Comportement des éléments traces métalliques dans les écosystèmes

Les ETM (éléments traces métalliques)

On appelait classiquement métaux lourds, les éléments chimiques qui correspondent actuellement au terme générique d’ETM. Ces éléments traces métalliques désignent en fait un nombre important de métaux ayant un intérêt de plus en plus important dans la vie des sociétés modernes et à caractère toxique pour l’environnement et pour l’homme.
Nous employons les deux termes dans notre travail, avec une préférence pour ETM. L’Encyclopedia of Chemical Science (1964) définit les métaux lourds comme des métaux ayant une densité supérieure à 4. Lapedes (1974) réserve ce terme à ceux dont la densité est approximativement de 5 ou plus. Burell (1974) définit les métaux lourds comme un groupe délimité dans le tableau de la classification périodique des éléments, par le titane d’une part, l’arsenic et le bismuth d’autre part, regroupant les métaux dont la densité va de 4.5 pour le Titane à 22.5 pour l’osmium. Ce travail de découpage effectué sur le tableau de Mendeleïev fait apparaître un bloc de 36 cases occupées essentiellement par les métaux, à deux exceptions prés, celle de l’arsenic et de l’antimoine.
La Toxicologie des métaux n’ayant cessé de se développer au cours des dernières années, notamment celle des métaux de densité élevée, de nombreux auteurs désignent alors sous le nom d’éléments traces métalliques (ETM) tous les métaux ayant une connotation toxique (Boudène, 1993).

Comportement des éléments traces métalliques dans les écosystèmes

Le mouvement des métaux lourds entre les différents « compartiments » d’un écosystème implique des processus relatifs à la biologie et à la chimie environnementale. Le mouvement élémentaire traite le mécanisme de pénétration des feuilles par les éléments traces métalliques comme suit; cet aspect est d’ailleurs repris en évaluation des risques.
Mécanisme de pénétration des feuilles par les éléments traces métalliques Selon Mulgrew and Williams (2000), les plantes supérieures interceptent les polluants non seulement à partir de dépôts atmosphériques mais également par les métaux « aériens » soulevés du sol avec ces particules en même temps qu’ils sont pris du sol par le plantes via leurs systèmes racinaires puis déplacés vers les autres parties de la plante.

Les feuilles constituent une importante voie de pénétration des éléments minéraux essentiels et nocifs déposés. La pollution atmosphérique peut causer des dommages à la végétation par une réduction importante dans l’efficacité da sa nutrition minérale se traduisant par des baisses importantes de rendement (De Temmerman et Vandermein, 1987). Par exemple, la plus grande fraction du Cu et du Zn retenue par la plante après leur application sur les feuilles de maïs reste localisée dans la portion du limbe traitée. Des essais réalisés sur des cuticules isolées de poirier (Pyrus communis) indiquent que le Cu et le Zn sont rapidement fixés au niveau de la barrière cuticulaire. Cette fixation augmente rapidement avec les plus faibles concentrations puis tend ensuite vers un niveau de saturation; elle est plus faible pour le Zn (Chamel et Gambonnet, 1979). Bien que la cuticule puisse constituer une barrière à la pénétration de substances exogènes dans la feuille avant de se rendre à travers la paroi cellulaire et le plasmalemme (Hule et al., 1975; Smalley et al., 1993 cités par Rahmoune et al., 2000), elle ne constitue pas une barrière absolue. De nombreuses investigations ont montré qu’il y a un transfert d’ions à travers des cuticules intactes de surfaces des feuilles dans un champs fréquemment exposé aux dépôts atmosphériques anthropogéniques.

Le cas du Zn et du Cu est fort illustrant. Chamel et Gambonnet (1979), rapportent que la fixation du Zn par les feuilles est plus faible que celle du Cu; Ils affirment également que ces deux éléments sont en partie échangeables. Leur transition à travers des membranes cuticulaires sans stomates est très lente même dans le cas où le milieu récepteur permettrait une diffusion d’échange.

Les filtres plantés de roseaux (FPR)

Les lits à macrophytes ou marais artificiels ou encore filtres plantés de macrophytes reproduisent des phénomènes naturels présents dans certains types de sols organiques, et plus généralement dans des marais naturels (Tchobanoglous et al., 1987). De nombreuses architectures de filtres existent, ces dernières sont conditionnées par :
La nature du végétal utilisé (macrophytes flottants, enracinés, mixtes). Le type de flux (horizontal ou vertical). Le régime d’écoulement (bâchées, continue, en saturation ou en percolation). La classification présentée en figure 1 offre une synthèse de ces différents types de FPR (Brix, 1993). Les lits à flux d’eau sous-surfaciques verticaux sont généralement employés en Europe, et principalement destinés aux eaux domestiques.
Filtres plantés de macrophytes : On distingue quatre types d’installations le plus couramment mises en œuvre :

Filtres à percolation sans mise en charge (flux vertical non saturé : FVNS) . C’est le cas de 30 stations en France, dont Queige (Savoie, 73) crée en 1998.
Filtre horizontal sous surfacique : FSSC (flux sous surfacique en Charge). C’est le cas de deux stations en France, dont Curienne (même si elle tend actuellement à se différencier en système «hybride»).
Flux surfacique FSEL (flux surfacique à Eau libre) . Système hybride (comme le type Seidel, du nom de son créateur) . Il s’agit d’un système mixte, c’est-à-dire une succession de filtres à écoulement vertical (en amont) et horizontal (en aval); cela permet de combiner les avantages de deux types. C’est le cas de Pannessières.

Mécanisme d’absorption du cadmium, plomb et zinc par Phragmites australis

Nous avons rappelé que certaines plantes aquatiques sont plus ou moins tolérantes vis-à-vis des métaux, et présentent parfois des concentrations nettement supérieures à celle du milieu. Par exemple, chez des plantes aquatiques vasculaires vivant dans des cours d’eau polluées, certains auteurs ont mesuré des concentrations supérieures à 200 ppm pour le zinc, proches de 10 ppm pour le cadmium et le plomb. De même, d’autres auteurs signalent des concentrations racinaires supérieurs à 1000 ppm pour le plomb, pour des macrophytes présentes dans divers lacs pollués par des activités minières en Angleterre. Des essais d’épuration des eaux de ruissellement de chaussée réalisés dans des bacs pilotes (Wittenberg, 1980) ont montré une baisse remarquable de la teneur en plomb et zinc en présence des hélophytes : Typha l., Phragmites a.et Scipus lacustris. Iris pseudocorus, plante rhizomateuse accumule le cuivre dans les proportions suivantes : 80% dans les racines. 14% dans les rhizomes. 4% seulement au niveau des feuilles.

Kirassian et Blake, (1984) ont montré que l’élimination du zinc d’une solution de 1 ppm par Typha latifolia en présence de sédiments est de 95% au cours des dix premiers jours. Kaigate (1987), a trouvé qu’un temps de séjour de dix jours est suffisant pour l’élimination par la jacinthe d’eau «Eichhornia crassipes», de plus de 95% du cadmium et du Nickel du milieu contenant soit cadmium, soit nickel à 0.5 ppm. Les résultats cités par Schutes et al (2001), représentent bien la complexité des relations plantes-sédiments sur le terrain; après leur étude de la bioaccumulation de sept métaux (Cd, Co, Cr, Ni, Pb et Zn) dans six plantes différentes, ces auteurs ont conclu que l’accumulation variait d’une espèce à l’autre et d’un métal à l’autre, et qu’elle montrait une relation complexe avec les concentrations des métaux dans les sédiments.
Le Zn est un micro-élément nutritif essentiel à de basses concentrations pour la croissance des plantes. Cependant, une concentration élevée en Zn induit une phytotoxicité forte et une croissance retardée des plantes, tout en sachant que le niveau de toxicité critique chez les feuilles est de Zn>100-300µg/g.

Table des matières

CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE
A. Etude des différents éléments traces métalliques
1. Origine et sources des éléments traces métalliques (ETM)
2. Effets généraux des métaux sur les végétaux
2.1. Notions d’éléments essentiels et éléments contaminants
2.2. Phytotoxicité et teneurs admissibles
3. Comportement des éléments traces métalliques dans les écosystèmes
4. Etude des différents métaux impliqués
4.1. Le Cadmium (Cd)
4.2. Le zinc (Zn)
4.3. Le cuivre (Cu)
4.4. Le manganèse (Mn)
4.5. Le chrome (Cr)
4.6. Le plomb (Pb)
4.7. Le fer
B. Filtres plantés de macrophytes
1. Les filtres plantés de roseaux (FPR)
1.1. Filtre à flux vertical (non saturé)
1.2. Filtre à flux horizontal (Surfacique et Sous-surfacique)
1.3. Système hybride
2. Application de la détermination des temps de séjour aux filtres plantés de roseaux
(synthèse sur l’hydraulique des FPR)
2.1. Méthodologie, choix du traceur
2.2. Modélisation des écoulements non idéaux à un paramètre variable
2.3. Modélisations particulières (modèles multiparamètres)
2.4. Mesure de points intermédiaires
2.5. Adaptation de la méthode de traçage aux régimes non permanents
3. Efficacité d’écoulement et paramètres d’influence dans les FSSC
4. Les plantes utilisées dans les FPR
4.1. Caractéristiques générales de Phragmites australis
4.2. Rétention et stockage des différents éléments traces métalliques (Cu, Cd, Zn, Pb, Fe, Mn et Cr) par le Phragmites australis
4.2.1. Mécanisme d’absorptionet de fixation du cuivre, du fer et du manganèse par Phragmites australis
4.2.2. Mécanisme d’absorption du cadmium, plomb et zinc par Phragmites australis
CHAPITRE II: PRESENTATION DE LA REGION D’ETUDE
1. Situation géographique
1.1. Vallée des Oueds
1.2. La haute terrasse
1.3. La basse terrasse du oued Seybouse
1.4. Massif dunaire littoral
1.5. Climatologie
1.5.1. Régime thermique
1.5.2. Régime pluviométrique
1.5.3. Humidité
1.6. Activité agricole
2. Présentation du complexe sidérurgique El-Hadjar (Annaba)
2.1. Description du complexe sidérurgique d’El-Hadjar
2.1.1. Historique
2.1.2. Situation géographique
2.1.3. Organisation
2.1.4. Rejets du complexe sidérurgique dans l’oued Meboudja
CHAPITRE III: MATERIELS ET METHODES
1. Dosage des éléments traces métalliques (ETM) chez Lactuca sativa (la laitue) et Lycopersicum esculentum (la tomate)
1.1. Choix du matériel biologique analysé
1.2. Irrigation des plantes ( Lactuca sativa et Lycopersicum esculentum)
1.3. Techniques d’échantillonnage et des cultures maraîchères
1.4. Techniques analytiques
2. Réalisation de la station pilote d’épuration par lit planté
2.1. Caractéristiques des éléments constitutifs de la station
2.1.1. Le compartiment substrat (gravier)
2.1.2. Le compartiment macrophytes
2.2. Structure et fonctionnement de la station pilote
2.2.1. Pilote
2.2.2. Installation
2.2.3. Plantation
2.2.4. Alimentation
2.2.5. Fonctionnement
2.3. Techniques d’échantillonnages des paramètres mesurés
2.3.1. Paramètres physico-chimiques
2.3.2. Paramètres biologiques
3. Essais d’écotoxicité par le test Lentille d’eau Lemna minor
3.1. Description de Lemna minor
3.2. Techniques de culture
3.2.1. Matériel végétal
3.2.2. Culture de Lemna minor
3.2.3. Mode de préparation de la souche
4. Dosage des différents éléments traces métalliques : Entrée/Sortie des bassins (Cu, Zn, Pb, Fe, Mn et Cr)
4.1. Situation des prélèvements d’eau et de Phragmites australis
4.1.1. Echantillonnage de l’eau et des sédiments
4.1.2. Echantillonnage des plantes : Phragmites australis
5. Calcul du temps de séjour
6. Toxicité potentielle des métaux contenus dans Phragmites australis par l’observation et l’analyse par sonde X (MEB)
6.1. Principe de la microscopie électronique à balayage
6.2. Principe de la sonde X
6.3. Protocole expérimental
7. Evaluation des risques sanitaires
7.1. Identification du danger et relation dose– réponse
7.2. Evaluation de l’exposition éléments traces métalliques
7.3. Caractérisation du risque
7.3.1. Risque systémique
7.3.2. Effet cancérogène
CHAPITRE IV: RESULTATS ET DISCUSSIONS
1. Contamination des légumes et cultures irriguées par l’eau de l’oued Méboudja : cas des
deux espèces « Lactuca sativa et Lycopersicum esculentum »
1.1. Dosage des éléments traces métalliques (Cu, Zn et Fe) au niveau de Lactuca
sativa et Lycopersicum esculentum
1.2. Dosage de la chlorophylle chez Lactuca sativa et Lycopersicum esculentum
1.3. Dosage de la Proline chez Lactuca sativa et Lycopersicum esculentum
1.4. Résultats relatifs au rapport MF/MS chez Lactuca sativa et Lycopersicum esculentum
2. Pilote
2.1. Caractéristiques du fonctionnement
3. Paramètres physico-chimiques
3.1. Conductivité
3.2. Température
3.3. Oxygène
3.4. pH
4. Courbe de croissance de Phragmites australis
5. Dosage de la proline
6. Dosage des protéines
7. Rapport MF/MS chez Phragmites australis
8. Dosage de la chlorophylle
8.1. Chlorophylle a
8.2. chlorophylle b
8.3. Chlorophylle a+b
9. Test de toxicité sur la lentille d’eau: Lemna minor
10. Dosage des métaux au niveau de l’eau
11. Etude des différents métaux chez Phragmites australis
11.1. Le manganèse
11.2. Le fer
11.3. Le zinc
11.4. Le cuivre
12. Etude des différents métaux au niveau des sédiments des bassins
12.1. Le manganèse
12.2. Le fer
12.3. Le zinc
12.4. Le cuivre
13. Toxicité potentielle des métaux sur Phragmites australis par l’observation et l’analyse
des plantes par sonde X (MEB)
14. Evaluation des risques sanitaires
14.1. Risque systémique
14.2. Effet cancérogène
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES