La détection d'agents chimiques et microbiens non réglementés dans les systèmes d'eau mondiaux, appelés collectivement contaminants émergents, représente l'un des défis environnementaux les plus complexes du XXIe siècle. Ces substances, qui comprennent les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels (PPCP), les produits chimiques industriels et les microplastiques, se retrouvent maintenant couramment dans les eaux de surface, les eaux souterraines et même l'eau potable finie à des concentrations de traces. Contrairement aux polluants existants qui ont été étudiés et réglementés pendant des décennies, les contaminants émergents ne disposent pas de cadres de surveillance standard et de repères sanitaires.

Définir la portée de la nouvelle crise des contaminants

Les contaminants émergents ne sont pas nécessairement de nouveaux produits chimiques; beaucoup sont utilisés depuis des années. Ce qui a changé, c'est la sensibilité de la chimie analytique moderne, en particulier la chromatographie liquide-spectrométrie de masse au tandem (CL-MS/MS), qui peut maintenant détecter des substances dans les parties par billion (ng/L). Cette révolution analytique a révélé un univers chimique complexe présent dans notre eau. Les sources primaires sont diffuses et liées directement à l'activité humaine moderne. Les produits pharmaceutiques et les hormones sont excrétés ou éliminés de façon inappropriée. Les produits chimiques industriels, comme les substances perfluoroalkyles et polyfluoroalkyles (SPAP), sont utilisés dans d'innombrables produits de consommation.

Principales catégories de contaminants aquatiques

Pour comprendre les défis du traitement, il est essentiel de classer les principales catégories de contaminants émergents, chacun ayant des propriétés chimiques distinctes, des comportements environnementaux et des profils toxicologiques.

Produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPPC)

Il s'agit d'une classe étendue comprenant les médicaments d'ordonnance, les médicaments en vente libre et les produits de consommation.Les antibiotiques, les antidépresseurs, les antihypertenseurs et les anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) sont fréquemment détectés. Ils sont conçus pour être biologiquement actifs à de faibles doses, ce qui pose un risque intrinsèquement pour les organismes aquatiques non ciblés.

Matières per- et polyfluoroalkyles (SPA)

Souvent appelés « produits chimiques pour toujours » en raison de leurs liaisons carbone-fluoré extrêmement stables, le SPAF est très persistant dans l'environnement. Ils sont largement utilisés dans les ustensiles de cuisine antiadhésif, les vêtements imperméables, les mousses de lutte contre l'incendie et les emballages alimentaires. Le SPAF est très mobile dans l'eau et bioaccumule dans les organismes. L'exposition a été liée aux effets nocifs sur la santé des humains, y compris les maladies thyroïdiennes, les dommages au foie et certains cancers.

Produits chimiques perturbateurs endocriniens (CDE)

Les EDC interfèrent avec les systèmes hormonaux de l'organisme, qui comprennent des hormones naturelles (estrone, estradiol), des hormones synthétiques (éthinylestradiol provenant de pilules contraceptives), du bisphénol A (BPA), des phtalates et de nombreux pesticides.

Microplastiques et nanoplastiques

Les débris plastiques fragmentés de moins de 5 mm sont omniprésents, provenant de sources primaires (p. ex. microbilles dans les cosmétiques, granulés industriels) et secondaires (dégradation de déchets plastiques plus importants).

Voies de contamination dans les écosystèmes aquatiques

Les effluents des stations municipales de traitement des eaux usées (SWTP) sont le principal canal de contamination du milieu aquatique, même avec un traitement biologique secondaire, les SWTP ne sont pas conçus pour éliminer ces composés organiques traces. Les débordements d'égouts combinés (OSC) durant les pluies abondantes libèrent les eaux usées non traitées directement dans les voies navigables, fournissant une impulsion concentrée de contaminants. Le ruissellement agricole est un autre vecteur important, fournissant des produits pharmaceutiques vétérinaires, des antibiotiques et des pesticides provenant des exploitations d'alimentation animale et des terres cultivées.

Impacts écologiques et biologiques sur la vie aquatique

La présence de contaminants émergents dans les eaux réceptrices n'est pas seulement une curiosité chimique; elle a des effets réels et mesurables sur les écosystèmes aquatiques. Les effets subtils et chroniques aux concentrations pertinentes pour l'environnement sont souvent plus dommageables que la toxicité aiguë, agissant sur l'ensemble des cycles de vie et des populations.

Perturbation endocrinienne et insuffisance de la reproduction

Les études menées dans les rivières situées en aval des sorties du PTEW ont révélé une incidence élevée de caractéristiques intersexes, de la production de vitellogénine (une protéine d'oeuf femelle) chez les poissons mâles et de la modification des rapports sexuels. L'éthinylestradiol, un œstrogène synthétique, est un coupable primaire à des concentrations aussi faibles que 0,1 ng/L. Ces perturbations peuvent entraîner des déclins au niveau de la population et l'extinction locale d'espèces sensibles.

Modification comportementale et neurologique

Des produits pharmaceutiques psychoactifs, tels que les antidépresseurs (fluoxétine, sértraline) et les anxiolytiques, sont régulièrement trouvés dans les eaux de surface. Des recherches ont démontré que ces composés peuvent modifier le comportement naturel des poissons et des invertébrés, affectant le taux d'alimentation, l'évitement des prédateurs et le comportement de reproduction.

Résistance aux antimicrobiens (RAM)

Les milieux aquatiques agissent comme une zone de mélange critique pour les antibiotiques, les bactéries résistantes aux antibiotiques (BRA) et les gènes de résistance (GAR). Les concentrations sub-inhibitoires d'antibiotiques dans les effluents du WWTP et les ruissellements agricoles créent une pression sélective, favorisant le transfert horizontal de gènes de mécanismes de résistance entre les espèces bactériennes.

Bioaccumulation et transfert de sites Web sur les aliments

De nombreux contaminants émergents, en particulier le SPAF et les composés persistants lipophiles, s'accumulent dans les organismes au fil du temps, sont pris de l'eau ou du régime alimentaire et entreposés dans les tissus, augmentant leur concentration à des niveaux trophiques plus élevés. Les principaux prédateurs, y compris les oiseaux qui mangent des poissons, les mammifères marins et les humains, sont exposés aux risques d'exposition les plus élevés.

L'inadéquation des infrastructures conventionnelles de traitement de l'eau

La plupart des installations de traitement de l'eau et des eaux usées existantes ont été conçues il y a des décennies pour traiter des paramètres relativement simples : les solides en suspension, la matière organique biodégradable (BOD), les agents pathogènes et les nutriments. Les processus physicochimiques utilisés – coagulation, floculation, sédimentation, filtration de sable et chloration – sont largement inefficaces pour éliminer les contaminants émergents polaires, de faible poids moléculaire. La coagulation, par exemple, vise les particules et les colloïdes plus importants, tandis que de nombreux PPSP et SPAF sont dissous et très mobiles. La chloration peut parfois former des sous-produits toxiques lorsqu'elle réagit avec des précurseurs pharmaceutiques.

Technologies de traitement avancées: Efficience et Scalabilité

Pour lutter contre le spectre des contaminants émergents, il faut moderniser les systèmes d'aqueduc en les mettant au point des technologies de pointe, mais ces systèmes sont efficaces, mais ils sont confrontés à des obstacles économiques, énergétiques et opérationnels importants qui limitent la mise en oeuvre généralisée.

Adsorption au carbone activée (PAC et GAC)

Le charbon actif en poudre (PAC) peut être ajouté aux trains de traitement existants, tandis que le charbon actif granulaire (GAC) est utilisé dans les lits de filtres dédiés. Les deux travaux sont effectués par adsorbage de contaminants hydrophobes et modérément hydrophiles. Le GAC est efficace pour le SPAF et de nombreux composés organiques, mais la performance se dégrade au fil du temps à mesure que les sites d'adsorption deviennent saturés.

Filtration de membrane (Nanofiltration et osmose inverse)

La nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (RO) constituent une barrière physique qui rejette efficacement une large gamme de contaminants, y compris les sels dissous, les résidus pharmaceutiques et le SPAA. Le RO atteint des taux d'élimination supérieurs à 99 % pour la plupart des composés. Toutefois, ces procédés sont à forte intensité énergétique (qui exigent une pression élevée) et produisent un flux de déchets hautement concentré (saumure) qui doit être éliminé de façon responsable.

Procédés d'oxydation avancés (PAO)

Les AOP, comme le peroxyde d'ozone/hydrogène (O3/H2O2) et le peroxyde d'ultraviolet/hydrogène (UV/H2O2), génèrent des radicaux hydroxyles hautement réactifs qui oxydent les contaminants organiques sans sélectivité. Ils sont très efficaces pour une large gamme de composés récalcitrants et peuvent être minéralisés. L'ozonisation est de plus en plus utilisée dans les applications de réutilisation de source, souvent couplées au carbone actif biologique (BAC) pour éliminer les sous-produits d'oxydation et le carbone organique assimilable.

Limites et défis à relever

La remise en état des grandes installations de production de déchets par les systèmes GAC, RO ou AOP nécessite des centaines de millions de dollars d'investissements en capital et augmente considérablement la consommation d'énergie opérationnelle. Pour de nombreuses municipalités, en particulier dans les petites collectivités rurales, ce fardeau financier est prohibitif. Il faut aussi une expertise technique spécialisée pour exploiter et entretenir ces systèmes complexes. Il en résulte un système à deux niveaux de qualité de l'eau, où les communautés riches peuvent se permettre un traitement avancé tandis que d'autres doivent compter sur des infrastructures dépassées qui sont mal équipées pour relever le défi de contamination émergent.

Lacunes réglementaires et nécessité de cadres proactifs

Cette approche rétrospective est mal adaptée au paysage en constante évolution des contaminants émergents.Dans la plupart des pays, il existe des niveaux maximaux de contaminants applicables (LCM) pour une poignée de polluants existants.L'Agence américaine pour la protection de l'environnement ([EPA) tient une liste des contaminants candidats (LCC) pour établir les priorités de la recherche et de la surveillance, mais le processus de réglementation est lent. L'Union européenne a adopté une attitude plus proactive avec sa directive-cadre sur l'eau, établissant une «liste de surveillance» des substances à surveiller dans les États membres pour recueillir des données en vue d'une future réglementation. Cette approche est cruciale, car elle fournit la base empirique pour l'évaluation des risques.

Un chemin à suivre : contrôle intégré des sources et chimie verte

La lutte contre les sources est le moyen le plus efficace de réduire la charge de contaminants, notamment en favorisant l'élimination responsable des médicaments non utilisés (programmes de reprise) et en limitant l'utilisation de produits chimiques non essentiels dans les produits de consommation. La chimie verte et la conception moléculaire durable visent à créer des produits chimiques efficaces à leur intention, mais qui se dégradent rapidement en substances inoffensives dans l'environnement. Par exemple, concevoir des produits pharmaceutiques plus complètement métabolisés dans l'organisme ou qui sont plus facilement biodégradables dans les PTEO réduirait considérablement leur charge environnementale. La biorestauration, à l'aide d'enzymes artificielles ou de milieux humides construits, est une étape prometteuse du polissage à faible consommation d'énergie.

Conclusion

La prolifération de composés biologiquement actifs et hautement persistants a dépassé la capacité de nos systèmes de surveillance et de notre infrastructure de traitement.Les impacts – des populations de poissons féminisées à la propagation de la résistance aux antimicrobiens et de la contamination des sources d'eau potable – sont des signes clairs que nous avons atteint les limites du paradigme actuel de protection de l'environnement.Pour faire face à cette crise, il faut adopter une approche multiforme : déploiement agressif de technologies de traitement avancées, au besoin, proactives et fondées sur des données, investissement important dans le contrôle des sources et la chimie verte, et changement dans le comportement public et industriel.La protection des écosystèmes aquatiques et l'assurance de la salubrité et de la propreté de l'eau pour les générations futures dépendent de notre capacité d'innover, de réglementer et de collaborer à l'échelle mondiale.