• Aucun résultat trouvé

1 Etude bibliographique

1.3 Généralités sur les métaux

2

Dans l’environnement, les éléments traces métalliques sont ubiquistes, persistants et

non biodégradables. Ils se retrouvent dans tous les compartiments de l’environnement, issus

d’altérations physiques, chimiques des bassins versants mais aussi d’apports anthropiques

divers. Les ETM regroupent les métaux (Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb et Zn) ainsi que

les métalloïdes (ex: As et Sb). Une partie des ETM sont des oligo-éléments indispensables au

développement des organismes (ex: Cu, Cr, Fe, Mn, Se, Sn, Zn...) [62,63,45], mais lorsque

leur concentration est trop élevée des phénomènes de toxicité peuvent être observés. D’autres

métaux (Cd, Hg et Pb), non nécessaires au développement des organismes vivants, présentent

des toxicités même à très faibles doses [45].

1.3.1 Cycle des ETM: Origines, transport, devenir, piégeage et

remobilisation

2

La Fig.7 reprend l’ensemble des mécanismes contrôlant le cycle des ETM dans les

milieux aquatiques côtiers. Les apports naturels d'ETM dans les écosystèmes aquatiques

proviennent de l’altération des roches spécifiques à un bassin versant donné mais aussi de

dépôts non spécifiques d’aérosols. Les apports anthropiques d’ETM sont nombreux et variés,

on peut citer l’agriculture, les STEP, l’industrie minière et métallurgique, la combustion de

#"2

carburants riches en métaux, l’incinération des déchets ménagers et industriels… Ces ETM se

retrouvent distribués sous formes particulaires, dissoutes ou colloïdales où leur spéciation,

dépendante de réactions bio-physico-chimiques

6

, va contrôler leur comportement [64]. En

phase dissoute, la spéciation chimique d’un élément va être conditionnée par la présence de

ligands organiques comme les substances humiques (AF et AH), par les métallothionéines, les

acides carboxyliques simples, les exo-polysaccharides, ainsi que par des ligands inorganiques

variés (Cl

-

, OH

-

, SO

42-

, CO

32-

…).

03!C65A 3 Cycle simplifié des ETM dans les milieux aquatiques côtiers. Distinction entre le compartiment physique solide (matières en suspension, particules sédimentaires), dissous (colonne d’eau et eau interstitielle) et le compartiment biologique (benthos, necton, avifaune et humain). Les cercles rouges indiquent la concentration des ETM dans les différents compartiments en µg/Kg-1 de matière sèche ou de phase dissoute. M représente un ETM; Ms; M-Min et M-org représentent les ETM sous forme solide, minérale ou organique en phase particulaire, respectivement; Mn+, Mj(Lor)i(n+i)+ et Mj(Linorg)i(n+i)+ représentent les ETM libres ou complexés à un ligand organique et inorganique en solution respectivement [65].

2222222222222222222222222222222222222222 2222222222222222222

:

2Réactions contrôlées par les micro-organismes, le pH et l’Eh, la salinité, la composition géochimique de la

#12

Les particules en suspensions, les colloïdes et les micro-organismes (phyto- et

zooplancton) constituent la phase particulaire responsable d'une séquestration réversible des

ETM. Les paramètres physico-chimiques (pH, Eh, teneur en oxygène, salinité, teneur en

carbone organique et inorganique, nature des ligands, la tailles des particules, etc…) ainsi que

les constantes cinétiques et thermodynamiques réactionnelles contrôlent fortement la

spéciation des ETM [66-69]. De plus, il a été montré que la toxicité d’un métal dépend de sa

spéciation et que la forme ionique libre (Cu

2+

, Pb

2+

, Cd

2+

) est une des formes les plus

disponibles pour les organismes [70,18,71]. Une acidification de l’eau augmentera la

biodisponibilité des ETM par compétition avec les protons et une baisse de la concentration

en matière organique particulaire (MOP) et dissoute (MOD) favorisera les espèces libres des

ETM par absence de complexation.

L'affinité des ETM pour la phase particulaire est forte, avec des concentrations

supérieures de plusieurs ordres de grandeurs à celles observées dans la phase dissoute [72,65].

Les particules en suspension sont transportées par les courants en fonction de leur taille pour

se déposer par décantation à la surface des sédiments qui joueront le rôle de puits pour les

contaminants, constituant le plus gros réservoir d’ETM des écosystèmes aquatiques.

A

1.3.2 Diagénèse Précoce

2

Le sédiment est après son dépôt le siège de nombreuses réactions et transformations

biogéochimiques, principalement contrôlée par le benthos et l'activité microbienne,

regroupées sous le terme de diagénèse précoce. Dès leur dépôt, les constituants du sédiment

sont soumis à des réactions biogéochimiques et physiques qui conduisent le sédiment meuble

vers une roche sédimentaire plus cohérente et compacte [73,18], c'est la diagenèse. La

formation d'une roche sédimentaire solide se déroule sur une échelle de temps géologique,

sous l'effet notamment de la compaction qui nécessite des pressions considérables, atteintes

pour des profondeurs importantes, qui favorise le tassement des particules et l’expulsion de

l’eau interstitielle.

La diagenèse précoce désigne les transformations des sédiments qui ont lieu à faible

profondeur, donc à pression et températures peu élevées. Elle résulte de processus variés,

notamment la compaction, la déshydratation, la dissolution, la cimentation, l’épigénisation et

la métasomatose. Elle est conditionnée par des mécanismes physiques (diffusion, advection,

mélange par bioturbation, remise en suspension, sédimentation, bio-irrigation (Fig.7), des

# 2

mécanismes chimiques (dissolution, complexation, sorption/désorption, précipitation) et bien

sûr par les processus biotiques. Son moteur principal est en effet la dégradation de la matière

organique du sédiment déposé, qui induit de forts gradients redox dans la colonne

sédimentaire avec les modifications concomitantes de la spéciation des contaminants

chimiques.

La minéralisation de la MON permet aux organismes d'assimiler les nutriments et

l’énergie nécessaires à leur développement [73-75]. Le carbone organique joue le rôle de

donneur d’électrons (ou réducteur), l’accepteur final (l’oxydant) est préférentiellement utilisé

en fonction de sa biodisponibilité et sa capacité à libérer la plus grande quantité d’énergie

libre. Le biota utilisera donc successivement les oxydants, au fur et à mesure de leur

épuisement, par ordre de production d’énergie libre décroissante (Fig. 8). Cette succession en

fonction de la profondeur est statistique. Les réactions peuvent ne pas suivre cet ordre, en

raison de l'existence d'un ensemble de microenvironnements aux conditions redox contrôlées

par les différentes populations bactériennes [76,77]. Par ailleurs, des réactions

d’oxydo-réduction dites ‘secondaires’ peuvent se produire entre les produits des réactions primaires,

par exemple l’oxydation de H

2

S par Fe(OH)

3

. L'augmentation des espèces dissoutes (ex:

HCO

3-

et de H

2

S) résultante de ces réactions peut induire la précipitation d’espèces

carbonatées (ex: calcite, dolomite, carbonate de fer et de plomb) ou sulfurées (ex: pyrite) dans

la phase solide du sédiment.

Figure 8 Réactions d’oxydo-réduction primaires et profils diagénétiques rencontrés dans les eaux interstitielles

et les sédiments. CH2O représente la matière organique et les flèches montrent les flux diffusifs à l’interface eau-sédiment [65]

##2

1.3.3 Conséquence de la diagénèse précoce sur la mobilité des ETM

La distribution des ETM, entre phase solide et phase liquide, influence directement

leur mobilité. Cette distribution est liée à la fois aux conditions physico-chimiques du milieu,

à la composition de la phase dissoute et solide, modifiées par l’activité du biota lors de la

diagénèse précoce, et aux propriétés intrinsèques des ETM: degré d’oxydation, solubilité,

affinité pour les autres éléments et les différentes phases porteuses. Dans la couche oxique des

sédiments, la plupart des ETM sont associés à la phase solide par adsorption et

co-précipitation avec les (hydr)oxydes de Mn et Fe [78,65]. Dans les horizons suboxiques, plus

profonds, la réduction des oxydes libère dans l’eau interstitielle Mn, Fe et les ETM

initialement associés dont la mobilité est ainsi accrue. Dans des conditions anoxiques et

réductrices, la production de minéraux sulfurés [30] va cependant rendre les ETM peu

solubles [79-83,68] car la plupart présentent de fortes affinités pour ces phases

[65,84,85,32,54,33], par adsorption de surface, inclusion ou co-précipitation sous forme de

sels métalliques sulfurés [86]. Le Cr est par contre un élément qui ne possède pas d’affinité

particulière pour ces minéraux [85]. Au contraire de la pyrite stable et réfractaire [87],

certains sulfures néoformés sont mal cristallisés, instables et facilement réoxydables; ils sont

regroupés sous le terme "acid volatile sulphides" (AVS) [88,89] et peuvent induire une

acidification rapide lorsqu’ils sont oxydés. Sur l'ensemble de la colonne sédimentaire, les

ETM initialement immobilisés par complexation à la MOP sont également libérés dans l’eau

interstitielle quand celle-ci est minéralisée.