurs chimiques disponibles, les spécialistes
de l'eau sont encore à la recherche de nouvelles substances
favorables à l'environnement.
Les traceurs hydrogéologiques:
Il n'existe à l'heure actuelle que relativement peu de
substances qui pourraient être qualifiées de traceur
idéal. Avant de pouvoir être qualifiée de
la sorte, une substance chimique ou des particules en suspension
doivent répondre à un certain nombre d'exigences
très strictes.
Un bon traceur doit être pratiquement semblable à
l'eau: bien s'y mélanger et posséder une densité
très proche. Il doit être détectable à
de très faibles concentrations par des procédés
simples et bon marché. Il doit être dépourvu
de toute toxicité et ne doit pas polluer l'environnement.
Il ne doit pas entrer en interaction avec ce dernier (adsorption).
Par contre, il doit être stable, sans pour autant produire
un "effet de mémoire" dans les aquifères.
Ces
exigences sont sévères et il n'est donc pas étonnant
que les traceurs qui arrivent à satisfaire ces conditions
sont en nombre très limité. Ceci est particulièrement
ennuyeux lors de la planification de multitraçages, où
un grand nombre de traceurs doivent être injectés
simultanément.
Les traceurs biologiques se différencient essentiellement
des solutions chimiques employées couramment par le fait
qu'ils sont présents dans l'eau sous la forme de particules
microscopiques en suspension (colloïdes). Les traceurs particulaires
biologiques (spores, bactéries et virus) sont composés
d'organismes, vivants ou morts, dont la taille s'échelonne
de quelques dizaine de nanomètres à plusieurs micromètres.
Un impact le plus faible possible sur l'environnement est la condition
essentielle à laquelle ces traceurs doivent répondre
avant leur utilisation en milieux souterrains ou de surface.
Qu'est-ce qu'un bactériophage ?
Le terme de bactériophage, ou plus simplement phage, désigne
les virus de bactéries. Comme c'est le cas pour tous les
virus, les bactériophages sont incapables de se multiplier
de manière autonome. Ils doivent s'intégrer physiquement
à un hôte spécifique, dans le cas présent
une bactérie-hôte, dont le métabolisme est
détourné au profit de leur multiplication intracellulaire.
Les bactériophages envahissent donc uniquement et spécifiquement
des cellules bactériennes (bactériophage signifie
littéralement "qui se nourrit de bactéries").
Les bactériophages apparaissent dans le monde bactérien
dans son l'nnsemble. La diversité des lieux dans lesquels
on peut trouver des phages est associée à des quantités
parfois très impressionnantes de particules virales dans
les échantillons étudiés. Le travail de Børsheim
montre que les concentrations de particules virales dans l'eau
de mer et les eaux douces varient de 10E3 à 10E7 par ml.
Elles peuvent même atteindre 4,6*10E8 particules virales
par ml, record absolu observé dans le courant du Gulf stream.
La taille des bactériophages varie de quelques dizaines
à quelques centaines de nm. Ils sont composés d'une
structure protéique complexe variant beaucoup d'un phage
à l'autre. Cette structure est parfois encore recouverte
d'un manteau lipidique. Tous les phages sont pourvus d'une capside
(une tête) renfermant le matériel génétique
(de l'ADN double brin dans plus de 95 % des cas). Cette capside
est un assemblage de sous-unités protéiques appelés
capsomères qui forme une structure géométrique
complexe (icosaèdre ou filament). Certains phages sont
pourvus d'une queue (plus ou moins longue et souple, parfois même
rétractile) à l'extrémité de laquelle
sont placés les sites de reconnaissance de la cellule hôte.
Diverses fibres et spicules viennent compléter la structure
selon les cas.
Des bactériophages en tant que traceurs hydrologiques:
Les bactériophages sont certainement les traceurs hydrologiques
les mieux adaptés parmi tous les traceurs biologiques envisageables.
Par leur petite taille, de l'ordre de 10 à 100 nm, ils
sont à l'échelle des virus d'organismes eucaryotes.
Mais au contraire de ceux-ci, ils sont non pathogènes pour
l'homme, les animaux et les plantes. Ils sont non toxiques et
un choix approprié des systèmes phages / bactéries-hôtes
évite tout risque sur la microflore de l'aquifère.
Ces traceurs particulaires sont totalement invisibles, quelles
que soient les concentrations.
Un autre atout de cette méthode tient à la spécificité
d'un bactériophage pour une unique espèce de bactérie-hôte.
Grâce à ce phénomène biologique, plusieurs
bactériophages peuvent être injectés en même
temps, sans que cela pose le moindre problème d'interférence
lors de l'analyse des échantillons. Un litre de culture
produit en laboratoire contient 10E12 -10E14 bactériophages
au total. La quantité de matière organique que cela
représente (environ 100 g) est faible et ne présente
aucun risque de pollution. Les méthodes de détection
et de comptage mises au point ont une sensibilité de l'ordre
de 1 phage par 2 ml d'échantillon lors d'analyse en routine.
Celle-ci est égale, sinon supérieure, à celles
des meilleurs traceurs fluorescents.
Les phages sont suffisamment stables pour un essai de traçage
se déroulant sur une période de plusieurs semaines.
Ils disparaissent ensuite des aquifères, ne laissant aucun
bruit de fond. Des études approfondies en laboratoire ont
montré que cette disparition est influencée par
divers facteurs physiques et chimique (température et force
ionique) et par la présence de particules colloïdales
minérales et organiques (argiles et acides humiques).
La recherche mené dans notre laboratoire a permis de mettre
au point un moyen de traçage efficace, valable non seulement
pour les milieux fissurés karstiques, mais également
pour les milieux à porosité interstitielle, comme
l'ont montré les essais effectués sur le site de
Wilerwald (BE) et de Kappelen (BE). De plus, de récents
essais ont montré que les phages pouvaient également
être utilisés pour tracer les eaux de surface (lacs
et rivières).
Nos remerciements vont au Fonds National suisse de la rcherche
Scientifique pour son soutien financier. Un grand merci également
à Magali Grob pour l'analyse des multiples échantillons
de ces très nombreux essais de traçage.
Dernière
révision: 28.12.01\PRossi
