ZINC DANS LE SYSTEME SOL-PLANTE

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Origine de la contamination

Origine naturelle
Le zinc présent dans les gisements entre naturellement dans l’atmosphère et devient contaminant à partir : du transport par le vent de particules du sol, des éruptions volcaniques, de l’érosion qui transporte les eaux de surfaces et les sédiments, d’émissions d’aérosols marins.
Origine anthropique
Les sources de contamination de zinc par l’homme résultent de trois groupes d’activités :
– les sources minières et industrielles comme le traitement du minerai, le raffinage, la construction de toitures, la fabrication des pigments et des matières plastiques ainsi que des piles électriques,
– les épandages agricoles : le zinc est présent en quantités non négligeables dans tous les intrants agricoles tels que les fumiers, les lisiers et les phosphates.
– les activités urbaines et le trafic routier qui libèrent du zinc comme l’usure des pneumatiques, l’incinération des ordures.

ZINC DANS LE SYSTEME SOL-PLANTE

Comportement du zinc dans le sol

Le sol est composé de trois phases :
– la phase solide, formée d’éléments minéraux et organiques,
– la phase liquide ou solution du sol,
– la phase gazeuse ou atmosphère du sol.

Spéciation

Dans l’environnement, le zinc se trouve principalement à l’état d’oxydation +2, le plus souvent sous forme de sulfure ZnS, mais plusieurs autres formes ioniques peuvent se trouver dans le sol comme Zn2+ , ZnCl-, ZnOH-, ZnHCO3+, Zn(OH)2, Zn(OH)3-, [ ZnCl3-], [ ZnCl4]2-, ZnO22-, ZnO2-, ZnO et ZnCO3.Ces molécules peuvent être liées dans le sol aux oxydes de fer hydratés, à l’aluminium (14 à 38 % de Zn total), aux argiles (24 à 63 %) (Kabata-Pendias et Pendias, 1986).

Mobilité

La mobilité chimique d’un élément dans les sols peut être définie comme l’aptitude de cet élément à être transféré vers les compartiments du sol où il est moins énergétiquement retenu; le compartiment ultime est représenté par la solution du sol dans laquelle l’élément est immédiatement assimilable par les plantes (Loué, 1993 ; Juste et al, 1995).

Constituants du sol impliqués dans la mobilité du zinc

Les processus de transferts entre la phase solide et la phase liquide sont multiples; ils dépendent fortement de la nature de la liaison entre les métaux et la phase solide appelée également phase porteuse ou phase de rétention, ainsi que des conditions physico-chimiques régnant dans le sol.
 Argiles
Les argiles se caractérisent par une surface électrique non neutre qui détermine leurs capacités d’échanges ioniques.
Ces minéraux portent en fait deux types de charge. La première, de signe négatif, est structurelle et non modifiable. La seconde, liée aux réactions chimiques qui se produisent à la surface des minéraux, est une charge de surface variable en fonction du pH du milieu. Pour un pH bas, les ions H+ majoritaires se lient à l’argile plus que les ions OH-. Il en résulte une charge globalement positive et l’argile se caractérise par une capacité d’échange anionique. Pour un pH élevé, les ions OH- dominants conduisent au phénomène inverse, et l’argile développe une Capacité d’Echange Cationique (CEC). Les cations présents dans la fraction argileuse qui peuvent substituer les cations de la solution du sol sont : Ca2+, Mg2+, K+ et Na+.
 Oxydes et hydroxydes
Les hydroxydes de fer et d’aluminium, sous forme amorphe ou cristalline, sont des constituants communs dans les sols naturels. Comme les argiles, la réactivité des hydroxydes de fer et d’aluminium provient de leur importante surface spécifique et de la charge de surface, variable avec le pH du milieu (Kabata-Pendias et Pendias, 2001). En effet, suivant les conditions physico-chimiques, ils présentent des charges de surface variable permettant d’adsorber les anions et les cations.
Les hydroxydes de manganèse possèdent des propriétés différentes de celles des oxydes de fer et d’aluminium (Sigg et al, 2000). Ils sont des fixateurs de métaux dans les sols naturels. Ils jouent en conséquence un rôle prépondérant dans la sorption des ions métalliques (Blanchard, 2000).
En outre, les hydroxydes peuvent précipiter en piégeant les métaux à l’intérieur des mailles cristallines, permettant ainsi la fixation de métaux en quantité supérieure à leur CEC.
 Carbonates et phosphates
La forme prédominante des carbonates dans les sols est la calcite (CaCO3). Assez soluble, cette espèce a une influence majeure sur le pH des sols, et par conséquent sur les phénomènes de sorption des métaux. En outre, les réactions de dissolution/précipitation des carbonates favorisent le piégeage des ions métalliques au sein des cristaux formés (Blanchard, 2000).
Les phosphates (groupement PO4 3-) sont des minéraux peu abondants dans les sols, mais susceptibles, comme les carbonates, de substituer le calcium par des éléments métalliques divalents comme Zn2+ et Cu2+, en particulier dans des sols à tendance basique.
 Matière organique
La matière organique désigne différents types de composés carbonés et azotés. Elle est principalement issue de l’activité biologique des végétaux et des animaux et de leurs produits de décomposition, elle peut également avoir une origine anthropique: composts, boues, pesticides, hydrocarbures. L’association de ces composés forme les substances humiques (humine, acides humiques, acides fulviques) piégeant différents éléments. Elle participe largement aux modifications de certains facteurs pédologiques comme le potentiel redox ou le pH.

Phénomène de sorption des métaux dans le sol

L’ensemble des constituants du sol forme le « complexe absorbant » (Blanchard, 2000). Ce complexe est capable de réaliser des échanges entre la phase liquide et la matrice solide du sol, qui dépendent des mécanismes de sorption. On distingue deux types de mécanismes : la physisorption et la chimisorption.
– Physisorption ou adsorption non spécifique
La physisorption résulte des forces électrostatiques entre atomes portant des charges de signe différent. L’énergie de liaison est alors relativement faible. Par conséquent, les éléments métalliques adsorbés sont facilement mobilisables en cas de changements des caractéristiques physico-chimiques du milieu. La matrice du sol, globalement chargée négativement, attire les cations en solution. Ce sont les minéraux argileux et la matière organique, souvent réunis pour former le complexe argilo-humique, qui participent le plus à la charge négative du sol (Chaignon, 2001). La présence des charges de surface peut provenir des réactions chimiques de surface dues aux variations de pH (Delmas-Gadras, 2000).
Dans cette adsorption non spécifique, les atomes de métal ne sont pas directement en contact avec la surface des particules du sol, mais ils sont présents au sein d’une sphère de molécules d’eau enrobant les particules du sol, appelées couche d’hydratation.
– Chimisorption ou adsorption spécifique
Contrairement à l’adsorption non spécifique, l’adsorption spécifique fait intervenir une liaison chimique forte, sans molécule d’eau interposée entre le groupe fonctionnel et la surface de l’ion adsorbé. Les éléments métalliques ainsi adsorbés seront beaucoup moins susceptibles d’être mobilisés.
Trois types de liaison chimique sont à l’origine de la spécificité de la chimisorption entre l’ion et la matrice du sol : les liaisons ioniques, covalentes et de coordination (Blanchard, 2000). Elles peuvent se produire entre un ion métallique et un ligand organique ou inorganique (Cl-, SO4 2-, PO42-). On parle alors de complexation ou de chélation.
Les complexes formés peuvent parfois précipiter (Blanchard, 2000). En outre, après avoir été adsorbés en surface, les éléments peuvent diffuser à l’intérieur des particules minérales ; c’est le phénomène d’absorption.
Tous ces processus de sorption sont réversibles. La réversibilité est due aux conditions physico-chimiques du sol.

Facteurs influençant la mobilité du zinc

Le passage en solution des métaux traces est essentiellement conditionné par des phénomènes de désorption de ces métaux, depuis la surface des argiles, de la matière organique ainsi que des oxy-hydroxydes de fer vers la solution du sol. La désorption est le processus inverse de l’adsorption. Parmi les facteurs qui affectent la disponibilité du zinc dans le sol, les paramètres du sol, tels que la teneur en argile, le pH, la matière organique, l’activité microbienne et le potentiel redox (Eh) jouent un rôle important (Alloway1995; Adriano, 1986).
 Matière organique et teneur en argile
Les ions Zn++ sont considérés comme très mobiles (Alloway, 1995). Les formes les plus mobiles seraient facilement adsorbées par les constituants organiques et minéraux du sol, de telle sorte que le zinc tendrait à s’accumuler dans les horizons de surface de la plupart des sols (Juste et al, 1995). En effet les minéraux argileux et les substances humiques sont capables de fixer le zinc très fortement si bien que la solubilité de Zn++ dans les sols apparaît moindre que celle de Zn(OH)2, Zn(CO3), Zn3(PO4)2.
Le zinc rajoutés aux sols par les intrants agricoles s’accumule en surface et a une faible mobilité du fait de leur adsorption par les constituants du sol (oxydes de fer et matière organique en particulier), par l’intermédiaire des mécanismes de chimisorption et de physisorption (Kabata-Pendias et Pendias, 1992; Alloway, 1995). Selon Hodgson et al, (1966) en moyenne 65% de zinc soluble dans les sols se trouvent associés aux amines et aux acides fulviques, tandis que les complexesinsolubles sont associés aux acides humiques.
 pH
Les travaux de Tyler et Olsson (2001) montrent que les teneurs en zinc dans la solution du sol sont très dépendantes du pH du sol qui est le principal paramètre influant sur la mobilité du zinc dans le sol. Une acidification du sol augmente la concentration des ions zinc libres et rend ces derniers plus mobiles. De plus, l’augmentation de pH induit souvent la formation d’espèces précipitées qui peuvent limiter la solubilité et la biodisponibilité de toutes les espèces ioniques (Deneux-Mustin et al, 2003). Cependant, elle entraîne également la dissolution de matières organiques et la formation consécutive de complexes organométalliques plus solubles (Chaignon, 2001).
 Potentiel redox (Eh)
Le potentiel redox (Eh) permet de caractériser les échanges d’électrons entre les espèces chimiques. Ainsi, les formes oxydées prédominent pour un potentiel redox élevé, alors que les faibles valeurs favorisent l’apparition d’espèces réduites. Les valeurs les plus courantes du potentiel redox dans les sols naturels sont comprises entre -200 et 400 mV. Cependant ce facteur apparait comme secondaire par rapport au pH. En effet, pour un sol donné, l’Eh augmente quand le pH diminue (Deneux-Mustin et al, 2003).
 Activité microbienne
Selon les conditions et selon les microorganismes, l’action microbienne peut soit mobiliser soit immobiliser les métaux. Par exemple les bactéries sulfato-réductrices permettent de précipiter les métaux (M2+) sous forme de sulfure métallique (MS) selon les réactions : CH3COOH + SO42- → 2HCO3- + HS- + H+ H2S + M2+ → MS + 2H+

Translocation du zinc

Avant d’être absorbés par le végétal, les Eléments Traces Métalliques doivent être transférés à proximité de la racine, dans la rhizosphère. Ce mouvement peut être réalisé par simple diffusion selon un gradient de concentration dans la solution du sol, ou par flux de masse du fait de l’absorption de quantités d’eau importantes par les racines pour compenser les quantités perdues par évapotranspiration au niveau des parties aériennes.
La translocation est le transport des Eléments Traces Métalliques au sein de la plante. Elle peut varier considérablement en fonction du métal, mais également de l’espèce végétale et/ou de l’organe considéré. Le zinc est plus mobile au sein de la plante, cependant, les racines contiennent des quantités plus grandes que les parties aériennes, en particulier lorsque les apports sont importants. Dans le cas d’une consommation de luxe, le zinc peut être déplacé des racines vers les parties aériennes où ils se concentrent dans les chloroplastes, les vacuoles et les membranes cellulaires. Lors de cette translocation, le zinc est chélaté à des acides organiques (Tremel -Schaub et Feix, 2005).
L’interaction entre le zinc et le phosphore sur la translocation du zinc a été rapportée par différents auteurs. Ainsi, des déficiences en zinc peuvent être induites avec des faibles doses de phosphore du fait d’une inhibition de la translocation du zinc plus qu’une réduction de l’absorption et de la teneur dans les racines (Loué, 1993).
Dans la plupart des sols, les prélèvements de zinc par les cultures sont faibles par rapport aux quantités totales d’éléments présents dans le sol. Pour certaines plantes, malgré des quantités d’élément importantes en sol, des carences peuvent être observées : le facteur limitant sera alors la phytodisponibilité.

Phytodisponibilité

La phytodisponibilité est la quantité d’un élément susceptible d’être transféré dans la plante au cours de son développement (Tremel -Schaub et Feix, 2005). Selon Lanno et al (2004) elle est décrite par les trois composantes suivantes (figure 2) :
-la disponibilité environnementale qui représente la fraction du contaminant du sol qui est potentiellement disponible pour les plantes,
-la biodisponibilité environnementale représentant la fraction du contaminant disponible pour l’absorption,
-la biodisponibilité toxicologique qui correspond à l’accumulation et/ou l’effet du contaminant dans l’organisme.
L’évaluation de la phytodisponibilité est généralement réalisée selon une ou deux approches, une approche chimique qui mesure l’extractibilité de l’élément au moyen de réactifs chimiques (Lebourg et al, 1996) et/ou une approche biologique par analyse de la concentration de l’élément dans la plante (Juste, 1988).
La phytodisponibilité dépend d’un ensemble de paramètres permettant le transfert d’un élément de la phase solide du sol jusqu’au végétal (Morel, 1998; Hinsinger et al, 2005) principalement la disponibilité ou mobilité chimique. En effet, les formes solubles de Zn2+ sont facilement assimilables par les plantes : c’est la fraction liée aux oxydes de fer et de manganèse, le zinc hydraté, l’ion libre Zn2+. La vitesse d’absorption dépend des paramètres spécifiques au végétal comme par exemple la variété du végétal considéré, l’organe, l’âge de la plante.
• Variété : au sein d’une même espèce, la concentration dans la plante varie selon la variété. Pour la laitue, par ordre décroissant, Summer Bibb > Belmay > Romaine.
• Age : en général, les concentrations en Eléments Traces sont plus fortes dans les jeunes pousses.
• Organe : dans la plante les métaux se stockent dans les différents organes comme suit : concentrations décroissantes en métaux : racines > tiges > feuilles > graines > fruits et tubercules.
Ainsi il existe différentes stratégies de réponse des plantes à l’absorption des métaux, menant à des gammes de concentrations différentes dans les tissus végétaux (Yang et al, 2008). On distingue quatre groupes de plantes en fonction de la teneur en ETM dans la plante rapportée à la teneur dans le sol (Figure 3) :
– les plantes « excluantes » maintiennent une concentration faible et constante dans les parties aériennes jusqu’à une valeur critique,
– les plantes « indicatrices » régulent le prélèvement des métaux reflétant ainsi la concentration dans les sols,
– les plantes « accumulatrices » sont capables de concentrer les métaux dans leurs tissus
– les plantes « hyperaccumulatrices » ont la capacité de tolérer des concentrations en métaux très élevées.
La phytodisponibilité des ions Zn2+ est particulièrement sensible aux conditions du milieu. Alloway (2004) a établi la liste des paramètres affectant la phytodisponibilité et permettant de prendre en compte tout risque de carence en zinc pour les cultures; dont les plus sensibles sont le maïs, les haricots, le riz, les arbres fruitiers.
Les paramètres regroupent différentes caractéristiques des sols : leur nature, les teneurs en sels, les pH élevés, les faibles teneurs en matière organique et en zinc, la fertilisation phosphatée dans le cas de sols pauvres (figure4).
L’immobilisation du zinc a un impact important sur les déficiences dans les plantes. La rétention des ions Zn2+ intervient dans les sols riches en carbonates et phosphates.
Généralement, une augmentation de la concentration en zinc dans le sol provoque une augmentation dans les tissus des plantes. Le zinc se concentre préférentiellement dans les feuilles matures de la plante ; par contre, les plantes ayant poussé dans un sol contaminé par du zinc accumulent les ions dans les racines ( Kabata-Pendias et Pendias, 1992) .

Rôle du zinc

Le zinc est un métal essentiel. A la concentration millimolaire, il est un oligoélément qui intervient dans de nombreuses réactions enzymatiques (plus de 300), au sein desquelles il remplit trois types de fonctions : catalytiques, co-catalytiques et structurales.
Le zinc est particulièrement important pour le métabolisme des sucres, des protéines et des phosphates; mais il joue également un rôle par rapport à l’ADN, via des métalloprotéines impliquées dans la réplication et la transcription de l’ADN, et donc la régulation de l’expression des gènes. De plus, le zinc influence également l’intégrité et la perméabilité des membranes, il protège les lipides et les protéines membranaires du stress oxydant. Il est aussi impliqué dans la photosynthèse.
La teneur moyenne de zinc présent dans les végétaux est très variable; elle est généralement comprise dans une fourchette allant de 15 à 70 µg /g de matière sèche. De plus, dans les plantes cultivées sur des sols contaminés, la concentration peut dépasser 100 µg /g de matière sèche, une grande proportion du métal étant concentrée dans les racines.
Chez les végétaux, une carence en zinc entraine des modifications morphologiques des feuilles (tailles réduites, déformations); chez les dicotylédones, un raccourcissement de l’entre-nœud, conduit à un raccourcissement de la tige. Les niveaux critiques de carence dans les feuilles sont estimés entre 10 et 20 µg /g de matière sèche. Différents facteurs imposés par le sol peuvent être à l’ origine d’une déficience en zinc : des teneurs en zinc faibles, une nature calcaire et un pH supérieur à 7, une faible teneur en matière organique, une inactivation par les microorganismes. De plus, l’assimilation du zinc peut être réduite par les difficultés d’exploration du sol par les racines, par des températures basses, par des effets antagonistes (avec le cuivre, le fer ou le phosphore par exemple). Enfin, le seuil de carence est variable entre les espèces végétales.

Phytotoxicité

Nous avons vu que le zinc est un «micro-élément» ou oligo-éléments; il est indispensable au métabolisme des êtres vivants (végétaux et animaux), on le retrouve dans les tissus mais à de plus faibles teneurs que dans les sols (< 0,01%). Cependant, aux fortes concentrations, il devient toxique, comme le montre la Figure 5.
Les concentrations considérées comme toxiques sont estimées entre 100 et 400 µg/g de matière sèche (Kabata-Pendias et Pendias, 1992). Cette toxicité se traduit par une réduction de la croissance des racines et des feuilles, suivie d’une chlorose des jeunes feuilles pouvant être induite par une carence en fer ou magnésium. Le principal mécanisme de tolérance au zinc consiste en l’immobilisation du métal dans les vacuoles (Marschner, 1995).
Les bases moléculaires de ces perturbations résultent d’un stress oxydant. Pour Halliwell (1987), le stress oxydant implique la production d’espèces réactives de l’oxygène (O2 , H2O2, radical OH.) et est synonyme de dommages. Ces composés sont normalement produits dans les cellules ; la production est parfaitement maîtrisée par des systèmes de défense antioxydant. Lorsque le stress est important, la production est supérieure aux capacités du système antioxydant. Au niveau physiologique, chez la plante, le déséquilibre entraîne un ralentissement de la croissance, un brunissement de la plante et si le stress est trop important, la mort de l’organisme.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LE ZINC
I. Métaux lourds
I.1. Définition
I.2. Origine des métaux lourds dans les sols
II. Zinc
II.1. Propriétés physico-chimiques
II.2. Obtention et utilisation du zinc
II.3. Origine de la contamination
CHAPITRE 2 : ZINC DANS LE SYSTEME SOL-PLANTE
I. Comportement du zinc dans le sol
I.1. Spéciation
I.2. Mobilité
I.2.1. Constituants du sol impliqués dans la mobilité du zinc
I.2.2. Phénomène de sorption des métaux dans le sol
I.2.3. Facteurs influençant la mobilité du zinc
II. Translocation du zinc
III. Phytodisponibilité
IV. Rôle du zinc
V. Phytotoxicité
CHAPITRE 3 : CRESSON DE FONTAINE (Nasturtium officinale)
I. Description botanique
II. Valeurs nutritionnelles
III. Valeurs thérapeutiques
IV. Production de cresson dans la ville d’Antananarivo
CHAPITRE 4 : BIOACCUMULATION DES METAUX
I. Processus de bioaccumulation
II. Bioaccumulation dans les organismes végétaux
PARTIE II : TRAVAUX EXPERIMENTAUX
CHAPITRE 1 : PRESENTATION DE L’ETUDE
I. Contexte générale
II. Objectifs
III. Méthodologie
CHAPITRE 2 : PREPARATION DU SUPPORT DE CULTURE
I. Objectif
II. Site d’étude
III. Caractéristiques de l’eau d’irrigation du site
IV. Analyse du sol
IV.1. Caractéristiques du sol
IV.1.1. Texture du sol
IV.1.2. Bases échangeables
IV.1.3. Taux de matières organiques et pH
IV.1.4. Teneur en zinc
IV.2. Capacité de Retention d’Eau .
IV.3. Volume d’eau nécessaire à l’hydratation (VE)
CHAPITRE 3 : ESSAI PRELIMINAIRE ( DETERMINATION DES CONCENTRATIONS TOLEREES)
I. Objectif
II. Matériels et Méthodes
II.1. Matériels
II.2. Plan de l’expérience
II.3. Données à collecter
III. Résultats et interprétations
III.1. Observation visuelle
III.2. Mesure de la partie aérienne
III.3. Mesure de la partie racinaire
III.4. Mesure de la masse fraîche
III.5. Mesure de la masse sèche
CHAPITRE 4 : ETUDE DU COMPORTEMENT DU CRESSON VIS-A-VIS DU ZINC
I. Objectif
II. Matériels et Méthodes
II.1. Matériels
II.2. Culture
II.3. Récolte
II.4. Analyse chimique
III. Résultats et interprétations
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 

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