205 - Un regard nouveau sur les multiples facettes de la santé du fleuve Saint-Laurent

Présentation du déroulement de la session et retour sur les deux missions (2017-2018) à bord du N/R Lampsilis sur le Saint-Laurent visant à mieux comprendre les sources et les puits de pollution dans le fleuve Saint-Laurent pour l’élaboration de stratégies permettant de préserver sa santé pour les générations à venir.

Les terres rares représentent 17 métaux qui se retrouvent dans l'environnement par des processus naturels et par des émissions anthropiques liées à leurs multiples usages dans les technologies modernes. Nous avons suivi les concentrations de ces métaux dans l’eau du fleuve à une soixantaine de stations incluant plusieurs tributaires et avons établi la signature de chaque masse d'eau. Les eaux brunes ont des concentrations dix fois plus élevées que les eaux vertes et une bonne corrélation existe avec le carbone organique dissous d’origine terrestre. Les eaux provenant de terres agricoles sont pauvres en terres rares. La principale source anthropique est le rejet de gadolinium des eaux usées de Montréal, probablement dû à l'usage de Gd comme agent contrastant dans les hôpitaux. Par ailleurs, nous avons étudié le potentiel d'accumulation, la toxicité et le partitionnement subcellulaire de l'yttrium, dans trois organismes aquatiques (zooplancton, larve benthique et poisson) et avons établi que les deux invertébrés accumulent beaucoup d'yttrium, mais le gèrent efficacement en le séquestrant dans des ligands non sensibles, alors que le poisson accumule peu d'yttrium, mais dans des fractions toxicologiquement sensibles. Nous concluons que la signature de terres rares est un outil de suivi intéressant dans le fleuve, que le Gd est la première terre rare d'origine anthropique détectable, et que les organismes aquatiques ont des stratégies diversifiées pour gérer les terres rares.

Bien que les contaminants émergents soient rejetés depuis longtemps dans différents milieux naturels, la quantification de ces derniers est relativement récente et d'intérêt en chimie environnementale étant donné leur impact potentielle sur la vie aquatique et l'effet synergique de différents mélanges de contaminants. De tels mélanges proviennent de sources diverses telles que les eaux usées contenant des produits pharmaceutiques consommés par les humains ou les eaux de lessivage de terre agricoles transportant des herbicides et insecticides. De plus, les usines de traitement n’étant que partiellement efficaces pour ce type de contaminants, des quantités non négligeables sont rejetées dans l’environnement via les eaux usées (effluents d’hôpitaux, stations d’épuration). Le développement de méthodes d’analyse ultra-trace efficaces pour plusieurs familles de composés en LC-MS est donc nécessaire afin de quantifier les analytes présents dans ces matrices. Les principaux paramètres analytiques ont été optimisés puis des méthodes robustes et sensibles ont été validées avec des limites de détection de l’ordre du ng/L et de larges gammes linéaires. Enfin, les méthodes sont appliquées largement à des matrices d’intérêts telles que l’eau de surface du fleuve Saint-Laurent dans lequel la majorité des eaux usées sont rejetées, ainsi que dans l'eau de ses plus importants tributaires qui présentent des profils de différents rejets agricoles.

Les apports importants de coliformes fécaux (E. Coli) associés aux usines de traitement d’eaux usées et aux tributaires agricoles menacent la qualité de l’eau du Fleuve Saint-Laurent (FSL) et posent problème aux activités récréatives ainsi qu’à la santé humaine. Traditionnellement, le dénombrement d’E. Coli a été employé pour localiser la contamination des milieux lotiques en raison de son faible coût, mais cette approche ne permet pas d’identifier les organismes (bovins, oiseaux, humains) à l’origine de cette contamination. De plus, il n’existe pas à ce jour de portrait intégré de la contamination en coliformes à l’échelle du FSL. Des comptes d’E. Coli et leurs profils génétiques ont été effectués lors de deux missions scientifiques à bord du N/R Lampsilis (2017-2018) afin d’évaluer la distribution, l’origine et la dynamique spatiale d’E. Coli dans le FSL. Nos résultats montrent que 44% des sites visités excèdent le seuil de mauvaise qualité pour la baignade (200 UFC/100 ml) et que 16% des sites compromettent tout usage récréatif (1000 UFC/100 ml). Bien que l’E. Coli d’origine humaine domine le paysage du FSL, plusieurs grands tributaires agricoles sont présentement contaminés par les ruminants. Nos résultats montrent finalement que les sources d’E. Coli compromettent principalement les rives du FSL situées à des dizaines, voire des centaines de kilomètres en aval, dû à la complexité hydrologique du FSL.

Malgré le rôle clé des communautés microbiennes dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques, l’impact des perturbations humaines sur le fonctionnement de la base du réseau trophique aquatique demeure peu connu. Nous avons évalué la réponse métabolique et la composition des communautés bactériennes aquatiques le long du fleuve Saint-Laurent (SLR). À bord du N/R Lampsilis, nous avons mesuré les capacités (profils BIOLOG) et la réponse (respiration, production de biomasse) métaboliques des communautés bactériennes. De plus, nous avons déterminé la composition de ces communautés (séquençage Illumina) et évalué les caractéristiques moléculaires de la matière organique par spectrométrie de masse. Nous avons observé que la réponse métabolique a varié systématiquement en fonction des masses d’eau du fleuve (Grands Lacs, Riv. des Outaouais, effluent des grandes villes et agricoles). Ces changements métabolique sont été accompagnés par un changement autant dans les communautés microbiennes que dans la composition de la matière organique. Cependant, cette réponse est restée relativement inchangée longitudinalement, suggérant que les forces hydrologiques pourraient contraindre et déterminer la persistance des impacts humains sur le fonctionnement des communautés bactériennes le long du paysage fluvial. Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur la dynamique des communautés microbiennes en rivière et l'impact des activités anthropiques sur leur fonctionnement.

Les grandes rivières constituent une mosaïque complexe de systèmes (tels que des archipels, des lacs fluviaux et des bancs de macrophytes) avec différentes capacités de transformation de carbone et nutriments d’origines naturelle et humaine, notamment par des dynamiques bathymétrique et hydrologique hautement variables. Dépendamment du paysage environnant, certaines zones clés peuvent contribuer à la création, ponctuelle ou permanente, de « points de contrôle écosystémiques » (PCE) pour lesquelles les taux de transformation de la matière peuvent être remarquablement
importants sur de petites distances. Afin d’identifier des PCE potentiels au sein du fleuve Saint-Laurent, nous avons récolté des échantillons d’eau le long d’un transect de 450 km à bord du N/R Lampsilis en 2018. Pour chacun des sites, le potentiel de dégradation de la matière organique dissoute, jouant un rôle clé sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques et utilisée ici comme proxy de la réactivité de l’écosystème, fut évalué grâce à des expériences de biodégradation à long terme, ainsi que des expositions solaires en laboratoire. Nos résultats suggèrent des potentiels élevés de transformation de la matière organique dans les zones peu profondes, bien illuminées et riches en nutriments, notamment dans l’archipel des îles de Sorel. Cette étude raffine notre compréhension des points chauds de réactivité du carbone dans un contexte de
changements globaux.

Les rivières émettent des quantités globalement significatives de gaz à effet de serre (GES) tels que le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et l’oxyde nitreux (N₂O), lesquelles sont reliées aux activités anthropiques (ex. agriculture, urbanisation, changements de régimes hydrologiques). Cependant, les contrôles sur ces trois gaz diffèrent, et ils sont rarement étudiés de façon couplée. Comprendre le rôle des grandes rivières sur les émissions intégrées des trois GES reste un défi. Nous avons donc étudié les dynamiques du CO₂, CH₄ et N₂O sur 400 km de la portion eau douce du Saint-Laurent, à travers ses trois masses d’eau provenant des grands lacs et des tributaires aux étés 2017 et 2018 et dans un de ses sous-bassins-versants de façon saisonnière. Le CO₂ et le CH₄ sont systématiquement sursaturés, mais pas le N₂O, reflétant les dynamiques contrastées de ces trois GES. L’accumulation du CO₂ et du CH₄ le long du fleuve coïncide avec l’accroissement des nouveaux apports anthropiques. Cela est suivi d’une baisse qui diffère spatialement entre le CO₂, suivant principalement les apports hydrologiques, et le CH₄ reflétant plutôt les activités biologiques. Les trois grands GES répondent donc différemment à l’hydrologie et à l’utilisation du territoire suggérant que le rôle des grandes rivières en tant qu’émetteur de GES dépend des patrons hydrologiques saisonniers ainsi que des changements d’activités humaines dans leur bassin-versant.

Les grandes rivières contiennent généralement des nutriments abondants, tels que le phosphore et l'azote, en raison des processus érosifs naturels qui définissent l'action des rivières dans les bassins versants. Nous émettons l'hypothèse que la communauté de potamophytoplancton dans le chenal principal du fleuve Saint-Laurent est influencée par la communauté de phytoplancton initiale présente dans les sources (le lac Ontario) et influencée par le temps et l'entraînement
(progressif) des eaux des tributaires. Nous avons examiné les eaux de la rivière sur une période de 10 jours (mi-juillet 2018), des eaux d'amont jusqu'au début de l'estuaire du fleuve Saint-Laurent. L'eau était collectée tous les 12 km environ. Le phosphore total augmentait avec la distance en aval (154 à 2750 nM) et la biomasse de phytoplancton (1.4 à 10.5 µg / L) était fortement corrélée (r = 0.84, 46 df) au phosphore total. De plus, la proportion de cyanobactéries riches en phycocyanine augmentait lors du transit vers aval. Les observations corroborent l'hypothèse selon laquelle la composition des communautés de phytoplancton dans cette grande rivière est influencée par l'entraînement des eaux des affluents riches en éléments nutritifs, y compris celles affectées par les effluents d'eaux usées agricoles et urbaines. Cette étude fournit des informations
importantes sur la manière dont les influences anthropiques affectent les processus naturels dans un grand système fluvial.

En 2012, Environnement et Changement climatique Canada désirait mettre en place une station d’échantillonnage permettant la collecte de plusieurs indicateurs abiotiques et biotiques. L’objectif était de dresser un état de situation de certains contaminants d’intérêt émergeant (CIE). Le secteur de Montréal a été favorisé à cause de sa singularité et de sa facilité d’accès. En effet, les eaux usées de l’émissaire de la Ville de Montréal décrivent un long panache de dispersion entre les eaux de la rivière Outaouais et du fleuve Saint-Laurent. La présente étude porte principalement à la présence de siloxanes dans les sédiments en suspension, les sédiments, les macroinvertébrés, certains poissons et les œufs de goéland. La collecte des échantillons de ces différentes composantes environnementales a représenté un défi logistique important non seulement à cause de l’aspect filiforme du panache de dispersion mais aussi à cause des forts courants présents sur l’ensemble du secteur. Il a été nécessaire de développer des structures pouvant porter les trappes à sédiment, les cages à moules et les pièges à macroinvertébrés. La collecte des poissons a été effectuée à l’aide de filets maillants, de scène de rivage et par quelques pêcheurs expérimentés. Le poids, la taille et le d15 N ont permi de discriminer les poissons se nourrissant dans le panache de dispersion de ceux ne l’ayant pas fréquenté. Bien que plus faible que celle observée pour les PBDE, les résultats globaux montrent la bioaccumulation de certains siloxanes dans la chaine trophique. Il n’est toutefois pas possible de définir une bioamplification entre les différents niveaux trophiques bien que les poissons prédateurs ont tendance à contenir de plus fortes concentrations de siloxanes.

Les rejets anthropiques provenant des villes et de l’agriculture font partie d’une problématique environnementale importante touchant particulièrement la biodiversité aquatique et la production algale et animale. Ce projet vise à comprendre l’influence des rejets ponctuels et diffus des eaux usées urbaines et agricoles sur le réseau trophique du fleuve Saint-Laurent en utilisant la composition des acides gras (AG) et les ratios isotopiques de l’azote (δ¹⁵N) du seston et des poissons. En juillet 2017 et 2018, 60 stations ont été échantillonnées le long d’un grand gradient d’effets anthropiques entre le lac Ontario et Trois-Rivières. Les résultats préliminaires démontrent que la composition en acides gras du seston est influencée par les apports urbains et agricoles, ainsi que par l’origine de l’eau (Grands Lacs vs rivières des Outaouais). Les eaux juste en aval de Montréal possèdent une faible quantité d’oméga-3 et des acides gras trans y sont observés. Les résultats suggèrent aussi que l’eau des stations du lac Saint-Pierre ont une biomasse algale plus élevée en AG essentiels, mais aussi des AG spécifiques aux cyanobactéries. Ces derniers résultats pourraient être dû à l’agriculture fournissant beaucoup de nutriments. Les analyses à venir permettront de caractériser les apports anthropiques à travers le réseau trophique et d’utiliser les acides gras (AG) et les ratios isotopiques de l’azote (δ¹⁵N) comme indicateurs de la santé des écosystèmes aquatiques du Saint-Laurent.

La rivière des Outaouais (longueur: 1271 km) est une rivière interprovinciale séparant le Québec et l’Ontario et son bassin versant occupe 146,300km2, soit presque 2 fois la superficie du lac Supérieur. Les premières collectes de moules d’eau douce provenant de cette rivière ont été effectuées vers la fin du 19e siècle, donc précédant le développement des agglomérations urbaines, l’introduction d’espèces aquatiques envahissantes, le réchauffement atmosphérique ainsi que la construction des grands barrages hydroélectriques. Plusieurs barrages recoupent aujourd’hui cette rivière, empêchant les migrations et limitant les mouvements de poissons hôtes (les poissons sont nécessaires à la reproduction des moules, dont les embryons s’attachent aux branchies ou aux nageoires pour se disperser). Combinant les données historiques (1870-1960s) avec celles provenant d’inventaires plus récents (1970-2018), et différentes méthodes d’échantillonnage (à la main en zone littorale, en apnée et en plongée), un total de 21 espèces de moules ont été inventoriées à ce jour dans le bassin versant, soit 38% des 55 espèces retrouvées au Canada. Nos études permettent de déterminer les espèces extirpées lors des derniers 100-140 ans, celles présentement en déclin, vulnérable ou en péril, de même que celles évaluées comme étant apparemment ‘stables’. Nous proposons des mesures qui permettraient de réduire l’impact anthropogénique sur cette faune ‘sentinelle’ largement en déclin à travers le monde.

La perchaude (Perca flavescens) est une espèce indigène qui peuple tout le secteur fluvial du Saint-Laurent, ce qui en fait une espèce sentinelle particulièrement représentative de l’état de santé du Fleuve. Cet organisme a été utilisé comme modèle dans différents projets multi-disciplinaires afin d’évaluer les effets des contaminants présents dans le Saint-Laurent. Dans la région métropolitaine de Montréal, des analyses chimiques ont révélé la présence de retardateurs de flammes, des substances perfluorées, de pharmaceutiques et de métaux dans les tissus de perchaudes. L’utilisation d’approches toxicogénomiques, d’analyses biochimiques et d’indices de condition physique ont permis d’évaluer l’état de santé des perchaudes dans différents sites impactés, en particulier en aval du rejet des effluents de la ville de Montréal ainsi qu’au Lac Saint-Pierre, où la population de perchaude est en fort déclin. Les résultats ont montré un impact significatif sur la condition physique et l’intégrité tissulaire des poissons ainsi que des effets sur la réponse immunitaire, le stress oxydatif et le métabolisme des rétinoïdes observés au niveau moléculaire et cellulaire. Des travaux sur la combinaison de stresseurs naturels et anthropiques ont également démontré une plus forte réponse biologique lors d’une exposition combinée à des effluents municipaux et des infections parasitaires, soulignant l’importance des effets cumulatifs liés aux contaminants.

Un défi important pour le développement de stratégies de contrôle de la propagation d’espèces envahissantes est d’identifier hâtivement leurs patrons de mouvements à différentes échelles
spatio-temporelles. L’origine des espèces en expansion et les couloirs de migration utilisés à différents âges et saisons sont des informations nécessaires à une gestion éclairée de ce
problème. Couplé à une connaissance (spatiale, temporelle ou écologique) des abondances naturelles des ratios isotopiques de différents éléments (ou iso-paysage), les ratios isotopiques
mesurées dans les tissus des poissons permettent d’identifier leurs sources de nourritures (ex., C, N, S) ou encore les masses d’eau où ils vivent (O). Chaque tissu ayant un temps de
renouvellement différent (ex., sang vs muscle), ceux-ci intègrent les ratios isotopiques à différentes échelles temporelles. Nous appliquons ici une analyse isotopique du paysage
combiné à des mesures isotopiques multi-tissus afin de contraindre les origines et les patrons de mouvements possibles d’un grand spécimen de carpe de roseau capturé en aval de Montréal en
2016. Nos résultats, basés sur un iso-paysage du carbone, révèlent que ce poisson a vécu dans les eaux alcalines provenant des Grands Lacs, et ce, à court et à long terme. Finalement, ce
poisson n’aurait pas pénétré dans les grands tributaires du Saint-Laurent. Les avantages et limitations de cette approche isotopique seront discutés.