Synthèse des effets par grand type de Mafor

Les effluents d'élevage et les boues d'épuration urbaines, bruts ou traités, sont les deux grands types de Mafor les plus renseignées dans la littérature. Les effluents d’élevage, les boues et les composts sont très documentés pour leurs effets fertilisants, en particulier les effluents d’élevage pour les impacts liés aux émissions gazeuses, et les boues d’épuration pour leur teneur en contaminants (large spectre étudié) et leur devenir après apport au sol. Les molécules pharmaceutiques susceptibles d'être présentes dans les effluents d'élevage et les boues d'épuration urbaines font l'objet d'un intérêt plus récent dans la littérature scientifique.

Les travaux sont moins nombreux pour les autres types de Mafor. Ils sont notamment très limités pour les effluents et boues industriels, les cendres, les biochars et les sédiments.

• Les effluents d'élevage et les boues d'épuration urbaines, Mafor les mieux documentées

Effluents d’élevage non traités - Fumiers

Valeur amendante organique : Les fumiers sont des amendements organiques. Leur efficacité à augmenter les stocks de

MO des sols est moyenne. On estime que de l'ordre de 25 ± 13 % de la MO des fumiers contribuent à l'entretien des stocks de MO du sol. Les apports de fumiers stimulent l’activité biologique et améliorent en particulier la stabilité de la structure du sol.

Valeur fertilisante : Les fumiers sont riches en éléments nutritifs dont les teneurs dépendent de la conduite des élevages et

du type d’animaux. Les fumiers se distinguent des autres Mafor par leurs teneurs en potasse élevées. Les fumiers ont une

valeur fertilisante azotée à court terme relativement faible. Pour les fumiers frais, on constate souvent une phase

d’organisation du N après apport en raison d'un rapport C/N élevé. La disponibilité du N la première année après apport est en général faible, avec un coefficient d’équivalence aux engrais azotés compris entre 10 et 20 %. Cependant, les apports réguliers de fumiers permettent l’augmentation de la MO du sol, dont la minéralisation libère de l’azote à plus long terme.

Emissions gazeuses : La proportion de NH4 est assez faible dans les fumiers. Cependant, étant donné le pH basique des fumiers, le risque de perte par volatilisation est important dans les heures qui suivent l’apport et peut atteindre 100 % de l’ammonium présent dans les fumiers en l'absence d'enfouissement. Le GIEC donne un facteur d’émission du N2O unique pour les Mafor de 1,425 %. Pourtant les données recensées sont plutôt plus faibles (0,11 % ± 0,20 du N total apporté).

Eléments traces minéraux : Cu et Zn sont les 2 ETM largement rencontrés dans les effluents d’élevage en raison des

compléments alimentaires donnés aux animaux. La concentration dans les effluents d’élevage est environ 10 fois supérieure à celles mesurées dans les sols agricoles. Les apports répétés d’effluents d’élevage conduisent à une accumulation de ces ETM pouvant entraîner le doublement des concentrations dans les sols amendés après 100 ans de pratique. Ces augmentations des concentrations dans les sols ne s’accompagnent généralement pas de l’augmentation du transfert vers les plantes de ces éléments. L’augmentation de surfaces sorbantes pour les ETM en cas d’apport de fumier diminue les transferts potentiels vers les plantes. La mobilité du cuivre dans les eaux du sol est facilitée par la présence de carbone organique dissous généré par les apports de fumier et l’augmentation des stocks de MO dans les sols. En revanche, les apports répétés de fumier augmentent le pH et ont ainsi indirectement tendance à diminuer la mobilité du Zn très dépendante de ce facteur.

- Lisiers (bovins, porcins) et fientes (volailles)

Valeur amendante organique : Elle est très faible.

Valeur fertilisante : Les lisiers et les fientes ont une valeur fertilisante à court terme élevée. Ils sont riches en éléments

nutritifs dont les teneurs dépendent de la conduite des élevages et des espèces animales. Une forte proportion du N est sous forme ammoniacale (50 à 70 %). La valeur fertilisante azotée de ces Mafor est importante, avec des coefficients d’équivalence aux engrais azotés compris entre 35 et 45 % pour les lisiers de bovins, 30 et 65 % pour les lisiers de porcs, 70 et 85 % pour les fientes de volailles. Les lisiers sont à l'origine très liquides (< 10 % de MS). Des modes de traitement (séparation de phase, séchage…) augmentent leur teneur en matière sèche mais s’accompagnent d’une perte d’azote ammoniacal au cours du séchage.

Emissions gazeuses : La proportion de NH4 est élevée dans les lisiers et les fientes. Les risques de perte par volatilisation de cette fraction ammoniacale sont importants. Cependant, l’infiltration du lisier après épandage dans le sol, l’apport par injection dans le sol ou l’acidification du lisier avant épandage limitent cette volatilisation (efficacité pouvant aller jusqu'à 100 % de réduction des pertes). Les émissions de N2O sont plus intenses et rapides qu’en cas d’apport de fumiers. Mais comme précédemment, les facteurs d’émission recensés sont plus faibles que le pourcentage donné par le GIEC : 0,94 % ± 0,71 du N total apporté par les lisiers.

Eléments traces minéraux : Comme pour les fumiers, Cu et Zn sont les deux ETM largement rencontrés dans les lisiers.

Les conséquences des apports de lisier se distinguent de celles observées après apport de fumier. Contrairement aux fumiers, les apports de lisiers ne permettent pas d’augmenter la capacité d'adsorption des sols vis-à-vis des ETM qui limite le passage potentiel vers les plantes. La mobilité du cuivre dans les eaux du sol est supérieure en cas d’apport de lisier par rapport au fumier en raison du caractère liquide des lisiers, de leur richesse en COD. Par ailleurs, les apports de lisiers n’augmentent pas le pH du sol et donc ne permettent pas de diminuer la mobilité d’ETM comme le Zn.

- Effets communs aux effluents d'élevage bruts

Contaminants biologiques : Des microorganismes pathogènes, virus et parasites sont souvent détectés dans les effluents

d’épandage (parfois plus dans des études où les contaminants biologiques sont inoculés dans les effluents d’élevage ou apportés directement sur les sols). Les bactéries ayant des formes de résistance telles que des spores ou les œufs de parasites sont détectés jusqu'à plusieurs années après apport. Des délais de 3 à 8 mois entre l’épandage et la récolte des végétaux sont recommandés dans plusieurs études. La mobilité des contaminants biologiques en profondeur dans le sol est rapportée plus fréquemment en cas d’apport de lisier, en raison de leur caractère liquide. Par ailleurs, la présence de microorganismes porteurs de gènes de résistance aux antibiotiques a été démontrée dans les effluents d’élevage (moins abondants dans les effluents de bovins que dans les effluents porcins) mais les impacts et le devenir dans les sols restent mal connus. La présence simultanée d’ETM et d’antibiotiques dans les effluents d’élevage est favorable à la sélection de gènes de résistance aux antibiotiques.

Contaminants organiques : Les composés pharmaceutiques, en particulier les antibiotiques, et les hormones sont les

contaminants organiques les plus abondants dans les effluents d’élevage. Des augmentations de concentration dans les sols soumis à épandage d’effluents d’élevage sont mesurées. Des activités oestrogéniques accrues sont mesurées dans les sols et les eaux de drainage de sols régulièrement amendés avec des fumiers ou lisiers. L’absorption potentielle de certains antibiotiques et hormones par les cultures poussant sur des parcelles soumises à épandage a été démontrée.

Boues d’épuration urbaine brutes ou déshydratées22

Valeur amendante organique : Elle est a priori faible car les boues sont facilement biodégradables ce qui entraine une

stimulation des activités biologiques dans les sols après apport. Cependant la synthèse des résultats d’essais au champ montrent un potentiel d’augmentation des teneurs en matière organique des sols du même ordre de grandeur que les fumiers (25% ± 12%). Des effets positifs, souvent transitoires, sur les propriétés physiques des sols sont rapportés.

Valeur fertilisante : Les boues d’épuration sont des Mafor fertilisantes riches en azote et en phosphore. Les coefficients

d’équivalence aux engrais azotés sont de 30 à 50 % pour les boues liquides et 15 à 30 % pour les boues pâteuses (perte de NH4 dans la phase liquide au moment de l’épaississement). La valeur fertilisante des boues est reliée à leur C/N : les boues ayant un C/N < 8 ont une valeur fertilisante intéressante. Quand le C/N > 8, la valeur fertilisante azotée est moindre mais la valeur amendante augmente.

Emissions gazeuses : Comme précédemment, l’intensité de la volatilisation de NH3 dépend des teneurs en NH4 des boues. Les émissions de N2O sont plus intenses et rapides qu’en cas d’apport de fumiers. Les facteurs d’émission de N2O pour les boues liquides sont du même ordre de grandeur que pour les lisiers.

Contaminants biologiques : A l’instar des effluents d’élevage, les boues d’épuration brutes ou déshydratées sans avoir

subi de processus hygiénisant préalable hébergent une grande diversité de bactéries pathogènes, de virus, de parasites ainsi que des gènes de résistance aux antibiotiques. Leur persistance et leur dissémination dans les sols après épandage est similaire à celle observée pour les effluents d’élevage non traités.

Eléments traces minéraux : Les boues d’épuration se caractérisent par la diversité des ETM rencontrés. Pour les sept

ETM réglementés dans l’arrêté encadrant l’épandage agricole, les boues épandues ont toujours des concentrations inférieures à ces valeurs limites. Depuis peu, se pose la question de la présence de nanoparticules impliquant des ETM qui ne sont pas pris en compte dans la réglementation (Ag, TiO2). La modélisation prédictive de leur concentration dans les sols soumis à épandage de boue montre des résultats variables selon les hypothèses prises avec des facteurs d’enrichissement de 100 sur les sols traités dans certains scénarios. Dans les conditions réglementaires de l’épandage agricole, les flux d’ETM apportés par les boues représentent une faible proportion des ETM déjà présents dans les sols. Comme pour les autres Mafor, les flux apportés d’ETM restent dans l’horizon d’apport des boues. Les flux vers les végétaux ou vers les eaux sont faibles. Les analyses des végétaux récoltés sur des parcelles fertilisées avec des boues d’épuration urbaine ne montrent pas d’augmentation des concentrations en ETM quand les épandages sont faits selon les conditions réglementaires. Des travaux montrent que les teneurs en ETM adsorbés sur les surfaces des végétaux diminuent assez rapidement (quelques semaines) sous l'action de la pluie. La biodisponibilité des ETM vis-à-vis des plantes dans les sols amendés est plus faible que dans les sols non amendés en raison des interactions entre ETM et matrices organiques des boues. Les quelques études existantes montrent peu ou pas d’effets des apports de boue sur les teneurs en ETM dans les tissus des animaux ayant pâturé sur les prairies amendées. L'absence de transfert constatée dans les études en conditions réelles ne permet pas de généraliser ce résultat étant donné le très faible nombre de travaux de ce type.

Contaminants organiques : la diversité des contaminants organiques dans les boues est très importante Les contaminants

organiques sont présents dans différentes gammes de concentration en fonction du type de molécules : du µg pour les œstrogènes au mg pour les détergents. Il n’y a que 3 HAP et 7 PCB inscrits dans la réglementation concernant les épandages agricoles ; leurs concentrations dans les boues épandues sont toujours très inférieures aux seuils réglementaires. Ces contaminants sont plus ou moins persistants. Des transferts vers les eaux de surface ou souterraines ont été observés dans certaines expérimentations, mais en faibles concentrations. L’affinité des contaminants avec le COD peut favoriser cette mobilité vers les eaux. Aucune accumulation de HAP ni de PCB n’est observée dans les sols recevant

des boues (en raison des flux faibles d’apport par les boues et de la multiplicité des sources d'apport de ces contaminants) ; en revanche, des concentrations supérieures sont observées dans les sols amendés pour des molécules plus récemment utilisées (PBDE et PFC) et pour les pharmaceutiques. Cependant, ces augmentations de concentration sont toujours inférieures aux augmentations théoriques calculées en raison de la dissipation des molécules (dégradation ou interactions avec les constituants du sol).

La véritable absorption par les végétaux des contaminants organiques persistants, hydrophobes et peu biodisponibles (HAP, PCB, PCDD/F, PBDE, PFC), n’est pas observée ou en très faible quantité. Lorsqu’elle est observée, la contamination des végétaux est en général liée à un dépôt de particules sur les parties aériennes ou à une adsorption des contaminants sur les péridermes des parties souterraines. Les mêmes conclusions sont établies pour les détergents et plastifiants (phtalates, nonylphenols, LAS), avec pas ou très peu de transfert dans les plantes en raison de la dégradation des molécules dans le sol. Comme dans le cas des effluents d'élevage et même s’il y a peu d’études in situ relatives au transfert des substances pharmaceutiques, celui-ci est possible pour certaines molécules. Pour les plus hydrophobes, l’adsorption sur la MO du sol limite fortement ce transfert mais la gamme des caractéristiques physico-chimiques de ces molécules pharmaceutiques est très large et les plus polaires pourraient être transférées dans les plantes. Une étude faite spécifiquement au champ en présence de boue ne montre pas de passage des molécules pharmaceutiques, hormones et conservateurs dans les végétaux. Par ailleurs, des métabolites ont été détectés dans les végétaux dans des proportions différentes des molécules mères en raison des changements de leurs caractéristiques physico-chimiques.

Comme pour les ETM, les quelques études portant sur le transfert des contaminants organiques vers les tissus d’animaux en prairie amendée ne montrent pas d’effets sur les teneurs en contaminants organiques dans les tissus animaux. Cependant, des effets de perturbation endocrinienne ont été montrés sur des brebis pâturant des prairies recevant des épandages deux fois par an de boue à des doses agronomiques. Ces études sont néanmoins trop peu nombreuses pour généraliser ces résultats.

Effet des traitements sur les effluents d’élevage et les boues d'épuration urbaines - Composts d'effluents d'élevage ou de boues d'épuration

Les effets du compostage décrits en section 4.1.1 sont observés dans le cas des composts d'effluents d'élevage ou de boues d'épuration, à l'exception de la modification des teneurs en ETM ou en CTO, que les données recueillies ne permettent pas de mettre en évidence.

La littérature rapporte également que les émissions de N2O sont plus faibles lorsque les effluents d'élevage ou les boues

d'épuration urbaines sont épandus compostés.

Enfin, les fumiers compostés ont des effets bénéfiques sur la santé des plantes par augmentation de la résistance à des maladies telluriques.

- Digestats d'effluents d'élevage ou de boues d'épuration

La phase solide des digestats présente le caractère amendant le plus intéressant. La phase solide des digestats d'effluents d'élevage (obtenue après séparation de phase si digestion liquide) pourra contribuer à l’entretien humique des sols. Pour les boues, la MO des boues digérées reste assez biodégradable après digestion. Les boues digérées ont donc une faible valeur amendante ; La digestion anaérobie tend à diminuer les émissions de N2O après épandage ;

Les données recueillies pour les effluents d'élevage digérés n’ont pas permis de mettre en évidence un effet sur les

concentrations en ETM. La tendance est plus nette pour les boues d’épuration. Pour les boues d'épuration digérées, la

spéciation des ETM semble évoluer vers des formes plus stables et moins disponibles au cours de la digestion.

Les données recueillies ne permettent pas de conclure à des différences de concentration en CTO avant et après digestion anaérobie des effluents d'élevage ou des boues. Des travaux très récents (2014) montrent que la digestion tend à diminuer la disponibilité des contaminants organiques par développement d’interactions avec la matrice organique qui s’humifie au cours du procédé23 _;

- Boues chaulées

Le chaulage apporte à la boue une valeur en tant qu’amendement basique susceptible de corriger les pH acides des sols, mais ne modifie pas la valeur amendante organique des boues qui reste faible pour les boues chaulées.

Il modifie peu la valeur fertilisante azotée des boues, avec des coefficients d’équivalence aux engrais azotés similaires à ceux des boues déshydratées.

23 _{A noter que la tendance à l'immobilisation des contaminants organiques au sein des matières compostées ou digérées par voie anaérobie}

est susceptible de ne pas être définitive après épandage, notamment dans le cas d'un changement des conditions pédo-climatiques. Actuellement, la littérature ne rapporte pas d'effet de "relargage" de contaminants après épandage.

Il limite la volatilisation d’ammoniac au champ car elle a déjà eu lieu au cours du procédé ; en revanche, la totalité de l’azote ammoniacal restant dans la boue est volatilisée très rapidement du fait du pH basique de la boue.

Il diminue les teneurs en éléments biologiques. Il sera moins efficace sur les microorganismes ayant des formes de résistance (spores, kystes, œufs) que sur les formes végétatives, comme les autres traitements. Cependant le chaulage poussé (pH12 pendant 3 mois) assure l’hygiénisation des boues.

Il diminue la concentration en éléments traces minéraux par dilution. Le chaulage peut modifier la mobilité des ETM par modification du pH.

Il semble avoir en revanche peu d’effet sur le devenir des contaminants organiques (mais ce point est très peu étudié). Leurs concentrations seront diminuées par simple dilution à la chaux. Il a aussi été observé un relargage de certains contaminants organiques dans la phase aqueuse des boues par augmentation du pH (changement de compartiments, désorption).

- Boues séchées thermiquement

Le séchage thermique des boues ne modifie pas la valeur amendante organique des boues Il diminue la valeur fertilisante azotée.

Ce procédé inactive les éléments biologiques si la température de séchage est suffisamment élevée. Il concentre les ETM par perte d'eau.

Il n'influence pas les concentrations en contaminants organiques, à moins que certains soient thermosensibles donc modifiés ou qu’il y ait dégradation de la matière organique entrainant une concentration des contaminants organiques.

• Autres Mafor utilisées en France

Composts d’origine urbaine (hors composts de boues d'épuration urbaines)

Valeur amendante : La valeur amendante des composts d'OMR est inférieure à celle des composts de biodéchets ou de

déchets verts (ces derniers ayant une valeur amendante équivalente). Les apports successifs s’accompagnent d’une augmentation persistante des activités biologiques et des propriétés physiques du sol. Les composts de biodéchets, de déchets verts ont des effets bénéfiques sur la santé des plantes par augmentation de la résistance à des maladies telluriques.

Valeur fertilisante : On note une certaine variabilité au sein des composts, dont la valeur fertilisante se classe ainsi :

compost de déchets verts = compost de biodéchets < composts d'OMR.

Emissions gazeuses : Les émissions de N2O après apports de composts ne sont pas documentées.

Contaminants biologiques : Le compostage est efficace pour diminuer la prévalence des microorganismes

phytopathogènes quand des végétaux infectés sont compostés. Néanmoins, la proportion de végétaux malades co- compostée doit être maîtrisée pour assurer une bonne efficacité d’hygiénisation de la masse de résidus.

Eléments traces minéraux : Globalement les concentrations en ETM diminuent selon le gradient suivant : compost d'OMR

> compost de biodéchets > compost de déchets verts. Les campagnes de caractérisation récentes montrent que les composts ont des teneurs en ETM inférieures aux critères de la norme. La mobilité des ETM diminue quand la maturité des composts (et donc la stabilité de la MO) augmente. Les flux de Cu et Zn associés aux apports de composts conduisent à une augmentation des concentrations dans les sols, qui n'est pas détectable analytiquement pour les autres éléments. Le caractère chaulant des composts diminue la mobilité des ETM cationiques dans les sols. L’affinité de certains ETM comme le Cu pour la MO limite la biodisponibilité pour les végétaux mais peut favoriser la mobilité dans les eaux après association avec le COD. Les flux lixiviés d’ETM restent toujours très faibles (<1-4% des flux annuels apportés en ETM). On n’observe pas d’augmentation des concentrations en ETM des végétaux récoltés sur des parcelles amendées régulièrement avec des