Dynamique des métaux lourds dans les sols de BETARE-OYA et BATOURI au Cameroun

Par : BIDOUNGA Ruddy Marlazi

Le problème de pollution de l’environnement est dû au développement de l’urbanisation, de l’industrialisation et au développement économique d’un pays. Les métaux lourds sont considérés comme les polluants les plus dangereux de l’environnement [1]. Ils sont naturellement présents dans le sol en petite quantité, raison pour laquelle ils sont appelé éléments traces métalliques (ETM) et continuellement rajoutés dans le sol par diverses activités humaines [2]. Ces dernières années, il y’a une prise de conscience accrue des problèmes de pollution et cela a abouti dans la plupart des pays à la mise en œuvre des réglementations visant à protéger l’environnement et l’homme. L’étude de la dynamique des métaux lourds dans le sol est liée à l’étude de la pollution du sol par les métaux lourds. Ainsi, la déposition et l’accumulation des métaux lourds dans le sol sont des problèmes d’ampleur mondial à cause des répercussions négatives sur l’environnement et sur l’homme à travers la chaine alimentaire [3]. Certains métaux lourds comme le zinc, le cuivre, le manganèse et le fer sont indispensables à la croissance et au bien-être de l’homme. Cependant, ils ont des effets toxiques quand l’organisme est exposé à des niveaux de concentrations supérieures à celles qu’ils requièrent normalement. D’autres sont dangereux pour l’organisme même en petite quantité, tel que le plomb qui n’est pas indispensable aux activités métaboliques et manifeste des activités toxiques.

Au Cameroun, les études sur la pollution de l’environnement par des métaux lourds sont encore à leur début. Les travaux connus jusque-là sont ceux sur les études des métaux lourds présents dans les eaux et les sédiments du lac Municipal de Yaoundé et son principal affluent Mingoa, réalisés par Demanou et al [5] . C’est dans ce même contexte que s’inscrit notre étude. L’objectif principal du présent travail consiste à déterminer quantitativement et qualitativement le niveau de contamination des métaux lourds de ces deux sites aurifères. De manière spécifique, le spectromètre à fluorescence X ou XRF a été utilisée pour l’analyse des échantillons. Les paramètres comme le facteur de contamination, le degré de contamination, le facteur d’enrichissement et l’index de géoaccumulation vont être calculés pour avoir une estimation de l’intensité de contamination métallique dans le sol des deux sites aurifères. Dans cette étude, nous allons utiliser comme référence le fond géochimique naturel (site BA2). Les résultats trouvés seront discutés et comparés aux résultats antérieurs trouvés par Dallou et al [6]. Ces derniers ont considéré les valeurs moyennes des éléments métalliques de la croute continentale supérieure comme référence. Les coefficients de corrélation de Spearman seront calculés afin d’estimer la source de provenance des différents éléments.

Notion des métaux lourds

D’un point de vue purement chimique, les éléments de la classification périodique formant des cations en solution sont des métaux. D’un point de vue physique, le terme métaux lourds désigne les éléments métalliques ou les métalloïdes (environ 65 éléments) caractérisés par une masse volumique supérieure à 5g /cm3 [8]. D’un point de vue biologique, on en distingue deux types en fonction de leurs effets physiologiques et toxiques : métaux essentiels et métaux toxiques.
– Les métaux essentiels sont des éléments indispensables à l’état de trace (en petite concentration) pour de nombreux processus cellulaires et qui se trouvent en proportion très faible dans les tissus biologiques [9]. Certains peuvent devenir toxiques lorsque la concentration dépasse un certain seuil, c’est le cas du cuivre (Cu), du nickel (Ni), du zinc (Zn), du fer (Fe). Par exemple, le zinc (Zn) à la concentration du milli molaire est un oligoélément qui intervient dans de nombreuses réactions enzymatiques (déshydrogènases, protéinase, peptidase) et joue un rôle important dans le métabolisme des protéines, des glucides et des lipides [10].
– Les métaux toxiques ont un caractère polluant avec des effets toxiques pour les organismes vivants même à faible concentration. Ils n’ont aucun effet bénéfique connu pour la cellule. C’est le cas du plomb (Pb), du mercure (Hg), du cadmium (Cd). Le terme métaux lourds implique aussi une notion de toxicité. Ainsi, le terme élément trace métallique (ETM) est aussi utilisé pour décrire l’existence de ces mêmes éléments, car ils se retrouvent souvent en très faible quantité dans l’environnement [11]. Dans ce travail, nous utiliserons le terme métaux lourds dans le sens de l’impact toxique sur les humains et l’environnement.

Différentes sources des métaux lourds dans le sol

Sources naturelles

Les métaux sont naturellement présents dans les roches mères sur lesquelles se développent les sols. En effet, que ces roches soient d’origine magmatique ou sédimentaire, qu’elles soient acides ou basiques, elles contiennent des ETM. La concentration naturelle des ETM dans le sol peut varier selon la nature du sol. Le fonds pédogéochimique local traduit la concentration naturelle d’une substance dans un sol résultant de l’évolution géologique et pédologique, à l’exclusion de tout apport anthropique [12]. Les retombées atmosphériques sont également une source potentielle des ETM pour les sols, mais aussi pour les systèmes aquatiques. En effet des particules très fines d’origine naturelle peuvent se déplacer sur de très longues distances ; c’est le cas notamment des poussières libérées dans l’atmosphère dues par l’activité volcanique. En raison des transferts possibles, notamment par ruissellement érosif, à partir des sols des bassins versants, les sédiments et la colonne d’eau des systèmes aquatiques contiennent également des teneurs naturelles en métaux appelées fond géochimique.

Sources anthropiques

Les métaux lourds dans le sol provenant d’apports anthropiques peuvent provenir de la pollution atmosphérique, la pollution industrielle ou des pratiques agricoles.
– La pollution atmosphérique se fait sous forme des rejets directs à partir des usines métallurgiques, les raffineries de pétrole ou bien par retombées aériennes après la dispersion des métaux lourds dans l’atmosphère. On estime que 68% du plomb et 38% du cadmium provenant des retombées atmosphériques contribuent à l’enrichissement moyen annuel des sols [13]. Evidemment, la principale source de Pb atmosphérique est la combustion de l’essence par les voitures. Ces rejets de plomb à travers les gaz d’échappement sont une cause de la contamination des sols situés à proximité des grands axes routiers [13].
– Les industries chimiques et métallurgiques et les transports sont les sources principales de la pollution du sol par le zinc et le plomb [13]. Les combustions de charbon engendrent des effluents gazeux pouvant contenir les éléments As, Hg, Mo, Se. D’autres émissions gazeuses viennent des fonderies (Pb, Cu, Ni, Zn, Cd et Cr, Ni, Mn) et des cimenteries (Ta, Cr, Pb). Les industries de traitement de surface (cadmiage, zingage, galvanisation, chromage, étamage, nickelage, anodisation de l’aluminium) peuvent rejeter des effluents liquides contenant du Cr, Zn, Cd etc. Les sites de traitement du bois peuvent rejeter du Cu et du Cr. Les pigments pour peintures et les encres peuvent contenir du Cd, Pb, Zn, Cr. Les tanneries peuvent rejeter des effluents chargés de C r 3+ [14]. Dans les transports, on observe sur les routes des dépôts de métaux agglutinés avec les huiles de carter (usure des moteurs) ainsi que des dépôts provenant de l’usure des pneus ; On peut observer une contamination en Pb et Cd sur une bande de 10 à 20m le long de l’axe routier.
– Certaines pratiques agricoles sont à l’origine de l’introduction des métaux lourds dans le sol. Les produits destinés à améliorer les propriétés physico-chimiques des sols sont souvent plus riches en métaux lourds que le sol lui-même, par exemple les engrais, les composts et les boues de station d’épuration [16]. D’autres sources peuvent à long terme engendrer une accumulation excessive des métaux dans le sol et même s’étendre à toute la chaîne alimentaire. Parmi les fertilisants inorganiques ce sont les engrais phosphatés qui sont les plus riches en métaux lourds (Cd, Cu, Cr, Ni, Zn). Cependant, l’épandage d’engrais peut amener des métaux (Sr, Ba, Mn, F, Zn, Cd) provenant des craies phosphatées. Les effluents d’élevage peuvent apporter du Cu, Zn et Mn. Les produits phytosanitaires peuvent également apporter du cuivre (cas bien connu de la bouillie bordelaise : sulfate de cuivre additionné de chaux).

Voies de transfert des métaux lourds dans les milieux récepteurs

En raison de leurs propriétés physiques et chimiques telles que leur ductilité, leur malléabilité et leurs bonnes conductivités thermique et électrique, les métaux ont été et sont encore largement présents dans un grand nombre d’activités industrielle et domestique. Par exemple, c’est pour sa ductilité que le plomb a été utilisé pour fabriquer des canalisations [18]. En conséquence, les zones urbaines et industrielles sont des sources importantes des métaux lourds pour l’environnement en général et pour les systèmes aquatiques en particulier. Ces métaux lourds peuvent contaminer les milieux récepteurs aquatiques et terrestres selon différentes voies de transfert. Les retombées atmosphériques métalliques sont la résultante d’un mélange de différents types d’émissions qui incluent les émissions industrielles, les émissions domestiques et les émissions automobiles. Les eaux de ruissellement sont acheminées en station d’épuration dans le cas d’un réseau d’assainissement unitaire (voies A et B) ou rejetées sans traitement dans le milieu récepteur aquatique dans le cas d’un réseau séparatif ou lors d’un débordement d’un réseau unitaire au moment de fortes pluies (voies D et E). Les rejets directs sont composés des effluents domestiques, artisanaux et industriels, lors du traitement, une partie faible des métaux ne sera pas abattue et passera dans le milieu aquatique (voie C). Toutefois, la partie de métaux la plus importante se trouve piégée dans les boues de station d’épuration et peut donc être transférée soit en décharge (voie G de la Figure 1) soit sur des sols agricoles qui reçoivent ce type de boues (voie F).

Mobilité et biodisponibilité des métaux lourds dans le sol 

La toxicité d’un métal dépend de sa spéciation (forme chimique) autant que des facteurs environnementaux (température, pH) [19]. Dans le sol, les métaux lourds peuvent exister sous forme d’ions libres ou sous forme liée à des particules de sol. Cependant un métal n’est toxique pour les organismes vivants que s’il est sous forme libre ; il est alors biodisponible. Comme tout élément chargé positivement, les cations métalliques peuvent interagir dans le sol avec toute particule organique ou minérale chargée négativement. La biodisponibilité d’un métal dépend de l’équilibre entre ses formes libres et fixées et qui est directement liée à sa toxicité. Enfin, la biodisponibilité des métaux lourds varie en fonction de plusieurs facteurs du sol, parmi lesquels, la capacité d’échange de cations (CEC), le pH, le potentiel redox (Eh), la teneur en phosphate disponible, la teneur en matière organique et les activités biologiques.

Table des matières

Introduction
1 Revue bibliographique
1.1 Notion des métaux lourds
1.2 Différentes sources des métaux lourds dans le sol
1.2.1 Sources naturelles
1.2.2 Sources anthropiques
1.3 Voies de transfert des métaux lourds dans les milieux récepteurs
1.4 Mobilité et biodisponibilité des métaux lourds dans le sol
1.5 Fond géochimique
2 Matériels et Méthodes
2.1 Zone d’étude
2.1.1 Description de la zone d’étude
2.2 Collecte et préparation des échantillons
2.2.1 Collecte des échantillons
2.3 Préparation des échantillons
2.4 Analyse des échantillons
2.4.1 Technique de fluorescence X ou X-Ray fluorescence
2.4.2 Traitement des spectres
2.5 Estimation de l’intensité de contamination
2.5.1 Facteur de contamination
2.5.2 Degré de contamination
2.5.3 Facteur d’enrichissement
2.5.4 Index de géoaccumulation
2.6 Coefficient de corrélation de Spearman
3 Résultats et Discussions
3.1 Concentrations des métaux lourds dans les sites aurifères de Bétaré-Oya et Batouri
3.2 Facteur de contamination
3.3 Degré de contamination
3.4 Facteur d’enrichissement
3.5 Index de géoaccumulation
3.6 Coefficient de corrélation de Spearman
Conclusion

Mots clés : Dynamique, métaux lourd, sol, Bétaré-Oya et Batouri.

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