LENTILLES D’EAU

Les lentilles d'eau sont de petites plantes aquatiques flottantes rencontrées partout dans le monde, allant des régions tempérées aux régions tropicales. Elles se développent à la surface des eaux douces, stagnantes ou faiblement courantes, ou saumâtres riches en éléments nutritifs. Elles peuvent aussi se développer dans des eaux en altitude, dans les zones rurales aussi bien qu’urbaines.

3.2.1. MORPHOLOGIE, ANATOMIE ET REPRODUCTION

a) Spirodela polyrhiza

b) Lemna

c) Wolffiella d) Wolffa e) wolffa et Spirodela

Figure 3. 3: Les lentilles d’eau

Chapitre 3 : Principe et fonctionnement du lagunage et du lagunage à macrophytes

La lentille d'eau est la plus simple et la plus petite des plantes aquatiques à inflorescence [68]. Elle appartient à la famille scientifique des plantes flottantes monocotylédones

« Lemnaceae » qui consistent en 4 genres: Lemna, Spirodela, Wolffia et Wolffiella (Figure 3.3) et 28 espèces [68, 100, 101].

Les lentilles d’eau peuvent se développer en flottant à la surface (Lemna minor, Lemna gibba et Spirodela), en flottant juste au-dessous de la surface (Wolffiella), ou submergé (Lemna trisculca). Ce sont des plantes vertes à inflorescence avec une structure très simple. Leurs feuilles et leurs tiges ne sont pas distinctes comme dans d'autres plantes vasculaires ; elles sont fusionnées pour former ce que l’on appelle «frondes» [44]. Le nombre de frondes par plante varie de 1 à 3 pour Les lentilles d’eau communes (Lemna) et de 1 à 4 pour les lentilles d’eau géantes (Spirodela). La taille des frondes varie de 2 à 6 mm pour Lemna, jusqu'à 10 mm pour Spirodela [22]. Les frondes de Spirodela, avec leur forme plate elliptique à ovale-elliptique peuvent porter deux ou plusieurs racines alors que celles de Lemna, avec la même forme, n’en portent qu’une seule [101].

Les lentilles d’eau sont des plantes qui se développent en colonies ; Elles forment un tapis vert qui couvre la surface de l’eau (Figure 3.4 ).

Figure 3. 4: Lentilles d’eau couvrant un bassin

Les racines des lentilles d'eau sont de courtes tailles (1 à 3 cm) [100]. Les racines de Lemna minor peuvent croître et devenir plus longues en fonction des conditions de cultures [101, 102]. Selon Hillman, un allongement de la racine de L. minor de 1 à 20 mm peut durer entre 40 à 100 heures en fonction des conditions de culture [68].

Sengputa, et al ont menés des études sur 20 petits bassins, avec différentes couvertures de lentilles (section en général < 0,3ha) repartis autour de Kolkata en Inde, pour déterminer l’effet des caractéristiques de Lemna aequinoctialis sur la qualité de l’eau. Ils ont observé des valeurs maximales et minimales de 35 mm et 2 mm pour la longueur des racines, 5 mm et 2 mm pour la longueur des feuilles et 4 mm and 1,5 mm pour la largeur des feuilles. Les auteurs estimaient que la variation de la longueur des racines pourrait refléter la différence

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observée dans la qualité des eaux. Il ressort de ces études qu’il existe une forte corrélation entre la qualité de l’eau et les caractéristiques de la plante, en particulier la longueur des racines (de l’ordre de -0,731 pour l’OD et -0,704 pour le P total par exemple), et aussi avec leur taux de couverture (corrélation 0,578 entre l’OD et le taux de couverture). Ainsi donc, il serait possible de prédire la qualité des effluents en se basant sur le changement de la morphologie des lentilles d’eau et leur taux de couverture [103].

Les lentilles d'eau se reproduisent par la production (bourgeonnement) de nouvelles frondes

« fille » à deux régions meristemic (poches) situées de chaque côté de l'extrémité la plus étroite de la fronde « mère » [22, 68, 100]. Leur taux de reproduction est très élevé et reflète un potentiel de forte activité métabolique spécifique. L'absorption des nutriments de l'eau est très efficace parce que la plante entière est utilisée à cette fin, alors que les autres plantes utilisent le système racinaire. Dans des conditions idéales de culture et d’apport en éléments nutritifs, ces plantes ont été rapportées doubler leur biomasse en deux à trois jours [44, 101, 102], ce qui dénote de leur efficacité dans l’élimination des éléments nutritifs mais aussi le besoin de leur fréquente récolte des bassins.

Selon les analyses de Bonomo, et al, la lentille d’eau est l'une des plantes à croissance la plus vigoureuse sur la terre avec un taux de croissance spécifique lié à la masse initiale de 0,1 à 0,35 g de LE / g de LE jour [104]; ce qui correspond à un temps de multiplication de la masse par deux de 2,3 à 7,3 jours. Ces taux de reproduction peuvent être influencés par la taille de la plante. Les plantes de petite taille ont moins de poches de reproduction bloquées par leurs progénitures et peuvent potentiellement se reproduire à un rythme beaucoup plus rapide que celles de grandes tailles. La taille et la forme des feuilles sont influencées par les conditions externes et par la différence génétique entre les différents clones. Aussi, une dense couverture de lentilles d'eau empêche l'oxygène de l’air de pénétrer dans les étangs ; cependant l’oxygène produit par la photosynthèse peut être transporté dans l'eau des étangs par les racines des plantes. Ces analyses reposaient sur une revue de la littérature et des tests expérimentaux, couvrant diverses saisons, menés dans un bassin expérimental de 450 m³ situé près de de Milan en Italie et recevant des eaux usées décantées de charge volumétrique en DBO de 9 g/m³.j et un temps de séjour hydraulique de 16 jours. Les tests avaient fait ressortir que les lentilles d’eau peuvent se développer dans des eaux ayant une température aussi basse que 5-7 ° C A basse température, elles survivent en s’étalant au fond des étangs comme endormies jusqu'au retour de chaude température. L’impossibilité de maintenir le taux d’exploitation de couverture en lentille à la valeur prévue de 90 g/m² pendant les expérimentations en hivers à cause d’un arrêt de la reproduction des plantes avait permis de conclure que la température affecte la croissance et la performance des plantes [100].

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La teneur en protéines des lentilles d’eau a été signalée comme étant le plus élevé dans le règne des plantes.[101, 104, 105].

Les travaux de recherche menés par Landesman, et al au Texas ont prouvé la forte teneur en protéine des lentilles d’eau (Lemna obscura). En effet ces plantes, récoltées après 6 à 7 jours de cultures dans des eaux usées provenant des granges d’élevage de bovins dans un système construit en serre, avaient un taux de protéine atteignant 40% de la masse sèche et une teneur en eau de l’ordre de 95%. Le taux de croissance relatif atteignant 0,220 était observé.

Cette recherche fait ressortir que les lentilles d’eau peuvent produire des protéines comestibles 6 à 10 fois plus rapidement que le soja [105].

Comparativement aux autres plantes, les lentilles d'eau ont très peu de fibres (environ 5%);

car ils ne nécessitent pas une structure de tissus pour soutenir leurs feuilles et tiges. Dans des milieux pauvres en éléments nutritifs, la teneur en protéines semblent être plus faible (15 à 25%), tandis que la teneur en fibres a tendance à augmenter (15 à 30%) [106, 107].

Ces taux ne font que confirmer les mesures de la masse de chaque composant par kilogramme de lentilles d’eau qu’avaient effectués Culley et Epps sur des échantillons de plantes prises au niveau des cours d’eau naturels et des étangs d’eaux usées (Tableau 3.1)[108].

Tableau 3. 1: Composition en nutriments des lentilles d’eau

Masse de nutriments en g par kg de lentilles d’eau Lentilles des eaux naturelles Lentilles des eaux usées

Protéine 140-260 290-410

Azote 20-40 40-60

Phosphore 2-10 13-29

Fibres 90-120 60-90

3.2.2. LENTILLES D’EAU ET REUTILISATION

Les différentes propriétés des lentilles d’eau rapportées ci-dessus font qu’elles ont un grand potentiel pour la réutilisation. Ceci aussi parce que, par rapport à la plupart des autres plantes aquatiques, les lentilles d'eau ont des propriétés morphologiques et physiologiques uniques [70] ; elles sont plus faciles à récolter (aucune structure nécessitant de couper ou de tailler) que les autres macrophytes (algues, laitues d’eau, et jacinthes d’eau) [44, 100, 104, 109]. Plusieurs essais de réutilisation ont été faits sur les lentilles.

Les lentilles d'eau peuvent être utilisées comme engrais agricole et pour la production de compost "vert" de haute qualité en raison de leur forte teneur en azote, si elles sont cultivées pour traiter des eaux pauvres en métaux lourds et d'autres composés dangereux [44, 100, 110]. En raison de leur teneur élevée en vitamines, acides aminés et enzymes et

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leur faible teneur en fibres, elles sont bonnes comme aliment pour les animaux [44, 108, 109, 111].

Des essais de production d’amidon et de combustible organique (éthanol) à bases des lentilles d’eau ont donné des résultats très prometteurs. En effet, le taux de production d’amidon (fécule) par les lentilles d’eau cultivées dans un étang recevant des eaux porcines ayant subi un traitement primaire anaérobie a été estimé par Xu, et al à 2,68 et 1,88 g/m².jour [70]. Avec un rendement annuel de 9.420kg d’amidon/ha, certains auteurs, ont réussi à obtenir 94,7% de conversion de l'amidon en éthanol pour un rendement annuel de 6.420L d'éthanol / ha, ce qui est de 50% supérieure à la production d'éthanol à base de maïs [112].

Les lentilles d'eau ont été aussi expérimentées pour produire du char. Une étude du bio-char issu de L. minor a montré que la teneur en cendres inorganiques de ce biobio-char est nettement plus élevée que celle de la biomasse végétale terrestre typique [113].

3.2.3. FACTEURS AFFECTANT LA CROISSANCE DES LENTILLES D’EAU

Les lentilles d'eau peuvent se développer dans des conditions environnementales différentes. La croissance des lentilles d'eau est moins sensible aux basses températures, au niveau élevé de nutriments, à la fluctuation du pH, aux ravageurs et aux maladies comparée à d'autres plantes aquatiques telles que la jacinthe d'eau. [44].

Toutefois, une augmentation de la taille et un changement de la forme sont généralement remarqués avec l’augmentation [22, 114]:

 de l'intensité lumineuse et la durée d’exposition à la lumière

 de la quantité azote, phosphore, potassium, calcium et magnésium contenue dans le milieu de culture

 de la température (jusqu'à 29 ° C pour Lemna minor, Lemna gibba et Spirodela polyrrhiza)

 de l’oxygène dissous et de la densité de la population

 du pH

En effet, il a été rapporté que les racines de Lemna minor peuvent croître et devenir plus longues en présence de fortes intensités lumineuses ([101, 102] [115] cité par [22]) et dans une solution riche en nutriment (K) [116] cité par [103].

 Milieu de culture

Les lentilles d’eau ont été rapportées se développer dans des eaux naturelles contenant diverses proportions d’éléments nutritifs (Tableau 3.2) [101] ; mais elles ne poussent pas sur les eaux oligotrophes en raison de leur exigence élevée de nutriments. Toutefois, une très

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forte concentration d’azote, de phosphore, de potassium, de calcium et de magnésium contenue dans le milieu de culture peut inhiber la croissance frondes [114]. Aussi, divers milieux de cultures synthétiques des lentilles d’eau existent. On peut distinguer : la solution de Hutner, solution de Hillman, le milieu de Jacob, le milieu de Hoagland, le milieu de Gorham [22]. De plus, plusieurs expériences de culture des lentilles d’eau dans différentes qualité d’eaux usées ont été menées avec succès [22, 27, 44, 70, 109].

En effet un taux de croissance de Lemna minor de 29g/m².jour [117] et celui de Spirodela polyrrhiza de 12,4 g masse sèche/m².jour ont été observés dans des bassins alimentés par des effluents de porcherie [112].

Reddy et DeBusk ont estimés ces taux d'accumulation, respectivement à 11 300 et 16 100 kg masse sèche de lentille/ha.jour pour Spirodela polyrhiza et Lemna minor cultivées dans un milieu où les éléments nutritifs sont non limitatifs [118].

Tableau 3. 2: Caractéristique des milieux où se développent les lentilles Composants des eaux Unité Intervalle absolue Intervalle de 95%

des échantillons

pH 3,5 – 10,4 5,0 – 9,5

Conductivité µS/cm 10 – 10 900 50 – 2000

Ca mg/L 0,1 – 365 1,0 – 80

Mg mg/L 0,1 – 230 0,5 – 50

Na mg/L 1,3 - >1000 2,5 – 300

K mg/L 0,5 – 100 1,0 – 30

N mg/L 0,003 – 43 0,02 – 10

P mg/L 0,000 – 56 0,003 - 2

HCO3- mg/L 8 – 500 10 – 200

Cl mg/L 0,1 - 4650 1 - 2000

S mg/L 0,03 - 350 1 - 200

 Effet de l’intensité de la lumière

La lentille d'eau se rencontre aussi bien dans des zones ensoleillées qu’ombragées [44].

Harvey et Fox ont démontré, dans des conditions de laboratoire, que les lentilles d’eau peuvent doubler leur nombre total de frondes tous les 4 jours, lorsqu'elles sont cultivées dans les effluents secondaires d’eaux usées à une température constante de 24 °C et une intensité lumineuse de 190μmol/m².s avec une photopériode de 12 heures d’obscurité et 12 heures de lumière [109].

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Al-Nozaily a indiqué, à la suite de ses travaux de recherche, que le taux de croissance de L.

minor (nombre de frondes) a augmenté de 0,20/jour à l'intensité lumineuse de 60-70 μmol/m2 à 0,28 /jour à l'intensité lumineuse de 260-270 μmol/m² (en utilisant le milieu de culture de Hillman) alors qu'elle varie de 0,19 à 0,27/jour pour L. gibba dans les mêmes conditions [22]. En remplaçant le milieu de culture de Hillman par la solution de Hutner, une augmentation du taux de croissance est remarqué quelle que soit l'intensité de la lumière [22].

Toutefois il existe une valeur de saturation de l'intensité de lumière pour la plupart des lentilles d'eau, qui a été rapportée être d’environ 300μmol/m² [119, 120] cité par [22]. Une diminution de l'intensité lumineuse entraîne une augmentation du temps de doublement de la masse [22].

 Effet de la température

Les lentilles d'eau sont plus tolérantes aux basses températures comparativement à d'autres macrophytes aquatiques [44]. Ils peuvent se développer dans des eaux ayant une température aussi basse que 5-7 ° C [100] et à une température ambiante entre 1-3 ° C [109]. Ce qui montre que les lentilles d’eau peuvent supporter des températures ambiantes plus basses que celle des eaux dans lesquelles elles se développent. A basse température, elles survivent en s’étalant au fond des étangs comme endormies jusqu'au retour de chaudes températures [100]. Les températures comprises entre 20 ° C et 30 ° C sont favorables à leur croissance [68, 69].

 Effet du pH

Le pH peut influencer la disponibilité des minéraux essentiels (P, Fe, Mo, Zn, Mn) ou la solubilité des substances toxiques [121] cité par [71]. Des pH faibles augmentent le risque de présence de métaux (le cuivre par exemple) sous une forme ionique plus toxique. Des pH élevés augmentent les concentrations d’ammoniac toxique [122, 123].

Hillman a signalé que toutes les espèces de lentilles d'eau semblent bien pousser dans la gamme de pH de 4,5 à 7,5 avec comme limites externes de 3,5 et 8,5 [68].

Cette limite supérieure a été révisée par McLay. En effet, il a étudié l'influence du pH sur la croissance de trois espèces de lentilles d'eau: Spirodela oligorrhiza, Lemna minor et Wotffia arrhiza cultivées dans des conditions aseptiques dans le milieu de culture de Jacob. Il a estimé les limites inférieures, les limites optimales et supérieures de chaque espèce à : 4-5,0-10 pour Wolffia, 4-6,2-10 pour Lemna, 3-7,0-10 pour Spirodela. Il a aussi fait remarquer que Lemna a réussi à survivre à un pH de 3, même si les frondes étaient de petite taille [71].

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Les études comparatives des conditions environnementales dans les bassins pilotes d’algues, de lentilles d’eau et de laitues d’eau effectuées par Awuah révélèrent que dans l'étang de lentilles d'eau, la condition de pH qui prévaut est neutre [27].

 L'oxygène dissous/densité de la population de lentille

Le niveau de couverture des lentilles d'eau affecte l'oxygène dissous dans les étangs. Une dense couverture de lentilles d'eau empêche l'oxygène de pénétrer dans les étangs selon les analyses de Bonomo, et al. L’OD diminue avec l’augmentation du taux de couverture et inhibe par conséquent la croissance des lentilles d’eau [100].

Driever, et al ont constaté une croissance négative des lentilles d’eau lorsque la densité de la biomasse de Lemna minor dépasse 180 g de poids sec / m² à 23 ° C dans un milieu riche en éléments nutritifs avec les travaux menés dans les condition de laboratoire [124].

Aussi les mesures de l’OD effectués par Sengupta, et al sur 20 bassins, ayant des températures variant entre 15.5 et 22.9°C et des pH entre 6.9 et 9.1, avec divers degrés de couverture de Lemna ont révélé une moyenne de 2,93 mg / l pour l’OD, avec la plus faible valeur de 0,71 mg /L observée dans l'étang avec une couverture de 100% [103].

Cependant l’oxygène produit par la photosynthèse peut être transporté dans l'eau des étangs par les racines des plantes [100]. Toutefois la quantité d'oxygène libérée par ces plantes dépend de la concentration en oxygène interne, la demande en oxygène du milieu environnant et de la perméabilité des parois radiculaires [125]. Un taux de libération d'oxygène par les racines de moins de 10 à un maximum de 160ng/cm² de surface de racine par minute a été mesuré par Brix dans un milieu appauvri en oxygène en utilisant une microélectrode d'oxygène [126]. La consommation d'oxygène diminue aussi avec l'âge de la culture [68, 110]

Les travaux de Awuah, quant à eux, ont révélé que la teneur en oxygène dissous dans les bassins de lentilles d'eau est faible par rapport à celle des bassins d'algues. En effet, les taux de l’OD mesurés atteignaient 6 mg d’O2 pour les bassins à lentilles d’eau et dépassaient la valeur de saturation pour les bassins d’algue [27].

 Salinité

Très peu d’études se sont concentrés sur l’effet de la salinité sur la croissance et la capacité des lentilles d’eau à éliminer les polluants de l’eau. Les lentilles d'eau sont résistantes à de fortes salinités [44]. Xu, et al [70] ont observé une bonne croissance des lentilles d'eau avec une conductivité électrique de 1460μS/cm soit une salinité d’environ 1107mg/l. Cet aspect a été donc étudié dans les présents travaux et présenté au chapitre 8.

Chapitre 3 : Principe et fonctionnement du lagunage et du lagunage à macrophytes

3.3. BASSINS A MACROPHYTES POUR L’EPURATION DES EAUX USEES : BASSINS A