Août 2015

LES LICHENS : INDICATEURS ENVIRONNEMENTAUX

FICHE DE SYNTHESE

Août 2015

Titre Les lichens : indicateurs environnementaux

Correspondant P&C DAMAS Olivier, CHASSAING Baptiste

Auteur FAROU Jean-Louis, GUERIN Jean-François

Relecteurs DAMAS Olivier

Objectifs Obtenir une indication de la qualité de l’air, notamment en contexte urbain, à partir du relevé et de l’observation des lichens.

Résumé

Une première partie expose la biologie particulière des lichens et met en évidence leur sensibilité aux polluants, témoignant de leur potentiel d’indicateurs de la qualité de l’air.

L’historique, de même que les différentes approches et méthodologies de diagnostic de la qualité de l’air à partir de l’observation des lichens sont ensuite présentés.

Un retour d’expérience de la Communauté urbaine de Bordeaux ferme cette fiche avec le témoignage d’une étude diagnostic de la qualité de l’air réalisée en 2003. Les résultats obtenus à partir d’un indice lichenique déterminé (indice IGQA), aboutissent à une cartographie, véritable outil de diagnostic et d’aide à la décision.

Thématiques

Mots clés

Inventaire et suivi de la biodiversité

Lichens, algues, champignons, indices, bio-indicateurs, qualité de l’air, pollution, polluants, cartographie

Date de publication 2015

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Omniprésents dans notre environnement, les lichens, issus de la rencontre entre une algue et un champignon affichent leur caractère opportuniste. La répartition mondiale des espèces atteste d’une grande faculté d’adaptation aux conditions écologiques parfois extrêmes en termes de température et d’hygrométrie. Les lichens sont absents dans les zones polaires et rares dans les zones désertiques où ils n’occupent souvent que les marges. Néanmoins, de la haute montagne jusqu’aux plaines continentales et aux espaces côtiers leur présence est constante.

A. CARACTERES BIOLOGIQUES DES LICHENS

LES ALGUES

Moins de 200 algues sont susceptibles de se licheniser. Elles se répartissent en deux catégories : les algues vertes (chlorophycées) qui représentent 90% des lichens et les algues bleues (cyanobactéries) qui représentent les 10% restants. Comme les végétaux supérieurs, elles utilisent l’énergie lumineuse et le gaz carbonique pour fabriquer des substances carbonées par la photosynthèse. De plus, les cyanobactéries sont capables de métaboliser l’azote de l’air. Dans le thalle, les algues représentent environ 10 % du lichen et se situent entre les deux couches du sandwich formé par le champignon. Si certaines peuvent vivre à l’état libre, dans la nature, la plupart se trouvent dans l’état lichenisé (Erreur ! Source du renvoi introuvable. et Erreur ! Source du renvoi introuvable.).

Figure 1 : Algue Pleurococcus sur mur

Figure 2 : Algue Trentepohlia sur façade

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LES CHAMPIGNONS

A 98 %, les champignons sont de la classe des ascomycètes. Il en existe environ 20 000 espèces, mais seulement 13 500 peuvent se licheniser. Le champignon permet la formation des cortex supérieur et inférieur entre lesquels sont hébergées les algues (photosymbiotes). C’est lui aussi (mycosymbiote) qui permet au lichen la reproduction sexuée par les spores. Une reproduction non sexuée s’effectue par les sorédies (association détachable du couple algue-champignon). Il est aussi déterminant dans la construction morphologique du thalle.

LA SYMBIOSE

Les lichens sont des organismes poïkilohydriques qui adaptent leur teneur en eau en fonction du substrat. L’étude de la symbiose a dû tenir compte de cette propriété physiologique aux conséquences létales dans le cas de longues privations.

Toute symbiose offre des avantages mutuels contrairement au parasitisme. Dans le cas de la symbiose lichenique, le champignon crée une structure poreuse qui laisse passer l’air et l’eau et protège l’algue de la dessiccation. Quant à l’algue, elle fabrique les nutriments nécessaires pour son métabolisme et sa reproduction, mais une part importante de ces nutriments est destinée au mycosymbiote. Les deux partenaires sont étroitement associés par l’intermédiaire d’un suçoir nommé haustorium (Erreur ! Source du renvoi introuvable.).

Figure 3 : Exemple de symbiose (Haustorium en contact avec une algue)

Le mycosymbiote hétérotrophe, comme tous les champignons, reçoit des hydrates de carbone qui varient selon le type d’algue. Pour les cyanobactéries, il s’agit du glucose alors que pour les algues vertes, il s’agit de ribitol, d’érythritol ou de sorbitol. Les hydrates de carbone cédés par le photosymbiote sont ensuite transformés par le champignon. Sur les 500 substances licheniques qui ont été identifiées, certaines comme la pariétine protège l’algue des radiations lumineuses. D’autres, comme l’atranorine dans le cortex supérieur, modifient certaines longueurs d’ondes pour les rendre assimilables par l’algue. D’autres molécules fabriquées par le lichen offrent des propriétés chélatantes, antibiotiques etc. Beaucoup sont encore mal élucidées dans leurs fonctions, notamment celles qui régulent l’activité photosynthétique.

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Figure 4 : Lichen Verrucaria nigrescens – calcicole, photophile ou héliophile, modérément nitrophile (commun sur roche calcaire ou ciment)

Figure 5 : Lichen Flavoparmelia caperata – acidophile, photophile ou héliophile, non nitrophile (un des lichens foliacés les plus

communes dans notre environnement)

Figure 6 : Lichen Xanthoria parietina – coniophile, toxi-tolérant, photophile ou héliophile, nitrophile (sur tous les

substrats, très commun et atteste de la présence de NOX)

B. LA BIO-INDICATION

Peu de temps après le mémoire de Schwendener (1867) qui fonde la lichenologie comme discipline scientifique, le botaniste Nylander dans son discours à la Société Botanique de France constatait : « La plupart des lichens semblent fuir les villes, et ceux qu’on y rencontre, n’arrivent souvent qu’à un stade de développement incomplet, à un état sorédifère ou tout à fait stérile ». Effectivement, dans les études qui suivirent, les botanistes qui observaient la flore des centres urbains ne notaient plus guère dans leurs inventaires que des cryptogames d’un ordre inférieur comme les Pleurococcus. (algue monocellulaire, cosmopolite, couvrant fréquemment le pied des murs dans les zones non ensoleillées et humides des villes - Erreur ! Source du renvoi introuvable.).

Si ce constat fut le précurseur d’une future bio-indication, il faudra attendre l’année 1926 pour voir apparaître la 1ère cartographie de la pollution de l’air de la ville de Stockholm par Sernander. A partir de 1950 de nombreux travaux apparaissent dans le monde et en 1968 les premières études sont réalisées en France.

C’est à partir du XIXème siècle que la pollution d’origine anthropique devient chronique. Au siècle suivant le développement industriel et la prolifération des véhicules à moteur amplifient sans cesse la pollution. Parmi les nombreux polluants gazeux on citera : le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote et bien d’autres molécules dont, par ailleurs, la synergie est encore mal connue. Les autres polluants se résument aux

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métaux lourds, comme le plomb, le mercure et aux radioéléments comme le Césium (137Cs) et le Strontium (90Sr).

C’est sur le dioxyde de soufre (SO2) qu’ont été réalisées les premières études de bio-indication par les

lichens avant de considérer la flore lichenique comme indicatrice globale de la qualité de l’air. Plus tard, une méthode plus affinée, développée par Lallemant et Giraudeaux permet une évaluation ciblée de plusieurs polluants. Globalement, deux approches sont utilisées en bio-indication : l’approche floristique et l’approche biologique.

L’APPROCHE FLORISTIQUE

Initiée par deux chercheurs anglais, Hawksworth et Rose en 1970, elle classe 80 espèces épiphytes en 11 zones numérotées de 0 à 10. Les espèces sélectionnées, ont fait l’objet d’un étalonnage précis par rapport aux mesures physicochimiques effectuées sur le SO2. Le 0 représentant la pollution maximale, le 10 représentant la pureté optimale. Deux échelles inhérentes à la nature chimique de l’écorce, eutrophiée ou non, permettent de tenir compte de la flore inféodée à ce type de substrat. Chaque zone définit un gradient de pollution exprimé en moyennes hivernales d’octobre à mars. Les utilisateurs de cette méthode, pour tenir compte des spécificités régionales, ont procédé à des réajustements de l’étalonnage.

Rapidement, l’expérience a permis de constater qu’une communauté végétale informait plus précisément sur les conditions ambiantes, que les espèces considérées isolément. La dimension phytosociologique apparait comme ayant l’avantage de tenir compte des amplitudes écologiques des espèces.

Quant au SO2, on constate une forte baisse de ce polluant grâce à plusieurs mesures utilisant la désulfuration en amont ou en aval de la combustion. Actuellement on remarque plutôt une augmentation de la pollution azotée, avec pour témoin, une végétation nitrophile qui vient supplanter les végétations neutrophiles et acidophiles dans les milieux urbains, périurbains et ruraux. Ces raisons ont rendu obsolète la méthode Hawksworth et Rose ciblée sur le SO2.

Une autre méthode élaborée en 1970 par Leblanc et Sloover permet de calculer un indice de pollution à partir d’une formule mathématique faisant intervenir différents paramètres relatifs à la flore lichenique épiphyte : méthode de l’IAP (Index of Atmosphérique Purity). Les espèces, suivant leur fréquence et leur taux de recouvrement, sont évaluées par un chiffre allant de 1 à 5. Les indices d’une même valeur reportés sur une carte, permettent le traçage de lignes d’isopollution à l’image des courbes de niveau pour l’altitude (Erreur ! Source du renvoi introuvable. et Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Cette méthode a l’avantage de ne pas cibler un polluant précis mais de globaliser les effets négatifs des polluants sur la flore lichenique.

Figure 7 : Exempel de carte d’isopollution « acidité »

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Figure 8 : Exemple de carte d’isopollution « amnoniac »

Van Haluwyn C. et Lerond M. élaborent une échelle de correspondance « groupements épiphytes- pollution » en Normandie orientale en 1981. Une démarche identique avec des procédures différentes sur un plus grand territoire a permis de confronter les résultats et de valider pour la moitié nord de la France cette méthodologie.

Plus récente, la méthode appliquée par Lallemant et Giraudeaux a permis de cibler plusieurs polluants. Lallement en 1996 dans ses travaux sur la côte d’Armor élabore une échelle permettant de mesurer le taux d’ammoniac. Giraudeaux construit une échelle ciblée sur les oxydes d’azote avec17 espèces et une autre visant l’acidité avec 42 espèces.

Des protocoles d’analyses permettent aussi la définition d’un IGQA (Indice Global de la Qualité de l’Air) et la mesure de molécules diverses par l’analyse spectrale, tel les dioxines, les furanes etc. Par ailleurs, plus de 40 métaux lourds peuvent être dosés dans les thalles de lichens. Ces méthodes qui rendent compte de la qualité globale de l’air sont à la base de la construction d’une norme concernant la biodiversité. C’est par un « Indice Biologique des Lichens Épiphytes » (IBLE) que la valeur écologique des espèces est évaluée.

L’APPROCHE BIOLOGIQUE

En 1983 Deruelle et Lallemant constatent des variations morphologiques de plusieurs espèces fruticuleuses (en forme de filaments ou de lanières pendants ou érigés) en relation avec la distance par rapport aux sources de pollution. Ainsi, Physcia adscendens et Physcia tenella, lichens communs dans notre environnement, ont des thalles qui perdent leurs cils marginaux dans les zones polluées. Ces constats et d’autres, à forte valeur indicielle ne permettent pas de construire une échelle de pollution. Par contre, au niveau physiologique on constate que quelle que soit la nature des polluants gazeux les perturbations apparaissent toujours dans l’ordre suivant : fuite d’électrolytes dont le potassium, photosynthèse et respiration altérée et enfin destruction des pigments.

Les travaux de cytologie cellulaire ont permis d’identifier sur l’ultra structure des lichens (le phytosymbiote) 13 strates de dégradation cellulaire identifiables pour la plupart en microscopie électronique. Les désordres ultra structuraux observés, vont du gonflement et de la déformation des mitochondries jusqu’à la rupture de la membrane cellulaire et a l’effondrement de son contenu. Cette étude a été réalisée sur deux espèces de lichens de milieux acide : Hypogymnia physodes et Bryoria capillaris par Holopairen et Kauppi en 1989.

Cette approche est aussi particulièrement intéressante pour la pollution par les métaux lourds .Le lichen étant considéré, in situ, comme un capteur passif, a l’avantage d’avoir les particularités biologiques suivantes :

une grande longévité ;

des parois cellulaires riches en polysaccharides ;

l’absence de système excréteur ;

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la synthèse d’acides licheniques doués de propriétés chélatantes. Mme C. Van Haluwyn (spécialiste française de la bio-indication) a obtenu l’agrément en mai 2008 dans le cadre des normes AFNOR pour une biosurveillance par les lichens de la qualité de l’air.

Il y a donc actuellement 4 normes concernant les organismes suivants :

le tabac pour l’ozone ;

le ray grass pour le dosage des métaux et des radionucléides ;

les mousses pour l’air ;

les lichens pour l’air (Qualité globale de l’air).

La mise en place d’une Norme Européenne pour l’intégration des lichens est en cours de discussion actuellement.

La connaissance de la biologie du lichen et donc de la symbiose lichenique, a permis l’utilisation du lichen comme bio-indicateur. Il a fallu pour cela, outre l’étude de la systématique, de l’écophysiologie, de la phytosociologie et de la phytogéographie, comprendre les mécanismes de sensibilité aux polluants. L’évolution de différents champs épistémologiques comme la physicochimie, la biochimie, les mathématiques statistiques, ont permis l’élaboration de méthodes de plus en plus fiables et performantes. Néanmoins, les mystères de la symbiose sont loin d’être résolus et l’on peut s’attendre à ce que la recherche permette à la bio-indication des performances accrues grâce à cet organisme dont la sensibilité aux polluants n’a pas d’égal.

C. RETOUR D’EXPERIENCE DE LA COMMUNAUTE URBAINE DE BORDEAUX : ETUDE DIAGNOSTIC DE LA

QUALITE DE L’AIR DU TERRITOIRE A PARTIR DE BIO-INDICATEURS BASES SUR L’OBSERVATION DES

LICHENS

La Communauté Urbaine de Bordeaux a lancé en 2003 une étude diagnostic de la qualité de l’air sur l’ensemble du territoire communautaire, étude qui s’inscrivait dans la phase initiale d’état des lieux de la charte pour l’environnement et le développement durable.

Cette étude a permis d’établir un point zéro ou état de référence de la qualité de l’air dans l’agglomération. Elle constitue au sens de la Loi sur l’Air du 30 décembre 1996 un préalable indispensable aux « actions d’intérêt général consistant à prévenir, surveiller, réduire les pollutions atmosphériques ». Elle peut d’autre part, être prise en considération dans le cadre des révisions du Plan Local d’Urbanisme (P.L.U.).

Le contexte, l’intérêt et les attendus autour d’une telle étude ont été les suivants :

« Le Plan Régional pour la Qualité de l’Air (P.R.Q.A.), élaboré par le Préfet de Région, considère que les méthodes de bio indication basées sur l’observation de la flore lichenique sont une solution pertinente pour évaluer les effets de la pollution atmosphérique sur l’environnement […] et retient l’utilisation de la bio indication dans ses orientations » ;

La Communauté Urbaine de Bordeaux dispose alors de peu d’informations, notamment en matière de qualité de l’air (absence d’état de référence) pour évaluer l’impact sur l’air des grands projets d’infrastructure routière. Ainsi, cet état de référence cartographié permet d’abonder le volet « impacts sur l’air » des études d’impacts, dont les exigences en matière de conséquences sur la santé et l’environnement ont été renforcées par l’article 19 de la Loi sur l’Air de décembre 1996 ;

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Les résultats obtenus sont complémentaires des mesures des capteurs fixes ou mobiles surveillés par l’Association AIRAQ et apportent une meilleure lisibilité sur la qualité de l’air de fond de l’ensemble de l’agglomération.

La Communauté Urbaine de Bordeaux a fait réaliser cette étude diagnostic par la Société AAIR LICHENS, partenaire du Laboratoire de Biologie Végétale de l’Université de Nantes, seul prestataire français spécialisé dans la bio surveillance de l’air à partir de la lichenologie appliquée (expert biologiste-lichenologue). La méthode de mesure mise en œuvre par ce prestataire a fait l’objet d’un dépôt de marque et de technique scientifique à l’I.N.P.I. Cette méthodologie met en évidence les modifications de la flore lichenique sous l’influence de la présence dans l’air ambiant, d’ammoniac et d’oxydes d’azote, de dioxyde de soufre, d’hydrogène sulfuré ainsi que de divers polluants toxiques pour cette végétation et portant atteinte à la qualité de l’air.

Le coût de cette étude diagnostic s’est élevé à 38 112 € HT, financé à 50% par l’Europe, 30% par la Région Aquitaine et 20% par la CUB. Elle s’est déroulée sur 7 mois et a consisté en une expertise, in situ, des lichens (prise en compte d’une quarantaine de variétés), considérés comme des témoins vivants des diverses pollutions atmosphériques. Elle a nécessité près de 700 relevés de terrain effectués sur des arbres, répartis sur le territoire communautaire selon un quadrillage géographique, découpé en mailles de l’ordre de 1 km2. Les résultats des observations sont exprimés grâce à un indice de la qualité de l’air (indice IGQA) synthétisant ces relevés. Les niveaux de mesure sur l’échelle lichenique traduisent les impacts sur la qualité de l’air. Ils sont restitués sous la forme d’une cartographie (Erreur ! Source du renvoi introuvable.).

Figure 9 : Cartographie de la qualité de l’air de la CUB réalisé à partir d’un indice lichenique IGQA