Bioindicateur

En 1974, H. Ellenberg conçoit des valeurs indicatrices chiffrées des préférences écologiques d'une plante[3]. En 1977, E. Landolt modifie la méthode: les premiers facteurs concernent le sol: humidité moyenne, acidité ou basicité (pH), teneur en substances nutritives azotées, teneur en humus, structure et aération, salinité; les suivants sont lumière, température moyenne, continentalité (variations de température et d'humidité) et type biologique[4]^,[5].

Le principe est d'observer des effets biologiques ou écosystémiques, au niveau de l'individu et/ou de populations ou écosystèmes (à l'échelle de la biosphère ou de grands biomes éventuellement).

Ces effets doivent être mesurables via l'observation de divers degrés d'altérations morphologiques, comportementales, tissulaires ou physiologiques (croissance et reproduction), conduisant dans les cas extrêmes à la mort de ces individus ou à la disparition d'une population[6].

Chaque espèce ou groupe d'espèces possède un biotope primaire. On sait par exemple que :

• le mouron des oiseaux pousse plutôt sur des sols équilibrés, alors que l'ambroisie prolifère sur des sols déstructurés ou salés (puisque son biotope primaire est constitué de régions arides où le sol est déstructuré et où le sel remonte souvent) ;
• les lichens sont des bioindicateurs efficaces de certaines pollutions de l'air en forêt ou en ville. D'autres indicateurs chercheront à mesurer les effets sur la biodiversité de la gestion (ou non gestion) des milieux naturels[7] ;
• la petite oseille (Rumex acetosella) indique des sols très pauvres en argile et en humus, très secs, très peu fertiles alors que la grande oseille (Rumex acetosa) indique des sols équilibrés, très fertiles[8].

• Il doit être suffisamment (normalement ou anormalement) répandu sur le territoire concerné, y être relativement abondant et si possible facilement détectable.
• Sauf dans le cas où l'on veut mesurer la mobilité d'espèces, il doit être le plus sédentaire possible pour refléter les conditions locales.
• Il doit avoir une taille rendant possible l’étude de ses différents tissus et de leurs composantes (muscles, os, organes dans le cas d'un animal…).
• Il doit tolérer les contaminants avec des effets sub-létaux.
• Il doit survivre hors du milieu naturel et tolérer différentes conditions de laboratoires (pH, température…).
• Une relation entre la concentration en contaminants dans le milieu externe et la concentration dans l’organisme doit exister.

Certains bioindicateurs sont aussi des biointégrateurs ; ils peuvent être doublement utiles dans le cadre de programmes de biosurveillance.

Les espèces bioindicatrices peuvent livrer des informations sur l'écosystème[9]. Ainsi par exemple la présence de carabes, de diplopodes et de staphylins indique un microclimat édaphique[10]. Dans la forêt de Fontainebleau la faible présence d'espèces épigées est caractéristique des clairières récentes et s'explique par des apports de litière insuffisants. Certaines espèces sont des bioindicatrices de gisements métallifères, comme Buchnera cupricola, qui résiste à de très fortes concentrations de cuivre[11] (voir métallophytes).

Les espèces bioindicatrices permettent également de diagnostiquer des modifications environnementales liées à l'activité humaine. On distingue les bioindications de phénomènes anthropiques (la diminution de la population de lombrics à la suite de labours profonds)[12] ; les bioindications de pollution de l'air (la diminution du nombre d'araignées, par exemple, dans les zones où retombent des fumées industrielles) ; et les bioindications biotoxicologiques (un exemple historique connu étant la mort de milliers de grèbes dans un lac de Californie, Clear Lake, à la suite d'un épandage de DDD dans les années 1940-1950)[13].

Exemples

Chaque espèce de lichen a une sensibilité propre à certains polluants et à une certaine dose de ce polluant (SO₂ par exemple), ce qui leur confère un intérêt particulier

• Les lichens (organismes résultant d'une symbiose algue-champignon) se développent sur divers substrats (sol, écorces, toits, pierres, etc.). Ils réagissent à des doses très faibles de certains polluants (acides notamment), bien avant les animaux et bien avant que les pierres des monuments ne soient dégradées. Chaque espèce de lichen résiste à un taux spécifique de pollution. Quelques espèces profitent d'un enrichissement de l'air en azote. L'observation de populations de lichens permet ainsi de suivre l'évolution de certaines pollutions au fil du temps. En forêt, la disparition des lichens peut indiquer des taux élevés de dioxyde de soufre, la présence de fongicides dans la pluie, ou de polluants à base de soufre et d'azote.
• Les bryophytes (mousses), qui sont des accumulateurs de métaux ou radionucléides, sont utilisés pour la biosurveillance des retombées métalliques ou radioactives en Europe, et pour étudier les niveaux dits de « fond », avec en France le dispositif BRAMM (Biosurveillance des retombées atmosphériques métalliques par les mousses), qui cartographie sur 15 ans au moins les évolutions de teneurs en éléments métalliques et azote en France métropolitaine, en milieu rural et forestier. Quatre campagnes (1996, 2000, 2006 et 2011) ont été menées, sur près de 500 sites de collecte[15]. Une lacune de données pour le nord du pays est due à la régression des mousses utilisées par le protocole. Ce travail complète le réseau Atmo français de surveillance de l'air et s'inscrit dans le dispositif MERA (MEsure des Retombées Atmosphériques) qui est la part française du réseau européen EMEP (suivi des pollutions atmosphériques longue distance et trans-frontières). Il s'inscrit aussi dans un programme européen de suivi des métaux dans les mousses (UNECE-LRTAP) Programme International Concerté (PIC) relatif aux « effets de la pollution atmosphérique sur la végétation naturelle et les cultures » de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies dans le cadre de la Convention de Genève[16].
• Le trèfle et le tabac permettent de qualifier et quantifier la teneur de l'air en ozone.
• Les Pétunias peuvent servir de bioindicateurs de la quantité d'hydrocarbure dans l'air.^{[réf. souhaitée]}
• 

  L'abeille est un bioindicateur intéressant de l'environnement proche et périphérique, car elle butine dans un rayon d'environ 3 km environ autour de sa ruche
  L'abeille est utilisée depuis peu et a fait ses preuves en tant que bioindicateur. Elle butine, se pose sur le sol et boit de l'eau, ce qui lui confère le rôle de témoin de la qualité environnementale globale. Une étude récente sur l'utilisation de l’abeille pour caractériser le niveau de contamination de l’environnement par les xénobiotiques a montré que les abeilles peuvent être utilisées pour caractériser le niveau de contamination de l’environnement et en particulier pour les métaux lourds, les HAP et les PCB. Elles ont également été utilisées lors d'accidents industriels, par exemple lors de l'accident de Tchernobyl, pour détecter la présence de radio-isotopes.

Ces notions parfois confondues présentent deux différences liées au niveau d'organisation biologique étudié et aux objectifs poursuivis dans leur utilisation. D'une part, les espèces bioindicatrices renseignent sur les modifications de l'écosystème par leur présence, leur absence et leur abondance, c'est-à-dire par leur dynamique de population, alors que les espèces sentinelles renseignent sur ces mêmes modifications par des changements au niveau moléculaire, cellulaire, physiologique ou comportemental[9]^,[24], qui révèlent leur exposition à des substances polluants (dans le premier cas l'étude se situe au niveau populationnel du nombre d'individus, dans le deuxième cas, elle se situe au niveau individuel - tissulaire, morphologique). D'autre part, les espèces bioindicatrices sont utilisées pour connaître un écosystème, et non pas seulement pour mesurer les effets de la pollution ; en revanche, les espèces sentinelles sont mobilisées dans le cadre de l'écotoxicologie pour la surveillance environnementale[9].

Des animaux peuvent être utilisés en épidémiologie pour anticiper les épizooties[25]. Les animaux utilisés peuvent être captifs ou sauvages[25] et les espèces utilisées doivent satisfaire plusieurs critères pour être utilisables[25]:

• facilité de prélèvement,
• faible variabilité des réponses immunitaires,
• tolérance aux espèces vectrices,
• détectabilité du pathogène avant que les populations à protéger ne soient en danger,
• dans le cas des espèces captives, non contribution à la propagation du pathogène,
• dans le cas des espèces sauvages, sédentarité.

Il est également possible d'effectuer des analyses sur les cadavres d'oiseaux[25].

Cette technique est dotée d'une bonne sensibilité. Ainsi dans le cas de la fièvre du Nil occidental, les sites de sentinelles captives de Camargue ont pu détecter l'activité du virus responsable en 2001 et 2002 alors que celui-ci n'a pas affecté de populations à risque et en 2004, son activité a pu être anticipée avant qu'il n'affecte de chevaux[25].

L’homme, le spermatozoïde, la fertilité humaine, la durée moyenne de vie, le taux de cancers (et leur nature) ou le taux d'autres maladies peuvent faire partie des batteries d'indicateurs évaluant l'état de l'environnement.

Ce sont les « intégrateurs naturels » les plus objectifs d'un état environnemental et donc des impacts des activités humaines combinés à d’éventuels aléas « bio-géo-climatiques » naturels, ce qui les rend éventuellement plus facilement contestables. L'avantage est qu'ils traduisent une réalité biologique. Ils peuvent confirmer ou infirmer les indices de performance. L'inconvénient est qu'ils sont parfois frustrants pour l’utilisateur, car s’ils mettent en évidence un problème et ses symptômes, ils n'en désignent pas avec certitude (avant expérience de confirmation) les causes (souvent multiples).

Les bioindicateurs ne sont pas une agrégation d’indicateurs mesurés. Ils intègrent naturellement l’extrême complexité, les synergies et les inerties propres aux écosystèmes.

De nombreux acteurs susceptibles d’être responsables d'une dégradation environnementale nieront donc aisément leur responsabilité. La bioindication est cependant utile ou nécessaire à de nombreux protocoles d'évaluation et parfois à l’application du principe de précaution.

La Commission européenne en 2007, après quatre ans de discussions sur le thème « Santé-Environnement », a validé un projet pilote de biosurveillance chez l'homme.

Biostation du "réseau de bioindication de l'ozone par le tabac" (dans l'ex-région Nord-Pas-de-Calais (devenue région Hauts-de-France)

Après un stade de recherche et de validation scientifiques, le développement de l'utilisation de la bioindication par les AASQA et par les réseaux de vigilance de l'environnement par les industriels, les services de l'état, et le fait qu'elle utilise du matériel vivant pour obtenir des informations (qualitatives et parfois quantitatives) sur l'état de l'environnement amènent les acteurs à produire des protocoles de plus en plus normalisés afin qu'ils soient utiles pour tous, y compris dans des domaines plus récemment explorés tels que la qualité de l'air intérieur, la santé environnementale (biosurveillance humaine) ou l'usage pédagogique de la bioindication.

Pour l'eau, en Europe, le cadre minimal est celui de la DCE, décliné en 2010 en France par un arrêté[26] qui a précisé les méthodes et critères d'évaluation de l’état écologique, de l’état chimique et du potentiel écologique des eaux de surface.

La bioindication a fait l'objet d'avancées synthétisés en 2013 par l'ONEMA dans un guide publié en 2013[27]. Les règles d'évaluation de qualité de l'eau fixées en janvier 2010[26] ne s'appliquent qu'au premier cycle d'évaluation de la DCE (2010-2015)[27]. Elles vont ensuite évoluer pour le deuxième cycle DCE (2016- 2021) avec une intercalibration et une meilleure pertinence et « DCE-compatibilité » des méthodes de bioindication en intégrant les progrès de la connaissances des impacts et pressions anthropiques sur la ressource[27].

Il existe aussi de nombreux guides destinés à harmoniser le diagnostic environnemental (dont par exemple sur les procédures d'échantillonnage des plantes[28].

La phytosociologie s'est d'abord attachée à décrire et nommer les associations végétales caractéristiques des habitats naturels, offrant un cadre à la bioindication par les végétaux. Puis faisant le constat qu'il manquait un équivalent pour les plantes alimentaires et médicinales, le botaniste français Gérard Ducerf a entrepris de lister et décrire les plantes bioindicatrices des champs et prairies, pour aider les agriculteurs (ou jardiniers) à évaluer l'état et les caractéristiques de leurs sols, l'histoire de ces sols et leurs besoins et potentialités agroécologiques ; ou encore les conditions de levées de dormance des graines, à partir de l'observation des plantes qui y vivent spontanément[29].

• J.P. Garrec et Van Haluwyn, C. (2002), Bio-surveillance végétale de la qualité de l'air, Tec & Doc, 116 p.
• Hess G.R., Bartel R.A., Leidner A.K., Rosenfeld K.M., Rubino M.J., Snider S.B. & Ricketts T.H. (2006). Effectiveness of Biodiversity Indicators Varies with Extent, Grain, and Region. Biological Conservation, 132, 448-457
• Levrel, Harold, Quels indicateurs pour la gestion de la biodiversité ; Institut français de la biodiversité], Oct. 2007 (PDF, 99pages).
• I. Roy et L. Hare, (1998), Eastward range extension in Canada of the alderfly Sialis Velata, and the potential of the genus as a contaminant monitor, Entomological News 109 (4) : 285-287.
• Borgmann, U. Nowierski, M., Grapentine L.C. et Dixon, D.G. (2004), Assessing the cause of impacts on benthic organisms near Rouyn-Noranda, Quebec, Environmental Pollution 129 : 39-48.
• Van Haluwyn, Chantal, Lerond, M. ; Guide des lichens (pour le diagnostic écholichénique de la qualité de l'air), Ch.Van Haluwyn, M. Lerond (deux spécialistes de la bioindication), Ed LeChevallier, Paris, 1993.
• Hunsaker C.T., 1993. New concepts in environmental monitoring: the question of indicators. The science of total environment. Supplement, pp. 77–95
• ONEMA (2013), Bioindication, des outils pour évaluer l'état écologique des milieux  ; synthèse des contributions scientifiques apportées à Paris aux journées des 19 et 20 avril 2011, avec plus de 200 scientifiques et gestionnaires des milieux aquatiques invités à faire le point sur la biodindication (pour la France métropolitaine), et synthèse des discussions qui en ont découlé en 2012 dans le groupe de travail DCE - Eaux de surface continentales (DCE-ESC) (présentation de l'ouvrage), PDF, 31 p.
• Gérard Ducerf, L'encyclopédie des Plantes bio-indicatrices : Guide de diagnostic des sols Volumes 1, 2 et 3, Editions Promonature, 2014 (ISBN 978-2-9519258-7-8).

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