L'excès d'azote est une menace majeure pour la qualité de l'eau dans les eaux côtières du monde entier. Trouvé dans les eaux usées traitées, engrais de ferme et de pelouse et échappement de combustion, il alimente les proliférations d'algues qui ombragent les herbes submergées et aspirent l'oxygène de l'eau lorsqu'elles meurent et se décomposent.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Virginia Institute of Marine Science de William &Mary fournit des preuves supplémentaires que les eaux usées d'une usine de transformation de volaille ont un impact particulièrement important sur la qualité de l'eau et le cycle des nutriments. C'est parce qu'il contient non seulement beaucoup d'azote, mais les antibiotiques et les sous-produits du processus que les usines utilisent pour traiter leurs eaux usées. On pense que ces sous-produits inhibent la croissance et l'activité des microbes qui, autrement, aideraient à éliminer l'azote des ruisseaux de marée avant qu'il ne puisse pénétrer dans les systèmes côtiers.

Les chercheurs, Doctorat VIMS l'étudiant Miguel Semedo et le professeur Bongkeun Song, disent que leur étude est la première à évaluer les impacts de l'industrie avicole sur la qualité de l'eau et le cycle des nutriments en utilisant la génétique, techniques microbiennes et de télédétection. Les résultats de leurs travaux paraissent dans le numéro de janvier de Sciences et technologies de l'environnement . L'étude a été financée par le programme Fulbright et la bourse d'études supérieures de Semedo de Virginia Sea Grant.

Microbes et dénitrification

Les microbes éliminent l'azote des écosystèmes aquatiques par un processus appelé dénitrification. « Les microbes remplissent un certain nombre de fonctions écosystémiques, " dit Semedo, maintenant chercheur post-doctoral au Centre interdisciplinaire de recherche marine et environnementale de l'Université de Porto (CIIMAR) à Matosinhos, Le Portugal. "La dénitrification est l'une des plus vitales, car il a le potentiel d'éliminer l'excès d'azote du système."

Les microbes dénitrifiants ont des gènes uniques qui contrôlent le processus de dénitrification, une série d'étapes qui transforment les nitrates et les nitrites, formes inorganiques de l'azote présentes dans les eaux usées, en formes gazeuses telles que l'oxyde nitrique, protoxyde d'azote et diazote. Ces derniers composés sont inutilisables par la plupart des organismes et contribuent donc peu ou rien à la surfertilisation des eaux côtières.

Études de terrain

Semedo et Song ont mené l'étude dans deux ruisseaux de marée sur la côte est de la Virginie, l'un avec une usine de transformation de volaille en amont et l'autre sans. Les ruisseaux se jettent dans les lagunes côtières situées entre le continent de la péninsule de Delmarva et ses îles-barrières au large.

La paire a mesuré les niveaux d'azote dans les eaux d'amont, milieu, et l'embouchure de chaque ruisseau à quatre reprises entre novembre 2016 et septembre 2017. Ils ont également prélevé des échantillons de sédiments pour analyse en laboratoire au VIMS, car les microbes dénitrifiants vivent généralement dans les boues au fond du ruisseau. Dans le laboratoire, ils ont identifié les espèces de microbes présents, a noté qui contenait les gènes connus pour contrôler la dénitrification et a soumis les microbes du ruisseau « témoin » non contaminé à l'eau du ruisseau impacté par les effluents des usines de volaille.

Leurs résultats sur le terrain ont clairement montré que les niveaux d'azote étaient plus élevés dans le ruisseau contaminé.

"Les niveaux de nitrate dans les eaux de fond du ruisseau impacté étaient significativement plus élevés que ceux du ruisseau de référence dans toutes les stations dans la plupart des saisons, " dit Song.

"En moyenne, " ajoute Semedo, « les niveaux de nitrate dans le ruisseau touché étaient 34 fois plus élevés à la station d'amont, 47 fois plus élevé à mi-parcours, et 23 fois plus près de la bouche."

Alors que les concentrations de nitrate dans le ruisseau touché ont diminué avec l'augmentation de la distance du site de rejet de l'usine, le taux auquel ils l'ont fait (33 % d'enlèvement par kilomètre) était beaucoup plus faible que dans le ruisseau de référence (70 % par km).

Expériences d'incubation et analyses génétiques

Les résultats de laboratoire de la paire ont soutenu les études sur le terrain, et a aidé à clarifier les causes de la dénitrification réduite.

« Lorsque nous avons incubé les sédiments du ruisseau témoin avec de l'eau du ruisseau contaminé pendant 24 heures, les taux de dénitrification ont diminué de 93 %, " dit Semedo. " Il semble donc qu'une combinaison de niveaux élevés d'azote et de sous-produits des eaux usées inhibe l'élimination de l'azote dans l'eau et les sédiments du ruisseau contaminé. "

Les études génétiques de Semedo et Song ont révélé que la plus faible abondance de gènes dénitrifiants se trouvait dans les échantillons du ruisseau touché, le plus proche de la décharge de l'usine de traitement. Cette tendance s'est produite tout au long de l'année. L'abondance bactérienne totale a suivi la même tendance.

"Globalement, " dit Song, « l'abondance des gènes de dénitrification dans le ruisseau impacté a suivi une tendance claire, avec les plus faibles abondances les plus proches de l'usine de transformation, et des abondances plus élevées à la station aval, plus loin de l'usine de transformation. Nous n'avons pas vu cette tendance dans le ruisseau de contrôle. »

« La station d'amont du ruisseau impacté se distingue clairement de la station d'amont du ruisseau de contrôle et de tous les autres échantillons, " dit Semedo, « indiquant qu'il existe une communauté bactérienne très distincte près de la décharge des eaux usées de l'usine de traitement. Et toutes les classes dominantes de bactéries qui étaient absentes du site d'amont du ruisseau touché sont connues pour porter un ou deux gènes de dénitrification. »

Prise en charge supplémentaire de l'imagerie satellite

Les différences d'abondance de chlorophylle-a dans les eaux des lagunes côtières voisines, telles qu'estimées par imagerie satellitaire, viennent étayer davantage leurs conclusions. Ce pigment photosynthétique est un indicateur de la croissance des algues.

"Les concentrations de chlorophylle-a en dessous de l'embouchure du ruisseau impacté étaient toujours plus élevées que celles en dessous de l'embouchure du ruisseau témoin, " dit Semedo. Les concentrations moyennes de chlorophylle-a variaient de 5,8 à 16,1 microgrammes par litre dans la lagune en dessous du ruisseau impacté, comparativement à 1,8-5,2 g/L pour le ruisseau témoin.

Bien que menée sur une seule paire de criques qui alimentent les lagunes balnéaires, L'analyse de Semedo et Song a des implications plus larges pour la qualité de l'eau et la gestion des effluents dans la baie de Chesapeake, les États-Unis et le monde. Un nouvel étudiant diplômé du laboratoire de Song prévoit de mener une étude de suivi pour examiner comment l'expansion des bâtiments d'élevage de volailles pourrait avoir un impact sur la qualité de l'eau dans les ruisseaux de marée de la côte est. Dans le comté d'Accomack, où se situent les ruisseaux étudiés, 254 poulaillers étaient en activité en 2014, avec 245 nouvelles maisons autorisées depuis lors. Parmi ceux-ci, 218 ont été construits en février 2019, et 11 d'entre eux ont été autorisés en 2018.

Une étude préliminaire menée en 2018 par des chercheurs du laboratoire Eastern Shore du VIMS à Wachapreague n'a pas trouvé d'impacts du ruissellement des eaux pluviales dans les bassins versants avec des opérations de grossissement de volailles récemment construites. Cette étude est en cours. Avec de nouvelles réglementations exigeant le contrôle des eaux pluviales et la gestion des déchets, les nouvelles installations devraient avoir moins d'impact que par le passé.

La péninsule de Delmarva - avec 56 ruisseaux de marée se jetant dans les lagunes balnéaires et la baie de Chesapeake - a la plus forte concentration de poulets à griller par zone de terres agricoles aux États-Unis. L'Agence américaine de protection de l'environnement estime que du 1, 186 transformateurs de volaille à travers le pays, 108 (9,1 %) rejettent les eaux usées traitées directement dans les eaux de surface des lacs, rivières et océans.