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Les eaux souterraines couvrent environ 80% des besoins en eau potable de la Suisse [1, 2] et constituent donc l'une des ressources naturelles les plus importantes du pays. De plus, les eaux souterraines abritent des organismes uniques et variés. On estime que les organismes des eaux souterraines contribuent au bon fonctionnement des écosystèmes aquatiques et donc à la garantie d'une eau potable propre [3].
Bien que la faune des eaux souterraines soit une composante importante de la biodiversité globale et qu'elle joue un rôle important dans la qualité de l'eau potable, elle reste insuffisamment étudiée en Suisse. Les éventuelles influences croissantes sur les eaux souterraines dues à la pollution, au changement climatique, à l'exploitation géothermique et à l'augmentation de la demande en eau peuvent avoir un impact potentiellement important sur la biodiversité des eaux souterraines [4, 5]. Pour préserver la biodiversité et les services écosystémiques des eaux souterraines, il est nécessaire de connaître l'état actuel de la faune des eaux souterraines. L'objectif principal de cette étude était de dresser un aperçu de la présence et de la diversité des macroinvertébrés dans les écosystèmes aquifères superficiels de Suisse. La faune des eaux souterraines, également appelée stygofaune, se compose de véritables habitants des eaux souterraines ainsi que d'organismes facultatifs et étrangers aux eaux souterraines [6, 7]. Les véritables habitants se trouvent exclusivement dans les écosystèmes aquatiques et se sont adaptés aux conditions de vie extrêmes des eaux souterraines [6, 7]. Par exemple, en raison de l'absence de lumière, ces organismes n'ont pas de pigmentation ni d'yeux, et leur métabolisme et leur taux de reproduction sont adaptés aux conditions de température qui y règnent [6]. Comme les conditions environnementales dans les eaux souterraines sont généralement relativement constantes, les organismes des eaux souterraines peuvent être vulnérables aux changements rapides dans les eaux souterraines [5, 7]. Pour cette raison, la protection et la conservation de la faune des eaux souterraines sont d'une grande importance. D'éventuels apports dus à des pollutions ainsi que des changements de température dus au changement climatique et à l'exploitation géothermique pourraient par exemple avoir des répercussions sur la faune des eaux souterraines et donc indirectement nuire à la qualité des eaux souterraines [4, 5, 7, 8]. La protection contre les effets néfastes ainsi que la conservation des habitats naturels pour la faune et la flore indigènes sont définies dans la loi sur la protection des eaux (LEaux), qui s'applique à toutes les eaux superficielles et souterraines ; elle englobe donc également la faune des eaux souterraines.
Les organismes des eaux souterraines sont fondamentalement tributaires de l'apport de matière organique, de nutriments et d'oxygène provenant de la surface [6, 7]. L'offre alimentaire se compose entre autres de plantes mortes et d'organismes vivants et morts qui sont entraînés dans les eaux souterraines par les eaux de surface [6, 7]. En outre, certains organismes de surface peuvent également coloniser activement la zone de transition entre les eaux de surface et les eaux souterraines [6, 7]. Par exemple, les larves de certaines espèces de plécoptères et d'éphémères sont associées à cette zone de transition [6, 8].
Malgré l'importance des interactions entre les écosystèmes de surface et ceux des eaux souterraines, les apports énergétiques dans les eaux souterraines n'ont pas encore été suffisamment quantifiés. Une meilleure connaissance du transfert d'énergie entre les écosystèmes est également pertinente en ce qui concerne la faune des eaux souterraines. Un paramètre important pour le transfert d'énergie est l'apport de biomasse des organismes dans les eaux souterraines, qui peut servir de source de nourriture aux organismes des eaux souterraines [9, 10]. Pour cela, il est important de catégoriser les organismes en fonction de leur habitat, c'est-à-dire de distinguer les véritables habitants des eaux souterraines des taxons étrangers aux eaux souterraines ou des taxons facultatifs habitant les eaux souterraines. Comme les organismes souterrains ne sont généralement pas pigmentés (contrairement aux organismes de surface qui le sont généralement), la biomasse associée à la pigmentation des organismes permet de tirer des conclusions sur les interactions entre la surface et les eaux souterraines. L'un des objectifs de cette étude était donc de quantifier la biomasse d'organismes pigmentés et non pigmentés dans les écosystèmes d'eaux souterraines proches de la surface en Suisse afin d'obtenir des indications sur la quantité et l'origine de ces organismes.
L'accès difficile aux écosystèmes d'eaux souterraines limite les connaissances sur la faune des eaux souterraines et les interactions entre les eaux souterraines et la surface. En Suisse, une partie de l'eau potable extraite des eaux souterraines est prélevée passivement dans les aquifères dans des chambres de captage (captages d'eau de source) [1, 2]. Ces derniers représentent un accès encore peu exploré aux écosystèmes des eaux souterraines de la Suisse. Afin d'obtenir un aperçu des eaux souterraines, nous avons collaboré avec des fournisseurs d'eau potable locaux. Deux études précédentes de notre groupe de recherche ont montré le potentiel de cette collaboration [11, 12]. L'étude décrite ici a permis d'obtenir pour la première fois une vue d'ensemble à l'échelle nationale de la présence, de la diversité et de la biomasse des organismes dans les écosystèmes d'eaux souterraines proches de la surface en Suisse. Une large présence et une grande diversité d'organismes étaient attendues et même espérées dans les échantillons d'eau souterraine.
L'étude à l'échelle nationale a été menée entre 2021 et 2022. Elle a consisté à collecter des échantillons de la faune des eaux souterraines en collaboration avec les fournisseurs locaux d'eau potable. Les distributeurs d'eau participant à l'étude ont prélevé des échantillons dans leurs chambres de captage afin de détecter la présence d'organismes rincés passivement (Fig. 1 A, B). Un filet filtrant (maille de 0,8 mm) a été principalement utilisé et installé dans les chambres de captage à l'arrivée de la source pendant une semaine (Fig. 1 A, B). Ensuite, les organismes rincés dans le filet ont été collectés et transférés dans des tubes à essai remplis d'éthanol. Dans quelques cas, une épuisette d'aquarium (maille de 0,35 mm) a été utilisée pour collecter les organismes directement dans le bassin de débordement (Fig. 1 A).
Les organismes collectés ont généralement été déterminés morphologiquement au niveau de l'ordre. Les amphipodes des genres Niphargus (amphipodes des eaux souterraines) et Gammarus (amphipodes des eaux de surface) ont en outre été identifiées par génétique moléculaire jusqu'au niveau de l'espèce en vue de travaux de recherche ultérieurs. De plus, tous les échantillons ont été photographiés afin d'évaluer la biomasse et la pigmentation. Pour ce faire, une méthode automatisée (programme de traitement d'images ImageJ) a permis de mesurer la surface de tous les organismes présents sur les photos et de calculer la biomasse de chaque échantillon. Comme la quantité de matière versée variait en fonction du site, la biomasse a été standardisée par quantité versée. Pour ce faire, la biomasse par 100 mégalitres (1 mégalitre (ML) = 1 million de litres) a été calculée sur la base de la quantité versée et de la durée de l'échantillonnage. De plus, cette méthode automatisée a permis de déterminer la pigmentation (claire/foncée) de tous les organismes à partir des images. La biomasse combinée à la pigmentation des organismes peut fournir des indications sur les interactions entre la surface et la nappe phréatique. Ceci en partant du principe que les organismes souterrains présentent en principe une pigmentation plus claire ou une absence de pigmentation par rapport aux organismes de surface. Si une biomasse élevée d'organismes sombres est trouvée dans les eaux souterraines, on peut supposer, en combinaison avec les connaissances taxonomiques, qu'une majorité d'organismes (et donc de sources d'énergie pour la faune des eaux souterraines) ont été soit transportés passivement de la surface vers les eaux souterraines, soit ont migré activement.
Pour cette étude menée dans toute la Suisse, 462 sites au total ont été échantillonnés dans 219 communes. Plusieurs sites ont été échantillonnés à plusieurs reprises, de sorte qu'un total de 1955 échantillons ont été collectés. Parmi ceux-ci, 1141 échantillons (58%) contenaient un total de 8094 organismes, les échantillons restants étaient vides. Des organismes ont été trouvés dans 77% des sites échantillonnés (Fig. 2 A). La proportion de sites où des organismes ont été trouvés par rapport aux sites où aucun organisme n'a été trouvé correspond à ce qui était attendu sur la base d'études antérieures sur la faune des eaux souterraines [13, 14]. 97% des organismes récoltés ont pu être déterminés sommairement sur le plan taxonomique. Les autres organismes n'ont pas pu être attribués à un groupe taxonomique, le plus souvent en raison de leur mauvais état.
Les organismes collectés appartiennent à différents groupes taxonomiques habitant des écosystèmes aériens et/ou souterrains (Fig. 2 B). Au total, des organismes appartenant à douze ordres biologiques (9 classes) ont pu être identifiés. La présente étude ne recense que les organismes dont la taille est supérieure à environ 1 mm. Les organismes plus petits, tels que les rudistes, les nématodes ou les micro-organismes, représentent certes également une composante importante de la faune des eaux souterraines, mais n'ont pas été pris en compte en raison de la méthode d'échantillonnage utilisée. Parmi les groupes d'organismes les plus fréquemment identifiés (nombre d'individus le plus élevé), on trouve les amphipodes des eaux souterraines et les cloportes des eaux souterraines (Fig. 3). Ces deux groupes de véritables habitants des eaux souterraines ont été régulièrement trouvés dans les chambres de captage et font donc partie des groupes les plus répandus (Fig. 3). Notre étude montre que les nappes phréatiques proches de la surface constituent un habitat important pour les amphipodes des nappes phréatiques et les cloportes des nappes phréatiques.
Des larves d'insectes aquatiques (par ex. des larves de plécoptères et de trichoptères) ainsi que divers insectes adultes ont été trouvés de manière relativement répandue (Fig. 3). En revanche, les larves d'éphémères et les amphipodes du genre Gammarus, qui vivent principalement dans les eaux de surface, n'ont été trouvés qu'à quelques endroits, mais parfois en nombre relativement élevé (Fig. 3). D'un point de vue écologique, la présence de groupes d'organismes étrangers aux eaux souterraines dans les chambres de captage pourrait refléter l'interaction et la connectivité entre les eaux souterraines et les eaux de surface dans la zone de transition de ces écosystèmes [15, 16, 17, 18]. Certains de ces organismes sont connus pour migrer activement dans la zone de transition entre les eaux de surface et les eaux souterraines, en fonction des conditions de vie (par exemple, les genres de larves de plécoptères [6]). En revanche, d'autres organismes ou leurs restes sont probablement entraînés par hasard dans les aquifères et pourraient y servir de source de nourriture.
Les cartes de répartition d'organismes spécifiques permettent d'identifier quelques modèles de répartition intéressants. Par exemple, les cartes montrent la présence, dans toute la Suisse, de cloportes et d'écrevisses des eaux souterraines (Fig. 4).
Il est intéressant de noter que les larves d'éphémères et les amphipodes des eaux de surface ont été trouvées de manière plutôt sporadique, en comparaison avec la présence fréquente d'autres macroinvertébrés aquatiques comme les larves de plécoptères ou de trichoptères. Pour obtenir des schémas de distribution plus détaillés, il serait nécessaire de les déterminer au niveau du genre ou de l'espèce.
En résumé, les échantillons de faune des eaux souterraines ont permis de mettre en évidence une large présence et une grande diversité d'organismes dans les écosystèmes aquatiques superficiels de Suisse. En particulier, des cloportes et des amphipodes des eaux souterraines ainsi que d'autres groupes d'organismes aquatiques et terrestres ont été trouvés en de nombreux endroits et parfois en nombre considérable.
La biomasse a pu être calculée de manière standardisée pour 75% des sites échantillonnés. Pour les sites restants, l'analyse de la biomasse standardisée en même temps que la pigmentation n'a pas été possible en raison du manque d'informations sur le volume de déversement et/ou la durée de l'échantillonnage. Aucune biomasse n'a été collectée sur 22% des sites avec des échantillons standardisés. La biomasse extrapolée la plus élevée était de 21 182 g pour 100 ML d'eau souterraine, une biomasse supérieure à 2600 g pour 100 ML d'eau souterraine ayant été calculée sur seulement cinq sites échantillonnés. La médiane de la biomasse collectée était de 3 g pour 100 ML d'eau souterraine. Cela signifie qu'une moitié des échantillons contenait moins de 3 g de biomasse pour 100 ML d'eau souterraine et que l'autre moitié contenait plus de 3 g de biomasse pour 100 ML d'eau souterraine. Si l'on considère que 100 ML correspondent à environ 40 piscines olympiques, il est clair que la biomasse dans les eaux souterraines est en principe relativement faible.
49% des organismes étaient pigmentés de manière sombre, tandis que les 51% restants étaient pigmentés de manière claire. Les organismes à pigmentation claire comprenaient en particulier les cloportes et les altises des eaux souterraines, ainsi que, entre autres, quelques larves de plécoptères, des larves de trichoptères, des escargots et des petits insectes. Des organismes à pigmentation foncée et claire ont été collectés sur 67% des sites échantillonnés. En revanche, sur 20% des sites, seule la biomasse à pigmentation foncée a été collectée et sur 13% des sites, seule la biomasse à pigmentation claire a été collectée. La tendance est de collecter plus de biomasse à pigmentation foncée que de biomasse à pigmentation claire par site, mais la biomasse varie dans une fourchette de valeurs similaire pour les deux catégories (Fig. 5).
La quantité de biomasse à pigmentation claire représente une approximation de la proportion de faune souterraine dans les échantillons (organismes ayant un lien élevé avec les habitats souterrains tels que les écosystèmes du sol ou des eaux souterraines). Elle est cohérente avec la faible biomasse attendue des écosystèmes aquatiques souterrains en raison de la disponibilité limitée des ressources [21]. La proportion de biomasse à pigmentation foncée dans les écosystèmes d'eaux souterraines proches de la surface en Suisse indique l'apport de biomasse depuis la surface, ce qui pourrait être d'une grande importance pour la faune des eaux souterraines.
En résumé, la grande diversité d'organismes de surface et souterrains ainsi que la biomasse quantifiée selon la pigmentation dans les eaux souterraines sont de fortes indications d'interactions entre les eaux de surface, les habitats terrestres et les eaux souterraines. La connaissance de ces interactions est essentielle à la protection de la faune des eaux souterraines et au maintien des services écosystémiques importants fournis par les eaux souterraines. Un lien étroit entre ces écosystèmes signifie que les activités humaines qui influencent les écosystèmes de surface pourraient également avoir un impact sur les écosystèmes d'eau souterraine.
La présente étude donne un premier aperçu de la biodiversité des eaux souterraines en Suisse. Les écosystèmes des eaux souterraines proches de la surface présentent une grande diversité d'organismes largement répandus. Il existe toutefois d'importantes lacunes dans les connaissances, notamment en ce qui concerne les processus qui influencent la diversité et la présence des organismes. A long terme, il serait souhaitable de mettre en place un suivi de la biodiversité des eaux souterraines suisses, en plus des programmes de suivi des eaux de surface déjà appliqués aujourd'hui. Cela permettrait de détecter d'éventuels changements dans la composition des communautés biologiques des écosystèmes d'eaux souterraines. Notre étude présente une méthode potentiellement adaptée à cet effet.
Des études complémentaires peuvent contribuer à mieux comprendre la présence de la faune souterraine en relation avec la qualité des eaux souterraines. De plus, il serait précieux de mieux étudier le potentiel de certaines espèces en tant que bioindicateurs potentiels de la qualité de l'eau. Cela nécessite toutefois une identification taxonomique plus précise. La collecte d'une base de données solide est une étape importante pour une meilleure compréhension et protection de la faune des eaux souterraines suisses.
[1] BUWAL (2004): Wegleitung Grundwasserschutz. Vollzug Umwelt, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Bern, 141 S.
[2] BAFU (2019): Grundwasservorkommen. https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/wasser/fachinformationen/zustand-der-gewaesser/zustand-des-grundwassers/grundwasservorkommen.html
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[4] Danielopol, D.L. et al. (2003): Present state and future prospects for groundwater ecosystems. Environmental Conservation 30(2), 104–130
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[8] Griebler, C. et al. (2015): Auswirkungen thermischer Veränderungen infolge der Nutzung oberflächennaher Geothermie auf die Beschaffenheit des Grundwassers und seiner Lebensgemeinschaften – Empfehlungen für eine umweltverträgliche Nutzung. Umweltbundesamt, Dessau, Deutschland, 155 S.
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Le projet AmphiWell a pour but de recenser la diversité et la répartition de la faune des eaux souterraines et en particulier des écrevisses des eaux souterraines en Suisse. L'étude décrite ici est une partie de ce vaste projet.
Plus d'informations et de publications sur le projet:
https://grundwasserfauna.amphipod.ch/
Nous remercions les distributeurs d'eau potable pour leur collaboration ainsi que l'Office fédéral de l'environnement (OFEV), l'Eawag et la SSIGE pour leur soutien financier au projet AmphiWell.
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