Efficacité des macrophytes et des biofilms dans l’élimination des nutriments

De nombreuses études ont montré l’efficacité de l’association végétaux- microorganismes pour éliminer la matière organique contenue dans les eaux usées. En effet, en 2004, Ouellet-plamondon et coll ont montré que Phalaris arundinacea pouvait éliminer jusqu’à 95 % du COD et la DBO en hiver (COD initial : 15 g de COD/m2/jours et 3g de DBO5/m2/jours). Selon les auteurs, et parmi les autres espèces étudiées dont Phragmites australis, Typha angustifolia, le faux roseau s’avère être le plus efficace en hiver pour éliminer le COD et la DBO. De plus, une aération artificielle améliore l’élimination du COD aussi bien en été et qu’en hiver (Ouellet-Plamondon et coll, 2006). Dans le cas où la charge initiale est de 540 ± 140 mg/L, le COD est éliminé à plus de 90 % et dans les conditions où les concentrations en MES sont de 260 ± 60 mg/L, en N kjeldahl de 16 ± 3, et de 5 ± 1 en P total. Le flux est de 30 L.m-2.jours-1 avec un temps de rétention approximativement égal à 4 jours.

L’espèce Phalaris arundinacea est un macrophyte efficace pour l’épuration du P (Kao et coll, 2003) et des phosphates (Picard et coll, 2005). Ces derniers ont montré que dans leurs conditions expérimentales, les phosphates sont éliminés jusqu’à 93 % en période estivale (juillet) et jusqu’à 63 % en période hivernale (février). D’autres auteurs ont également montré que l’activité et la densité microbienne étaient importantes au niveau des racines (Gagnon et coll, 2007), ce qui doit contribuer à l’élimination des nutriments contenus dans le milieu.

Les Saules (Salix spp) sont aussi très efficaces pour épurer un milieu car ils sont capables d’éliminer 46,8 % du P sous forme P2O5 en période estivale avec des charges

initiales proche de 10 mg/L (Perttu et Kowalik, 1997). Les saules sont également capables d’épurer les sédiments (Vervaeke et coll, 2003) et se maintiennent même dans des milieux enrichis en nutriments comme les eaux usées (Pulford et Watson, 2003).

D’autres macrophytes comme les lentilles d’eau (Lemna gibba L., Lemna minor) sont connues pour être de bonnes épuratrices d’une eau riche en nutriments. En effet, Lemna gibba recouvrant à 100 % la surface d’un système éliminent de 120 à 590 mg N /m2/jour soit 73 à 97 % de l’azote initialement présent et de 14 à 74 mg P.m-2.jour-1 soit de 63 à 99 % du phosphore total. L’expérimentation a duré 3 jours. Les lentilles d’eau sont directement responsables de 30-47 % de la perte totale d’azote en captant les ions ammonium et probablement aussi dépendant de la concentration initiale en phosphore et allant jusqu’à 52 % de perte totale en phosphore. La contribution indirecte des lentilles d’eau dans l’élimination des nutriments est considérable et inclut l’adsorption des ions ammonium et des ortho phosphates par les algues et les bactéries formant un biofilm et aussi l’élimination de l’azote par les bactéries liés aux lentilles d’eau. Ensemble, les pertes azotées sont de 35 à 46% et les pertes en phosphore de 31 à 71%. Approximativement, Körner et Vermaat (1998) ont estimé que les ¾ des pertes (azote et phosphore) sont liées à la présence des lentilles d’eau et seulement ¼ sont liées à la présence de bactéries et d’algues fixées sur les supports (murs, sédiments). D’autres processus comme la volatilisation du NH3, la fixation de l’azote et les

nutriments consommés (nitrification/dénitrification) par les microorganismes en suspension sont négligeables dans ce système mais pourrait devenir importants avec la profondeur de la nappe d’eau et l’augmentation du temps de rétention (Körner et Vermaat, 1998). D’autres espèces comme Lemna minor éliminent également le Phosphore (ortho phosphates). En effet, sur une période de 8 jours, la concentration en phosphate passe de 15 mg/L à 0,5 mg/L sur une eau usée (Öbek et Hasar, 2002). De plus, cette espèce peut éliminer rapidement le phénol lorsque la densité de biomasse se situe dans une gamme de 0,7 à 1,4 kg/m2 (Oueslati et coll, 1999). D’autres auteurs ont aussi montré que Lemna minor élimine près de 88 % du COD et 38 % d’ortho phosphates avec des charges initiales respectives de 4000 mg.m-2.jours-1 et de 73 mg.m-2.jours-1 et d’un temps de rétention de 3 jours (Uysal et Zeren, 2004).

L’espèce Juncus effusus est capable d’accumuler le P. En effet, Shen et coll (2003) ont montré que les feuilles peuvent contenir jusqu’à 59,7 kg.ha-1 de P O . De plus, 69 % de P

reste dans les tiges après 5 mois de décomposition (Kao et coll, 2003).

Le macrophyte Elodae canadensis élimine des composés facilement biodégradables comme l’urée (Thorén, 2007). En effet, l’activité des microorganismes présents sur les parties immergées (épiphytique) de l’espèce Elodae canadensis permet d’éliminer jusqu’à 0,1 à 0,2 mmol d’urée (N) m-2.jours-1. Cependant, les microorganismes présents sur les feuilles de Typha latifolia éliminent seulement de 0,001 à 0,03 mmol d’urée (N) m-2.jours-1. Les exudats de T. latifolia doivent inhiber la croissance des algues et des bactéries expliquant les différences entre les deux espèces végétales étudiées (Thorén, 2007).

Ces études ont montré que des différences au niveau des capacités épuratoires sont observées selon les plantes utilisées. Ces résultats sont confirmés par d’autres études (Picard et coll, 2005). En effet, Carex lacustris s’est avéré moins efficace dans l’élimination du P et de l’azote par rapport à d’autres espèces étudiées comme Scirpus validus, Phalaris arundinacea, Typha latifolia. Cela est certainement dû à une quantité moins importante de biomasse dans le sol ou bien à la différence de morphologie des racines par rapport aux autres macrophytes. En effet, Gagnon et coll (2007) ont montré que la densité et l’activité microbienne étaient plus importantes en présence de Phalaris arundinacea que de Typha angustifolia et Phragmites australis par conséquent, la morphologie des racines, spécifique de chaque espèces végétales semblent être un facteur important influençant l’interaction entre la plante et les microorganismes. Cependant, l’association de plusieurs plantes améliore leurs capacités à éliminer les nutriments (P et azote). En effet, les populations bactériennes sont souvent plus variées en présence de végétation au sein des zones humides par conséquent, cela pourrait être dû à la diversité de « microhabitats » dans la structure du sol créée par la croissance du système racinaire différents selon les plantes. Ces dernières peuvent aussi constituer des réserves de carbone pour les microorganismes, de ce fait, les macrophytes améliorent leurs chances de survie (Picard et coll, 2005).

Ces auteurs ont mis en évidence que la température jouait un rôle important sur l’élimination des nutriments au sein d’une zone humide végétalisée. En général, la consommation des nutriments est plus importante durant la période estivale jusqu’au début de l’automne (de juin à octobre) et moins importante pendant la période hivernale (de novembre à mars). La consommation des nutriments est associée avec la croissance des plantes et avec l’augmentation de la température. Il y a moins de variations saisonnières concernant le phosphore par rapport à l’azote car les sédiments captent le phosphore indépendamment du processus de dégradation biologique. Des auteurs ont montré que les macrophytes associés

aux microorganismes étaient responsables de 90 % environ de l’azote éliminé. Le processus microbiologique joue un rôle majeur dans l’élimination des nutriments et les plantes interviennent en suppléments dans le processus d’élimination de ces derniers (Picard et coll, 2005 ; Bourgues et coll, 2007).