Soutenance mémoire
ChloroFluoroCarbone
Les ChloroFluoroCarbones (CFC) sont une famille comprenant un grand nombre d’hydrocarbures aliphatiques halogénés avec une substitution d’au moins un chlore et un fluor. Ces composés ont été largement employés grâce à leurs propriétés physiques intéressantes (solvants, caloporteurs, aérosols) jusqu’à leur récente et progressive interdiction. Le fréon en est un exemple (Hohener et al, 2003).
Pression de vapeur saturante et Constante de la loi de Henry
La pression de vapeur permet d’estimer la tendance d’un produit à la volatilisation. C’est ainsi que dans les conditions usuelles, les PCB et HAP dont les pressions de vapeur saturante sont 2.10-7 à 2.10-5 atm.mol-1.m3, sont défini comme semi volatils. Quand à la constante de Henry, elle est le rapport entre la pression partielle d’un composé organique et sa solubilité dans l’eau. Elle conditionne sa répartition à l’équilibre entre les phases gazeuse et dissoute. H (atm.m3.mol-1)= pression partielle (atm)/solubilité aqueuse (mol.m-3) La constante de la loi de Henry de même que la pression de vapeur diminuent avec les basses températures. Plus elle est élevée, plus le produit sera retrouvé dans l’atmosphère. Contrairement à la pression de vapeur saturante qui décrit la tendance d’un produit liquide pur à se volatiliser, la constante de Henry caractérise les polluants en solution. Elle est donc mieux adaptée à décrire le comportement des micropolluants présents dans le milieu aquatique. Mais elle ne décrit pas la situation réelle pour autant, car les valeurs sont exprimées pour l’eau pure.
Polluants organiques dans la colonne d’eau
De nombreux composés organiques tels que pesticides organochlorés, HAP, PCB, sont libérés dans le milieu aquatique (Scordia, 2008). Si certains d’entre eux se dégradent assez efficacement, en revanche les plus persistants peuvent se distribuer sur de grandes zones. Dans la colonne d’eau, les polluants organiques peuvent être sous forme dissoute, colloïdale ou se fixer aux particules en suspension. Ils finissent par se déposer au fond ou bien sont directement absorbés par les organismes aquatiques. C’est une des raisons pour lesquelles, leur concentration dans la colonne d’eau est en général relativement faible comparativement à celle retrouvée dans les sédiments ou le biote. Les concentrations mesurées dans les eaux naturelles sont variables et s’étendent du ng.L-1 au µg.L-1 (Mompelat et al, 2009).
Voies de pénétration dans les organismes aquatiques
Pour mieux comprendre les facteurs qui gouvernent la biodisponibilité d’un polluant pour un organisme, il est utile de savoir comment ce polluant pénètre dans l’organisme (Gourley, 2004). Trois différentes voies sont distinguées (Ramade, 1979) :
La respiration : un bon nombre d’organismes aquatiques respirent par un mécanisme de filtration de l’eau à travers les branchies (poissons). L’oxygène dissous est alors retenu. Les molécules de poids moléculaire inférieur à 600 Dalton peuvent également traverser la membrane des branchies par diffusion (Björk, 1995). Il en est de même pour les polluants organiques dissous qui peuvent pénétrer dans l’organisme pour finalement être absorbés sur les tissus.
La diffusion passive à travers les membranes biologiques : Granier et al (1999), comparant l’accumulation d’un PCB et d’un HAP chez les daphnies mortes et vivantes, ont montré que cette voie est négligeable car la bioaccumulation chez les organismes morts est très faible et représente environ 6% de la bioaccumulation dans les daphnies vivantes. En revanche, Weber et al (1983) révélant que les algues ou les bactéries mortes et vivantes accumulent à peu près autant de HAP, ont montré que la diffusion passive est une voie principale d’accumulation pour les micro-organismes.
L’ingestion : La plupart des organismes aquatiques (herbivores, détritivores, bactérivores, …) se nourrissent par ingestion de matière organique (MO) en suspension dans l’eau ou dans les sédiments. Ils ingèrent en même temps les polluants organiques hydrophobes fixés sur la matière organique. Le polluant ingéré sera en partie assimilé et pourra se fixer sur les tissus de l’organisme (Penry, 1998 ; Lotufo, 1998 ; Leppanen et Kukkonen, 2000).
Eléments de nature minérale
Ce sont les minéraux provenant de débris de coquilliers et de l’érosion de l’écorce terrestre. Ces éléments sont principalement les argiles, les carbonates et les silicates. La taille de ces particules s’étend sur plusieurs ordres de grandeur, avec des diamètres inférieurs à 0,1 µm jusqu’à plusieurs mm (Sigg et al, 1992). Généralement, les particules inorganiques sont enrobées d’hydroxyde de fer et de manganèse, mais également de composés organiques leur conférant une grande capacité d’adsorption vis à vis des contaminants. Globalement, les minéraux présents dans les sédiments peuvent avoir de forte influence sur le devenir des polluants organiques hydrophobes en raison de leur grande surface spécifique, de leur réactivité mais aussi de leur capacité à enrober d’autres phases (organiques ou minérales).
Diagenèse et diagenèse précoce
Le terme diagenèse regroupe l’ensemble des processus qui permettent la transformation progressive du sédiment en roche solide et cohérente. Deux phénomènes successifs physique et chimique, respectivement la compaction et la cimentation, participent à cette transformation. La compaction est due à l’accumulation des particules à l’interface eau-sédiment. Le poids cumulé de ces particules va peu à peu expulser l’eau interstitielle présente dans les couches profondes du bassin de sédimentation permettant un contact plus facile des particules élémentaires. La cimentation se produit lorsque les minéraux, à l’état de sursaturation dans les eaux interstitielles du sédiment, précipitent sous forme de cristaux qui vont souder les particules entre elles. Ce second phénomène est responsable de la transformation du sédiment en roche (Billon, 2001). Les réactions diagénétiques se déroulent sur une échelle de temps très longue puisque contrôlées majoritairement par l’augmentation de la pression. Cependant, d’autres réactions se déroulent beaucoup plus rapidement. Car, dès leur dépôt à la surface du sédiment, les particules minérales et organiques subissent différents processus chimiques et biologiques qui sont regroupés sous le terme de diagenèse précoce. La diagenèse précoce est ainsi définie comme étant l’ensemble des transformations que subissent les particules au cours des premières étapes de leur enfouissement jusqu’à une centaine de mètres de profondeur, où les températures rencontrées ne sont pas trop élevées et où les pores du sédiment sont toujours remplis par de l’eau interstitielle (Berner 1980). Ainsi, la mobilité des polluants au sein du compartiment sédimentaire est intimement liée aux mécanismes de la diagenèse précoce (Prygiel, 2013).
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Table des matières
Introduction
Première partie : Polluants organiques dans les écosystèmes aquatiques
I- Éléments de définition et classification des polluants organiques
I.1 / Définition
I.2/ Classification
I.2.1/ Phase Liquide Non Aqueuse Dense
I.2.2/ Composés Organiques Volatils
I.2.3/ Composés Organiques Semi Volatils
I.2.4/ Composés Aromatiques Volatils et BTEX
I.2.5/ Propulseurs, Explosifs, Pyrotechniques
I.2.6/ ChloroFluoroCarbone
I.2.7/ Polluants Organiques Persistants)
II/ Sources de pollution organique
II.1/ Sources naturelles
II.2/ Sources anthropiques
III/Propriétés physico-chimiques des polluants organiques
III.1/ Solubilité dans l’eau
III.2/ Pression de vapeur saturante et Constante de la loi de Henry
III.4/ Coefficient de partage octanol-eau
III.5/ Coefficient de partage normalisé au carbone organique
III.6/ Période de demi-vie
IV/ Distribution des polluants organiques dans les écosystèmes aquatiques
IV.1/ Polluants organiques dans la colonne d’eau
IV.2/ Polluants organiques dans les organismes aquatiques
IV.3/ Polluants organiques dans les sédiments
V / Notion de biodisponibilité, de bioaccumulation et de bioamplification
V.1/ Biodisponibilité des polluants organiques en milieu aquatique
V.2/ Voies de pénétration dans les organismes aquatiques
V.3/ Processus de bioaccumulation des polluants organiques
VI/ Propriétés toxicologiques des polluants organiques
Deuxième partie : Sédiments, puits et sources de polluants organiques
I/Origine, granulométrie et composition des sédiments
I.1/Origine des sédiments
I.2/Granulométrie
I.3/ Composition
I.3.1/ Eléments de nature minérale
I.3.2/ Eau interstitielle
I.3.3/ Matière organique
II/ Diagenèse et diagenèse précoce
II.1/ Activité bactérienne
II.1.1/ Oxygène
II.1.2/ Nitrates
II.1. 3/ Oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse
II.1.4/ Sulfates
II.1.5/Méthane
II. 2/ Transformations chimiques des phases minérales
II.2.1/ Réactions de précipitation
II.2.2/ Réactions de recristallisation
II.2.3/ Réactions de dissolution
II.3/ Bioturbation
III/ Interactions entre matrices sédimentaires et polluants organiques
III.1/ Interaction des polluants organiques avec la phase minérale du sédiment
III.2/ Interaction des polluants organiques avec la Matière organique sédimentaire
III.3/ Influence des paramètres physico-chimiques des écosystèmes aquatiques sur la mobilité des polluants organiques sédimentaires
III. 3.1/ Potentiel d’hydrogène
III.3.2/ Potentiel d’oxydo-réduction
III.3.3/ Réactivité de surface
IV/ Devenir des polluants organiques dans le cas de remise en suspension des sédiments
IV.1/ Phénomènes de remise en suspension des sédiments
VI.2/Mobilisation des polluants organiques : processus associé à la mise en suspension des sédiments
Troisième partie : Outils d’évaluation de la qualité des sédiments
I/ Indicateurs chimiques
I.1/ Outils d’évaluation
I.2/ Avantages et limites
II/ Indicateurs écologiques
II.1/ Outils d’évaluation
II. 2/ Avantages et limites
III/ Indicateurs toxicologiques
III.1/ Outils d’évaluation : indices de toxicité
III.2/ Avantages et limites
IV/ Approche intégrée
Conclusion
Références Bibliographiques
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