Caractéristiques physico-chimiques

En milieu aquatique, les métaux sont présents sous forme dissoute, complexés à la matière organique dissoute ou adsorbés sur les particules (Essid, 2008). Les métaux présents dans les écosystèmes peuvent être des métaux lourds ou des métaux traces. Les premiers désignent tous les métaux de forte masse atomique comme le plomb, le chrome, le cadmium, l’arsenic ou le mercure. Les métaux traces existent dans l’environnement à faibles concentrations; certains d’entre eux sont des oligoéléments biogènes souvent doués de propriétés hormétiques alors que d’autres, moins intéressants pour les êtres vivants, sont souvent très toxiques comme le cobalt.

Les métaux présentent un polymorphisme chimique dépendant à la fois de leur forme spécifique et du composé, minéral ou organique, dans lequel ils sont incorporés. La forme physico-chimique d’un métal (spéciation) conditionne sa mobilité et par suite sa biodisponibilité. En général, la forme libre ou ionique, la plus biodisponible, est la plus toxique.

Les métaux pris en considération dans le présent travail sont le zinc (Zn), le cuivre (Cu), l'argent (Ag), le cadmium (Cd), le nickel (Ni), le plomb (Pb), l’arsenic (As) et le Cobalt (Co). Ces métaux sont fréquemment utilisés dans la littérature in vitro (ou en microcosmes) pour étayer les conditions de biodisponibilité et de toxicité (Zarcinas et Rogers, 2002;Al Khateeb

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et Al-Qwasemeh, 2013). Nous présenterons ci-après, les caractéristiques des métaux sélectionnés pour notre étude:

 Le Zinc (Zn): C’est un métal simple et biogène doué de propriétés hormétiques. Il est rencontré habituellement en association avec le plomb, le cuivre, l’or et l’argent et il se présente sous forme de sphalérite (sulfure), smithsonite (carbonate), calamine (silicate), et franklinite (zinc, manganèse, oxyde de fer). Le Zn possède 2 états de valence (+I, +II), mais n’est présent dans les eaux naturelles que sous sa forme divalente. Le zinc est facilement adsorbé par les minéraux argileux, les carbonates ou hydroxydes. Tessier et al. (1996) ont montré que la plus grande proportion de zinc dans des sols et sédiments contaminés était associée aux oxydes de fer et de manganèse.

 Le cuivre (Cu): Ce corps simple est aussi un métal biogène qui intervient dans la constitution du groupement prosthétique de divers enzymes animaux ou végétaux. Dans la nature, on le trouve surtout sous forme de sulfures cuivreux (valence +I) ou cuivrique (valence +II), d’oxydes de cuivre (CuO) ou de carbonates basiques (malchite, azurite). Le cuivre est généralement biodisponible pour les organismes sous le degré d’oxydation (I) ou (II), à partir de sels inorganiques ou de complexes organiques. Il se trouve dans les roches basaltiques, les schistes et à moindre mesure dans le granit. Dans les sols, 98% du cuivre se trouve sous forme complexée à la matière organique.

 L'argent (Ag): C’est un métal relativement ductile et très malléable, apprécié pour son éclat blanc particulier. Dans la nature, on le trouve surtout sous forme d’Ag2S. Il est très toxique pour les bactéries, les champignons et de nombreux organismes à sang froid.

 Le cadmium (Cd): Il fait partie des éléments en traces métalliques dits non essentiels (Turkmen et al., 2005; Miquel, 2001). Sa demi-vie biologique peut aller de 10 à 30 ans (Nriagu et Pacyna, 1988). Le cadmium est un élément rencontré en milieu aquatique sous diverses formes physiques (dissoutes, colloïdales, particulaires) et chimiques (minérales ou organiques). Un ensemble de variables physicochimiques du milieu (salinité, pH, potentiel redox, caractéristiques sédimentologiques, nature géochimique des particules, concentration en chlorures) gouvernent les transformations du cadmium dans l’environnement (Gonzalez et al., 1999; Chiffoleau et al., 2001).

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Les formes dissoutes (< 1 nm) de cet élément en milieu aquatique sont des espèces libres (Cd²⁺) et formées par des associations (complexation) de cadmium avec des composés (ligands ou complexant) mineraux ou organiques.

Les formes colloïdales (de 450 à 1 nm) peuvent se fixer à des oxydes de Fer, de Manganèse, des hydroxydes, des carbonates, des argiles ou de la matière organique colloïdale.

Les formes particulaires (> 0,45 μm) se font par intégration du Cadmium dans la structure cristalline de minéraux détritiques (bruit de fond géochimique), par liaison à une fraction d’origine organique (carbonates, restes d’organismes, pelotes fecales), par precipitation avec différents fractions minérales (carbonates, phosphates, oxydes et hydroxydes de Fer ou de Manganèse, sulfures) et par adsorption sur des phases de différentes natures (argiles, matière organique, oxydes et hydroxydes de Fer et de Manganèse) (Gonzalez et al., 1999).

 Le nickel (Ni): Ce métal de couleur blanche, est brillant et inoxydable sous sa forme simple. Le nickel est souvent associé au Fe, Cu, Cr et Co dans les minerais de zinc. On le retrouve particulièrement dans les minerais sulfurés (65% de la production mondiale) extrait des sous-sols (teneur en nickel de 0,7% à 3%) et dans les minéraux silicatés se trouvant en surface. Dans le milieu aqueux, le nickel existe seulement au degré d’oxydation divalent Ni(II). La solubilité des minéraux de nickel est considérablement moins élevée que celle d’autres métaux (Dang, 2011).

 Le plomb (Pb): Fait partie des ETM (Eléments en Traces Métalliques) non essentiels (Miquel, 2001; Turkmen et al., 2005). Le corps simple de ce métal est gris bleuâtre, mou et flexible et de densité 11. Le plomb est très souvent associé au zinc dans les minerais mais aussi à de nombreux autres éléments (Fe, Cu, Cd, As…) qui sont en grande partie récupérés lors des opérations métallurgiques. Le principal minerai de plomb est la galene (PbS), très souvent associée à la blende (ZnS) et à la pyrite (FeS2). Il est généralement considéré comme étant fortement retenu dans les sols et donc peu mobile, en particulier en conditions réductrices (Dang, 2011).

 L’arsenic (As): C’est un métalloïde, chalcophile (i.e. forte affinité pour le soufre) et analogue chimique du phosphore. Dans les eaux et dans les sols, l’arsenic existe sous plusieurs formes et à différents degrés d’oxydation (0, III et V). La distribution entre les formes d’As(III) et d’As(V) est fortement dépendante du potentiel d’oxydo-réduction, respectivement en milieu réducteur et oxydant. L’arsénic est souvent associé sous forme de complexes organo-métalliques.

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 Le Cobalt (Co): Il est présent souvent associé au nickel, à l'argent, au plomb et au cuivre. Les minerais sulfurés ou sulfuro-arsénics représentent les sources principales de cobalt dans l’environnement (Pichard et al., 2006). Dans des sols et des sédiments, le cobalt est fortement et rapidement adsorbé sur les oxydes de fer et de manganèse ainsi que sur les argiles et la matière organique (Dang, 2011).

II.5.3 Toxicité

II convient de distinguer deux groupes de métaux: ceux qui sont nécessaires aux espèces vivantes et ceux qui ne le sont pas:

- les métaux qui ont un rôle physiologique chez les organismes vivants ne sont pas considérés comme toxiques pour les organismes sauf si leurs concentrations sont anormalement élevées. Ces métaux essentiels entrent dans la constitution d'enzymes, de pigments respiratoires, interviennent dans les échanges cellulaires. Ce sont le Cu, le Fe, le Zn, le Mg, le Mn. Ils sont nécessaires à la vie. Ce sont des oligo-éléments.

- les métaux qui n'entrent pas dans la composition des êtres vivants et n'ont donc pas de rôle biologique, sont toxiques pour les êtres vivants s'ils atteignent des sites métaboliques actifs et s'y accumulent. Ces métaux lourds sont au nombre de 38 (Hg, Cd, Pd…). Leur densité est supérieure à 5.

Les métaux peuvent être dangereux pour la santé de l’ensemble des populations, en particulier des organismes aquatiques du fait de leur présence dans l’eau au-delà d’un certain seuil de tolérance (à titre d’exemple la catastrophe de Minamata au Japon, en 1953, liée à une pollution des eaux par le mercure, mais également l’important développement de la maladie Itaï-Itaï au Japon, dans les années 60, en raison d’une contamination des eaux de boisson et du riz par le cadmium). Les effets toxiques des métaux ainsi que leur comportement au sein du milieu aquatique (mobilité, biodisponibilité) vont dépendre en grande partie de leur spéciation, qui correspond à la répartition de cet élément en ses différentes espèces, formes ou phases (solubles et / ou insolubles) (Boust et al., 1999), de l’organisme considéré (espèce, sexe, âge et stade de développement) et de la concentration dans un organe déterminé (Calow,

1994; Rand et al., 1995; Amiard-Triquet et Rainbow, 2009).

La présence des métaux dans les eaux et les sédiments peut se traduire chez les organismes aquatiques par l’apparition de formes anormales (nécrose, ulcération, atrophie), par l’altération des membranes cellulaires, par des perturbations du métabolisme, de la photosynthèse et de la réparation de l’ADN (Calow, 1994). L’arsenic, le cobalt, le cadmium, le chrome et le nickel présentent également des propriétés mutagènes ou cancérigènes

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(Hartwig, 1998; Chen et White, 2004). Yamaguchi et al. (2007) ont également montré dans leurs études les effets négatifs du plomb, de l’arsenic, sur la spermatogenèse du poisson. Des modifications comportementales peuvent également apparaitre chez certaines espèces de poissons (Scott et Sloman, 2004). A des concentrations relativement faibles dans les eaux (quelques ppm), le zinc devient toxique (Ramade et Papigny, 2000). Il est capable d’inhiber la photosynthèse du phytoplancton et des algues macrophytes. Ce métal est capable également de causer des lésions tissulaires, notamment chez les invertébrés aquatiques et chez les poissons, responsable d’un retard de la croissance et d’une perturbation de la reproduction (Ramade et Papigny, 2000). Le cuivre présente une toxicité élevée pour les organismes aquatiques à des concentrations relativement faibles, en particulier pour les algues, ce qui explique l’usage de certains sels de cuivre comme algicides (Ramade et Papigny, 2000). Des études récentes dans la lagune de Bizerte ont montrés également l’effet toxique des métaux sur les nématodes libres (Beyrem et al., 2007; Hedfi et al., 2007; Mahmoudi et al., 2007a,b; Hedfi et al., 2008).

Les contaminants métalliques sont disponibles pour les organismes aquatiques via l’ingestion de nourriture (accumulation le long de la chaine alimentaire et fraction associée aux matières en suspension et aux sédiments), via la respiration et via le transport à travers les membranes biologiques (Eggleton et Thomas, 2004).