Predicting the sanitary quality of a bathing area using fluorescence spectrometry and the Fluocopée® probe
Prédiction de la qualité sanitaire d'une zone de baignade grâce à la spectrométrie de fluorescence et la sonde Fluocopée®
Résumé
The last two decades have seen the development of new high-frequency metrology devices for monitoring biophysical and chemical parameters in surface waters. Optical probes, in particular fluorescence probes, play a key role in this move to integrate high-frequency measurement into environmental monitoring. Numerous correlations and predictive models can be established between the optical and chemical properties of the study medium (Carstea et al., 2016, 2020; Goffin et al., 2018, 2019; Saraceno et al., 2009; Sorensen et al., 2021).
The development of the Fluocopée® probe at LEESU in collaboration with SIAAP is part of this dynamics. It enables in-situ, high-frequency monitoring of the temporal evolution of 32 fluorophores for the ca-racterization of organic matter, compared with 2 or 3 fluorophores for other commercially available fluorescence probes. It has already been deployed in the Seine at several measuring stations upstream and downstream of the Paris conurbation, and upstream of biological treatment at the Seine Aval wastewater treatment plant operated by the SIAAP.
The large number of fluorophores tracked by this probe opens up a wide range of applications in water quality monitoring. One of these is the prediction of Fecal Indicator Bacteria (FIB) concentrations based on the fluorescence characteristics of surface waters. At the end of summer 2023, a sampling and analysis campaign was set up with the support of SIAAP and Paris City Council teams on the basin that will host the triathlon and open water swimming events at the Paris 2024 Olympic Games. One hundred and thirty-five samples of Seine water were collected at the Pont de l'Alma bridge in Paris. The aim of the campaign was to compare bacteriological analyses of E. coli concentrations carried out using a standardized microbiological method (NF EN ISO 9308 3) with fluorescence measurements obtained for the 32 fluorophores measured by the Fluocopée® probe. The fluorescence data thus acquired were used as explanatory variables to build models capable of predicting E. coli concentrations in a bathing area.
The main indicators revealed by the Fluocopée® probe were significantly better than those tracked by fluorescence probes currently available on the market. The best-performing models, however, were built from all the fluorophores measured by the Fluocopée® probe, using Machin Learning algorithms (R²=0.745). The median residual (median of deviations between predicted and measured values using reference methods) for model validation samples (not used for calibration) is 24%. This value is comparable to the uncertainties of the standardized microbiological analysis method used here.
This methodology could subsequently be reproduced to calibrate models suitable for high-frequency, real-time in situ monitoring of the microbiological quality of new bathing sites, no-notably those planned for the Seine as a legacy of the Paris 2024 Olympics.
Les deux dernières décennies ont vu s’intensifier le développement de nouveaux appareils de métrologie à haute fréquence pour suivre les paramètres biophysicochimiques des eaux de surface. Les sondes optiques, en particulier les sondes de fluorescence, occupent une place prépondérante dans cette démarche d’intégration de la mesure haute fréquence aux suivis environnementaux. De nombreuses corrélations et modèles prédictifs peuvent être établis entre les propriétés optiques et chimiques du milieu d’étude (Carstea et al., 2016, 2020; Goffin et al., 2018, 2019; Saraceno et al., 2009; Sorensen et al., 2021).
Le développement de la sonde Fluocopée® au LEESU en collaboration avec le SIAAP s’inscrit dans cette dy-namique. Elle permet de suivre in situ et à haute fréquence l’évolution temporelle de 32 fluorophores pour ca-ractériser la matière organique contre 2 à 3 fluorophores pour les autres sondes de fluorescence disponibles dans le commerce. Elle est déjà déployée en Seine sur plusieurs stations de mesures entre l’amont et l’aval de l’agglomération parisienne et en amont du traitement biologique de la station d’épuration Seine Aval opérée par le SIAAP.
Le grand nombre de fluorophores suivis par cette sonde permet d’envisager de nombreuses applications en lien avec le suivi de la qualité de l’eau. Une d’entre elles réside dans la prédiction des concentrations en Bacté-ries Indicatrices Fécales (BIF) à partir des caractéristiques de fluorescence des eaux de surface. À la fin de l’été 2023, une campagne de prélèvements et d’analyses a été mise en place avec l’appui des équipes du SIAAP et de la mairie de Paris sur le bassin qui accueillera les épreuves de triathlon et de nage en eau libre aux JO de Paris 2024. Cent trente-cinq échantillons d’eau de Seine ont été collectés au niveau du pont de l’Alma à Paris. Cette Campagne avait pour but de confronter les analyses bactériologiques des concentrations en E. coli réalisées avec une méthode microbiologique normée (NF EN ISO 9308 3) aux mesures de fluorescence obtenues pour les 32 fluorophores mesurés par la sonde Fluocopée®. Les données de fluorescence ainsi acquises ont été utilisées comme variables explicatives pour construire des modèles capables de prédire les concentrations en E. coli d’une zone de baignade.
Les principaux indicateurs provenant de la sonde Fluocopée® qui ont été mis en évidence se sont révélés sensiblement plus performants que ceux que permettent de suivre les sondes de fluorescence disponibles à l’heure actuelle sur le marché. Les modèles les plus performants ont toutefois été construits à partir de l’ensemble des fluorophores mesurés par la sonde Fluocopée® en employant notamment des algorithmes de Machin Learning (R²=0,745). Le résidu médian (médiane des écarts entre les valeurs prédites et mesurées avec les méthodes de référence) pour les échantillons de validation du modèle (non utilisés pour la calibration) est égal à 24%. Cette valeur est comparable aux incertitudes de la méthode d’analyse microbiologique normée employée ici.
Cette méthodologie pourra être reproduite par la suite pour calibrer des modèles adaptés à la surveillance in situ à haute fréquence et en temps réel de la qualité microbiologique des nouveaux sites de baignade, no-tamment ceux prévus en Seine comme héritage des JO de Paris 2024.