Selon la classification périodique des éléments [3], les métaux sont les éléments situés
à droite de la ligne passant par le Bore, le Silicium, l'Arsenic et l’Astate
(fig. I.1), à l’exception de l’hydrogène. Ils ont en commun les propriétés suivantes :
• Structure cristalline à température ambiante, à l’exception du mercure qui est liquide,
• Aspect brillant,
• Ductilité, malléabilité,
• Électrons de conduction faiblement liés, d’où une propension à former des cations et des liaisons ioniques,
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• Bonne, conductivité thermique et électrique[4].
Figure I.1: Classification périodique des éléments.
I .1.1. Terminologie
I.1.1.1. Notion d'éléments traces métalliques
La notion « d’Éléments Traces Métalliques » (ou ETM) est mal définie, néanmoins, celle-ci se substitue peu à peu à celle de « métaux lourds » [5]. Par ce terme générique « d’éléments traces métalliques » on désigne des métaux et métalloïdes réputés toxiques et dont la teneur moyenne dans les sols est inférieure à 1g.kg-1.
Enfin, une des particularités de ces éléments est d’entraîner des effets majeurs sur la santé humaine (caractère toxique des substances) et/ou sur les écosystèmes (caractère écotoxique des substances) en cas d’exposition [6,7].
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I.1.1.2. Notion de métaux lourds
Les définitions des métaux lourds sont multiples et dépendent du contexte dans lequel on se situe ainsi que de l’objectif de l’étude à réaliser.
D’un point de vue purement scientifique et technique, les métaux lourds peuvent être également définis comme :
Tout métal ayant une masse volumique supérieure à 5 g/cm3,
Tout métal ayant un numéro atomique élevé, en général supérieur à celui du Sodium (Z=11),
Tout métal pouvant être toxique pour les systèmes biologiques.
Certains chercheurs utilisent des définitions plus spécifiques encore. Le
géologue, par exemple, considérera comme métal lourd tout métal réagissant avec la pyrimidine (C6H5N) [8].
Dans le traitement des déchets liquides, les métaux lourds indésirables auxquels on s’intéresse principalement sont : l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le mercure (Hg), le nickel (Ni), le plomb (Pb), le sélénium (Se), le zinc (Zn).
Dans les sciences environnementales, les métaux lourds associés aux notions de pollution et de toxicité sont généralement : l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le mercure (Hg), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le plomb (Pb), l’étain (Sn), le zinc (Zn) [9].
I .1.2. Sources d’émission des métaux lourds
Une quantité importante de métaux lourds est introduite dans l’environnement par l’intermédiaire de sources naturelles et humaines.
I 1.2.1. Sources naturelles
Les métaux lourds sont des éléments naturels qui peuvent avoir une présence dans les trois états de notre environnement, l'air, l'eau et les sols [5]. Principalement, ils proviennent de gisements où les réserves les plus importantes se trouvent dans les roches et/ou les sédiments océaniques. Par exemple, on estime le gisement de mercure à 300 milliards de tonnes dont 99 % se trouvent dans les sédiments océaniques.
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En règle générale, les métaux sont fixés dans les roches sous deux formes, d'une part, sou forme d’oxydes et silicates, peu altérables dans un climat tempéré. Les oxydes sont libérés de la roche par érosion et transportés dans les sols et sédiments.
D'autre part, sous forme de sulfures et carbonates, très altérables, qui seront attaqués chimiquement. Les métaux changeront de support, une partie soluble sera évacuée avec l'eau, vers les sols, les sédiments ou la nappe phréatique, tandis que l’autre sera piégée dans les argiles et sédiments de ruisseau. Leur présence en surface est un cumul entre ce qui vient du sous-sol et ce qui est apporté par l'air, même de très loin (le cas du plomb dans les glaces polaires) [5,10].
I. 1.2.2. Sources anthropiques
Les métaux provenant d’apports anthropiques sont présents sous des formes chimiques assez réactives et entraînent de ce fait des risques très supérieurs aux métaux d’origine naturelle qui sont le plus souvent immobilisés sous des formes relativement inertes [11].
En effet l'activité humaine n'a apporté aucun changement dans les volumes de métaux lourds. Elle a surtout changé la répartition des métaux, les formes chimiques (ou spéciations) et les concentrations par l'introduction de nouveaux modes de dispersion (fumées, égouts, voitures, etc.).
Le tableau I.1 présente quelques exemples de sources industrielles et agricoles des métaux présents dans l'environnement.
Page 11 Tableau I.1: Sources industrielles et agricoles des métaux présents
dans l’environnement [12].
I.1.3. Impact des métaux lourds sur l’environnement
Il est assez difficile de prévoir l’évolution des métaux dans l’environnement, car ils peuvent subir plusieurs transformations (oxydation, réduction, complexation, etc.). En effet cette évolution dépend fortement du milieu. Par exemple la migration des métaux lourds vers la nappe phréatique est fonction de nombreux paramètres :
- La forme chimique initiale du métal,
- La perméabilité, la porosité, le potentiel redox et la composition minéralogique du sol,
- Le pH: dans un milieu acide, les métaux risquent de se solubiliser, alors que dans un milieu alcalin, ils peuvent former des hydroxydes métalliques,
- L’activité biologique: certains micro-organismes ont la capacité d’ingérer des métaux, alors que d’autres les solubilisent.
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La pollution de l’environnement pose un problème particulier car les métaux et leurs sels ne sont pas biodégradables. En outre, certains se concentrent dans les tissus vivants et peuvent atteindre par le biais de la chaîne alimentaire des taux très élevés [9].
I.1.4. Toxicité des métaux lourds et choix des métaux à étudier
Tout élément est toxique quand il est absorbé en excès par rapport aux capacités d’assimilation de l’organisme. Cela est particulièrement vrai pour les éléments traces métalliques [13].La toxicité d’un métal est liée directement à sa réactivité avec la matière vivante. A l’état trace, plusieurs métaux sont toxiques et d’autres sont considérés comme indispensables à la vie [9]. D'après le tableau (2) on peut résumer la nécessité et la toxicité de certains métaux lourds comme suit :
Tableau I.2 : Principaux effets des métaux lourds[14].
Eléments Effets
As Toxique, possible cancérigène
Cd Hypertension, dommage sur le fois
Cr Cancérigène sous forme de Cr (VI)
Cu Peu toxique envers les animaux, toxique envers les plantes et les algues à des niveaux modérés
Hg Toxicité chronique et aigue
Ni Allergies de peau, maladies respiratoires, possibles cancérigène
Pb Toxique
Se Essentielle à faibles doses, toxiques à doses élevées Zn Toxiques pour les végétaux à fortes teneurs
Les métaux, en particulier ceux dénommés métaux lourds, exercent le plus souvent leur nocivité par inhibition des systèmes enzymatiques [15]. Les plus toxiques pour
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l’homme sont le cadmium, le plomb et le mercure. Le plomb est un neurotoxique, spécialement dangereux pour les enfants, en raison de leur exposition plus fréquente ; contact direct avec le sol, ingestion de poussières de peinture à base de plomb ou de gaz d’échappement. Le plomb n’est pas aussi toxique que le cadmium ou le mercure, et c’est probablement pour cela et pour ses nombreuses propriétés utiles, commercialement c’est le plus utilisé des trois métaux [16].
Dans la présente étude, nous avons choisi deux métaux : le plomb et le chrome (VI) en raison de leurs potentiels dangereux pour l’environnement et pour la santé.