Les substances humiques

Les substances humiques sont définies comme des composés organiques présents dans les sols, les sédiments, les eaux ou synthétisés à partir de matières organiques fermentescibles. La Figure 8 montre la voie de formation des substances humiques.

Figure 8 : Voie de formation des substances humiques (D’après Stevenson 1982, cité par Amir, 2005)

Il s’agit de macromolécules de masse moléculaire élevée (> 40 kDa). Elles comprennent une grande variété de groupements fonctionnels qui leur confèrent une charge globale négative (carboxyles, hydroxyles, phénols). Par conséquent, elles se trouvent dans de nombreux cas sous formes de sels. Les substances humiques (SH) peuvent complexer des cations métalliques (Al3+, Fe3+, Ca2+, Mg2+…), ce qui leur confère des propriétés de molécules échangeuses d’ions suivant les conditions du milieu (Duchaufour, 2001). Les SH sont dans ce cas considérées comme des « supramolécules », constituées de petites molécules (dérivées de la dégradation de la matière organique) liées entre elles par des liaisons de faible énergie (Piccolo, 2001, Martin, 1995). Les composés organiques difficilement dissociables se transforment en substances humiques par polymérisation et par association avec des substances azotées. Les microorganismes du sol sont responsables non seulement de la synthèse, mais aussi de l’élimination des SH. De nombreux microorganismes aérobies vivant dans le sol utilisent l’énergie contenue dans ces substances. Après oxydation, ces SH sont consommées. Les substances humiques sont dégradées d’autant plus rapidement que leur poids moléculaire est faible (Web 5).

Résidus de plantes

Transformation par les microorganismes

Sucres Polyphénols Quinones Substances humiques Composés aminés Produits de décomposition de Lignine Lignine Modifiée Quinones

Les substances humiques peuvent avoir des origines très diverses : dérivés de charbon, lignine, léonardite, ou toute matière organique d’origine animale, végétale ou bactérienne. Elles comprennent : - les acides humiques (solubles en milieu alcalin et insolubles en milieu acide) sont des polymères à hauts poids moléculaire à caractère aromatique, chargés négativement, de couleur noire à brun foncé, résultant d’un processus de condensation oxydative des composés phénoliques et liés à des acides aminés, des peptides et des polysaccharides. Ils sont riches en carbone et moins riches en oxygène (cité par Tissaux, 1996).

- les humines (insolubles à tout pH) ressemblent beaucoup aux acides humiques mais diffèrent seulement par le fait qu’elles se trouvent en association très étroite avec les matériaux inorganiques. Les humines correspondent à la partie non-extractible de la fraction humifiée (Tissaux, 1996).

- les acides fulviques (solubles en milieu alcalin et en milieu acide) possèdent un taux de carbone relativement faible. L’oxygène, présent sous forme de groupes fonctionnels responsables d’une activité élevée, est abondant. Ils sont formés de composés phénoliques à faible poids moléculaire, liés à des polysaccharides. Les acides fulviques seraient considérés à la fois comme précurseurs et produits des acides humiques (Tissaux, 1996). De plus, certaines substances humiques sont naturellement hydrosolubles, dans ce cas le pourcentage d’acides humiques est relativement faible (Web 6). Les SH représentent une part importante du COD, selon Leenheer, les acides fulviques représentent 45 % du COD des eaux de surface et les acides humiques, 5 % du COD (Figure 9). La part des autres fractions (hydrophiles) est également représentée sur la Figure 9.

Figure 9 : Répartition des fractions du COD des eaux de surface selon Leenheer (1981) En 1981, Leenheer écrit que les hydrophiles neutres sont représentés par des structures carbonylées et des hydrocarbures. Leur spectre infrarouge étant similaire à celui des polysaccharides, alors que les hydrophiles basiques s’apparenteraient à des dérivés de protéines. Les acides hydrophiles qui

Hydrophobes neutres Hydrophiles neutres Bases Acides de faible masses moléculaires Acides fluviques Acides humiques

6%

15%

4%

25%

45%

5%

correspondent à la fraction majoritaire des fractions hydrophiles, engloberaient des acides polycarboxyliques et hydroxyacides.

I.2.3/ biodégradabilité

La biodégradabilité représente l’utilisation effective de la MO par les microorganismes et traduit l’expression mesurable du potentiel d’interaction. La biodégradabilité englobe deux processus, d’une part l’utilisation microbienne directe ou après décomposition de composés pour la biosynthèse de nouveau matériel cellulaire et d’autre part la minéralisation pour obtenir de l’énergie et des nutriments inorganiques. La connaissance de la bioréactivité est essentielle pour évaluer la persistance de la MO dans un milieu et extrapoler son devenir. La bioréactivité est surtout quantifiée par des mesures de biodégradabilité bien que ces mesures ne représentent parfois qu’une infime part du potentiel total.

La biodégradation est déterminée par l’augmentation de la biomasse où seul le carbone organique assimilable (COA) est considéré et la matière organique minéralisée est négligée.

La MO labile est principalement constituée de composés simples qui sont utilisés directement par un grand nombre de microorganismes sans le recours à des enzymes spécifiques (sucres simples, acides organiques courts, acides aminés, petites protéines).

La MO lentement dégradable et relativement stable contenant des composés qui nécessitent des enzymes spéciales de décomposition, essentiellement produites : (i) soit par quelques microorganismes moins intéressés par des substrats labiles, (ii) soit par des microorganismes en manque de substrats labiles (polysaccharides, dérivés de plantes…).

La MO récalcitrante (ou réfractaire) étant peu biodégradable, s’accumule dans le milieu. Cette fraction consiste en des structures qui ne sont pas facilement rompues par des enzymes, comme des dérivés de lignine ou des composés fortement altérés (Labanowski, 2004).

Les matières biodégradables sont généralement considérées comme simples et de petites tailles alors que les molécules complexes comme les substances humiques (incluant les substances transphiliques) paraissent réfractaires au processus de biodégradation. Cependant, ce concept est à modérer puisque des composés de petites et de grandes tailles apparaissent biodégradables. En effet, les substances humiques peuvent être partiellement dégradées lors de réactions enzymatiques et utilisées par les bactéries.

Les bactéries principalement retrouvées dans les eaux naturelles appartiennent aux familles suivantes :

• Les Enterobacteriaceae

• Les Bacillaceae

• Les Pseudomonadaceae (Pseudomonas fluorescens)

Selon certains auteurs (Hertkorn et coll, 2002), l’espèce Pseudomonas fluorescens représente 39 % des bactéries contenues dans les eaux de lacs. Les bactéries retenues pour la détermination du CODB dans le cadre de l’étude conduite par plusieurs auteurs sont Pseudomonas fluorescens et Bacillus subtilis car ces microorganismes sont représentatifs des milieux naturels aquatiques. Des résultats obtenus en laboratoire ont permis de mettre en évidence la part de carbone biodégradable pour une eau de surface (rivière). Ces résultats sont assez représentatifs des milieux naturels. En effet, en 1981, Thurman et Malcolm ont montré que pour une eau de surface, les matières organiques biodégradables par ordre décroissant sont les suivantes :

Fractions hydrophiles (HPI) > Fractions transphiliques (TPH) > Fractions hydrophobes (HPO) En 1999, dans le lac de Ribou, les fractions hydrophobes représentaient 62 %, les transphiliques 24 % et les hydrophiles 14 % (Violleau, 1999).

Le tableau 5 montre le pourcentage de carbone biodégradable sur les différentes fractions isolées d’une eau de surface (la Glane, Haute-vienne).

Tableau 5 : Pourcentage de carbone biodégradable d’une eau de surface (Labanowski, 2004) CODB HPO TPH HPI B.subtilis 7,00% 10,00% 16,00% P.fluorescens 8% 12% 20% D’après Thurman et Malcolm, 1981 CODB HPI + TPH AF AH B.subtilis 17,50% 7,50% 7,50% P.fluorescens 15% 10% 9% D’après Malcolm et Mac Carthy, 1992

Pour chaque fraction isolée, le CODB est déterminé à l’aide de bactéries retrouvées dans le milieu naturel (B. subtilis, P. fluorescens). Généralement, dans les eaux naturelles, la part de CODB a été estimée à 20-30 % (Labanowski, 2004).