Prélèvement et caractérisation physico-chimique de l’eau et des sédiments …

II.5.1. Prélèvement et caractérisation physico-chimique de l’eau II.5.1.1. Mode de prélèvement

Le flaconnage nettoyé comme précisé ci-dessus est préalablement rincé avec l’échantillon d’eau à prélever de façon à conserver une certaine représentativité de ce dernier. Les prélèvements sont ensuite effectués, dans la mesure du possible, au milieu du lit où l’eau n’est pas stagnante, en plein courant à une profondeur d’environ 50 cm ou à mi-profondeur si la hauteur de l’eau est faible (inférieur à 50 cm). Il est impératif de prélever loin des rives et des obstacles naturels ou artificiels, en dehors des zones mortes et des remous, tout en évitant la remise en suspension des dépôts (Rodier, 1984). Un litre d’eau environ est ainsi prélevé dans chaque station dans des flacons à goulot large afin de permettre un échantillonnage rapide et non sélectif.

II.5.1.2. Prise des mesures sur terrain

La température de l’eau, le pH, la conductivité électrique sont mesurés in situ.

La température est mesurée à l’aide d’un thermomètre à mercure, elle est exprimée en °C.

Le pH est pris avec un pH mètre électrométrique modèle (WTW H18014), (AFNOR, NF T 90-008, Avril 1953).

La conductivité électrique est mesurée à l’aide d’un conductimètre de terrain (modèle WTW LF 90). Les résultats sont exprimés en mS/cm mais aussi en µS/cm à 20 °C, (AFNOR, NF T 90-031, Février 1973).

II.5.1.3. Détermination des teneurs des matières en suspension (MES)

Pour mesurer les MES, un volume d’eau (100 ml) est filtré sur papier filtre de type SARTORIUS (porosité 0,45 µm) à l’aide d’un équipement sous vide. Après filtration, le filtre est séché à l’étuve à 105 °C pendant 24 heures, puis pesé à nouveau. Le poids des particules, rapporté au volume filtré, permet de calculer la teneur en MES exprimée en mg/l, (AFNOR, 1972).

II.5.1.4. Extraction et dosage des éléments traces métalliques (ETM)

Les ETM ont été déterminés dans la phase dissoute. Pour cela, les échantillons d’eau, après acidification par l’HNO3 jusqu’à un pH inférieur à 2 au moment du prélèvement, sont

Chapitre II Matériel et méthodes

47

filtrés sur membrane filtrante de type SARTORIUS ayant une porosité de 0,45 µm à l’aide d’une pompe à vide et conservés dans des flacons en polyéthylènes (préalablement traités à l’acide nitrique 5 %) à 4 °C jusqu’au dosage.

A l’issue de la filtration, les ETM (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Mn, Pb, Zn) sont dosés par Spectrophotométrie d’Absorption Atomique à flamme de type PERKIN-ELMER. A Analyst 100.

II.5.2. Prélèvement et caractérisation physico-chimique des sédiments II.5.2.1. Mode de prélèvement et traitement des sédiments

Il existe actuellement de nombreux modes de prélèvements et il est maintenant possible de définir un mode de prélèvement en accord avec les conditions environnementales et l’objectif de l’étude (Environnement Canada, 1994).

A travers cette étude, nous nous intéressons essentiellement à révéler une contamination métallique relativement jeune du sédiment qui traduit une pollution récente ou actuelle. L’échantillonnage des sédiments doit par conséquent répondre à cet objectif ; pour cela nous prélevons, en raclant à la louche, les sédiments fins fraîchement déposés en surface (env. 5 cm) sur les berges et les endroits où le régime hydrologique est faible. En effet, ces zones favorisent le dépôt des particules fines sur lesquelles les polluants sont préférentiellement fixés. Un échantillon composite (environs 200 à 500 g de sédiments humides) est ainsi collecté dans un pot en polyéthylène, en plusieurs endroits répartis d’une façon aléatoire au niveau de chaque station afin d’être représentatif.

Dés le retour au laboratoire, une caractérisation physico-chimique la plus complète possible est effectuée sur l’ensemble des échantillons collectés. Préalablement aux analyses, les sédiments sont transvasés dans des cristallisoirs, séchés à 85 °C pendant 48 heures, puis broyés dans un mortier en agate.

Sur l’ensemble des échantillons prélevés sur les cours d’eau du bassin versant Kebir Rhumel, plusieurs paramètres de qualité sont déterminés. Outre les ETM qui sont le cœur de ce travail, des analyses complémentaires sont entreprises pour mieux comprendre la physico-chimie du milieu dans sa globalité à savoir : pH, la conductivité électrique (CE), les carbonates (CaCO3), le carbone organique total (COT), la perte au feu (PF) et l’analyse granulométrique. Les techniques d’analyses employées sont présentées brièvement dans les paragraphes suivants avec un accent particulier et détaillé sur la technique d’extraction des ETM ainsi que la méthode de contrôle et de validation du protocole d’extraction.

Chapitre II Matériel et méthodes

48

Les analyses physico-chimiques (pH, CE, CaCO₃, COT, PF et analyse granulométrique) sont effectuées sur les sédiments homogénéisés et tamisés sur 2 mm, alors

que l’extraction des ETM (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Mn, Pb, Zn) est effectuée sur la fraction < 63 µm. La coupure à 63 µm est une séparation traditionnelle en sédimentologie entre les

sables d’une part (> 63 µm) et la vase (argile et limon) d’autre part. En effet, certains auteurs nord-américains ne caractérisent la toxicité et la concentration en contaminants que de cette fraction argilo-limoneuse (< 63 µm) en considérant qu’il s’agit de la fraction la plus importante quantitativement (les sédiments peuvent être composés de 70 à 90 % de particules de Ø < 63 µm) et qualitativement (plus réactive et potentiellement plus toxique), (Stone et Dropo, 1996).

II.5.2.2. Caractérisation physico-chimiques des sédiments.

Le pH des sédiments est mesuré dans un rapport (1/2,5) dans de l’eau distillée selon la norme NF X31-107 en utilisant un pH mètre (modèle WTW HI 8014).

La conductivité électrique (CE) est déterminée selon un rapport (1/5) dans de l’eau distillée en utilisant un conductimètre (modèle WTW LF 90).

Les carbonates (CaCO₃) ont été mesurés par attaque à l’acide chlorhydrique (NF ISO 10693/X31-105).

La teneur en matières organiques (MO) a été déterminée en utilisant deux méthodes : Par la méthode de perte au feu selon la norme (XP P 94-047, 1998). Elle consiste en une calcination d’1 g de sédiment, préalablement séché à 85°C pendant 48 h, dans un four à moufle de façon à déterminer le pourcentage de matières volatiles et de carbonates dissociables sous formes de gaz organique.

Par la méthode d'oxydation sulfochromique selon la norme (NF ISO 14235, 1998). Elle consiste en une oxydation en milieu sulfurique par excès de dichromate de potassium puis dosage en retour par le sulfate ferreux ammoniacal. La teneur en MO est déduite de la teneur en carbone organique en multipliant cette dernière quantité par 1.72 (Mustin, 1987).

L’analyse granulométrique a été effectuée selon la méthode de la pipette Robinson (Duchaufour, 1977).

Chapitre II Matériel et méthodes

49

II.5.2.3. Extraction et dosage des ETM.

Les techniques d’extraction des ETM différent d’un auteur à l’autre. La meilleure méthode doit rendre compte d’un minimum de concentration et présenter le maximum de précision. Deux techniques d’extraction peuvent être envisagées en fonction du but fixé :

L’extraction simple : permet de déterminer les teneurs en ETM totaux fixés sur le

sédiment. Cette méthode consiste en une minéralisation du sédiment par l’eau régale (mélange acide chlorhydrique et acide nitrique). Tous les éléments contenus dans la fraction solide sont dissous à chaud au four micro-onde dans ce mélange diacide (HNO3/HCl). Cette minéralisation n’est pas totale car elle ne dissous pas les silicates ; on parle alors de fraction

pseudo-totale, (Ure, 1996 ; Gupta et al. 1996). L’obtention de la fraction totale, nécessite

l’ajout à l’eau régale de l’acide fluorhydrique (HF).

L’extraction séquentielle : c’est une technique de fractionnement des phases qui

permet de déterminer sur quelles phases solides, minérales ou organiques, sont liés les ETM. Cette extraction permet d’appréhender la mobilité des ETM associés à un substrat solide notamment les sédiments. La technique consiste à soumettre un échantillon à une succession de réactifs chimiques d’agressivité croissante pour solubiliser les différentes formes ou phases d’un métal présent dans l’échantillon. Ces réactifs sont choisis en fonction des phases géochimiques à attaquer. Un grand nombre d’agents extractants est proposé dans la littérature pour l’évaluation des différentes associations métal/solide. Parmi ces extractants, il y a H₂O, CaCl₂, CH₃COOH, EDTA, HF-HCl…. Selon le type d’extractants, la fraction soluble obtenue peut être définie comme : soluble dans l’eau, facilement échangeable, liée aux carbonates ou acido-soluble, facilement réductible, liée à la matière organique ou oxydable, liée aux sulfures, résiduelle (Tessier et al. 1979).

Dans notre cas et compte tenu de l’objectif de l’étude, nous avons opté pour l’extraction simple par digestion humide à l’eau régale (mélange de trois parts d’acide chlorhydrique HCl concentré (12N), et d’une part d’acide nitrique HNO3 concentré (15N)) dans un four micro-onde (modèle Speedwave MWS-2. BERGHOF B). La technique est inspirée de la norme NF-ISO 11466 (1995) appliquée au four micro-onde. Cette dernière consiste à ajouter 10 ml d’eau régale à 500 mg de sédiments. On procède ensuite à une digestion à chaud dans des bombes en téflon sou pression en deux étapes dans le four micro-onde selon les conditions décrites ci-dessous :

Chapitre II Matériel et méthodes

50

1^ère étape : 2^ème étape :

Temps : 15 mn. Temps : 15 mn.

T° : 150 °C. T° : 100 °C.

Puissance : 80 %. Puissance : 40 %.

Après la digestion, le résidu est filtré sur papier filtre sans cendres (Whatman 540), le volume est ajusté à 50 ml avec de l’eau désionisée. Les extraits sont conservés à 4 °C dans des flacons en polypropylène (préalablement traités à l’acide nitrique 5 %) jusqu’au dosage. Les principales étapes du processus d’extraction sont résumées sous forme de schéma conceptuel dans la figure 10.

Le dosage des ETM (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Mn, Pb, Zn) est effectué par Spectrophotométrie d’Absorption Atomique à flamme de type PERKIN-ELMER. A Analyst 100. La flamme utilisée correspond à un mélange air-acétylène.

Figure 10 : Schéma conceptuel du protocole d'extraction des ETM dans les sédiments.

Sédiments séché à 85°C pendant 48 h, broyé et tamisé à 63µm Préparation du sédiment 0.5g du sédiment + 10 ml d’eau régale (3/1 HCl/HNO₃) Attaque acide

Digestion dans des bombes en téflon sous pression dans

un four microondes

Digestion à chaud

SAA à flamme

Dosage

Whatman 540 sans cendres V à 50ml avec H₂O désionisée Filtration et dilution T : 150°C, P : 80%, Tps : 15 mn Etape 1 T : 100°C, P : 40%, Tps : 15 mn Etape 2

Chapitre II Matériel et méthodes

51

II.5.2.4. Contrôle de l’efficacité de la méthode d’extraction des ETM dans les sédiments

Pour rendre compte de la répétitivité (répétabilité) et de la justesse (reproductibilité) de la méthode d’extraction, les résultats vont systématiquement comporter des mesures effectuées sur des blancs et des échantillons de sédiment standard certifiés.

Les blancs correspondent à des attaques acides sans sédiment avec 4 répétitions. Ils subissent le même traitement que les échantillons et permettent de détecter une éventuelle contamination des réactifs et/ou du matériel.

Les standards de référence subissent la même attaque acide dans les mêmes conditions que les échantillons de sédiments. Ils permettent d’évaluer la précision des mesures. Le standard de référence utilisé est "Lake Sediment Reference Materials, LKSD-1" provenant de CANMET au Canada. Les teneurs en ETM de ce sédiment de référence ont été déterminées après extraction à l’eau régale. Le tableau 9 présente les résultats obtenus lors du contrôle de la méthode d’extraction.

Tableau 9 : Résultats d’analyse des ETM du sédiment référence (LKSD-1) (n=7).

Valeur certifiée (µg/g sdt.sec) Valeur observée (µg/g sdt.sec) Recuperation (%) Cd 1,2 1,2 100 Cr 12 12,2 102 Co 7,3 - - Cu 44 44,2 100 Pb 84 85,8 102 Mn 460 496 107 Ni 11 11,3 103 Zn 337 319 95