Origine de la contamination des sols par les métaux lourds

Origine de la contamination des sols par les métaux lourds

La pollution métallique des sols due à des activités humaines (agricoles, domestiques et industrielles) est souvent citée dans les médias et la bibliographie scientifique. Cependant, les métaux existent naturellement dans les sols car ils sont présents dans la roche mère qui subit notamment des phénomènes d’érosion et d’altération .

Les métaux lourds comme le plomb, le cadmium, le cuivre et le mercure ne peuvent pas être biodégradés et donc persistent pendant de longues périodes dans le sol ; ce qui constitue un sérieux problème.

Origines naturelles

Le fond pédo-géochimique naturel (FPGN) d’un sol est la concentration naturelle d’une substance dans un horizon de sol, résultant uniquement de l’évolution géologique et pédologique, à l’exclusion de tout apport d’origine anthropique. D’un point à un autre d’un territoire, ce FPGN peut varier très largement, en fonction de la nature du matériau parental (héritage) et du type de sol qui s’y est développé (Baize, 2000).

Origines anthropiques
Les sols sont soumis à des apports de métaux lourds plus ou moins importants résultant de l’activité humaine. Au cours des décennies dernières, l’apport de métaux lourds au sol dans le monde s’est étendu. De nos jours, on l’estime à 22000 tonnes de cadmium, 939000 tonnes de cuivre, 783000 tonnes de plomb et 1350000 tonnes de zinc (Singh et al., 2003). Les principaux types de pollutions anthropiques responsables de l’augmentation des flux de métaux, sont la pollution atmosphérique (rejets urbains et industriels), la pollution liée aux activités agricoles et la pollution industrielle.

➤ Les apports en métaux lourds peuvent venir de l’agriculture de par les impuretés présentes dans les engrais, les amendements calcaires, les fumiers, les lisiers (Franklin et al., 2005). Ces apports peuvent aussi résulter d’une activité urbaine, industrielle (déchets d’entreprises agro-alimentaires, boues de stations d’épuration, composts, déchets urbains) ou minière. Selon IFEN (2002), l’épandage de déchets urbains contribue à augmenter de 7% le Cd (soit 68 tonnes/an), 5% le Cu (soit 5.300 tonnes/an), 28% le Zn (soit 3.200 tonnes/an) et 3% le Pb (soit 8.300 tonnes/an) dans les sols en France.

➤ Les pollutions atmosphériques sont représentées par les apports diffus aériens d’origine lointaine. Il s’agit des poussières et aérosols provenant des chauffages, des activités industrielles, des moteurs automobiles (Sezgin et al., 2004). Ces apports se déposent aussi bien sur des cultures maraîchères que sur des forêts et prairies ou encore dans les jardins des particuliers. Ceux-ci sont véhiculés par les gouttes de pluie, le brouillard, les poussières.

➤ Les apports industriels en métaux lourds proviennent des produits chimiques divers (industrie chimiques), les matières radioactives (centrales nucléaires, traitements des déchets radioactifs) et la métallurgie (Godin et al., 1985).

Pollution par les métaux lourds 

Cas du cadmium

Le Cadmium, est un élément du groupe IIB du tableau périodique de masse atomique 112,41 g/mol. C’est un polluant ubiquitaire classé 7ème parmi les 20 principaux toxiques, en raison de son influence négative sur les systèmes enzymatiques cellulaires (Sanita Di Toppi et Gabbrielli, 1999). Le cadmium est un élément non nécessaire pour les plantes et il est hautement toxique (Michel, 2009). Sa toxicité est considérée de 2 à 20 fois plus élevée que celle des autres métaux lourds (Das et al., 1997). Les apports anthropiques de Cd résultent de trois groupes d’activités (Baize, 1997) :
♦ les épandages et les amendements agricoles : le Cd peut être assez abondant dans les engrais phosphatés et atteindre 10 g de Cd/ha (Loganathan et Hedley, 1997). Il est également apporté par l’épandage de déchets d’élevage et lors du chaulage,
♦ les sources industrielles : le Cd est un sous-produit du raffinage du Zn et peut être libéré lors de la métallurgie du Fe et de l’acier et lors de l’affinage du Pb,
♦ de nombreuses activités urbaines et le trafic routier libèrent du Cd dans l’environnement : incinération des déchets domestiques, combustion des carburants fossiles, boues des stations d’épuration, usure des pneus de voitures, piles.

Le Cd n’existe pas à l’état natif. Son minerai, la greenockite CdS est très rare. Cependant, le Cd est présent dans presque tous les minerais de Zn. Il est également présent dans les minerais de Pb et de Cu ainsi que dans les phosphates naturels. La mobilité du Cd dans les sols dépend fortement du pH, un pH acide favorisant la phytodisponibilité de celui-ci. Les teneurs toxiques de cadmium pour les plantes sensibles sont de 5 à 10 mg/kg MS et les teneurs critiques sont de 10 à 20 mg/kg de MS (www.ademe.fr). Une plante est dite hyperaccumulatrice de cadmium pour des concentrations supérieures ou égales à 0,01 % des concentrations en zinc chez un hyperaccumulateur de zinc (www.ademe.fr).

Cas du cuivre

Le cuivre, est un élément du groupe IB du tableau périodique, de masse atomique 63,546 g/mol. Les oligo-éléments comme Cu, sont des éléments indispensables à la vie mais qui se trouvent présents en proportion très faibles dans les tissus biologiques (Loué, 1993). En 1930, le Cu a été reconnu élément trace essentiel pour les plantes (Alloway, 1995). Lorsque la teneur en Cu augmente dans le sol, la teneur en Cu observée dans la plante peut atteindre une concentration critique, variable selon l’espèce végétale, à partir de laquelle apparaissent des symptômes de phytotoxicité (Marschner 1995). Reuter et Robinson (1997) indique que le seuil de toxicité en Cu est atteint à partir d’une concentration en Cu de 15 à 30 mg/kg MS dans les feuilles de plantes cultivées. Or, dans les mêmes conditions, ces plantes accumulent dans leurs racines des concentrations allant jusqu’à 500 mg/kg MS de Cu (Marschner, 1995). Les principales sources de contamination en Cu sont les épandages agricoles.

Cas du plomb

Le plomb, élément du groupe IVA du tableau périodique, de masse atomique 207,2 g/mol, possède une densité élevée de 11,3 g/cm3 . Le plomb possède un point de fusion de 327°C et sa température d’ébullition est d’environ 1700 °C. Il est difficilement détruit et non dégradable (Morlot, 1996). Dans le sol, le Pb peut se retrouver sous forme ionique, dissoute ou liée plus ou moins fortement aux particules (Raskin et Ensley, 2000). L’accumulation de Pb, provenant des retombées atmosphériques ou de déchets contaminés déposés sur le sol, se fait principalement dans les horizons de surface (Sterckeman et al., 2000) et plus précisément dans les horizons riches en matière organique. Etant principalement associé aux argiles, aux oxydes, aux hydroxydes de fer et à la matière organique, il n’est mobile que lorsqu’il forme des complexes organiques solubles et/ou que le sol a dépassé sa capacité d’absorption pour le Pb (Morlot, 1996; Raskin et Ensley, 2000). Les apports anthropiques de Pb résultent de cinq groupes d’activités (Baize, 1997) :
♦ les sources principales sont liées à l’utilisation de composés organo-métalliques comme anti-détonnants dans les moteurs à explosion. Le métal est alors rejeté par les gaz d’échappement,
♦ les sources industrielles : libération de Pb par les usines de traitement du minerai ou lors de recyclage des batteries,
♦ les déblais des mines et les poussières des crassiers,
♦ les boues de stations d’épuration,
♦ certains pesticides étaient fabriqués à base de Pb.

La teneur en Pb est également proportionnelle à la teneur en argile. Le Pb est un des polluants métalliques les moins mobiles dans le sol car il est très fortement lié aux matières organiques.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1. Enjeux environnementaux
2. Utilisation des plantes pour la réhabilitation des sols
3. Présentation de l’étude
PREMIERE PARTIE : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I. LES METAUX LOURDS TESTES
I. Origines des métaux lourds
1.1. Définition des métaux lourds
1.2. Origine de la contamination des sols par les métaux lourds
1.2.1. Origines naturelles
1.2.2. Origines anthropiques
1.3. Pollution par les métaux lourds
1.3.1. Cas du cadmium
1.3.2. Cas du cuivre
1.3.3. Cas du plomb
1.3.4. Cas du zinc
II. Comportement des métaux dans le sol
2.1. Facteurs liés au sol intervenant dans la biodisponibilité des métaux lourds
2.1.1. Définition de la biodisponibilité des métaux et de la phytodisponibilité
2.1.2. Influence du pH
2.1.3. Potentiel d’oxydo-réduction (Eh)
2.1.4. Capacité d’échange cationique (CEC)
2.2. Interactions entre métaux
CHAPITRE II. Les COMPOSANTES BIOLOGIQUES TESTEES
I. Vetiveria nigritana (Benth.)
1.1. Présentation
1.2. Caractéristiques
1.2.1. Caractéristiques morphologiques
1.2.2. Caractéristiques écologiques
1.2.3. Caractéristiques physiologiques
1.2.4. Usages de vétiver
II. Oxytenanthera abyssinica (A. Rich.) Munro
2.1. Présentation
2.2. Caractéristiques
2.2.1. Caractéristiques morphologiques
2.2.2. Caractéristiques écologiques et multiplication du bambou
2.2.3. Caractéristiques physiologiques
2.2.4. Usages du bambou
III. Lantana camara (Linn.)
3.1. Présentation
3.2. Caractéristiques
3.2.1. Caractéristiques morphologiques
3.2.2. Caractéristiques écologiques
3.2.3. Caractéristiques physiologiques
3.2.4. Usages de Lantana camara
VI. Cymbopogon citratus (DC.) Stapf
4.1. Présentation
4.2. Caractéristiques
4.2.1. Caractéristiques morphologiques
4.2.2. Caractéristiques écologiques et physiologiques
4.2.3. Usages de Cymbopogon citratus
V. Barleria repens (Ness)
CHAPITRE III. TECHNIQUES DE DEPOLLUTION DES SOLS
I. Définition de la phytoremédiation
II. Techniques de phytoremédiation
2.1. Phytoextraction
2.2. Phytostabilisation
2.3. Rhizofiltration
2.4. Phytodégradation
2.5. Phytovolatilisation
III. Avantages et limites de la technique de phytoextraction
3.1. Avantages de la phytoextraction
3.2. Limites de la phytoextraction
DEUXIEME PARTIE : MATERIEL ET METHODES
CHAPITRE I. MATERIEL D’ETUDE
I. Sites d’études
II. Matériel
2.1. Matériel végétal utilisé
2.1.1. Vetiveria nigritana
2.1.2. Oxytenanthera abyssinica
2.1. 3. Barleria repens
2.1.4. Cymbopogon citratus
2.1.5. Lantana camara
2.2. Sols
2.3. Pots
2.4. Déchets urbains
CHAPITRE II. METHODES D’ETUDE
I. Dispositif expérimental
II. Mensurations et prélèvement des échantillons
2.1. Evaluation de l’index de pollution des substrats avant repiquage des plants
2.2. Mensurations
2.3. Prélèvement des échantillons de sol et des plantes
2.3.1. Plantes
2.3.2. Echantillons de sol
III. Méthodes d’analyse
3.1. Analyse des métaux lourds dans les sols et les organes végétaux des plantes
3.2. Analyses chimiques et microbiologiques des sols
3.2.1. Analyses chimiques
3.2.2. Analyses microbiologiques
3.2.2.1. Test respirométrique : dosage du gaz carbonique dégagé
3.2.2.2. Biomasse microbienne du sol
3.3. Analyses statistiques de données
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSION
CHAPITRE I. PHYTOEXTRACTION DU CADMIUM, CUIVRE, PLOMB ET ZINC PAR VETIVERIA NIGRITANA ET OXYTENANTHERA ABYSSINICA
I. Niveau de contamination initiale, caractéristiques chimiques et activités microbiennes des sols des différents traitements
1.1. Niveau de contamination des différents substrats avant repiquage des plantes
1.1.1. Résultats
1.1.1.1. Teneurs initiales en métaux lourds dans les différents substrats
1.1.1.2. Index de pollution des métaux lourds dans les différents substrats
1.1.2. Discussion
1.2. Caractéristiques chimiques des substrats des différents traitements
1.2.1. Résultats
1.2.2. Discussion
1.3. Impact des déchets urbains sur l’activité microbienne des différents traitements
1.3.1. Résultats
1.3.1.1. Effet des déchets contaminés par les métaux lourds sur l’activité respiratoire des sols des différents traitements
1.3.1.1.1. Effet sur l’activité respiratoire des sols avant repiquage des plantes
1.3.1.1.2. Effet des déchets contaminés par les métaux lourds sur l’activité respiratoire des sols en présence de vétiver
1.3.1.1.3. Effet des déchets urbains contaminés par les métaux lourds sur l’activité respiratoire des sols en présence de bambou
1.3.1.2. Impact des déchets urbains sur la biomasse microbienne des sols des différents traitements
1.3.1.2.1. Impact sur la biomasse microbienne des sols des différents traitements avant repiquage
1.3.1.2.2. Effet des déchets contaminés par les métaux lourds sur la biomasse microbienne des sols en présence de vétiver
1.3.1.2.3. Impact des déchets urbains contaminés par les métaux lourds sur la biomasse microbienne des sols en présence de bambou
1.3.2. Discussion
1.3.2.1. Impact des déchets urbains contaminés aux métaux lourds sur l’activité respiratoire des sols
1.3.2.2. Effet des déchets urbains contaminés aux métaux lourds sur la biomasse microbienne des sols
II..Effets des déchets urbains sur la croissance et la biomasse des organes végétaux des plantes
2.1. Comparaison de la croissance des plantes
2.1.1. Résultats
2.1.1.1. Taux de croissance des plantes en fin de culture
2.1.1.1.1. Taux de croissance en hauteur et du nombre de talles de Vetiveria nigritana
2.1.1.1.2. Taux de croissance en hauteur et de la circonférence de la tige de Oxytenanthera abyssinica
2.1.2. Discussion
2.2. Etude de la biomasse des organes végétaux (racines, tiges et feuilles)
2.2.1. Résultats
2.2.1.1. Biomasse racinaire et foliaire de Vetiveria nigritana
2.2.1.2. Biomasse racinaire et foliaire de Oxytenanthera abyssinica
2.2.2. Discussion
III. Phytoextraction des métaux lourds par les espèces végétales étudiées
3.1. Résultats
3.1.1. Concentrations en métaux lourds dans les sols rhizosphériques
3.1.2. Teneurs en métaux lourds dans les organes végétaux de vétiver et de bambou
3.1.2.1. Teneurs en métaux lourds dans les organes végétaux de vétiver
3.1.2.2. Teneurs en métaux lourds dans les organes végétaux de bambou
3.2. Discussion
3.2.1. Teneurs en métaux lourds dans les sols rhizosphériques
3.2.2. Teneurs en métaux lourds dans les organes végétaux des plantes
CONCLUSION GENERALE

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