THÈSE
Pour l’obtention du Grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées (Diplôme national – Arrêté du 7 août 2006)
École Doctorale : Ingénierie Chimique, Biologique et Géologique Spécialité : Chimie Organique, Minérale et Industrielle
Présentée par :
Julien CELERIER
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CARACTÉRISATION MOLÉCULAIRE ET DYNAMIQUE DE LA MATIÈRE ORGANIQUE DE COMPOST (DÉCHETS VERTS/BIODECHETS) DANS UN SOL
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Directeurs de thèse :
A. AMBLÈS, Professeur, Université de Poitiers
C. GEFFROY-RODIER, Maître de Conférence, Université de Poitiers
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Soutenue le 28 février 2008 Devant la commission d’examen
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JURY
Dr C. MASSIANI Professeur, Université de Provence Rapporteur
Dr J.-C. REVEL Professeur, ENSAT, INP Toulouse Rapporteur
Dr S. DERENNE Directeur de Recherche CNRS, BioEMCo, Paris Examinateur
Dr B. LEGUBE Professeur, Université de Poitiers Examinateur
Dr A. AMBLÈS Professeur, Université de Poitiers Examinateur
Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l’équipe de Géochimie Organique du laboratoire Synthèse et Réactivité des Substances Naturelles, UMR-CNRS 6514, FR 2703, de l’Université de Poitiers. Cette thèse dirigée par le Professeur André Amblès et le Docteur Claude Geffroy-Rodier a bénéficiée du soutien financier du Ministère de la Recherche.
En préambule à ce mémoire de thèse je tiens à remercier tous ceux qui ont participé, de près ou de loin, à ce travail.
Monsieur André Amblès, Professeur à l’Université de Poitiers, pour son accueil dans son laboratoire et pour ses conseils avisés. J’ai pu ainsi mener ce travail dans le meilleur environnement possible.
Monsieur Bernard Legube, Professeur à l’Université de Poitiers, qui m’a fait l’honneur de présidé le jury de cette thèse.
Madame Catherine Massiani, Professeur à l’Université de Provence, pour avoir accepté de juger et de commenter ce travail.
Monsieur Jean-Claude Revel, Professeur à l’ENSAT Toulouse, qui a accepté de juger et de commenter ce travail.
Madame Sylvie Derenne, Directeur de Recherche CNRS au laboratoire BioEMCo pour avoir accepté de participer au jury de cette thèse.
Je tiens à remercier madame Claude Geffroy-Rodier, Maître de conférence à l’Université de Poitiers, pour son aide, ses conseils et tout le travail réalisé au cours de ces années de DEA et de thèse.
Mes remerciements vont également aux équipes du Programme Eau (Université de Poitiers) et de la plate-forme de compostage de la Villedieu du Clain pour avoir fournit le compost nécessaire à cette étude.
Je remercie également, pour leur aide lors de l’étude de l’aspect minéral, Mrs Claude Fontaine et Laurent Caner (UMR Hydrasa), ce dernier ayant collaboré plus qu’activement à l’installation du site expérimental.
Un grand merci au docteur David Laird (NSTL, Ames, Iowa, USA) pour son accueil particulièrement chaleureux à Ames et dans son équipe de recherche. Et également pour le travail passionnant que nous avons réalisé ensemble.
Merci à toute l’équipe de géochimie (les anciens et actuels) et particulièrement aux deux Laurent.
Finalement, et afin de déroger à la tradition d’une longue liste de prénoms (et surnoms) émaillée d’anecdotes personnelles je souhaite remercier ma famille et saluer toutes les personnes (du laboratoire, de Poitiers ou d’ailleurs) que j’ai côtoyé au cours de ces quatre ans. Je suis intimement persuadé que tous savent ce qu’ils m’ont apporté et certains en ayant probablement fait plus qu’ils ne le croient.
Table des matières
Liste des Figures ... 7
Liste des Tableaux... 15
Liste des abréviations... 20
Introduction ... 21
CHAPITRE 1 : Généralités sur la Matière Organique et son évolution après apport d’amendements organiques... 25
I. Les systèmes étudiés ... 26
I.1 Le sol ... 26
I.2 Le compost ... 27
I.3 L’eau... 30
II. Généralités sur la matière organique ... 32
II.1 Les analyses physico-chimiques ... 32
II.2 Les fractionnements chimiques... 37
II.3 La matière organique dissoute... 51
II.4 Les fractionnements physiques ... 52
III. Effet de l’apport de compost sur les sols ... 54
III.1 Différents amendements et effets sur les caractéristiques globales des sols... 54
III.2 Impact sur certains compartiments organiques ... 56
III.3 Impact sur les propriétés du sol (densité, granulométrie, stabilité structurale)... 57
CHAPITRE 2 : Matériel et méthodes ... 60
I. Présentation du site du Deffend ... 61
I.1 Contexte géologique général... 61
I.2 Description d’une fosse pédologique du Deffend ... 62
I.3 Présentation du site expérimental... 63
II. Présentation des échantillons ... 65
II.3 Echantillons de sol (suivi à long terme) ... 65
II.4 Echantillons de sol (suivi à court terme)... 66
II.5 Echantillons d’eau ... 66
III. Préparation des échantillons ... 67
III.1 Les échantillons de sol ... 67
III.2 Les échantillons de compost ... 67
III.3 Les échantillons d’eau... 67
III.4 Les agrégats 3-5 mm pour la stabilité structurale ... 68
IV. Extraction et fractionnement des différentes formes de Matière Organique... 68
IV.1 Fractionnement des substances humiques... 68
IV.2 Fractionnement granulométrique ... 70
IV.3 Fractionnement densimétrique ... 70
IV.4 Fractionnement des lipides libres... 71
IV.5 La matière organique dissoute... 71
IV.6 Extraction des sucres... 74
IV.7 Extraction des acides aminés... 74
V. Techniques analytiques... 75
V.1 Caractérisation globale... 75
V.2 Dosage des sucres par spectrophotométrie... 75
V.3 Conditions chromatographiques... 76
VI. Stabilité Structurale ... 77
CHAPITRE 3 : Etudes préliminaires ; Caractérisation d’un profil de sol du Deffend. Caractérisation du compost... 79
I. Caractérisation de la matière organique d’un profil de sol du Deffend ... 80
I.1 Caractérisation globale de la matière organique ... 80
I.2 Fractionnement IHSS de la matière organique ... 85
I.3 Fractionnement granulométrique de la matière organique... 107
I.4 Conclusion... 112
II. Caractérisation du compost L3-04... 114
II.2 Fractionnement IHSS de la matière organique ... 117
II.3 Fractionnement granulométrique du compost... 126
III. Bilan... 128
CHAPITRE 4 : Evolution de la Matière Organique après apport de compost sur un sol : fractionnements chimiques... 131
I. Caractérisation globale de la matière organique ... 132
I.1 Analyse carbone et azote... 132
I.2 Analyses thermiques ... 136
I.3 Analyse infrarouge ... 144
II. Fractionnement IHSS de la Matière Organique ... 147
III. Etude des lipides ... 150
III.1 Fractionnement... 151
III.2 Etude des composés majoritaires ... 153
III.3 Les autres marqueurs du compost et de l’activité du sol après amendement... 164
III.4 Suivi global des lipides ... 168
III.5 Conclusion... 176
IV. Etude des substances humiques ... 178
IV.1 Analyse carbone et azote... 178
IV.2 Analyses thermiques ... 180
IV.3 Analyse infrarouge ... 186
IV.4 Thermochimiolyse analytique ... 191
V. Etudes des sucres... 208
V.1 Analyse globale des sucres... 208
V.2 Analyse moléculaire des sucres... 209
V.3 Résumé-conclusion ... 214
VI. Bilan... 214
CHAPITRE 5 : Evolution de la Matière Organique après apport de compost sur un sol : étude des fractions granulométriques ... 218
I.1 Répartition des différentes tailles de particules... 219
I.2 Etude globale de la matière organique ... 220
I.3 Thermochimiolyse en présence de TMAH ... 227
I.4 Résumé-conclusion ... 233
II. Etude des fractions <2 µm et effet d’un apport de 150 t/ha de compost ... 234
II.1 Etude globale des matières organiques et minérales... 235
II.2 Analyse moléculaire de la matière organique ... 241
II.3 Résumé-conclusion ... 246
III. Etude de la MO particulaire (>50µm). Effet d’un apport de 150 t/ha de compost 246 III.1 Etude globale de la matière organique ... 248
III.2 Thermochimiolyse... 253
III.3 Résumé-conclusion ... 257
IV. Mesure de la stabilité structurale ... 258
V. Bilan... 260
CHAPITRE 6 : Migration de la Matière Organique Dissoute à travers un profil de sol. Effet d’un apport de compost... 262
I. Etude de solutions artificielles... 263
I.1 Etude des biomarqueurs ... 264
I.2 Fractionnement de la MOD... 265
II. Etude de solutions naturelles... 266
II.1 Analyse globale ... 267
II.2 Etude des biomarqueurs ... 268
III. Bilan... 273
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES... 274
Références bibliographiques ... 281
PARTIE EXPERIMENTALE ... 294
I. Fractionnement des substances humiques ... 295
II.1 Les acides humiques... 296
II.2 Les acides fulviques ... 297
II.3 L’humine ... 297
II.4 Etude rapide des lipides libres... 298
III. Fractionnement granulométrique... 298
IV. Etude des sucres ... 299
IV.1 Les méthodes d’extraction ... 299
IV.2 Etalonnage CPG pour la réaction de réduction-acétylation ... 300
V. Etude des agrégats 3-5 mm... 300
V.1 Etude des sucres ... 300
V.2 Etude des lipides libres... 300
VI. Stabilité Structurale ... 301
VII. Les réactions de dérivation... 302
VII.1 Estérification avec le complexe trifluorure de bore–méthanol ... 302
VII.2 Acétylation ... 303
VII.3 Réduction – acétylation... 303
VII.4 Silylation ... 304
VIII. Analyses... 304
VIII.1 Analyse élémentaire ... 304
VIII.2 pH ... 304
VIII.3 ICP... 305
VIII.4 DRX ... 305
VIII.5 Microscopie... 306
VIII.6 Méthode de Dubois (1956) pour le dosage des sucres par spectrophotométrie . 306 VIII.7 Les différentes chromatographies ... 307
ANNEXES... 310
Annexe 1 : Analyses du compost L3-04 effectuées avant commercialisation... 311
Annexe 2 : Préparation d’une solution de polytungstène de sodium (SPT) de densité connue ... 315
Annexe 4 : Chromatogramme des acides aminés silylés après hydrolyse avec HCl (6M) du sol du Deffend (0-15cm) ... 319 Annexe 5 : Composés identifiés en pyrolyse en présence de TMAH... 320 Annexe 6 : Données supplémentaires sur les lipides libres du compost L3-04 ... 325 Annexe 7 : Analyse de carbone et d’azote des substances humiques du sol témoin à 13 mois et des parcelles amendées... 328
Liste des Figures
Figure 1.1 : Relation entre organismes vivants, matière organique et roche mère dans le
développement du sol (Paul et Clark, 1996). ... 27
Figure 1.2 : Evolution de la température au cours du compostage (Maystre et al., 1994). ... 29
Figure 1.3 : Porosité du sol (Gaucher, 1968)... 31
Figure 1.4 : Structure moléculaire des monomères d’acides humiques dis (a) Steelink et (b) TNB (les centres chiraux sont mis en évidence en cycles ouverts)... 40
Figure 1.5 : Structure TNB modifiée en structure acide fulvique. ... 40
Figure 1.6 : Mécanisme de formation des esters méthyliques lors de la thermochimiolyse en présence de TMAH... 42
Figure 1.7 : Principe de la thermochimiolyse en présence de divers agents alkylants (TMAH et TEAAc)... 43
Figure 1.8 : Représentation de la chaîne de cellulose... 44
Figure 1.9 : Chromatogramme d’une solution standard de sucres dérivés en alditols acétylés (Rumpel et Dignac, 2006b). ... 46
Figure 1.10 : Structure des monolignols et des acides hydroxycinnamiques précurseurs. ... 48
Figure 1.11 : Liaisons les plus rencontrées dans les lignines (Brunow et al., 1999). ... 49
Figure 1.12 : Monomères et structure de a) la cutine et de b) la subérine d’après Kolattukudy (1980). ... 51
Figure 1.13 : Fractionnement densimétrique de la MOP (Gale et al., 2000b). ... 53
Figure 1.14 : Classes de stabilité en fonction de la texture, triangle de Monnier et Stengel (1976). ... 58
Figure 2.1 : Carte de localisation de Poitiers et carte géologique du site... 61
Figure 2.2 : Présentation du profil de la fosse ainsi que ses caractéristiques. ... 62
Figure 2.3 : Schéma du site expérimental du Deffend. ... 63
Figure 2.4 : Disposition des bougies poreuses dans le profil de sol... 64
Figure 2.5 : Extraction et séparation des substances humiques. ... 69
Figure 2.6 : Protocole de fractionnement des lipides libres... 71
Figure 3.1 : Courbes ATD des horizons A1, A2 et B... 81 Figure 3.2 : Spectre IRTF de A1... 83 Figure 3.3 : Rapports des intensités des bandes liées aux liaisons C=C/C-H, C=C/C=O et
C-H/C-O en IRTF... 83 Figure 3.4 : Spectre DRX de A1... 84 Figure 3.5 : Quantités absolues de MO des quatre formes de MO obtenues après
fractionnement IHSS de A1, A2 et B. Les valeurs sont données en gMO / kg sol sec. ... 85 Figure 3.6 : Distribution relative des fractions neutres, acides et polaires de A1 et A2. . 86 Figure 3.7 : Distributions des alcanes linéaires de A1, A2 et B (fragmentogramme
m/z=85). ... 88 Figure 3.8 : Distributions des alcools linéaires (fragmentogramme m/z=61). ... 90 Figure 3.9 : Distributions des acides gras de A1, A2 et B, identifiés sous forme d’esters
méthyliques (fragmentogramme m/z=74). ... 92 Figure 3.10 : Distributions des diacides gras identifiés sous forme d’esters méthyliques
(m/z=98)... 94 Figure 3.11 : Distributions des méthylcétones dans A1, A2 et B (m/z=58). ... 94 Figure 3.12: Spectre de masse de la 6,10,14-triméthylpentadécan-2-one. ... 96 Figure 3.13 : Quantités absolues de carbone organique dans les substances humiques de
A1, A2 et B. ... 98 Figure 3.14 : Courbes ATD des AH et HUM de A1, A2 et B après traitements KCl et HF.
... 99 Figure 3.15 : Spectres infrarouge des acides humiques, fulviques et de l’humine de A1.
... 101 Figure 3.16 : Rapports des intensité des liaisons C=C/C-H, C=C/C=O et C-H/C-O dans
les acides humiques et l’humine de A1, A2 et B. ... 102 Figure 3.17 : Distributions des esters méthyliques produits par pyrolyse des acides
humiques de A1, A2 et B (fragmentogramme m/z=74)... 103 Figure 3.18 : Distributions des esters méthyliques produits par pyrolyse des humines de
A1, A2 et B (fragmentogramme m/z=74). ... 103 Figure 3.19 : Fragmentogrammes des composés aromatiques (m/z=77+91) des acides
Figure 3.20 : Fragmentogrammes des composés aromatiques (m/z=77+91) des humines
de A1, A2 et B. ... 105
Figure 3.21 : Distribution de la MO dans les fractions granulométriques de A1 et A2 (g/kg)... 108
Figure 3.22 : Analyses thermiques des fractions granulométriques de A1 et A2... 109
Figure 3.23 : Pyrogrammes des fractions granulomériques de A1 et B... 110
Figure 3.24 : Spectre ATD-ATG du compost L3-04 de la Villedieu du Clain. ... 115
Figure 3.25 : (a), Déconvolution (R2=0,9958) de la courbe ATG du compost ; (b), Courbe dérivée de la perte de masse du compost en ATG... 115
Figure 3.26 : Spectre infrarouge du compost L3-04. ... 116
Figure 3.27 : Répartitions absolues (g/kg) du Corg et de la MO dans les acides humiques, fulviques, l’humine et les lipides du compost L3-04... 117
Figure 3.28 : Spectres de l’α- et de l’ω-hydroxyacide en C24 identifiés sous formes acétylés et méthylés. ... 118
Figure 3.29 : Spectres du hopène en C27 et du hopène en C30. ... 119
Figure 3.30 : Spectres de masse de la β-amyrénone (a), de la taraxér-3-one(b) et de leurs dérivés insaturés respectivement c et d. ... 121
Figure 3.31 : ATD des acides humiques et de l’humine du compost L3-04. ... 121
Figure 3.32 : Spectres infrarouges des acides humiques et de l’humine du compost L3-04... 122
Figure 3.33 : Pyrogrammes des acides humiques et de l’humine du compost. ... 123
Figure 3.34 : Analyse ATD des fractions >200µm et 50<<200µm du compost... 127
Figure 4.1 : Analyses ATD-ATG des sols amendés après 3 jours et du sol témoin et des sols amendés après 30 mois. ... 137
Figure 4.2 : (a), Courbe dérivée de la perte de masse de 150-3j en ATG ; (b), Déconvolution de la dérivée de la perte de masse de 150-3j en ATG (R2=0,99926). ... 138
Figure 4.3 : Perte de masse des phénomènes thermiques entre 150 et 550°C des échantillons de sol témoin. ... 138
Figure 4.4 : Pertes de masse des phénomènes thermiques entre 150 et 550°C pour la parcelle 150t/ha... 140 Figure 4.5 : Pertes de masse associées aux phénomènes thermiques observés entre 150 et
Figure 4.6 : Pertes de masse associées aux phénomènes thermiques entre 150 et 550°C pour la parcelle 50t/ha et 50+50 t/ha. ... 142 Figure 4.7 : Spectres infrarouge du sol amendé avec 150 t/ha... 144 Figure 4.8 : Evolution des rapports des liaisons C=C/C-H, C=C/C=O/ et C-H/C-O pour
les sols témoin et amendés avec 50, 100 et 150t/ha de compost... 145 Figure 4.9 : Quantités absolues de MO des quatre fractions obtenues après
fractionnement IHSS, les valeurs sont données en gMO / kg sol sec... 147 Figure 4.10 : Quantités (mg/kg sol) des lipides neutres, acides et polaires des sols témoin
et amendés avec (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha de compost. ... 152 Figure 4.11 : Distributions des alcanes pour (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha de compost (en
mg/kg sol). ... 154 Figure 4.12 : Distributions des alcools aliphatiques pour (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha de
compost (en mg/kg sol)... 156 Figure 4.13 : Spectre de masse de la nonacosan-15-one ... 157 Figure 4.14 : Distributions des acides gras du sol témoin (en mg/kg sol)... 159 Figure 4.15 : Distributions des acides gras pour (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha de compost
(en mg/kg sol)... 159 Figure 4.16 : Distributions des stéroïdes pour 150, 100 et 50 t/ha de compost (en mg/kg
sol)... 161 Figure 4.17 : Distributions des triterpènes pour 150, 100 et 50 t/ha de compost (en mg/kg sol)... 162 Figure 4.18 : Structures des composés polycycliques identifiés dans les sols témoin et
amendés ... 163 Figure 4.19 : Distributions des esters méthyliques du compost et de l’échantillon 50_7m
(mg/kg sol)... 164 Figure 4.20 : Distributions des esters éthyliques pour 150, 100 et 50 t/ha de compost (en
mg/kg sol). ... 165 Figure 4.21 : Distributions des monoglycérides pour 150, 100 et 50 t/ha de compost (en
mg/kg sol). ... 165
Figure 4.22 : Distributions des α,ω-diacides gras pour (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha de
compost (en mg/kg sol)... 166
Figure 4.23 : Distributions des α et ω-hydroxyacides pour (a) 150, (b) 100 et (c) 50 t/ha
de compost (en mg/kg sol)... 167 Figure 4.24: Evolution de la quantité de lipides dans les échantillons de sol amendé. .. 168
Figure 4.25 : Evolution des quantités (mg/kg sol) des esters méthyliques pour 150, 100 et
150 t/ha de compost. ... 169
Figure 4.26 : Quantités (mg/kg sol) des composés linéaires (sauf esters méthyliques) pour 150, 100 et 50 t/ha à 3 jours, 2, 4, 7 et 13 mois. ... 172
Figure 4.27 : et du 4,8,12,16-tétraméthylheptadécan-4-olide... 173
Figure 4.28 : Spectre de masse de l’α-tocophérol... 173
Figure 4.29 : Quantités (mg/kg sol) des composés cycliques pour la parcelle 150 t/ha à 3 jours, 2, 4, 7 et 13 mois... 175
Figure 4.30 : Quantités absolues de carbone des quatre formes de MO obtenues après fractionnement IHSS. Les valeurs sont données en gCorg / kg sol sec. ... 178
Figure 4.31 : Courbes ATD des acides humiques de la parcelle 150t/ha. ... 181
Figure 4.32 : Courbes ATD de l’humine de la parcelle 150t/ha... 182
Figure 4.33 : Courbes ATD des acides fulviques de la parcelle 150 t/ha. ... 184
Figure 4.34 : Spectres infrarouge des acides humiques du sol amendé avec 150t/ha de compost... 186
Figure 4.35 : Evolution des rapports C=C/C-H et C-H/C-O pour les acides humiques des sols amendés... 187
Figure 4.36 : Spectres infrarouge de l’humine des sols amendés avec 150t/ha de compost. ... 188
Figure 4.37 : Evolution des rapports C=C/C-H et C-H/C-O pour l’humine du sol amendé avec 150t/ha... 189
Figure 4.38 : Spectres infrarouge des acides fulviques du sol amendé avec 150t/ha de compost... 189
Figure 4.39 : Evolution du rapport C=C/C=O pour les acides fulviques des sols amendés. ... 190
Figure 4.40 : Pyrogrammes obtenus en thermochimiolyse des acides humiques du sol témoin et amendé avec 150 t/ha de compost. ... 193
Figure 4.41 : Rapports entre les aires des aromatiques et les aires des esters méthyliques dans les acides humiques des différentes parcelles amendées (rapport A/L). ... 195
Figure 4.42 : Rapports des esters méthyliques ramifiés sur linéaires dans les acides humiques ... 195
Figure 4.43 : Rapports S/G (unités syringyle/guaiacyle) des acides humiques des parcelles amendées. ... 196
Figure 4.44 : Rapports C/G (unités cinnamyle/guaiacyle) des acides humiques des
parcelles amendées. ... 197 Figure 4.45 : Pyrogrammes obtenus en thermochimiolyse de l’humine du sol témoin et
amendé avec 150 t/ha de compost. ... 198 Figure 4.46 : Rapports entre les aires des aromatiques et les aires des esters méthyliques
dans les humines. ... 200 Figure 4.47 : Rapports des esters méthyliques ramifiés sur linéaires dans les humines.
... 201 Figure 4.48 : Rapports S/G des humines des parcelles amendées. ... 201 Figure 4.49 : Rapports C/G des humines des parcelles amendées... 202 Figure 4.50 : Pyrogrammes obtenus en thermochimiolyse des acides fulviques du sol
témoin et amendé avec 150 t/ha de compost. ... 203 Figure 4.51 : Rapports entre les aires des aromatiques et les aires des esters méthyliques
dans les acides fulviques (rapport A/L)... 205 Figure 4.52 : Rapports des esters méthyliques ramifiés sur linéaires dans les acides
fulviques. ... 205 Figure 4.53 : Rapports S/G des acides fulviques des parcelles amendées... 206 Figure 4.54 : Rapports C/G des acides fulviques des parcelles amendées. ... 206 Figure 4.55 : Distributions en pourcentage, pour le sol témoin, des sucres totaux des
différents monosaccharides analysés selon le mode d’extraction. ... 210
Figure 4.56 : Quantités (mg/g sol) des monosaccharides après hydrolyse H2SO4 (12M) du
sol témoin et du sol amendé après 7 jours... 211 Figure 4.57 : Quantités (mg/g sol) des monosaccharides après hydrolyse TFA (4M). .. 212 Figure 4.58 : Evolution des rapports mannose/xylose,
(mannose+galactose)/(arabinose/xylose) et (rhamnose+fucose)/(arabinose/xylose). ... 213 Figure 5.1 : Evolution de la quantité de MO, selon la taille des fractions, pour 150 t/ha.
... 221 Figure 5.2 : Analyses thermiques des fractions granulométriques des parcelles témoin et
amendée avec 150 t/ha de compost. ... 222 Figure 5.3 : Courbes ATD des limons et argiles des sols témoin et amendé avec 150 t/ha.
... 227 Figure 5.4 : Pyrogrammes des fractions granulométriques de l’échantillon 150_7m. .. 228
Figure 5.5 : Rapport S/G en fonction du rapport C/G pour le sol témoin et le sol amendé avec 150 t/ha de compost après 13 mois. ... 232 Figure 5.6 : Distributions absolue et relative du carbone et de l’azote des fractions
d’argile grossière, intermédiaire et fine pour les parcelles témoin et 150 t/ha après 13 mois... 236 Figure 5.7 : Spectres IRTF des fractions d’argile totale, grossière, intermédiaire et fine
pour les parcelles témoin et 150 t/ha après 13 mois. ... 237 Figure 5.8 : Spectres DRX des fractions d’argile totale, grossière, intermédiaire et fine
pour les parcelles témoin et 150 t/ha après 13 mois. ... 238 Figure 5.9 : Microscopie électronique à balayage des différentes fractions d’argiles. .. 239 Figure 5.10 : a, agrégat organo-minéral ; b, MO liée à des fragments de smectite et
kaolinite. ... 240 Figure 5.11 Cartographie des éléments réalisée sur les particules présentées Figure 5.10,
b... 241 Figure 5.12 : Pyrogrammes des fractions grossière, intermédiaire et fine de l’échantillon
150_13m... 241 Figure 5.13 : Proportions relatives (%) des composés majoritaires dans les fractions
argiles grossières, intermédiaires et fines des sols témoin et 150_13mois. ... 242 Figure 5.14 : Evolution des rapports I/S (esters méthyliques insaturés/saturés) et R/L
(esters méthyliques ramifiés/linéaires) en fonction de la taille des particules. ... 243 Figure 5.15 : Evolution des rapports S/G (unités syringyle/guaiacyle) et C/G (unités
cinnamyle/guaiacyle) dans les argiles grossières, intermédiaires et fines des sols témoin et 150 t/ha (à 13 mois)... 244 Figure 5.16 : Quantités des acides aminés dans les différentes fractions d’argile des sols
témoin et amendé avec 150 t/ha de compost (après 13 mois). ... 245 Figure 5.17 : Quantité de MO dans les différentes fractions de MOP des sols témoin et
150 t/ha (13 mois)... 249 Figure 5.18 : Courbes dérivées de l’ATG des fractions densimétriques des fractions de
MOP des sols témoin et 150 t/ha (13 mois)... 250 Figure 5.19 : Spectres IRTF des fractions densimétriques obtenues des sables grossiers
de l’échantillon 150_13m. ... 251 Figure 5.20 : Spectres IRTF des fractions densimétriques obtenues des sables fins de
Figure 5.21 : Pyrogrammes des différentes fractions densimétriques obtenues pour les sols témoin et 150_13m ; N : composés azotés. ... 253 Figure 5.22 : Proportions relatives (%) des composés majoritaires dans les fractions
densimétriques des sols témoin et 150_13mois. ... 255 Figure 5.23 : Evolution du rapport R/L (esters méthyliques ramifiés/linéaires) dans les
fractions densimétriques des sols témoin et 150_13mois. ... 255 Figure 5.24 : Evolution des rapports S/G (unités syringyle/guaiacyle) et C/G (unités
cinnamyle/guaiacyle) dans les fractions densimétriques des sols témoin et 150 t/ha (à 13 mois). ... 256 Figure 5.25 : Diamètres pondéraux moyens obtenus pour les sols témoin et 150_13mois.
... 259 Figure 6.1 : Répartition des différents types de sous-produits de pyrolyse des fractions
HPO et TPH de la solution du sol témoin. ... 265 Figure 6.2 : Humidité du sol aux différentes profondeurs étudiées... 267 Figure 6.3 : Evolution du COD et du pH avec la profondeur pour les sols témoin et
amendé... 267 Figure 6.4 : Distributions des acides gras des eaux naturelles des sols témoin et amendé.
... 269 Figure 6.5 : Distributions des alcools linéaires des eaux naturelles des sols témoin et
amendé... 270 Figure 6.6 : Distributions des alcanes des eaux naturelles des sols témoin et amendé. . 272
Liste des Tableaux
Tableau 1.1 : Valeurs des bandes d’Infra Rouge caractéristiques dans les sols ou les
composts. ... 33
Tableau 1.2 : Déplacements chimiques des carbones en RMN 13C. ... 34
Tableau 1.3 : Déplacements chimiques des protons en RMN 1H... 34
Tableau 1.4 : Fractions de sol en fonction du diamètre de tamisage... 52
Tableau 1.5 : Classe de stabilité à la battance et l’érosion en fonction du diamètre moyen pondéral après désagrégation (MWD). ... 59
Tableau 2.1 : Identification des différents échantillons prélevés. ... 66
Tableau 2.2 : Identification des échantillons étudiés à court terme. ... 66
Tableau 2.3 : Volumes récoltés entre avril et juin 2006... 67
Tableau 2.4 : Conditions d’extraction en phase solide des biomarqueurs lipidiques dans l’eau. ... 72
Tableau 2.5: Conditions chromatographiques des molécules analysées. ... 76
Tableau 3.1 : Analyse élémentaire et données globales des échantillons A1, A2 et B... 80
Tableau 3.2 : Perte de masse (%) de chaque phénomène ATG et %MO pour A1, A2 et B. ... 82
Tableau 3.3 : Répartition en % de la MO dans les quatre fractions pour A1, A2 et B. .. 85
Tableau 3.4 : Quantités de lipides extraits et résultats du fractionnement, exprimés en ppm n.d. : non déterminé... 86
Tableau 3.5 : Rapport iC15+aC15/C15 et iC17+aC17/C17... 91
Tableau 3.6 : Répartition relative du carbone après fractionnement IHSS. ... 99
Tableau 3.7 : Pertes de masse relatives des différents pics observés dans les acides humiques de A1, A2 et B... 100
Tableau 3.8 : Pertes de masse relatives des différents pics observés dans les humines de A1, A2 et B. ... 100
Tableau 3.9 : Rapports (iC15+aC15)/C15, (iC17+aC17)/C17, S/G et C/G et aromatiques/ linéaires dans les acides humiques et humines des trois horizons. ... 106
Tableau 3.10 : Distributions des fractions granulométriques des A1, A2 et B (%). ... 107 Tableau 3.11 : Distributions de la MO dans les fractions granulométriques de A1 et A2
Tableau 3.12 : Rapports R/L=(iC15+iC17+aC15+aC17)/(C15+C17),
I/S=(C16:1+C18:1, :2)/(C16+C18) et A/L=aromatiques/linéaires des fractions
granulométriques de A1, A2 et B... 111 Tableau 3.13 : Caractéristiques globales du compost L3-04 de la Villedieu du Clain... 114 Tableau 3.14 : Interprétation du spectre ATD-ATG du compost L3-04. ... 116
Tableau 3.15 : Distributions relatives du Corg et de la MOdans les acides humiques,
fulviques, l’humine et les lipides du compost L3-04... 117 Tableau 3.16 : Lipides libres totaux (ppm) et répartition des fractions neutres acides et
polaires (%)... 118 Tableau 3.17 : Composés majoritaires identifiés dans le compost L3-04 (mg/kg sol). .. 118 Tableau 3.18 : Rapports C=C/C-H, C=C/C=O et C-H/C-O en spectrométrie infrarouge.
... 122 Tableau 3.19 : Rapports des composés S/G, C/G et aromatiques sur linéaires... 125 Tableau 3.20 : Distributions des fractions granulométriques du compost. ... 126 Tableau 3.21 : Interprétation des ATG des fractions granulométriques du compost. .. 127
Tableau 4.1 : Masses calculées de MO et de Corg du sol et apportées par le compost.... 133
Tableau 4.2 : Analyses de carbone, azote et pH de la parcelle 150t/ha entre 3 jours et 13 mois... 133 Tableau 4.3 : Analyses de carbone, azote et pH de la parcelle 100t/ha entre 3 jours et 13
mois... 134 Tableau 4.4 : Analyses de carbone, azote et pH de la parcelle 50t/ha entre 3 jours et 13
mois... 135 Tableau 4.5 : Pourcentage de matière organique du sol témoin au cours du temps... 139 Tableau 4.6 : Taux de matière organique des échantillons à divers temps d’épandage
pour la parcelle 150t/ha. ... 140 Tableau 4.7 : Taux de matière organique des différents échantillons pour la parcelle
100t/ha avant et après le second apport de 50 t/ha... 142 Tableau 4.8 : Taux de matière organique des différents échantillons pour la parcelle
50t/ha. ... 143 Tableau 4.9: Répartition des quatre fractions de MO obtenues par le protocole IHSS (en %)... 149 Tableau 4.10 : Quantités de lipides libres (en mg/kg) isolés dans les sol témoin et
Tableau 4.11 : Lipides neutres et acides + polaires (ppm) des différents échantillons étudiées ... 153
Tableau 4.12 : CPI25-33 des alcanes aliphatiques des parcelles témoin, amendées et du
compost... 155
Tableau 4.13 : CPI22-30 des alcools aliphatiques des parcelles témoin, amendées et du
compost... 155
Tableau 4.14 : CPI(20-30), rapports courts/longs et ramifiés sur linéaires pour les acides
gras... 160 Tableau 4.15 : Rapports cholestanol/cholestérol et stigmasta-3,5-dièn-7-one/sitostérol.
... 161
Tableau 4.16 : CPI(20-30), rapports courts/longs et ramifiés sur linéaires des esters
méthyliques de la parcelle 150 t/ha... 170
Tableau 4.17 : CPI(20-30), rapports courts/longs et ramifiés sur linéaires des esters
méthyliques de la parcelle 100 t/ha... 171
Tableau 4.18 : CPI(20-30), rapports courts/longs et ramifiés sur linéaires des esters
méthyliques de la parcelle 50 t/ha... 171 Tableau 4.19 : Proportions relatives du carbone dans les acides fulviques, humiques,
l’humine et les lipides... 179 Tableau 4.20 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée aux
exothermes observés en ATD des acides humiques de la parcelle 150 t/ha. ... 181 Tableaux 4.21 et 4.22 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée
aux exothermes observés en ATD des acides humiques des parcelles 100 et 50 t/ha. ... 181 Tableau 4.23 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée aux
exothermes observés en ATD de l’humine de la parcelle 150 t/ha... 182 Tableau 4.24 et 4.25 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée
aux exothermes observés en ATD des humines des parcelles 100 et 50 t/ha... 183 Tableau 4.26 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée aux
exothermes observés en ATD des acides fulviques de la parcelle 150 t/ha. ... 184 Tableau 4.27 et 4.28 : Perte de masse (relative au taux de MO de la fraction) associée
aux exothermes observés en ATD des acides fulviques des parcelles 100 et 50 t/ha. ... 184 Tableau 4.29 : Sucres totaux déterminés par spectrophotométrie après hydrolyse avec
Tableau 5.1 : Répartition massique des fractions granulométriques des sols témoin et amendés avec 50, 100 et 150 t/ha, à 3 jours, 7 et 13 mois... 220 Tableau 5.2 : Taux de MO des fractions granulométriques des sol témoin et amendés
avec 50, 100 et 150 t/ha, à 3 jours, 7 et 13 mois... 221 Tableau 5.3 : Perte de masse (% de la perte totale entre 200 et 550°C) des pics observés
en ATD-ATG des sables grossiers des parcelles témoin, 50, 100 et 150 t/ha. ... 223 Tableau 5.4 : Perte de masse (% de la perte totale entre 200 et 550°C) des pics observés
en ATD-ATG des sables fins des parcelles témoin, 50, 100 et 150 t/ha. ... 224 Tableau 5.5 : Perte de masse (% de la perte totale entre 200 et 550°C) des pics observés
en ATD-ATG des limons des parcelles témoin, 50, 100 et 150 t/ha. ... 225 Tableau 5.6 : Perte de masse (% de la perte totale entre 200 et 600°C) des pics observés
en ATD-ATG des argiles des parcelles témoin, 50, 100 et 150 t/ha. ... 226 Tableau 5.7 : Index d’Humification (rapport pic exo3 / pic exo1) pour les sables
grossiers et les argiles des parcelles témoin et 50, 100 et 150 t/ha... 226 Tableau 5.8 : Rapports A/L=aromatiques/linéaires,
R/L=(iC15+iC17+aC15+aC17)/(C15+C17), I/S=(C16:1+C18:1, :2)/(C16+C18), S/G
(syringyle/guaiacyle) et C/G (cinnamyle/guaiacyle) des fractions granulométriques des sols témoin et amendés avec 50, 100 et 150 t/ha. ... 230 Tableau 5.9 : Répartition massique des fractions d’argile grossière, intermédiaire et fine
pour les parcelles témoin et 150 t/ha après 13 mois. ... 234 Tableau 5.10 : Analyses du carbone et de l’azote des fractions d’argile totale, grossière,
intermédiaire et fine pour les parcelles témoin et 150 t/ha après 13 mois. ... 235 Tableau 5.11 : Proportions de l’azote des acides aminés par rapport à l’azote total. ... 246 Tableau 5.12 : Répartition massique des fractions obtenues par fractionnement
densimétrique des sols témoin et 150 t/ha (13 mois). ... 247 Tableau 5.13 : Proportion de carbone et d’azote dans les différents échantillons obtenus
par fractionnement densimétrique des sols témoin et 150 t/ha (13 mois). ... 248 Tableau 5.14 : Index d’Humification pour les différentes fractions densimétriques
étudiées. ... 250 Tableau 5.15 : Rapports des intensités des liaisons C=C/C-H et C-H/C-O des différentes
fractions densimétriques obtenues pour les sols témoin et 150_13m... 252 Tableau 5.16 : Répartition (%) des agrégats des sols témoin et 150_13mois. ... 258
Tableau 5.17 : Quantités de lipides et de sucres dans les agrégats 3-5 mm des sols témoin et 150_13mois... 260 Tableau 6.1 : COD des solutions artificielles des sols témoin et amendé et du compost.
... 263 Tableau 6.2 : Valeurs des rapports de CPI (acides gras, alcools et alcanes), de composés
courts/longs (acides gras et alcools aliphatiques) et des acides gras ramifiés
(i-aC15,C17) sur les linéaires correspondants... 264
Tableau 6.3 : Valeurs pour les acides gras des quantités relatives et des rapports de CPI20-30, des composés courts/longs et ramifiés (i-aC15,C17) sur les linéaires
correspondants. ... 270 Tableau 6.4 : Valeurs pour les alcools aliphatiques des quantités relatives et des rapports
de CPI20-30, des composés longs/total et C16/total... 271
Liste des abréviations
AES : Atomic Emisson Spectroscopy AF : Acides Fulviques
AH : Acides Humiques
ATD-ATG : Analyse Thermique Différentielle-Analyse Thermo-Gravimétrique BSTFA : N,O-bis(trimethylsilyl) trifluoroacetamide
CLHP : Chromatographie Liquide Haute Performance
CPG/SM : Chromatographie phase gazeuse / Spectrométrie de Masse COD : Carbone Organique Dissout
CPG : Chromatographie en Phase Gazeuse CPI : Carbon Preference Index
DMSO : Diméthylsulfoxyde DRX : Diffraction des Rayons X FF : Fraction Fulvique
HAP : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques HUM : Humine
ICP : Induction Coupled Plasma
IRTF : InfraRouge à Transformée de Fourrier MEB : Microscope Electronique à Balayage MO : Matière Organique
MOD : Matière Organique Dissoute MOP : Matière Organique Particulaire MOS : Matière Organique des Sols
MTBSTFA : methylterbutylsilyl trifluoroacetamide
Py-CPG/SM : Pyrolyse-Chromatographie phase gazeuse / Spectrométrie de Masse RMN : Résonance Magnétique Nucléaire
SPE : Solid Phase Extraction SPT : PolyTungstène de Sodium
TEAAc : TetraEthylAmmonium Acetate TFA : Trifluoroacetic acid
TMAH : TetraMethylAmmonium Hydroxyde TMS : TriMéthylSilyl
Un accroissement des processus de dégradation de la qualité des sols et des eaux a récemment été observé. Les changements actuels dans le cycle global du carbone posent ainsi la question du devenir de son stockage dans les sols. Même si le rôle des sols comme support de la production agricole est bien pris en compte, les différentes autres fonctions exercées par les sols sont négligées. Au-delà de leur fonction de production agricole, les sols jouent un rôle essentiel, mais encore mal connu, dans le cycle bio-géochimique du carbone.
Les différentes fonctions accomplies par les sols sont étroitement liée à la matière organique qu’ils contiennent. Celle-ci constitue un substrat indispensable au développement de la vie biologique, car elle est une source majeure de carbone et d’énergie pour les micro-organismes. Elle conditionne les propriétés chimiques (stocks de carbone, d’azote et de phosphore) et physiques (perméabilité, stabilité structurale, capacité de rétention et de circulation en eau) des sols (Jambu et al., 1983). Elle intervient également dans la composition atmosphérique par le biais de la minéralisation et protège les ressources en eau par sa capacité à retenir les polluants organiques (phytosanitaires) ou minéraux (métaux lourds).
Les pratiques agricoles intensives contribuent à appauvrir les sols en matière organique (Bongiovanni et Lobartini, 2006). Cette déperdition en MO provoque une diminution de la stabilité structurale des sols, une diminution de la rétention des polluants (organiques ou minéraux) et contribue également à l’augmentation du risque d’érosion éolienne (Le Bissonnais, 1996) et de la sensibilité des sols à la battance. La démobilisation du carbone organique dans les sols participe aussi à l’augmentation de la concentration en CO2
atmosphérique (Lal et Kimble, 1997) favorisant ainsi le réchauffement climatique, via le phénomène d’effet de serre.
Une des réponses à ces divers problèmes est l’apport de matière organique exogène sur les sols. Cette forme de valorisation du carbone déchet permet en compensant les exportations de MO liées aux récoltes d’améliorer ainsi la fertilité, la perméabilité et la stabilité structurale des sols. Des techniques d’apport de produits résiduaires organiques se développent donc. Différents amendements comme les composts, les boues d’épuration, les fumiers ou encore des solutions d’acides humiques ont été étudiés (Albiach et al., 2001). La biotransformation des constituants de ces apports dans le sol reste cependant encore peu décrite.
L’objet de ce travail consiste en un suivi spatio-temporel de l’évolution des constituants d’un compost de déchets verts et bio-déchets, épandu sur un sol. Ainsi les modifications des matières organiques endogène et exogène, induites par l’apport de carbone,
de même que le transport de ces matières organiques à travers un profil de sol sont étudiées grâce à la mise en place de deux sites expérimentaux.
Le sol choisi est situé sur le site de l’Observatoire de l’Environnement du Deffend (Université de Poitiers). Il s’agit d’un sol limono-argileux de faible stabilité structurale. Sur ce site, trois parcelles ont reçu trois doses de compost, 50, 100 et 150 t/ha. Ces parcelles sont dédiées au suivi de l’évolution de la matière organique du sol après apport de compost. D’autres parcelles amendées ou non et équipées de bougies poreuses, permettant de collecter l’eau du sol à 15, 30, 60 et 100 cm de profondeur, sont destinées à l’étude du transport de la MO. Le compost utilisé dans cette étude provient d’une plate-forme pilote de compostage créée par la communauté de communes de La Villedieu du Clain (Vienne, France) en collaboration avec l’ADEME ( Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie).
Le présent travail s’articule donc en quatre parties :
- la première partie est dédiée à la caractérisation de la matière organique d’un profil de sol du Deffend (sol témoin) et à la caractérisation du compost commercial, utilisé comme amendement sur le sol du Deffend.
- la seconde partie, l’évolution de la matière organique après apport de compost est étudiée de manière globale (taux de carbone, d’azote, de MO, ATD-ATG, IRTF) et après fractionnements chimiques par le protocole IHSS. Ce fractionnement permet de séparer quatre compartiments organiques, les lipides, les acides fulviques, les acides humiques et l’humine. Les sucres, constituants majeurs de la MO des sols sont également étudiés après diverses extractions.
- la troisième partie concerne l’étude de l’évolution de la MO après apport de compost par l’utilisation de fractionnements physiques. Ainsi après un fractionnement granulométrique conduisant à quatre fractions (les sables grossiers, les sables fins, les limons et les argiles) et une étude globale et moléculaire de la MO contenue dans ces fractions, une attention toute particulière est portée à la matière organique liée aux minéraux dans les fractions argiles et à la matière organique particulaire contenue dans les fractions « sables ». La stabilité structurale et l’impact d’un apport de compost sur celle-ci seront également mesurés.
- la dernière partie est essentiellement dédiée à l’étude de la fraction lipidique de la matière organique dissoute, son transport à travers un profil de sol et a l’impact, sur cette MOD, d’un apport de compost.
La matière organique des différents échantillons (sol, compost, eau) prélevés est analysée de manière globale par mesure des taux de carbone, d’azote et de MO, mais également par ATD-ATG et IRFT. L’étude au niveau moléculaire de cette MO est essentiellement réalisée par des techniques chromatographiques (lipides, sucres) et de thermochimiolyse (acides fulviques, acides humiques, humine, fractions granulométriques, MO particulaire). La stabilité structurale est mesurée suivant la norme AFNOR X31-515, qui est inspirée de la méthode Le Bissonnais (1996).
CHAPITRE 1 :
Généralités sur la Matière Organique
I.
Les systèmes étudiés
I.1 Le sol
Un sol est une pellicule d'altération, aux propriétés essentiellement dynamiques, souvent différencié en couches distinctes, recouvrant une roche. Il est formé d'une fraction minérale et de matière organique. Un sol prend naissance à partir de la transformation d'une roche-mère sous l'influence de divers processus physiques, chimiques et biologiques. Puis il évolue sous l'action des facteurs du milieu, essentiellement le climat et la végétation.
La décomposition de la roche en place (roche-mère géologique) fournit un matériau, plus ou moins meuble (roche-mère pédologique), colonisé progressivement par une végétation de plus en plus différenciée. Celle-ci ramène sur le sol une quantité, plus ou moins importante, de résidus, dont la transformation donne naissance à l'humus.
Schématiquement, la formation d'un sol peut se décomposer en trois phases qui se chevauchent, plus ou moins, dans le temps :
- Altération = décomposition de la roche-mère ;
- Humification = introduction de matières organiques (humus) ; - Différenciation = migration et accumulation de certains éléments.
Le déroulement de ces phénomènes est plus ou moins rapide, complet, sous l'influence de divers facteurs (facteurs pédogénétiques) : climat, roche-mère, géomorphologie, organismes vivants et temps (Figure 1.1).
Certains composés de l'humus, en association avec les mouvements d'eau au sein du sol, peuvent provoquer des déplacements de substances (migration), amenant l'apparition de couches superposées, plus ou moins distinctes, certaines appauvries, d'autres enrichies en ces substances.
Ces couches sont les horizons, dont l'ensemble constitue le profil. Classiquement, les principaux horizons sont les suivants:
- Horizon A : horizon de surface à matière organique (débris de végétaux) ; - Horizon C : roche peu altérée ;
Figure 1.1 : Relation entre organismes vivants, matière organique et roche mère dans le développement du sol (Paul et Clark, 1996).
I.2 Le compost
Le compost est un mélange maturé de résidus organiques et minéraux, utilisé pour l’amendement des terres agricoles. Avec la législation française actuelle interdisant la mise en décharge des déchets (2002) le compostage est amené à se développer. Le compostage permet ainsi de recycler les ordures ménagères, les déchets verts et les boues de station d’épuration. Il s’agit de la dégradation microbienne de matériaux organiques solides, impliquant une respiration aérobie et passant par une étape thermophile, en un produit stabilisé, hygiénique, semblable à un terreau, riche en composés humiques.
I.2.1 Les différents types de compost
Sauf usage privé, deux formes de compostage existent : le compostage naturel et le compostage industriel. Le compostage traditionnel, ou naturel, a quasiment disparu, non seulement en raison de la dissociation entre le lieu de production et le lieu de consommation, mais aussi parce que les résidus agricoles, et plus encore urbains, peuvent contenir des métaux lourds.
Les différents procédés utilisés, en compostage industriel, se distinguent seulement par les modes de fermentation : "cellules" ouvertes ou "andains" dans le cas des déchets verts et des boues de station d’épuration, "digesteurs" dans le cas des déchets de l’industrie agroalimentaire.
Différents types de composts sont recensés :
- Le compost de déchets verts, d’origine urbaine ou industrielle.
- Le compost d’ordures ménagères : il s’agit de la partie fermentescible des ordures ménagères (bio-déchets) mélangée le plus souvent à des déchets verts. - Le compost de boues de station d’épuration et sous-produits : les boues sont mélangées à un support structurant (ex : déchets verts).
En France, en 2000, les déchets verts constituaient une grande partie des déchets compostés, soit 46%, les ordures ménagères grises (= ordures ménagères brutes – collecte sélective) représentant 45%. Les autres déchets compostés sont principalement des boues de station d’épuration, 2 % (source ADEME). Quelle que soit la nature du déchet composté, le principe de production reste le même.
I.2.2 Elaboration d’un compost
Le compostage fait intervenir un processus biologique assurant la décomposition par maturation aérobie des constituants organiques des déchets en un produit stable et riche en composés humiques.
Le processus de compostage se divise en trois étapes successives représentées sur la Figure 1.2 :
- une phase mésophile (A) : il s'agit d'une phase latente durant laquelle le milieu est colonisé par les bactéries, la température est proche de 40°C. La production d’acides organiques entraîne une diminution du pH (pH 4,5 à 5,5).
- une phase thermophile (B) : des réactions d'oxydation ont lieu produisant une élévation de température (60 à 75°C). Pendant cette étape, les microorganismes dégradent les polymères entraînant une augmentation du pH (6,5 à 8,5).
- une phase de maturation (ou stabilisation) (C et D) : le pH se stabilise et la température redescend autour de 40°C, la flore microbienne est dominée par les organismes mésophiles1.
Figure 1.2 : Evolution de la température au cours du compostage (Maystre et al., 1994).
L'évolution de la matière organique en compost est régie essentiellement par les micro-organismes et leur action enzymatique : le compostage présente à ce niveau des similitudes avec le processus d'évolution naturel de la matière organique des sols, mais il s'en distingue aussi par le fait que cette évolution soit contrôlée pour s'orienter vers un enrichissement en matière organique. Il est donc important de suivre cette évolution au travers de différents critères de stabilité et de maturité.
La stabilité du compost fait généralement référence à l’activité microbienne tandis que la maturité est associée au potentiel de croissance des plantes ou à la phytotoxicité (Bernal et
al., 1998; Veeken et al., 2000).
1
L'adjectif mésophile se réfère à un organisme qui croît dans des conditions de température modérée (entre 5 et 65 °C). Classiquement, on parle de bactéries mésophiles lorsqu'elles croissent à des températures comprises entre
I.3 L’eau
De toute l’eau présente sur terre, seulement 2,6 % est de l’eau douce. Sur ce pourcentage, environ 2 % sont bloqués dans les calottes glacières et les glaciers. Le reste de l'eau douce se trouve dans le sol (0,58 %) ou est accessible directement : lacs, rivières, fleuves, etc. (0,02 %). Ainsi, moins de 1 % de l'approvisionnement en eau douce sur terre peut être utilisé comme eau potable.
Sous nos climats, l'apport d'eau au sol se fait sous forme de pluie, neige, rosée et brouillard. Toute l'eau des précipitations n'atteint pas le sol: une part est évaporée directement pendant et après la pluie; les gouttes peuvent être interceptées en partie par le feuillage. L'eau qui atteint le sol ruisselle, s'infiltre et réhumecte le sol. Les racines absorbent cette eau que la tige et les feuilles évaporent par transpiration. Une fraction réduite finalement gagne la profondeur et atteint la nappe. Un profil habituel de la quantité d'eau contenue dans une coupe du sol et du sous-sol montre une augmentation de la teneur en eau avec la profondeur.
La teneur en eau est fonction de la porosité et de la perméabilité du sol. Le volume maximal d'eau qu'un sol peut retenir est la "capacité au champ" ou capacité de rétention du sol qui dépend essentiellement de la granulométrie du sol. Près de la surface, le sol n'est pas saturé, les espaces vides contiennent de l'eau et de l'air (Figure 1.3) ; l'eau est soumise aux forces de gravité et de capillarité. A partir d'une certaine profondeur, la teneur en eau n'augmente plus: le sol est saturé, tous les pores du sol sont remplis d'eau : cette zone saturée forme une nappe ; les forces de gravité sont prédominantes.
Figure 1.3 : Porosité du sol (Gaucher, 1968).
On distingue l’eau de gravité et l’eau de rétention.
- l’eau de gravité : correspond à l’eau qui s’infiltre jusqu’à rejoindre une éventuelle nappe phréatique.
- l’eau de rétention : est l’eau maintenue dans les horizons de surface. Elle existe sous deux formes, l’eau capillaire et l’eau pelliculée :
- l’eau capillaire, soumise à des forces électrostatiques et ioniques supérieures, au pouvoir de succion des racines, se fixe aux particules du sol. Elle n’est donc pas disponible pour les végétaux. Ceci correspond au point de flétrissement des plantes.
- l’eau pelliculée, dite aussi liée, située dans les pores entre les agrégats du sol, est au contraire utilisable par les plantes. Elle correspond à la capacité au champ du sol.
(1) grosse crevasse déterminant la surstructure.
(2) crevasse de 2ème ordre délimitant les agrégats (3) fissures fines déterminant la sous-structure
(4) canalicules de faible diamètre
(5) grosse lacune traversant les agrégats
(6) lacune tubulaire creusée par un lombric
II.
Généralités sur la matière organique
La MO des sols (MOS) est un important réservoir dynamique, dans le cycle global du carbone et des autres éléments. La quantité de carbone dans les sols a été estimée à 1760x1012 kg, soit deux fois plus que dans l’atmosphère (O'Neill, 1993).
La MOS est l’ensemble des composés organiques issus de résidus d’organismes (végétaux ou animaux) à différents stades de décomposition, synthétisés par les organismes vivants ou des produits de dégradation.
Dans la plupart des modèles actuels sur la MOS, celle-ci est considérée comme étant composée de plusieurs fractions discrètes, qui différent par leur taux de décomposition intrinsèque et par les facteurs contrôlant ces taux de décomposition.
La diversité de ces modèles indique l’existence de nombreuses méthodes permettant d’extraire et de caractériser la matière organique.
II.1 Les analyses physico-chimiques
II.1.1 Analyses Spectroscopiques
II.1.1.1 Spectroscopie InfraRouge
La spectroscopie infrarouge permet d’identifier les groupements fonctionnels présents dans l’échantillon (Tableau 1.1). L’absorption du rayonnement infrarouge par les molécules conduit à la vibration des liaisons. Les spectres obtenus sont très complexes et un grand nombre de bandes d’absorption se superposent.
Dans les échantillons de sol, la présence de minéraux, dont la vibration de certaines liaisons possède un nombre d’onde similaire à celle de liaisons organiques, rend les spectres beaucoup plus délicats à interpréter. La majorité des auteurs utilisent donc la spectroscopie InfraRouge dans l’étude des acides humiques (Brunetti et al., 2007) ou fulviques (Ait Baddi et
al., 2004a)
Cependant, certaines bandes de vibration restent clairement identifiables (C-H aromatiques et aliphatiques) et permettent d’appréhender l’évolution de ces groupements moléculaires lors de la comparaison de plusieurs échantillons. Ainsi Castaldi et al. (2005) ont mis en évidence l’aromatisation des acides humiques d’un compost de déchets municipaux et verts. De la même manière, Ait Baddi et al. (2004a) ont mis en évidence la diminution du pic
correspondant aux alkyles et une augmentation des aromatiques au cours du compostage de déchets de broyage d’olives.
Longueur d’onde (cm-1) Vibration Groupe fonctionnel ou composés
3700-3620 3400 3180-3090 2920 2850 2590-2560 2520 1820 1740-1720 1640 1635 1600 1600-2590 1570-1540 1515-1505 1425 1400 1384 1320 1265-1240 1250-900 1140-1080 1080-1030 875 850-750 800-770 750-700 680-610 Al-Al-OH (2 bandes) O-H élongation NH2 élongation (2 bandes) C-H élongation C-H élongation S-H élongation C=O C=O C=C O-H déformation N-H dans le plan C=C N-H dans le plan C=C COO- élongation C-O élongation N-O élongation C-N élongation C-O C-N C-O-C, C-O C-O-P S-O élongation
C-O / Si-O élongation (Si-O-Si) C-O déformation hors du plan NH2 déformation hors du plan N-H
S-O déformation
Kaolinite, smectite
Groupe alcool lié et non-lié et eau Amines primaires Molécules aliphatiques Molécules aliphatiques Thiol Carbonate, dolomite Dolomite
Aldéhyde, cétone, acides carboxyliques, et esters Amide I, carboxylates Alcènes, aromatiques Eau absorbée Amines Aromatiques Amides II Squelette aromatique Acides carboxyliques Carbonates Nitrates Nitrates
Amines aromatiques primaires et secondaires Acides carboxyliques
Amide III Polysaccharides Phosphodiesters Sulfates inorganiques
Polysaccharides / Quartz, Argiles Silicates Carbonates Amines primaires Quartz Amines secondaires Sulfates inorganiques
Tableau 1.1 : Valeurs des bandes d’Infra Rouge caractéristiques dans les sols ou les composts.
II.1.1.2 Spectroscopie de Fluorescence
L’utilisation de la spectroscopie moléculaire, permet une investigation de la structure et de la conformation de la MOD. Il est ainsi possible de déterminer un degré d’humification, et de décrire la relation et l’évolution de la matière organique soluble par rapport aux phases organiques solides (Cocozza et al., 2003).
II.1.2 Résonance Magnétique Nucléaire
La RMN du carbone en phase solide (CP-MAS) permet d’identifier les fonctions présentes dans la matière organique des sols et du compost. Le 13C possédant un spin non nul, absorbe de l’énergie lorsqu’il est placé dans un champ magnétique. L’abondance isotopique du 13C étant faible, le signal est amplifié en utilisant la séquence de polarisation croisée (CP). Pour affiner les raies, l’échantillon est mis en rotation à l’angle magique (MAS).
La quantification est délicate avec cette technique, aussi les différents auteurs se contentent de comparer les intensités relatives des différents types d’atomes de carbone observés (Brunetti et al., 2007; Castaldi et al., 2005; González-Vila et al., 1999). Le spectre RMN peut être divisé en plusieurs régions (Tableau 1.2).
Région Déplacements chimiques Désignation
I 0-50 ppm C aliphatiques
II 50-110 ppm C-O (hydrate de carbone, alcools, esters), C-N (amines)
III 100-160 ppm C aromatiques et phénoliques
IV 160-180 ppm C carboxyliques et amides
V 180-220 ppm C de carbonyles
Tableau 1.2 : Déplacements chimiques des carbones en RMN 13C.
La RMN du proton (Tableau 1.3) permet de quantifier, essentiellement, la contribution des structures aromatiques, aliphatiques ou la présence de fonctions oxygénées dans les substances humiques des sols, compost et sol amendés (Adani et Tambone, 2005).
Déplacements chimiques Désignation 0-2,5 ppm H aliphatiques
2,6-4,5 ppm C-O (hydrate de carbone, alcools, esters), C-N (amines) 5,8-9,5 ppm H aromatiques
Tableau 1.3 : Déplacements chimiques des protons en RMN 1H.
II.1.3 Analyse Thermo-gravimétrique et Thermique Différentielle
L’analyse thermo-gravimétrique (ATG) permet de mesurer les variations de masse d’un échantillon au cours d’un cycle de chauffage. L’analyse thermique différentielle (ATD) consiste à suivre les variations de température (ΔT) de l’échantillon étudié, comparées à celles d’un corps témoin inerte, c’est à dire dépourvu d’effets thermiques dans le domaine de température étudié. Ces deux analyses sont réalisées simultanément.
Les phénomènes observés peuvent être:
- endothermiques (ΔT<0) généralement associés à la déshydratation du matériau et la modification de la structure des minéraux.
- exothermiques (ΔT>0) généralement associés à la décomposition de molécules organiques.
Les analyses thermiques, effectuées sur une argile provenant de Meseta au Maroc, ont mis en évidence des pertes d’eau (100°C et 136°C) piégée dans de la montmorillonite et la beidellite ainsi que la déshydroxylation à 550°C de la kaolinite et au-delà de 600°C pour la montmorillonite et la beidellite. Ces pics endothermiques correspondent donc à des minéraux (Gibbs et al., 2000; Hajjaji et al., 2001).
La présence de carbonates peut être déterminée par la présence de pics endothermiques vers 800°C (Gibbs et al., 2000). Cependant cette température peut varier selon le type de carbonate et une éventuelle complexation avec de la matière organique.
Deux pics exothermiques (295-307°C et 436-469°C) correspondant respectivement à des composés aliphatiques et aromatiques sont observés lors de l’analyse d’un compost (Dell'Abate et al., 2000). Le rapport des pertes de masse associées au second pic exothermique sur celles associées au premier peut être calculé. Celui-ci augmente à mesure que le compost évolue ce qui montre que sa matière organique devient plus complexe et donc plus stable. Ceci a été mis en évidence par Som (2006) qui a étudié l’évolution de la matière organique d’un compost de déchets verts et bio-déchets au cours de sa fabrication.
Les analyses thermiques sont très peu utilisées dans la caractérisation de la matière organique des sols globaux. Ceci est dû à la faible quantité de matière organique qu’ils contiennent et aux diverses réactions secondaires, dues aux minéraux, qui peuvent compliquer les thermogrammes. Les analyses thermiques sont donc principalement utilisées dans les l’étude des substances humiques. Kučerík et al. (2006) ont étudié les acides humiques issus de lignite. Ils ont divisé leurs thermogrammes en 4 parties :
- A : évaporation de l’humidité,
- B : dégradation des structures aliphatiques et de quelques structures aromatiques (i.e., partie biodégradable),
- C : dégradation des structures aromatiques (partie humifiée) - D : dégradation des structures hétérocycliques (partie humifiée).
Ce découpage des thermogrammes est similaire à celui réalisé dans le cadre de la matière organique de compost. Un autre paramètre important utilisé par Kučerík et al. (2006) correspond au rapport de la perte de masse des parties C et D avec la perte de masse de la partie B (TGI).
Dell'Abate et al. (2003) ont étudié les substances humiques de sols cultivés et sous prairie de climats tropicaux et tempérés. Ils ont observé deux pics exothermiques principaux (200-300°C et 300-500°C). La réalisation des analyses thermiques sous atmosphère oxydante (air) et inerte (hélium) permet de calculer différents indices :
- Substances humiques récalcitrantes (recalcitrant HS) = perte de masse sous air – perte de masse sous He
- Index de récalcitrance thermique (IR) = recalcitrant HS*100 / perte de masse sous air
- Index de décomposabilité thermique (ID) = perte de masse sous He*100 / perte de masse sous air.
Ils ont ainsi déterminé que les sols tropicaux contiennent une fraction récalcitrante plus importante que dans les sols tempérés. Ceci indique que la matière organique des sols tropicaux est plus dégradée et que les conditions climatiques permettent une minéralisation plus rapide des fractions labiles.
L’ATD-ATG a aussi été utilisée dans la caractérisation des substances humiques aquatiques (Esteves et Duarte, 1999; Peuravuori et al., 1999).
Les courbes ATD de complexes organo-argileux se divisent en trois parties : - (1) Déshydration des argiles
- (2) Oxydation thermique de la matière organique - (3) Déshydroxylation des argiles.
Les réactions exothermiques d’oxydation ayant lieu au cours du chauffage se déroulent en deux étapes. Entre 200–500°C, l’oxydation de l’hydrogène organique a lieu ainsi que la formation d’eau et de charbon. Entre 400–750°C, l’oxydation du charbon et la formation de CO2 se produisent. La température de ces pics exothermiques dépend de la composition
minérale et organique de l’échantillon et du type de liaisons liant ces deux composants des complexes (Yariv, 2004).
L’étude de la stabilité thermique de la matière organique obtenue par fractionnements granulométriques et densimétriques d’un sol cultivé, montre que la matière organique la moins stable est constituée de carbohydrates, phénols, de certains composés azotés, d’acides gras et de certains stérols. La matière organique plus stable, quant à elle, est constituée essentiellement de dimères ligneux, peptides, alkylaromatiques, subérine et de la majorité des stérols (Schulten et Leinweber, 1999). Ces résultats montrent aussi que la matière organique la plus fortement liée aux minéraux contient une part majeure de carbohydrates et peu de dimères ligneux. Ceci est confirmé par Plante et al. (2005) qui ont observé une augmentation de la perte de masse à haute température, par rapport aux basses températures, après traitement à l’eau oxygénée de fractions < 2µm issues d’échantillons de sols cultivés.
II.2 Les fractionnements chimiques
Le protocole IHSS, de fractionnement de la matière organique des sols, est recommandé par la Société Internationale des Substances Humiques (IHSS) (Calderoni et Schnitzer, 1984). Il est basé sur des critères de solubilité. Les lipides sont solubilisés dans les solvants organiques. Les acides "fulviques" et "humiques" sont extraits en milieu alcalin. Les "acides humiques" sont séparés des "acides fulviques" par précipitation en milieu acide. "L’humine" reste totalement insoluble. D’autres protocoles utilisant des traitements acides ou aqueux donnent accès à des molécules non humiques. Ces molécules sont décrites plus loin.
II.2.1 Les lipides
Les lipides jouent un rôle important dans les processus du sol (Stevenson, 1982) car ils affectent à la fois les plantes et la microflore et influencent les propriétés physiques du sol (Jambu et al., 1983). Les lipides ont une origine essentiellement végétale (Kolattukudy, 1980) avec une contribution bactérienne (Amblès et al., 1983). Ils peuvent, par ailleurs, provenir de la transformation, par les micro-organismes, de composés issus des végétaux (Amblès et al., 1985).
Considérés comme des précurseurs d’hydrocarbures pétroliers (Shimoyama et Johns, 1972) ou de kérogènes (Shioya et Ishiwatari, 1983), les lipides du sol ont fait l’objet de nombreuses études. En dépit d’importants progrès réalisés ces dernières années, la détermination de l’origine spécifique des différents types de kérogènes et leurs mécanismes
