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Utilisation de l'analyse en composantes principales (ACP) pour l'évaluation de la qualité sanitaire des eaux le long du littoral méditerranéen dans la région de Tanger-Ksar Sghir, Maroc

28 mars 2019 Paru dans le N°420 à la page 97 ( mots)
Rédigé par : Imane BOUROUHOU et Farida SALMOUN de Laboratoire de physico-chimie des Matériaux Sub...

Les zones côtières et marines jouent un rôle crucial pour le bien-être de l'homme, le maintien de l'équilibre écologique et le développement durable et économique. Les écosystèmes dans les zones littorales rendent une variété de services allant de la production alimentaire aux fonctions de régulation et d'épuration en passant par l'exploitation pour le tourisme, la plaisance, le transport et la logistique. Pourtant, la pollution marine au niveau de ces zones n'a cessé de croître. L'accroissement des activités économiques, industrielles et logistiques sont les causes principales de cette pression exercée sur le milieu marin. Dans ce contexte, le présent travail a été effectué pour évaluer la qualité sanitaire des eaux marines au niveau du littoral de la région Tanger-Ksar Sghir. Pour réaliser cette étude, 25 prélèvements d'eau de mer ont été effectués au niveau de 14 zones différentes de la baie de Tanger-Ksar Sghir. L'analyse bactériologique a porté sur quatre indicateurs microbiens de pollution?: les coliformes totaux, les coliformes fécaux, la bactérie Escherichia coli et les streptocoques fécaux en intégrant le paramètre température qui conditionne la croissance des bactéries. L'interprétation des résultats d'analyse a été réalisée à l'aide d'une Analyse en Composantes Principales (ACP) qui a permis de repérer les zones les plus touchées par la pollution bactériologique.

Le milieu marin constitue un patrimoine naturel très important sur notre Terre. Les études scientifiques [Ronday et Beckers, 2005] montrent qu'à l’échelle du globe, le milieu marin couvre près de 71 % de la surface totale, ce qui montre l’importance de ce vaste espace par rapport aux milieux continentaux. La complexité de cet environnement et la biodiversité qu'il possède montrent l'équilibre fragile des écosystèmes marins. Aujourd'hui, les dangers qui menacent le milieu marin sont de plus en plus persistants : pollution, surexploitation, surpêche, dérèglement climatiques, etc.
Figure 1. Situation géographique de la zone d'étude

Le Maroc possède un vaste territoire maritime. D'après Mansour [2003], les côtes méditerranéennes au Nord du Maroc s’étendent sur 512 kilomètres et la pression démographique sur ce littoral dépasse 93 Ha/Km² accompagnée d'une activité économique et industrielle importante. En outre, les eaux usées générées dans cette région sont déversées directement dans les eaux du littoral méditerranéen sans traitement préalable [Blinda, 2007].

Dans les écosystèmes aquatiques, les organismes les plus nombreux sont les microorganismes, les bactéries forment une composante importante. L'activité des micro-organismes pouvant avoir des impacts à grande échelle, dépassant leurs environnements (micro-habitat), l'écologie microbienne rejoint souvent la microbiologie environnementale qui ne considère ni l'environnement ni les interactions biotiques [Boeuf 2013]. De ce fait, le rôle des bactéries est fondamental pour le maintien de l'équilibre écologique des milieux aquatiques.
Cette étude a pour but l'évaluation des niveaux de contamination bactériologique du milieu marin en se basant sur des paramètres de qualité sanitaire des eaux côtières dans la région de Tanger-Ksar Sghir et en tenant compte de la température de l'eau. Sur le plan sanitaire, la qualité bactériologique d'une eau de mer, d'après Bonnefont et al. [1990], est évaluée par la recherche de bactéries test de contamination fécale (essentiellement coliformes fécaux et streptocoques fécaux). La synthèse des résultats des analyses a été faite par la méthode statistique d'analyse des données ACP (Analyse en Composantes Principales).

Matériels et méthodes

Zone d'étude
Le port marocain Tanger Med est situé dans la Région de Tanger-Tétouan-Al Hoceïma, au Nord du Maroc (figure 1). Il a été construit entre 2004 et 2007. Son activité principale est le transbordement de conteneurs. Le port est connecté à plus de 120 ports dans 50 pays au monde auxquels il est relié par des lignes régulières hebdomadaires. Du point de vue géographique, le port est positionné sur la voie de passage du commerce maritime mondial Est-Ouest, entre l'Asie, l'Europe et l'Amérique du Nord qui est considérée comme la seconde voie maritime la plus fréquentée au monde avec plus de 100.000 bateaux par an.
Echantillonnage et technique d'analyse
En se basant sur des observations de la zone d'étude, la stratégie d'échantillonnage sera celle d'un échantillonnage aléatoire stratifié. En effet, en raison de la non-homogénéité de la répartition longitudinale par rapport à la dispersion de la pollution considérée ponctuelle dans une superficie caractérisée par un fort gradient de pollution. Par conséquent, un échantillonnage par hasard simple s'avère inadéquat.
Sur un littoral de 54.500 m, la pollution est concentrée dans la région du port. L'estimation de la quantité globale sera biaisée si des échantillons pris au hasard ignorent les zones de forte concentration [Loubersac, 1982].
L'utilisation de l'échantillonnage stratifié permet de diviser le littoral en zones de concentrations différentes (strates). Dans chaque strate, l'échantillonnage effectué est plus ou moins proportionnel à la charge polluante, ce qui permet de préciser la moyenne et de minimiser la variance de la moyenne estimée.
En résumé, la méthode consiste à : identifier la zone d'étude et la diviser en strates de longueurs connues, chacune correspondant à un type de concentration, puis choisir au hasard, dans chaque strate, un échantillon composé d'un certain nombre de stations d'échantillonnage, et à la fin obtenir par pondération des moyennes et des variances, une estimation de la moyenne globale et de la variance associée par rapport à l'unité de référence.
Les zones sont choisies en termes d'accessibilité géographique et la taille des strates prend en considération la forme des régions (présence des épis, plages artificielles, etc.). La division des strates est basée sur la connaissance préalable des différentes zones classées selon un indicateur du niveau de pollution dans une étude faite par le ministère délégué auprès du Ministre de l’Energie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement en collaboration avec le Ministère de l’Equipement, du Transport et de la Logistique, chargé de l’Environnement. L'étude réalisée au cours de la période mai 2015 à mars 2016 a pour but l’évaluation de la qualité des eaux de baignade des plages surveillées.
Elle porte sur la recherche des paramètres microbiologiques, coliformes fécaux (Escherichia Coli) et des entérocoques (streptocoques fécaux) conformément à la norme nationale en la matière (Nm 03. 7. 200), transposée de la directive européenne (76/160/CEE) et les directives de l’OMS/PNUE, applicables à la surveillance sanitaire des eaux de baignade marines.

Les strates vont être identifiées selon les quatre catégories définies par l'indicateur de niveau de pollution pour que notre zone d'étude soit divisée en sous-zones homogènes avant l'échantillonnage. La région du port Tanger Med est identifiée comme étant la zone caractérisée par la plus forte concentration puisque elle représente la source principale de la pollution et cela n'empêche pas l'existence de sources particulières de pollution dans les autres zones provenant des rejets des eaux usées, des embouchures des rivières, etc. En fait, dans le programme de surveillance réalisé conjointement par le ministère de l’Equipement, du Transport et de la Logistique et le ministère délégué chargé de l’Environnement, les sites de surveillance (tableau I) sont choisis en fonction de l’importance de la fréquentation, de la nature des lieux (relief, forme du rivage…) et des risques particuliers de pollution pouvant exister (rejet d’eaux usées, embouchures de rivières, ports, etc.).

L'évaluation de la qualité sanitaire des eaux côtières se base sur des paramètres microbiologiques fixés par des modalités de surveillance de la qualité des eaux marines conformément à la norme nationale en la matière (Nm 03. 7. 200), transposée de la directive européenne (76/160/CEE) et les directives de l’OMS/PNUE, applicables à la surveillance sanitaire des eaux de baignade marines.
Les germes recherchés sont les coliformes totaux, les coliformes fécaux, Escherichia coli et les streptocoques fécaux. D'après les études de Figarella et al. [2001] et Larif et al. [2013], ces germes sont peu ou pas pathogènes, ils sont révélateurs de contamination fécale et entrainent par leur abondance la présomption de contamination plus dangereuse.
L'analyse de l'échantillon se fait immédiatement après l'avoir prélevé. L'étape du prélèvement influence directement les résultats des analyses bactériologiques. Afin d'éviter toute contamination, des précautions particulières ont été prises durant le prélèvement et la conservation conformément à l'ISO 5667-1, l'ISO 5667-2 et l'ISO 5667-3.

La durée maximale de conservation des échantillons destinés à l'analyse est de 24 h, à condition qu'ils soient conservés à une température de 5+/- 3 C.

L'examen consiste en une filtration sur membrane, suivie d'une mise en culture dans une gélose de différentiation et d'un calcul du nombre des organismes cibles présents dans l'échantillon. Le mode de calcul adopté par ce protocole d'analyse se reporte à la NM ISO 7218 où la procédure spécifique de calcul du nombre d'unité formant colonie PS.MA.-5.4-08. Pour effectuer le comptage dans le milieu gélosé, chaque bactérie isolée est indiquée par l'existence d'une unité formant colonie (UFC). Le calcul du nombre de bactéries présentes dans la prise d'essai s'effectue par le calcul des colonies typiques dans toutes les boites de Petri pour les dilutions successives. Le tableau II récapitule les analyses qui ont été réalisées conformément aux normes marocaines.
Traitement de données
L'appréciation de la qualité microbiologique des eaux de mer du littoral dans la région du port Tanger Med est basée sur une approche statistique qui utilise la méthode de l'analyse en composante principale (ACP) dans le but d'estimer globalement la pollution dans cette région. L'ACP est une méthode statistique descriptive dont l’objectif est de présenter, sous forme de graphique, le maximum de l’information contenue dans un tableau de données [Philippeau et al., 1986, Mounjid et al., 2014].

Résultats et discussion

Les analyses bactériologiques

Les prélèvements ont été réalisés au long du littoral méditerranéen dans la région de Tanger-Ksar Sghir. Vingt-cinq stations ont été choisies pour effectuer les analyses bactériologiques. L'analyse multifactorielle réalisée nous a permis de décrire le résumé d'information contenu dans les variables relatives aux paramètres bactériologiques dans les eaux de mer de la région Tanger-Ksar Sghir. Cette analyse a pour but de lier les différentes variables (Coliformes totaux, E. coli, coliformes fécaux et Streptocoques fécaux) par une corrélation. Les résultats (tableau III) sont combinés dans une matrice de 25 lignes qui représentent les observations et 4 colonnes qui représentent les variables. Les deux axes principaux F1 et F2 représentent les valeurs propres et leur contribution à l'inertie totale de l'analyse.

Le cercle de corrélation (figure 2) montre que les streptocoques fécaux, les coliformes fécaux, Escherichia coli et les coliformes totaux contribuent tous d'une manière positive dans la formation de l'axe F1 qui explique 57,60 % de la variance totale des données. Les streptocoques fécaux, ainsi que les coliformes fécaux contribuent positivement à la formation de l'axe F2 (tableau III) qui explique 30,87 % de la variance totale, alors qu'Escherichia coli et les coliformes totaux y contribuent négativement.
Figure 2. Approche graphique de l’ACP : Représentation des variables selon le plan factoriel F1 et F2 dans le cercle de corrélation des variables

Les deux facteurs F1 et F2 représentent un plan factoriel de variabilité des données de 88,47 %, ce qui permet de négliger les autres facteurs. Donc, l'examen de l'ACP sera fait en se basant sur ces deux premiers facteurs.

La figure 2 des observations permet d'identifier les tendances des sites d'échantillonnage. En se basant sur la carte factorielle F1 x F2 (figure 3), les résultats de l'ACP montrent que les différentes stations qui se positionnent du coté à droite sont les plus polluées, alors que ceux qui se positionnent du coté à gauche sont les moins polluées.
Figure 3. Représentation des sites de prélèvement sur le plan factoriel F1 et F2

L'analyse globale par projection des individus sur le plan factoriel (F1, F2) permet de dégager quatre groupes par rapport à leur niveau de pollution :

  • Groupe 1 (G1) : sur la base de quatre variables utilisées, le site S25 se présente d'une manière assez particulière : S25 est caractérisé par des valeurs très élevées des quatre paramètres bactériologiques étudiés. Ce site se positionne au niveau de la strate IV dans la zone du prélèvement du port Tanger-Med. Ces valeurs traduisent la présence d'une contamination fécale très importante dans cette région. Le site est aussi caractérisé par une valeur très élevée de la bactérie Escherichia coli. Les études récentes [Verhille, 2013] montrent que la détection de l’indicateur E.coli est une preuve incontestable de l’occurrence d’une contamination fécale récente et indique la présence potentielle de pathogènes entériques. Les divers virus entériques humains rejetés dans les eaux usées sont très résistants dans le milieu extérieur et peuvent persister aux traitements épuratoires et ensuite être retrouvés dans les eaux de surface, les eaux littorales ou les aliments [Le Guyader et al., 2014].
  • Groupe 2 (G2) : les sites du prélèvement S22, S23 et S24 qui se situent aussi dans la région du port Tanger-Med sont caractérisés par une pollution fécale importante représentée principalement par les deux types des germes indicateurs de la pollution bactériologique : les coliformes fécaux et les streptocoques fécaux [Mehanned et al., 2014]. Selon le rapport de l'Agence Spéciale Tanger Méditerranée (2010), la présence de ces bactéries dans la région du port Tanger-Med pourrait être liée au fait que les bactéries d'origine fécale issues des rejets des navires sont parmi les polluants caractéristiques des zones portuaires. L'existence des coliformes totaux traduisent la présence d'une contamination environnementale dans la région.
  • Groupe 3 (G3) : au niveau des deux sites de Tanger ville S19 et S20, la qualité de l'eau est d'une médiocre qualité. Les valeurs des coliformes fécaux sont particulièrement très élevées au niveau de ces deux sites par rapport aux régions à cotés (plage Marqala et plage Tanger-Malabata) ; l'eau prélevée contenait 1,5.103 UFC coliformes fécaux/100 ml et 10,4.103 UFC E.coli/100 ml. Ces stations polluées subissent l’influence des rejets des eaux usées en mer.
  • Groupe 4 (G4) : ce groupe comprend des sites de prélèvement caractérisées par une eau de qualité moyenne et le nombre impératif fixé par la directive européenne (76/160/CEE) pour E.coli et coliformes fécaux est respecté dans au moins 95 % des prélèvements.
La température de l'eau
La température est un facteur très important qui conditionne les équilibres physico-chimiques et bactériologiques des écosystèmes. D'après Chaouay et al. [2016], la température agit sur la densité, la viscosité, la solubilité des gaz dans l’eau, la dissociation des sels dissous, de même que sur les réactions chimiques et biochimiques, le développement et la croissance des organismes vivants dans l’eau et particulièrement les micro-organismes. Les valeurs de la température mesurées dans les 14 zones sont représentées dans la figure 4.
Figure 4. Variation de la température (°C) de l’eau de mer de la région Tanger-Ksar Sghir

Les températures enregistrées dans la région du port Tanger-Med sont particulièrement élevées par rapport aux autres régions caractérisées par des valeurs très proches les unes des autres. Les résultats montrent que le taux des bactéries étudiées témoins d'une contamination fécale est très élevé dans la région du port. En effet, la croissance et la survie des bactéries dépend de différents facteurs environnementaux tels que la température, le pH, le rayonnement solaire, les substrats nutritifs, etc. Les bactéries sont des poïkilothermes, donc le paramètre de la température joue un rôle très important dans leur croissance et il influence leur métabolisme. Les bactéries peuvent être classées selon leur température optimale de croissance. La bactérie E. coli peut se développer sur l'intervalle 30-37 °C. D'après un rapport de l'Université Médicale Virtuelle Francophone [2014], E. coli fait partie des bactéries mésophiles dont la température de croissance est la plus proche de celle du corps humain (37 °C). Les entérocoques sont des eurythermes ; elles ont un intervalle étendu de température (entre 0 et 40 °C). Les températures enregistrées au niveau des stations de prélèvement du port sont favorables (plus proche de 37 °C) à la croissance des bactéries étudiées.

Conclusions

Dans le cadre de la surveillance et du suivi de la qualité des eaux côtières au niveau de la région de Tanger-Ksar Sghir, une étude des paramètres bactériologiques des eaux de de la mer Méditerranée au niveau du littoral du port Tanger Med a permis de dégager un certain nombre d'observations. Les valeurs obtenues à partir de l'analyse des eaux dans la région du port Tanger-Med renseignent une forte contamination fécale par les bactéries indicatrices de la pollution (CT, CF, E.coli et S.F) avec des valeurs de température élevées, ce qui traduit une pollution environnementale de court, moyen et long terme. La qualité microbienne des eaux de la plage de Tanger ville est médiocre et montre des valeurs élevées des coliformes fécaux qui dépassent les normes impératives des eaux de baignade. Ces résultats indiquent que cette eau est influencée par les rejets des eaux usées provenant du réseau d'assainissement de la ville. Le taux de la charge fécale dans les autres régions du littoral reste de qualité moyenne avec des valeurs qui dépassent les valeurs guide de la qualité des eaux de baignade mais avec respect du nombre impératif. 
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