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Propriétés physico-chimiques des métaux lourds
Les métaux lourds possèdent les propriétés physiques générales des métaux : structure cristalline à température ambiante à l’exception du mercure qui est liquide, aspect brillant, ductilité, malléabilité, bonne voire excellente conductivité thermique et électrique. D’un point de vue chimique, les éléments de la classification périodique formant des cations en solution sont des métaux. Ils possèdent un caractère électropositif qui leur confère la faculté de perdre facilement un ou plusieurs électrons pour former des cations de charge variable. Ces cations métalliques, qui présentent à la fois des densités de charge élevées et un caractère électrophile, peuvent former avec des ligands des liaisons ioniques, covalentes ou intermédiaires, et donnent naissance à des complexes plus ou moins stables. Le tableau, ci-dessous, présente les propriétés physico-chimiques des métaux lourds, mais compte tenu de l’étendue du domaine englobant le terme de métaux lourds, nous limiterons notre propos aux éléments suivants : plomb, cadmium, mercure, cuivre, zinc, chrome et nickel. Ils sont quasi-systématiquement demandés en analyse.
Le devenir des polluants métalliques dans le sol
Dans le cas d’un site de décharge, une solution potentiellement chargée en polluants au contact de la couche de déchets s’infiltre dans le sol support. Cette solution va interagir avec les éléments constitutifs du sol. Les processus chimique majeurs affectant le devenir et la mobilité des métaux lourds dans les sols sont ceux qui ont lieu de manière interactive entre la phase liquide et la phase solide. Plusieurs mécanismes physico-chimiques interviennent au cours de ces transferts. Les métaux lourds en milieu aqueux s’associent aux milieux solides par les mécanismes suivants :
– Filtration mécanique,
– Adsorption spécifique et non-spécifique,
– Précipitation et coprécipitation,
– Echanges d’ions,
– Complexation avec la matière organique.
Filtration mécanique Le sol est un milieu poreux qui constitue un filtre susceptible de bloquer mécaniquement les particules polluantes qui s’infiltre au sein du sol. Trois grands mécanismes de filtration existent : le tamisage par les particules les plus grossières, le blocage mécanique dans les pores de petite taille et la rétention des particules polluantes sur les parois des pores due aux forces physico-chimiques de surface.
Adsorption L’adsorption est une accumulation de matière entre une phase solide et une solution aqueuse. Selon les énergies de liaisons mises en jeu, deux types d’adsorption peuvent être distingués :
– Adsorption non-spécifique : les cations sont attirés et se fixent sur la surface d’une particule chargée négativement. Cette couche de cations à la surface du solide est appelée une double couche électronique de sphère externe. L’espèce chimique n’est pas directement en contact avec le solide mais est fixée par l’intermédiaire d’une sphère d’hydratation.
– Adsorption spécifique : les cations forment des liaisons partiellement covalentes avec la surface du solide. Il n’y a pas de molécule d’eau entre le cation et la surface et ce processus aboutit à la formation d’un complexe de sphère interne.
Echange d’ions L’échange d’ions est la substitution d’une espèce ionique d’un composé solide par une autre espèce ionique d’une solution aqueuse en contact avec le solide. Le site échangeur réagit avec les cations métalliques. Les ions présents dans les sols, susceptibles de s’échanger avec les cations métalliques sont principalement des cations alcalins ou alcalino-terreux.
Précipitation et coprécipitation La précipitation et la coprécipitation font partie des principaux mécanismes de la rétention des métaux lourds dans les sols. La précipitation correspond au passage d’une espèce dissoute à une espèce solide. Ces phénomènes peuvent avoir lieu à la surface d’un solide ou dans la phase aqueuse interstitielle. Dans le milieu naturel, les métaux lourds précipitent sous la forme de sulfure, de carbonates ou d’hydroxydes. La coprécipitation est définie comme la précipitation d’un élément chimique conjointement avec un minéral.
Complexation Les ions peuvent être complexés avec la matière organique du sol par association entre les cations métalliques et les groupes fonctionnels des substances humiques. Les groupes de surface se comportent comme des ligands organiques. Les ligands sont des groupements possédant une paire d’électrons libres. Ce sont généralement des éléments électronégatifs donneurs d’électrons comme O, N ou S. Ces groupements sont :
– les groupements de surface basiques : -NH2 (amine), =O (carbonyle), -OH (alcool),
-S (thioether) ;
– les groupements acides : -COOH (carboxyle), -OH (phénolique) et –SH (thiol).
Toxicité des métaux lourds
A une concentration plus élevée que la normale, les métaux lourds peuvent entraîner des nuisances plus ou moins graves pour l’être humain. Le plomb, le cadmium et le mercure sont considérés comme toxiques ou très toxiques. Les hommes y sont exposés par inhalation des polluants aériens, la consommation d’eau contaminée, l’exposition à des sols contaminés de déchets. On distingue deux types de toxicité: la toxicité aiguë et la toxicité chronique. La première concerne les effets nocifs provoqués par une seule exposition à une forte dose de métal lourd (par ingestion, voie respiratoire ou cutanée) de caractère plutôt accidentel. La seconde désigne les effets nocifs dus à une exposition répétée. Dans ce dernier cas, c’est l’accumulation de petites doses dans le corps qui provoque à long terme des effets indésirables. L’absorption peut résulter de l’ingestion d’aliments contenant des métaux lourds à doses trop importantes, suite à une accumulation dans la chaîne alimentaire. Les plantes et animaux absorbent en effet les métaux lourds présents dans les sols et les accumulent dans leurs tissus (bioaccumulation). L’absorption de quantités trop importantes peut entraîner des perturbations pour le métabolisme de ces organismes (ralentissement de la croissance des végétaux, diminution de la fertilité du sol, etc.), et peut ainsi s’avérer nocive pour les «consommateurs» de ces organismes
Effets des métaux lourds sur la santé
Les polluants peuvent atteindre l’homme par adsorption, par inhalation, par ingestion et arrivent par la suite jusqu’à la circulation sanguine. Les métaux lourds s’accumulent dans les organismes vivants et perturbent les équilibres et mécanismes biologiques, provoquant des effets toxiques. Ils peuvent affecter le système nerveux, les fonctions rénales, hépatiques, respiratoires, etc. Le risque sur la santé humaine est d’abord associé aux propriétés des métaux lourds qui polluent les eaux, l’atmosphère, les aliments et les sols et dépendent également de l’état chimique de leur forme chimique, de leur concentration, du contexte environnemental, de la possibilité de passage dans la chaîne des êtres vivants. Les principaux dangers des métaux lourds chez l’homme est résumé comme suit :
– changement de code génétique,
– remplacement ou substitution des minéraux essentiels,
– production des radicaux libres,
– allergies,
– endommagent les cellules nerveuses,
– neutralisation des acides aminés utilisés pour la détoxication,
– effet antibiotique, ce qui augmente la résistance des bactéries.
Les microorganismes utilisés en bioremédiation
Ils proviennent de milieux très variés et peuvent vivre dans des conditions extrêmes : des températures en dessous de 0°C ou au contraire, très élevées, dans des milieux inondés ou en plein désert, en présence d’un excès d’oxygène ou milieu anaérobie. En raison de leur pouvoir d’adaptation, ces microorganismes sont utilisés pour éliminer les composés xénobiotiques. Souvent, les microorganismes utilisent le polluant comme source de carbone et d’énergie. Dans tous les cas, l’opération implique le contrôle non seulement de la disponibilité des dépollueurs mais aussi l’ajustement en permanence des conditions de leur efficacité: quantité et type de nutriments, concentration en oxygène, pH, température et salinité. Voici quelques exemples des bactéries résistantes aux métaux lourds : Streptomyces, Saccharomyces, Rhizopus, Chlorella, Thiobacillus, Zoogloea.
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : SYNTHESES BIBLIOGRAPHIQUES
I.1.GENERALITE SUR LES METAUX LOURDS
I.1.1. Définitions
I.1.2. Propriétés physico-chimiques des métaux lourds
I.1.3. Importance physiologique des métaux lourds
I.2. POLLUTION DE L’ENVIRONNEMENT PAR LES METAUX LOURDS
I.2.1. Contamination de l’air
I.2.2. Contamination de l’eau
I.2.3. Contamination des sols
I.2.3.1. Origine naturelle
I.2.3.2. Origine anthropique
I.3. LES METAUX LOURDS DANS LE SOL
I.3.1. Le devenir des polluants métalliques
I.3.1.1.Filtration mécanique
I.3.1.2. Adsorption
I.3.1.3.Echange d’ions
I.3.1.4.Précipitation et coprécipitation
I.3.1.5.Compléxation
I.3.2. Facteurs influençant la mobilité des métaux lourds
I.3.2.1. La teneur en argile
I.3.2.2. Le pH
I.3.2.3. Le potentiel rédox (Eh)
I.4. IMPACT DES METAUX LOURDS SUR LA SANTE HUMAINE
I.4.1. Toxicité des métaux lourds
I.4.2. Effets des métaux lourds sur la santé
I.5. NORMES RELATIVES A LA QUALITE DES SOLS
I.6. LA BIOREMEDIATION
I.6.1. Principe de la bioremédiaton
I.6.2. Les microorganismes utilisés en bioremédiation
I.7. SYNTHESES DES ETUDES SIMILAIRES
I.7.1. Bioremédiation du Cd, Zn et Cu par 2 bactéries rhizosphériques
I.7.2. Immobilisation des bactéries isolées à partir des zones miniers sur des supports polymériques pour la bioremédiation
I.7.1. Biodépollution par des champignons de boues industrielles contenant des métaux lourds
DEUXIEME PATIE : MATERIELS ET METHODES
CHAPITRE 1 : CONTEXTE GENERAL DU SITE
II.1. CONTEXTE GENERAL DU SITE
I.1.1. Localisation et historique de la zone d’étude
I.1.2. Climat
I.1.2.1. Température
I.1.2.2. Précipitation
I.1.2.3. Evapotranspiration
I.1.3. Géologie
I.1.4. Géomorphologie
I.1.5. Hydrographie
I.1.6. Hydrogéologie
CHAPITRE 2 : METHODE EXPERIMENTALE DE TEST DE RESISTANCE
II.2. MATERIELS
I.2.1. Echantillonnage de sol
I.2.2. Milieu de culture
I.2.2.1. Milieu d’isolement et d’identification
I.2.2.1.1. Milieu TSA
I.2.2.1.2. Milieu AS1A
I.2.2.2. Préparation des inoculums pour la pré-identification
I.2.2.2.1. ISP3 (International Streptomyces 3)
I.2.2.3. Milieu d’identification macroscopique
I.2.2.3.1. ISP2 (International Streptomyces 2)
I.2.2.3.2. ISP4 (International Streptomyces 4)
I.2.2.3.3. ISP5 (International Streptomyces 5)
I.2.2.4. Milieu pour la détermination des pigments mélanoides des pigments diffusibles
I.2.2.4.1. ISP6 (International Streptomyces 6)
I.2.2.4.2. ISP7 (International Streptomyces 7)
I.2.2.5. Milieu pour la détermination des caractères biochimiques
I.2.2.5.1. Bouillon Nutritif
I.2.2.6. Milieu pour la détermination des caractères physiologiques
I.2.2.6.1. Sporulation Agar
I.2.2.6.2. CYD (Cosamino Acids Yeast extracts D-glucose)
I.2.2.7. Milieu pour la détermination du type respiratoire
I.2.2.7.1. Viande Foie
I.2.2.8. Milieu pour la détermination de la mobilité
I.2.2.8.1. Mannitol-mobilité
I.2.2.9. Milieu de dénombrement et de conservation
I.2.2.9.1. Gélose Nutritive
I.2.2.10. Milieu pour le test de résistance des souches
I.2.2.10.1. Muellen Hinton
I.2.2.10.2. Milieu d’isolement et d’identification
II.3. METHODES
I.3.1. Quantification du polluant étudié (métaux lourds)
I.3.1.1. Principe
I.3.2. Isolement des souches microbiennes
I.3.2.1. But
I.3.2.2. Principe
I.3.2.3. Isolement de la Flore totale cultivable
I.3.2.4. Isolementt des souches d’Actinomycètes
I.3.2.4.1. Prétraitement des échantillons de sol
I.3.2.4.2. Préparation de la solution de dilution et ensemencement
I.3.3. Conservation des souches
I.3.4. Test de résistance des souches isolées
I.3.4.1. But
I.3.4.2. Principe
I.3.4.3. Mode opératoire
I.3.2.4.1. Préparation d’une solution mère des métaux lourds
I.3.2.4.2. Revivification des souches
I.3.2.4.1. Rajeunissement des souches
I.3.2.4.1. Préparation de l’inoculum
I.3.2.4.2. Ensemencement
I.3.2.4.1. Dépôt des métaux lourds
I.3.2.4.1. Lecture
I.3.5. Identification des souches sélectionnées
I.3.5.1. Etude phénotypique des souches d’Actinomycètes
I.3.5.1.1. Etude des caractères culturaux
I.3.5.1.2. Etude des caractères morphologiques
I.3.5.1.3. Etude des caractères physiologiques
I.3.5.1.4. Etude des caractères biochimiques
II.4. RESULTATS
III.4.1. Taux des métaux dans l’échantillon du sol de la décharge d’Andralanitra
III.4.2. Isolement des souches microbiennes
III.4.3. Test de résistance des souches isolées
III.4.4. Identification des souches d’Actinomycètes actives
II.4.4.1. Identification de la souche A3
TROISIEME PARTIE : DISCUSSIONS
III.DISCUSSIONS
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
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