PERFORMANCES EPURATOIRES DE LA JACINTHE D’EAU (EICHHORNIA CRASSIPES) FACE AUX MICROPOLLUANTS PHARMACEUTIQUES :

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL

Option : Sciences & Techniques de l’Eau (STE)

POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

THEME : PERFORMANCES EPURATOIRES DE LA JACINTHE D’EAU (EICHHORNIA CRASSIPES) FACE AUX MICROPOLLUANTS PHARMACEUTIQUES : CAS DU PARACETAMOL.

Présenté et soutenu par : Larisse Y. S. HEFOUNME

hefounmelarisse@yahoo.fr

Sous la supervision de :

Pr. Martin Pépin AÏNA

Maître de conférences- CAMES

COMPOSITION DE JURY

Président: Pr. François de Paule CODO, Maître de Conférences des Universités CAMES Membres : Dr Léonce C.F.DOVONON, Enseignent, EPAC

Dr. Hervé LABITE, Collaborateur extérieur de l’EPAC

Année académique : 2014-2015

8

^ème

Promotion

Un instant de douleur peut amener

à une vie de gloire.

CERTIFICATION

Je certifie que ce mémoire a été conduit et réalisé sous ma direction par Mademoiselle Yemboito Sènan Larisse HEFOUNME au département de Génie Civil de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) à l’Université d’Abomey-Calavi (République du Bénin).

Le Maître de mémoire,

Pr. Martin Pépin AÏNA

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

DEDICACE

Je dédie ce mémoire à :

Dieu tout puissant, Créateur du Ciel et de la Terre, de l’Univers Visible et Invisible. Lui qui m’a toujours protégée, guidée et éclairée tout au long de mon cursus. Tout vient de toi Seigneur, je viens humblement t’offrir ce travail, fruit de mes efforts. Veuille bien l’accepter en guise de remerciement et qu’il me soit fait selon ta volonté.

TABLE DES MATIERES

CERTIFICATION ... I DEDICACE ... II TABLEDESMATIERES ... III REMERCIEMENTS ... VII LISTESDESFIGURES ... X LISTEDESTABLEAUX ... XI SIGLESETABREVIATIONS ... XII RESUME ... XIII ABSTRACT ... XIV

INTRODUCTION GENERALE ... 1

1^ERE PARTIE : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ... 5

CHAPITRE1 :LAGUNAGEAMACROPHITEFLOTTANTES ... 6

1. Définition et historique du lagunage à macrophytes flottants. ... 6

1.1. Définition ... 6

1.2. Historique ... 8

2. Avantages et Inconvénients du lagunage à macrophytes ... 8

2.1. Avantages ... 8

2.2. Inconvénients ... 9

3. Principes de fonctionnement du lagunage ... 9

4. Mécanismes épuratoires dans le lagunage à macrophytes flottants ... 11

4.1. Processus d’élimination du carbone ... 12

4.2. Processus d’élimination de l’azote ... 14

4.3. Processus d’élimination du phosphore ... 16

4.4. Processus d’élimination des germes pathogènes ... 17

5. Espèce flottante étudiée et performance épuratoire ... 18

5.1. Présentation de la jacinthe d’eau ... 19

5.1.1. Morphologie ... 19

5.1.2. Reproduction ... 20

5.2. Performance épuratoire ... 21

5.3. Facteurs influençant la croissance de la Jacinthe d’eau ... 22

CHAPITRE2 :LES MICROPOLLUANTS PHARMACEUTIQUES ETLEURSPROCEDES D’ELIMINATION ... 24

1. Médicaments et environnement ... 24

1.1. Historique des médicaments ... 24

1.2. Classification des médicaments ... 26

1.3. Utilisation des produits pharmaceutiques ... 28

1.3.1. Les niveaux d’utilisation des produits pharmaceutiques dans le monde ... 28 1.3.2. Les niveaux d’utilisation des produits pharmaceutiques en Afrique et au Bénin 28

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

1.4. Contamination environnementale par les micropolluants ... 29

1.4.1. Contamination de l’atmosphère ... 30

1.4.2. Contamination des sols ... 30

1.4.3. Contamination des milieux aquatiques et des ressources en eau douce ... 31

2. Effets des substances pharmaceutiques sur les écosystèmes aquatiques ... 31

2.1. Toxicité aiguë ... 32

2.2. Toxicité chronique ... 33

2.3. Risques d’exposition pour l’environnement ... 35

2.3.1. Risques d’exposition pour le milieu aquatique de quelques produits pharmaceutiques ... 35

2.3.2. Risques d’exposition pour l’homme ... 38

3. La gestion des risques (législation) ... 39

4. Définition et source des micropolluants pharmaceutiques dans les eaux usées. ... 40

4.1. Définition ... 40

4.2. Sources des micropolluants pharmaceutiques dans les milieux aquatiques ... 41

5. Caractéristiques du paracétamol ... 43

5.1. Propriétés physico-chimiques ... 43

5.2. Rôle du paracétamol ... 45

6. Les différents procédés d’éliminations des micropolluants pharmaceutiques ... 46

6.1. Les méthodes biologiques ... 46

6.2. Méthodes physico-chimiques ... 49

6.3. Méthodes chimiques ... 49

2^EME PARTIE : MATERIELS ET METHODES ... 53

CHAPITRE 3 :METHODE EXPERIMENTALE ... 54

1. Présentation de la zone d’étude ... 54

1.1. Choix expérimentaux ... 55

1.1.1. Choix du macrophyte flottant ... 55

1.1.2. Le choix du « Paracétamol Lucien » ... 56

1.1.3. Choix des différentes gammes de concentration ... 56

1.1.4. Choix du temps de séjour ... 56

2. Démarche expérimentale pour l’étude de l’élimination du paracétamol ... 57

2.1. Dispositif expérimental ... 57

2.1.1. Pilote expérimental ... 57

2.1.2. Préparation de la solution nutritive ... 58

2.1.3. Pollution en différentes concentrations de paracétamol ... 59

2.1.4. Insertion des jacinthes d’eau ... 60

CHAPITRE 4:METHODE ANALYTIQUE ... 61

1. Echantillonnage ... 61

1.1. Collecte des données relatives à l’élimination du paracétamol ... 61

1.2. Etude de la productivité des plantes ... 62

2. Paramètres physico-chimiques ... 62

2.1. La température ... 62

2.2. Le potentiel d’hydrogène (pH) ... 63

2.3. La conductivité ... 63

2.4. Chromatographie Liquide à Haute Performance. ... 64

3. Analyse statistique des données ... 65

3^EME PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSION ... 66

CHAPITRE 5:ELIMINATION DU PARACETAMOL PAR LA JACINTHE D’EAU ... 67

1. Performance d’élimination du Paracétamol ... 67

1.1. Evolution des paramètres de suivi de fonctionnement ... 67

1.1.1 Evolution de la température ... 67

1.1.2. Evolution du pH ... 69

1.1.3. Evolution de la conductivité ... 70

2. Evolution des polluants dans les bassins ... 71

2.1. Cinétique d’élimination du Paracétamol ... 71

2.2. Rendement d’élimination ... 73

3. Effet du polluant sur la biomasse végétale ... 74

3.1. Croissance de la biomasse végétale ... 74

3.2. Tolérance des plantes vis- à- vis des concentrations appliquées ... 75

4. Discussion générale sur la performance d’élimination du paracétamol par la jacinthe d’eau ... 75

CONCLUSION ET PERSPECTIVES ... 77

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 79

ANNEXES ... 88

ANNEXE 1 :PARAMETRES DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT DES BASSINS POUR L’ETUDE DE L’ELIMINATION DU PARACETAMOL A 10MG/L. ... 89

ANNEXE 2 :PARAMETRES DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT DES BASSINS POUR L’ETUDE DE L’ELIMINATION DU PARACETAMOL A 50MG/L ... 90

ANNEXE 3 :PARAMETRES DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT DES BASSINS POUR L’ETUDE DE L’ELIMINATION DU PARACETAMOL A 100MG/L. ... 91

ANNEXE 4 :CALCULS STATISTIQUES DES PARAMETRES DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT DES BASSINS POUR L’ETUDE DE L’ELIMINATION DU PARACETAMOL A DIFFERENTES CONCENTRATIONS. ... 92

ANNEXE 5 :EVOLUTION DE LA CONCENTRATION RESIDUELLE DU PARACETAMOL A 10MG/L EN FONCTION DE TEMPS DE SEJOUR. ... 93

ANNEXE 6 :EVOLUTION DE LA CONCENTRATION RESIDUELLE DU PARACETAMOL A 50MG/L EN FONCTION DE TEMPS DE SEJOUR. ... 94

ANNEXE 7 :EVOLUTION DE LA CONCENTRATION RESIDUELLE DU PARACETAMOL A 100MG/L EN FONCTION DU TEMPS DE SEJOURS. ... 95

ANNEXE 8 :RENDEMENT D’ELIMINATION DU PARACETAMOL A DIFFERENTES CONCENTRATIONS. ... 96

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

ANNEXE 9:PRODUCTIVITE DES PLANTES AU COURS DE L’ETUDE DE L’ELIMINATION DU

PARACETAMOL A DIFFERENTES CONCENTRATIONS. ... 96

REMERCIEMENTS

Ce travail de mémoire a été réalisé au sein du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau (LSTE) de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) de l’Université d’Abomey-Calavi (UAC) et au Laboratoire de Biochimie et de Substances Naturelles Bioactives de la Faculté des Sciences de Santé (FSS).

Ce travail ne pourra pas se faire sans les appuis techniques de certaines personnes morales et physiques à qui je dois toute ma reconnaissance.

Ma reconnaissance va à l’endroit du Professeur Martin Pépin AÏNA, Maître de Conférences des Universités CAMES pour la confiance qu’il m’a témoignée en m’accueillant au sein de son laboratoire. Grand homme de sciences et de foi, vous êtes un modèle pour tout jeune conscient de son avenir. Daigne Dieu vous accorder la grâce de continuer sur cet élan.

Mes remerciements vont aussi à l’endroit du Dr. Peace HOUNKPE WENDEOU, mon co-maître de mémoire, pour avoir accepté encadrer ce travail et le conduire jusqu’au bout. Ce document n’aurait pas pu être réalisé sans ses précieux conseils, son coaching permanent, sa disponibilité, son enthousiasme et cette confiance placée en moi.

Je témoigne ma gratitude à tous les membres du Jury qui ont accepté consacrer de leur temps pour juger ce travail et contribuer à son amélioration.

Je veux également exprimer toute ma gratitude et mon admiration à Mme Flora ADJAHATODE AGBOMENOU qui a suivi de près ce travail malgré ses multiples occupations. Je l'en remercie sincèrement et je saisis cette occasion pour lui exprimer ma haute estime, considération et gratitude.

Je suis reconnaissante envers l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), pour la qualité de la formation qui m’y a été donnée. Mes remerciements vont à l’endroit du :

 Professeur Félicien AVLESSI, Professeur Titulaire des Universités CAMES, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;

 Professeur Clément BONOU, Maître de Conférences des Universités CAMES, Directeur Adjoint de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ;

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

 Docteur Gossou Jean HOUINOU, Maître Assistant des Universités CAMES, Chef Département Génie Civil ;

Mes remerciements vont également à l’endroit de tous les professeurs du département de Génie civil qui ont fait de moi l’Homme de science que je suis :

 Professeur Edmond ADJOVI, Maître de Conférences des Universités CAMES ;

 Professeur François de Paule CODO, Ing. Master of Sc., PhD ; Maître de Conférences des Universités CAMES, Chef d’option Sciences et Technique l’Eau ;

 Professeur Gérard GBAGUIDI AÏSSE, Maître de Conférences des Universités CAMES ;

 Professeur Victor GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités CAMES ;

 Professeur Mohamed GIBIGAYE, Maître de Conférences des Universités CAMES ;

 Docteur Ezéchiel ALLOBA, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Taofic BACHAROU, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Noël DIOGO, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Léopold DEGBEGNON, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Agathe HOUINOU, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Mathias SAVY, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Adolphe TCHEHOUALI, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Fidèle TONON, Enseignant à l’EPAC ;

 Docteur Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant des Universités CAMES ;

 Docteur Luc ZINSOU, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur Eléna AHONONGA, Enseignante à l’EPAC ;

 Ingénieur Maxime ASSOGBA, Enseignant à l’EPAC ;

 Ingénieur Paul LANMADJEKPOGNI, Enseignant à l’EPAC ;

Je suis reconnaissante envers mes parents Rémi HEFOUME et Virginie AGON, pour tous les sacrifices consentis jusqu’à ce jour et pour tout le support ineffable dont ils ont fait preuve à mon égard. Ma gratitude et ma reconnaissance à leur endroit sont sans bornes et j’en profite pour leur renouveler mon amour filial.

Je remercie Joël, Juvénal, Viscentia et Edmond HEFOUNME pour leur soutien et leur prière quotidienne pour l’aboutissement de ce travail.

Mes sentiments de profondes gratitudes s’adressent aussi à Roland BODE pour son soutien moral et ses sages conseils.

J’exprime ma profonde gratitude à tous les membres du Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau pour leur assistance dans l’élaboration de ce document.

Je tiens à remercier tous les stagiaires du LSTE qui m’ont aidée de diverses manières.

Mes remerciements vont à l’endroit de tous les camarades de la huitième promotion d’Ingénieur de Conception, particulièrement ceux de Génie Civil pour tous ces moments passés ensemble sur le chemin de la quête du savoir.

C’est avec une très grande sincérité que je tiens à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, n’ont ménagé aucun effort pour la concrétisation de cette étude. Je vous témoigne ici toute ma gratitude.

Je tiens à remercier d’une manière très spéciale Joël ADANDONON pour l’affection et le soutien qu’il a eu à mon égard durant cette période.

Sans tout un chacun de vous, il m’aurait été difficile d’achever ce travail. Soyez assurés que le soutien moral, financier, technologique et pédagogique que vous m’avez apporté a une grande valeur à mes yeux.

A tous, je dis merci infiniment.

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

LISTES DES FIGURES

Figure 1: Les différents types de lagunage à macrophytes ... 7

Figure 2: Principes de l'épuration dans un bassin à macrophytes à macrophytes flottants ... 10

Figure 3: Principaux processus de transformation et d'élimination du carbone dans les systèmes d'épuration des eaux. ... 13

Figure 4: Principaux processus de transformation et d'élimination de l'azote dans les systèmes naturels d'élimination des eaux. ... 15

Figure 5: Principaux processus de transformation du phosphore dans les systèmes d'épuration des eaux usées ... 17

Figure 6 : Jacinthe d'eau (Eichhornia Crassipes) ... 19

Figure 7: Histoire chronologique du médicament. ... 25

Figure 8: Toxicité aigüe de 24 médicaments sur quelques taxons aquatiques. EC50 et LC50 pour différents organismes, différents paramètres et différents temps ... 33

Figure 9 : Toxicité chronique de 10 médicaments appartenant à différentes classes thérapeutiques. ... 34

Figure 10: Le cycle de vie des médicaments. ... 42

Figure 11: Principaux procédés de production des radicaux hydroxyles. ... 51

Figure 12: Situation géographique du campus universitaire d'Abomey Calavi ... 55

Figure 13: Prélèvement de la solution nutritive. ... 57

Figure 14: Préparation de la solution nutritive. ... 59

Figure 15: Mini-bassins utilisés pour les expérimentations. ... 60

Figure 16: Evolution de la température dans les bassins d'expérimentation. ... 68

Figure 17: Evolution de pH dans les bassins d'expérimentation. ... 69

Figure 18: Evolution de la conductivité dans les bassins d'expérimentation. ... 70

Figure 19: Cinétique d'élimination du paracétamol. ... 71

Figure 20: Les courbes de l’évolution du logarithme Népérien des concentrations résiduelles des polluants en fonction du temps de séjour. ... 73

Figure 21: Le rendement d'élimination du paracétamol par la jacinthe. ... 73

Figure 22: La productivité des plantes lors de l'étude de la performance. ... 74

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: Quelques classes thérapeutiques de médicaments ... 27

Tableau 2: Les caractéristiques chimiques du paracétamol. ... 45

Tableau 3: Résultats obtenus pour l'élimination de micropolluants par les WRF. ... 48

Tableau 4 : Composition du milieu de Hillman préparé pour l'expérience ... 58

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

SIGLES ET ABREVIATIONS

AMM : Autorisation de Mise sur le Marché BDD : Boron Doped Diamond

CDER : Center for Drug Evaluation and Research CUAC : Campus Universitaire d’Abomey-Calavi CIT : Carbone Inorganique Total

COD : Carbone Organique Dissous COP : Carbone Organique Particulaire COT : Carbone Organique Total

CTOM : Centre de Traitement d’Ordures Ménagères ECOSAR : ECOlogical Structure Activity Relationship EUD : Eaux Usées Domestiques

EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi FBC : Facteur de Bio-Concentration

FDA : Food and Drug Administration FSS : Faculté des Sciences de Santé

HPLC : Chromatographie Liquide à Haute Performance INE : Institut National de l’Eau

LSTE : Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau MES : Matière En Suspension

Mi : Masse initiale de jacinthe

Mf : Masse finale de jacinthe N2 : Azote

PED : Pays En Développement

PILLS : Pharmaceutical Input and Elimination from Local Sources pH : potentiel d’hydrogène

POA : Procédés d’oxydation Avancée STE : Station d’Epuration des Eaux Usées T : Température

TC : Taux de Croissance WRF : White Rot Fungus

RESUME

De grandes quantités de substances actives pharmaceutiques variées sont fabriquées par les industries pharmaceutiques pour protéger la santé des humains et des animaux. Une partie de ces médicaments dispensés aux patients reste inutilisée ou non entièrement métabolisée par l’organisme. Elle atteint par de nombreuses voies les milieux aquatiques et constitue donc un danger pour l’environnement. D’où l’expérimentation de la réactivité de la jacinthe d’eau face à l’élimination des produits pharmaceutiques. Dans le cadre de cette étude, le paracétamol Lucien (analgésique) a été choisi. L’étude a permis d’évaluer la capacité de la jacinthe d’eau à éliminer le paracétamol. La démarche méthodologique utilisée a consisté à la mise en place d’un dispositif expérimental constitué de mini-bassins, de solution nutritive contenant 0, 10, 50 et 100mg/L de paracétamol et de la jacinthe d’eau. Les paramètres de suivi de fonctionnement à savoir la température, le pH et la conductivité ont été déterminés quotidiennement à partir de 08h. Les teneurs résiduelles en paracétamol ont été quant à elles déterminées en début d’expérimentation puis les 3^ème, 7^ème et 11^ème jours d’expérimentation à l’HPLC. La méthode analytique adoptée a consisté à la collecte, le traitement puis l’analyse des données. L’étude analytique de ce travail révèle que la cinétique d’élimination du paracétamol par la jacinthe d’eau varie en fonction de la concentration en paracétamol. Les rendements d’élimination diminuent lorsque la concentration du paracétamol dans la solution augmente en passant de 99,97% à 98, 77% puis 98, 63% respectivement pour 10mg L,50mg L, 100mg L. Plus le temps de séjour augmente, moins importante est la concentration résiduelle du paracétamol dans le milieu. Aussi, le taux de croissance de la jacinthe diminue-t-elle avec l’augmentation de la concentration en paracétamol. Il en ressort alors que plus la concentration du paracétamol dans la solution augmente, plus la jacinthe d’eau a du mal à l’assimiler et à se développer.

Mots clés : Performances épuratoires, micropolluant pharmaceutique, jacinthe d’eau, solution synthétique.

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Rédigé et présenté par : Y. S. Larisse HEFOUNME

ABSTRACT

Large quantities of various active pharmaceutical substances are manufactured by pharmaceutical industries to protect the health of humans and animals. A portion of these drugs, which are provided to patients, is not used or is not completely metabolized by the body. It reaches aquatic environments, through many means, and constitutes a danger to the environment. Hence this experiment to determine the reactivity of the water hyacinth when faced with the elimination of pharmaceuticals. For this study, paracetamol Lucien (an analgesic) has been chosen. The study was conducted to evaluate the ability of water hyacinth to remove paracetamol. The methodology used consisted in the establishment of an experimental device made up of mini-basins, a nutrient solution containing 0, 10, 50 and 100mg / L of paracetamol and water hyacinth.

The operation monitoring parameters, namely the temperature, the pH and conductivity were determined daily at 8AM. The residual contents of paracetamol were determined at the beginning, the 3rd, 7th and 11th days of the experimentation with the HPLC method. The analytical method used was to the collection, processing and analysis of data. The analytical study of this work showed that the elimination kinetics of paracetamol by water hyacinth varied depending on the concentration of paracetamol.

The elimination yields decrease when the paracetamol concentration in the solution increases going from 99.97%, up to 98.77%, then to 98.63% respectively for 10mg/L, 50mg/L and 100mg/L. The more the retention time increases, the less the less residual paracetamol there is in the medium. Also, hyacinth growth rate decreases with increasing concentrations of paracetamol. It appears then that the more the concentration of paracetamol in the solution increases, the more the water hyacinth has trouble assimilating it.

Keywords: Purifying performance, pharmaceutical micropolluant, water hyacinth, synthetic solution.

INTRODUCTION

GENERALE

De grandes quantités de substances actives pharmaceutiques variées sont fabriquées par les industries pharmaceutiques pour protéger la santé des humains et des animaux. La consommation de ces produits par l’homme, est en progression avec l’accroissement de la population et la connaissance thérapeutique. Le projet KNAPPE a estimé la consommation globale des médicaments par les humains dans le monde à 100 000 tonnes par an, soit environ 15 g par personne par an. Actuellement, environ trois mille (3000) substances actives pharmaceutiques sont autorisées en Europe (PILLS, 2012). Dans de nombreux cas, ces produits ne sont pas entièrement absorbés et métabolisés par le patient mais sont partiellement excrétés. De plus, une partie des médicaments dispensés aux patients reste inutilisée, et atteint, par de nombreuses voies, les milieux aquatiques (PILLS, 2012).

Grâce aux progrès considérables dans les technologies d’analyses chimiques, il est maintenant possible de mesurer de nombreux produits pharmaceutiques dans l’eau à des concentrations extrêmement basses. En conséquence, la détection des concentrations de l’ordre du nanogramme par litre est actuellement opérationnelle (PILLS, 2012). Les concentrations de résidus pharmaceutiques détectés dans l’eau, toutefois très faibles, inquiètent néanmoins la communauté scientifique. Elles deviennent une source de préoccupation environnementale.

Les dangers dus à la présence de micropolluants (produits pharmaceutiques et chimiques) présents dans les eaux de STEP rejetées dans les eaux de surface pour la faune et la flore sont encore peu connus. Mais les études écotoxicologiques sur les produits pharmaceutiques étudiés jusqu’à présent, montrent que la plupart des produits pharmaceutiques ont une toxicité aiguë pour les organismes aquatiques (KEIL, 2008).

Ainsi, des systèmes physico-chimiques ou biologiques pour réduire l'effet de la contamination par les micropolluants pharmaceutiques ont été mis en place. La plupart d'entre eux est coûteuse ou nécessite une haute technologie et par conséquent ne peut être appliquée à toutes les échelles (GAO, 2010).

La directive européenne 2013/39 du 12 août 2013 débute par ce préambule : « La pollution chimique des eaux de surface constitue une menace tant pour le milieu aquatique, avec des effets tels qu’une toxicité aiguë et chronique pour les organismes aquatiques, l’accumulation des polluants dans les écosystèmes, la disparition d’habitats

et la perte de biodiversité, que pour la santé humaine. Il convient en priorité de déterminer les causes de pollution et de lutter contre les émissions de polluants à la source, de la façon la plus efficace possible du point de vue économique et environnemental ». Elle convient ensuite que pour réduire les coûts de traitement et améliorer la qualité de l’eau, « l’élaboration de technologies de traitement de l’eau innovantes pourrait être encouragée ».

Pour Aïna et al.,2012 l’utilisation des systèmes naturels en général et plus spécifiquement ceux exploitant les plantes aquatiques se présente aujourd'hui comme une alternative viable et de moindre coût face aux systèmes conventionnels d’épuration des eaux usées. A titre d’exemple le lagunage à macrophytes est l’un des systèmes d’épuration auquel s’intéressent plusieurs chercheurs des Pays En Développement (PED) Son choix par ces auteurs est dû non seulement à sa simplicité de fonctionnement, à son faible coût d’installation et de fonctionnement, aux multiples possibilités de réutilisation des eaux traitées mais aussi à la réussite de son expérimentation dans bon nombre de PED comme les pays de l’Afrique de l’Ouest que sont le Sénégal, le Cameroun, le Burkina-Faso (Koné, 2002). Aussi, Kpondjo (2011) et Akowanou (2012) ont-ils expérimenté sur le Centre Technologique Pratique pour l’Eau potable et l’Assainissement (CTPEA) de l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi (EPAC), l’épuration des eaux usées à base des macrophytes flottants tels que la jacinthe d’eau, la laitue d’eau et la lentille d’eau. Il ressort de leur expérimentation que ces plantes en particulier la jacinthe d’eau possèdent d’énormes potentiels épuratoires et peuvent donc être utilisées pour l’élimination des polluants des eaux usées domestiques. Les systèmes d’épuration des eaux usées par les macrophytes (ou plantes aquatiques de grande taille) sont des dispositifs spécialement conçus et aménagés dans lesquels les plantes jouent un rôle prépondérant dans l’élimination des polluants (Kengne, 2000). Vu ces potentialités de la jacinthe, il serait donc d’intérêt scientifique d’expérimenter la réactivité de la jacinthe d’eau face aux produits pharmaceutiques dans une eau synthétique préparée. Il urge aussi d’évaluer le comportement de la jacinthe face à différentes concentrations de ces micropolluants retrouvés dans les eaux. D’où la présente étude sur les performances épuratoires de la jacinthe d’eau face au paracétamol.

Dans le cadre de cette étude, plusieurs raisons motivent le choix du produit pharmaceutique paracétamol qui est un analgésique comme polluant. En effet, le paracétamol a été choisi non seulement du fait qu’il soit le produit le plus vendu par les vendeurs illicites des produits pharmaceutiques mais aussi le plus connu et consommé par la population béninoise sans aucune forme de consultation médicale. De plus, ce choix, est dû aux risques potentiels qu’il fait peser sur l’environnement du fait de sa présence dans nos eaux usées domestiques et hospitalières ; de son volume annuel de production et de la performance de nos laboratoires à quantifier la molécule du paracétamol.

Ce document est divisé en trois grandes parties :

 La première partie de notre travail présente la synthèse bibliographique en mettant en exergue les généralités sur les systèmes d’épuration des eaux usées par les macrophytes, les micropolluants pharmaceutiques, les risques qu’ils constituent pour l’environnement, ainsi que des procédés de leur élimination.

 La deuxième partie relative aux matériels et méthodes, décrit le dispositif expérimental ainsi que les paramètres analytiques utilisés pour la caractérisation, l’évaluation de la performance du traitement et de la croissance de la biomasse végétale.

 La troisième partie consacrée aux résultats et discussion, présente les performances épuratoires du système ainsi que l’effet du micropolluant pharmaceutique sur la croissance de la jacinthe d’eau.

Objectif Général

Etudier la réactivité de la jacinthe d’eau face au paracétamol.

Objectifs Spécifiques

 Evaluer la capacité de la jacinthe d’eau face à l’élimination du paracétamol ;

 Etudier l’impact du micropolluant paracétamol sur la productivité de la jacinthe d’eau.

1 ^ère PARTIE : SYNTHESE

BIBLIOGRAPHIQUE

CHAPITRE 1 : LAGUNAGE A MACROPHITE FLOTTANTES

Les conditions socio-économiques et techniques qui prévalent dans les Pays En Développement (PED), les amènent à privilégier les solutions extensives pour l’épuration des eaux usées domestiques (EUD). La plus connue de ces solutions extensives de traitement des EUD est le lagunage (Akowanou, 2012). C’est un système simple à faible coût, qui ne demande pas une grande technicité pour sa maintenance et son suivi. De plus, ce type de système offre des possibilités de recyclage telle que la production de l’énergie à partir du biogaz qui en résulte (Effebi, 2009). Un type particulier de lagunage utilise des plantes aquatiques pour améliorer le traitement des EUD : il s’agit du lagunage à macrophytes. Son fonctionnement repose sur la complémentarité existant entre les micro-organismes et les plantes aquatiques (Kengne, 2000).

Ce chapitre donne un aperçu sur le lagunage en général et le lagunage à macrophytes flottants en particulier en abordant sa définition et son avènement en Afrique. Il met aussi en évidence la plante aquatique étudiée ainsi que sa performance épuratoire, les processus entrants en jeu dans l’élimination des charges polluantes au niveau d’un système du lagunage à macrophytes flottants.

1. Définition et historique du lagunage à macrophytes flottants.

1.1. Définition

Les systèmes d’épuration des eaux usées par les macrophytes (ou plantes aquatiques de grande taille) sont des dispositifs spécialement conçus et aménagés dans lesquels les plantes jouent un rôle prépondérant dans l’élimination des polluants (Brix, 1991 cité par Kengne, 2000). Ils sont souvent désignés sous les vocables de lagunage à macrophytes, de marais construits, de marécages artificiels ou encore de systèmes de traitement des eaux usées par les plantes aquatiques. La capacité des plantes à éliminer les polluants est influencée par des facteurs tels que la typologie de la plante choisie, le temps de rétention dans les bassins, les activités bactériennes, la charge organique entrante, les facteurs environnementaux tels que la température, la conductivité électrique et le pH de l'eau (Nya J., 2002). Selon le mode de croissance des plantes,

Kengne (2000) subdivise le lagunage à macrophytes en quatre (04) catégories : les lagunages à macrophytes flottants, émergents, entièrement immergés et les systèmes combinés suivant que les plantes utilisées soient flottantes, émergentes, entièrement immergées ou lorsque les différents types de plantes su citées sont utilisées en association dans le même site.

Figure 1: Les différents types de lagunage à macrophytes Source : Brix, 1991 cité par Kengne, 2000)

Légende : a = macrophytes flottants ; b = macrophytes émergents (écoulement d’eau en surface) c= macrophytes émergents (écoulement d’eau dans le sol) ; d = macrophytes immergés.

Le lagunage à macrophytes flottants est un système d’épuration des eaux usées exploitant des plantes aquatiques ayant un système racinaire flottant librement dans l’eau. L’une des plantes les plus utilisées est la Pontederiaceae Eichhornia crassipes (Agendia, 1995).

1.2. Historique

Les investigations pionnières sur l’utilisation des macrophytes pour l’épuration des eaux usées datent de 1946 et sont attribuées au Dr Kathie Seidel et les collaborateurs du Max Planck Institute d’Allemagne (Radoux, 1993). Toutefois, ce n’est que dans les années 1960-1970, avec les travaux de Yount, Sheffield, Boyd, Steward, Seidel et Wolverton, que le rôle de ces macrophytes dans l’amélioration de la qualité des eaux a été universellement reconnu (Kengne, 2000). Depuis lors, de nombreux travaux portant sur ce domaine ont vu le jour dans plusieurs pays, notamment en Amérique et dans les pays européens. Le lagunage a été introduit en Afrique de l'Ouest et du Centre par les agences françaises et suisses de coopération et d'aide au développement (Koné, 2002).

Les essais d'implantation ont commencé au Sénégal vers 1976, et entre 1985 et 1987 au Burkina Faso, au Cameroun, et en Côte d'Ivoire.

Au Bénin, des essais de lagunage à macrophytes à petite échelle ont été effectués au Centre de Traitement d’Ordures Ménagères (CTOM) et au Collège Père Aupiais (Kpondjo, 2011). Très récemment, des essais de lagunage à macrophytes flottants ont été effectué au CTPEA de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) (Kpondjo, 2011 ; Akowanou, 2012) sur de mini stations. De nombreuses autres recherches se déroulent sur ce même centre en vue d’appréhender tous les contours de ce système.

2. Avantages et Inconvénients du lagunage à macrophytes 2.1. Avantages

Le lagunage à macrophytes flottants présente plusieurs avantages (Koné, 2002), permettant sa mise en œuvre de façons efficace et durable, notamment :

 sa grande simplicité de fonctionnement : un simple réglage du débit permet aux eaux usées de s’écouler gravitairement à travers un ou plusieurs bassins. Durant ce parcours, les processus physico-chimiques et biologiques (sédimentation, filtration, adsorption, volatilisation, précipitation, réactions d'hydrolyse et d’oxydo-réduction, réactions photochimiques, métabolisme bactérien, absorption par les plantes) concourent à la purification de l'eau ;

 il ne requiert pas une source d’énergie électrique, ni une main d'œuvre qualifiée ;

 il ne nécessite pas des coûts d'installation et d'entretien élevés ;

 il est particulièrement adapté aux zones tropicales où les conditions climatiques favorisent un fonctionnement sans interruption pendant toute l'année ;

 la biomasse issue de la récolte des macrophytes peut être réutilisée pour l’agriculture, l’élevage ou la pisciculture ;

 les rendements épuratoires de ce système sont satisfaisants ;

 il est adapté aux petites collectivités.

2.2. Inconvénients

Le lagunage à macrophytes flottants, malgré ses nombreux avantages, présente certains inconvénients que voici :

 la réalisation des lagunes nécessite généralement une grande superficie, qui est fonction du nombre d’équivalent habitant que prend en charge la station ;

 les émissions d’odeurs nauséeuses qu’on peut empêcher par le reboisement du site;

 la prolifération des insectes et surtout des moustiques ;

 on note aussi une variation saisonnière de la qualité de l’effluent à la sortie des stations, du fait des paramètres environnementaux ; surtout dans les pays tempérés ou la variation saisonnière est très élevée

Cependant, les inconvénients du lagunage en général et celui à macrophytes en particulier, peuvent être pour la plupart maîtrisés pour permettre une utilisation judicieuse et efficace de ce procédé de traitement.

3. Principes de fonctionnement du lagunage

Le lagunage consiste à écouler lentement les effluents dans des étangs artificiels peu profonds On introduit des plantes épuratrices d’eau (filtres plantés) qui seront

récoltés lorsque la plante s’est suffisamment développée, ne laissant subsister qu’un petit nombre de sujets pour la reproduction (NATIONAL ACADEMY OF SCIENCE, 1979) (PIERMONT, 1982). Cette opération se répète régulièrement de manière à obtenir un processus continuel et régulier de purification des eaux et de production de biomasse (figure 2). Dans ces étangs prolifèrent naturellement des bactéries, algues et autres organismes vivants. Ceux-ci se nourrissent des matières organiques et des sels minéraux contenus dans les eaux usées. Elles les transforment alors en matière minérale assimilable par les plantes. En retour, les plantes aquatiques fournissent de l’oxygène aux bactéries par leurs racines. Suivant le temps de rétention des eaux résiduaires dans cette lagune, les micro-organismes pathogènes diminuent sous l’action des ultraviolets grâce à l’exposition au soleil (pour le lagunage aéré). Simultanément, le nombre des agents pathogènes tels que certaines bactéries, virus, parasites est considérablement réduit, notamment en raison de la longue période de rétention dans les réservoirs qui entraîne un dépôt par décantation puis leur mort (DEGRÉMONT, 1989). Le déroulement des mécanismes réactionnels dans un bassin d’épuration est influencé par les paramètres physico-chimiques de l’eau (pH, température, oxygène dissous).

Figure 2: Principes de l'épuration dans un bassin à macrophytes à macrophytes flottants

Source : (RAKOTOARISO, 2008)

4. Mécanismes épuratoires dans le lagunage à macrophytes flottants

Le mécanisme d’élimination des différentes formes de pollutions dans les bassins à macrophytes flottants est basé sur la relation symbiotique entre les plantes et les bactéries du milieu. Cette association crée un effet synergique qui se manifeste par l’augmentation de la vitesse de décomposition et d’absorption des polluants présents autour du système racinaire des plantes. Ces processus biogéochimiques aérobies et anaérobies concourent à l’élimination des polluants présents dans l’eau. Ils modifient le cycle des principaux éléments que sont le carbone, l’azote et le phosphore, et contribuent à l’élimination des germes pathogènes.

Les différentes contributions des macrophytes flottants à l’élimination des charges polluantes sont les suivantes :

 Le système racinaire des macrophytes flottants constitue un habitat propice aux micro-organismes aérobies et/ou facultatifs responsables de la dégradation des charges polluantes. Cette flore bactérienne importante bénéficie du transport de l’oxygène photosynthétique des parties aériennes des plantes vers les racines. De plus, ces plantes libèrent des métabolites qui sont utilisés comme sources de nutriments par ces micro-organismes (Kengne, 2000).

 La grande vitesse de reproduction des macrophytes assure une biomasse assez importante et la pérennité du processus de dégradation de la matière organique. Dans les stations de traitement à macrophytes flottants, la récolte régulière des plantes aquatiques permet d’éliminer les matières en suspension piégées dans les racines, les sels minéraux assimilés et les excédents d’organismes décomposeurs. Cette récolte favorise un rendement épuratoire élevé (Diarra et al., 2006).

 Le volume occupé par ces macrophytes aquatiques engendre une diminution de la vitesse d’écoulement des eaux et une augmentation des hauteurs d’eau. Par ailleurs, ils jouent le rôle de stabilisateur des berges et celui de consolidation des éléments meubles.

 L’écran constitué par la nappe foliaire des plantes aquatiques limite la pénétration du rayonnement solaire dans l’eau et atténue les écarts

thermiques entre le jour et la nuit ; de plus, le développement du phytoplancton est limité (Kim, 2000).

4.1. Processus d’élimination du carbone

Le carbone est un des éléments biogènes majeurs. Il se retrouve dans l’eau sous la forme de carbone organique (matière morte, humus, sédiments organiques) et sous forme minérale (carbonate, bicarbonate, le dioxyde de carbone libre) (Rodier J., 2009).

Le carbone organique, principal constituant de la biomasse (formule très simplifiée

5 7 2

C H O N soit 53% de C) est généralement la pollution principale à éliminer (Degrémont, 2005). La dégradation et le recyclage de la matière organique dans la plupart des habitats sont effectués par les bactéries à la fois dans des conditions aérobies et anaérobies. La gamme la plus grande de transformations du carbone se passe en conditions aérobies (biodégradation de polymères végétaux cellulose, chitine, lignine en composés organiques simples et humiques, méthylotrophie ou utilisation de composés monocarbonés comme le méthane ou le méthanol) (Cébron, 2004).

L’élimination de la matière organique dans les bassins à macrophytes flottants est basée sur une relation symbiotique plantes-bactéries, dans laquelle les bactéries utilisent l'oxygène fourni au milieu par les plantes pendant la photosynthèse pour dégrader le carbone organique (Koné, 2002). L’effet sur la dégradation de la matière organique passe principalement par la création d’une zone de rhizome servant comme support pour le biofilm pouvant dégrader (UNESCO, 2008). Cette zone appelée rhizosphère, est le siège de la dégradation aérobie. Elle est la première couche rencontrée dans les bassins à macrophytes flottants. Les microorganismes y vivant consomment l’oxygène fournit par les macrophytes pour leur croissance. Une deuxième zone facultative, comprise entre les rhizomes et les sédiments est le siège des bactéries anaérobies facultatives qui utilisent, dans l'ordre de préférence, les nitrates, les oxydes de manganèse et l'ion ferrique comme accepteur final d'électrons pour la dégradation du carbone organique (Reddy, 1984, Delgado et al., 1994 cités par Koné 2002). Une dernière zone se situe dans les sédiments où ont lieux les réactions strictement anaérobies. En l'absence de nitrates, les sulfates et le dioxyde de carbone sont utilisés comme accepteur d'électron.

Les MES, constituent d’autre part une grande partie de la pollution carbonée.

Leur élimination contribue donc à la réduction de la charge. Dans les bassins à macrophytes flottants, cette élimination est effectuée de deux façons :

 la décantation de la matière organique, et leur fixation par le système racinaire des macrophytes flottants,

 le retrait périodique des macrophytes des bassins assurant l’élimination définitive de ces MES.

La DCO et la DBO₅sont les principaux paramètres permettant d’apprécier la pollution organique. D’autres paramètres tels que le carbone Organique Dissous (COD), le Carbone Organique Total (COT), le Carbone Organique Particulaire (COP), le Carbone Inorganique Total (CIT) permettent aussi d’apprécier la pollution organique.

La figure 3 présente les différents processus de transformation et d’élimination du carbone.

Figure 3: Principaux processus de transformation et d'élimination du carbone dans les systèmes d'épuration des eaux.

Source : (Reddy et d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000).

4.2. Processus d’élimination de l’azote

L’azote est présent dans les systèmes naturels d’épuration des eaux usées sous les formes organique et inorganique. L’azote organique est présente sous forme dissoute et particulaire, tandis que la forme inorganique est présente sous forme dissoute (Kengne, 2000). Les différentes réactions qui conduisent à l'élimination de l'azote dans un milieu aquatique sont la sédimentation, l'ammonification (transformation de l'azote organique en ammonium), la nitrification (oxydation de l'ammonium en nitrate), la volatilisation (transformation de l'ammonium en ammoniac) et la dénitrification (réduction des nitrates en azote gazeux, N2) (Koné, 2002).

La présence des macrophytes dans les bassins favorise l’élimination de l’azote, soit de façon directe par assimilation par les macrophytes ou de façon indirecte par les microorganismes dont le développement est accru par la présence de ces macrophytes (Chazarenc & Brisso, 2009) En effet, la forme particulaire est éliminée par sédimentation et enfouissement, tandis que l’élimination de la forme inorganique est régulée par diverses réactions biogéochimiques ayant lieu dans le substrat et dans la colonne d’eau (figure 4). Cette forme inorganique est éliminée soit par nitrification (oxydation d’ammonium) et dénitrification (transformation de NO₃^ en N O₂ ^ etN₂) soit par volatilisation de l’ammoniaque ou alors par absorption microbienne (Reddy &

d'Angelo, 1996). Quant à la volatilisation de l’ammoniac, elle est régulée par la température, la densité et le type de plantes, les radiations solaires, les mouvements de l’air à la surface de l’eau, le mixage de l’eau, l’activité algale et les fluctuations de pH qui en résultent (Vyzamal, et al., 1998).

Figure 4: Principaux processus de transformation et d'élimination de l'azote dans les systèmes naturels d'élimination des eaux.

Source : (Reddyet d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000).

4.3. Processus d’élimination du phosphore

Composant essentiel du vivant (nucléotides, ADN, phospholipides des membranes cellulaires, enzymes), le phosphore joue un rôle clé dans le transfert d’énergie (ATP) (Cébron, 2004). La croissance des macrophytes dépend donc de sa disponibilité. Dans l’eau le phosphore est sous forme d’ion phosphate correspondant à l’équilibre de dissociation de l’acide orthophosphorique.

De nombreux processus tels que l’absorption du phosphore par les plantes, la minéralisation de la biomasse végétale par les microbes, la sédimentation, la précipitation et autres, régulent l’élimination du phosphore dans les stations d’épuration naturelle des eaux usées (Kengne, 2000). Le phosphore présent dans les systèmes naturels est très souvent associé aux composés organiques sous forme d’ester (C-O-P).

Cette forme n’est biodisponible, qu’après hydrolyse enzymatique en présence d’oxygène. L’élimination du phosphore sera donc d’autant plus rapide, que le milieu sera riche en oxygène, que la minéralisation sera rapide ou que le substrat sera facilement dégradable (Kpondjo, 2011). Par contre, d’autres auteurs stipulent que l’élimination du phosphore s’effectue d’une part par exportation des plantes lors des récoltes et d’autre part contrôlée par un ensemble d'interactions physico-chimiques contrôlées par le potentiel redox, le pH, et d’autres ions (Koné, 2002 ; Akowanou, 2012).

Les processus d’élimination du phosphore sont présentés dans la figure 5.

Figure 5: Principaux processus de transformation du phosphore dans les systèmes d'épuration des eaux usées

Source : (Reddy et d'Angelo, 1996 citées par Kengne, 2000)

4.4. Processus d’élimination des germes pathogènes

L’élimination des germes pathogènes présents dans les eaux usées se fait généralement à travers des mécanismes complexes faisant intervenir des interactions entre les composantes physico-chimiques et biologiques présentes dans la lagune (Kengne, 2000). Les principaux processus d’élimination sont :

 la photo-inhibition dont le moteur est le rayonnement solaire. Elle est régie par les mécanismes phytobiologiques (ultraviolet, biocides) et photo- toxiques (couplage entre le rayonnement et les substances chimiques présentes dans l’eau) ;

 le broutage, phénomène de compétition/prédation par rapport aux bactéries ;

 la sédimentation de bactéries liées aux particules (Colin, 2007)

 Les mécanismes réactionnels conduisant à l’abattement des différentes formes de pollutions des bassins à macrophytes flottants sont complexes, et leur déroulement est influencé par les paramètres physico-chimiques du milieu. Cependant, on peut retenir que :

 L’abattement de la pollution carbonée est contrôlé par la fixation par les racines, et la décantation des MES, ainsi que par l’activité bactérienne ;

 La pollution azotée est éliminée par le prélèvement des plantes, et les réactions de nitrification et de dénitrification ;

 L’élimination du phosphore est principalement due au prélèvement des plantes, qui consomment le phosphore pour leur croissance ;

 Les germes pathogènes sont éliminés par la photo-inhibition, le broutage, la sédimentation de bactéries liées aux particules.

5. Espèce flottante étudiée et performance épuratoire

Le terme « macrophyte » possède des définitions variées, selon les auteurs et les époques. Nous retiendrons cependant celle de la norme européenne EN 14184 1 que le terme « macrophyte » désigne toutes les plantes aquatiques visibles à l’œil nu, dont les plantes vasculaires, les bryophytes et les algues macroscopiques (Känel, 2009).

Plusieurs espèces flottantes ont été déjà testées pour l’épuration des eaux usées surtout domestiques. En effet, beaucoup de plantes des zones humides ont la capacité d’éliminer les charges organiques y comprises les matières nutritives telles que le phosphore et l’azote qui proviennent généralement des eaux usées domestiques et du ruissellement agricole (RAmsa, 2001). Les espèces telles qu’Eichhornia crassipes Mart.

Solms-Laub (la jacinthe d’eau), Pistia stratiotes L. (la laitue d’eau) et Lemna minor L.

(la lentille d’eau) ont été exploitées pour l’épuration des eaux usées (Aïna et al., 2012 ; Akowanou, 2012). Ces espèces sont les plus utilisées dans le traitement des eaux usées à macrophytes à côté du jonc et des roseaux qui sont des macrophytes fixés. Parmi ces espèces précédemment citées, la jacinthe d’eau est non seulement le végétal aquatique de grande préoccupation par sa prolifération anarchique d’où sa prédominance dans nos écosystèmes aquatiques (Mama, 2010 ; Mary, 2010 ; Aïna et al., 2012) mais également l’espèce aquatique la plus utilisée pour l’épuration des eaux usées (Kengne, 2000). De plus, elle a selon plusieurs auteurs (Shama et al., 2010 ; Kasem et al., 2011) la capacité d’épurer les eaux riches en micropolluants et en métaux. L’espèce aquatique utilisée pour cette étude est donc la jacinthe d’eau.

5.1. Présentation de la jacinthe d’eau 5.1.1. Morphologie

Classification botanique : - Règne : Végétal

- Embranchement : Phanérogames - Sous-Embranchement : Angiospermes - Classe : Monocotylédone

- Sous-Classe : Arecidae - Ordre : Liliale

- Famille : Pontederiaceae - Genre : Eichhornia

- Espèce : Crassipes Mart. Solms-Laub

Figure 6 : Jacinthe d'eau (Eichhornia Crassipes)

Citée autrefois sous les noms scientifiques de E. formosa, Heteranthera formosa, Piaropus crassipes, P. mesomelas, Pontederia crassipes (Mary, 2010), la jacinthe d’eau est introduite en Afrique (Egypte et Afrique du Sud) depuis le 19^ème siècle à partir de l’Amérique du Sud (Mama, 2012). Elle est une macrophyte aquatique flottante, qui ne prend pas racine dans le substrat et flotte à la surface de l’eau. Seuls les stolons et les racines de cette plante sont immergés, les feuilles et les fleurs étant portées hors de l’eau par de longues tiges : les pétioles et les pédoncules floraux; (Batcher, 2000 ; Burton, 2005 cités par Mary, 2010). Sa présence sur les plans d’eau béninois a été notée pour la première fois en 1977 (Van Thielen et al, 1994 cités Kpondjo, 2011). Généralement, la partie émergée des plants d’E. Crassipes présente une taille d’environ 50 cm de haut.

Chaque plante est formée de longues tiges stolonifères ramifiées, mesurant en moyenne 1 à 2,5 cm de diamètre (et jusqu’à 6 cm) et 30 cm de long (Mary, 2010). Les feuilles d’un vert luisant et épais forment la base de la fleur et s’attachent aux pétioles gonflés d’air. Sous cette architecture, se trouve le système racinaire, qui permet à la plante de capter les nutriments nécessaires à sa croissance dans l’eau.

5.1.2. Reproduction

Deux modes de reproduction sont observés au niveau de la jacinthe d’eau : la reproduction sexuée et la reproduction végétative (Mary, 2010). La reproduction sexuée constitue le mode de reproduction minoritaire chez E. crassipes. En effet, malgré le fait que l’espèce puisse fleurir tout au long de l’année sous des climats doux, très peu de graines sont observées en milieu naturel. Aussi cette reproduction est pratiquement impossible dans les régions tempérées, où elle ne trouve pas les conditions environnementales favorables à la floraison.

La reproduction végétative est le principal mode de reproduction chez E.

crassipes. En effet, E. crassipes favorise la reproduction asexuée dans le milieu naturel, ce qui lui permet d’augmenter rapidement sa biomasse. Cette reproduction se réalise à partir des stolons qui constituent la partie immergée de la plante. Elle se déroule en trois phases (Mary, 2010). En premier lieu, lorsque les plants sont jeunes et en faible densité, la plante privilégie le développement de son système racinaire au détriment de la croissance de son appareil végétatif. Puis, au fur et à mesure qu’elle croît, la plante réduit

sa production de racines et augmente sa biomasse en se reproduisant par voie végétative (production de stolons et de bourgeons). Enfin, lorsqu’elle atteint une densité maximale, la plante stoppe sa reproduction par voie végétative et continue à augmenter sa biomasse par la croissance des plants existants. Grâce à ses capacités de reproduction, E. crassipes est l’une des espèces végétales, par comparaison avec d’autres espèces terrestres ou aquatiques, qui présente le taux de croissance le plus important (Toft, 2000 cités par Mary, 2010). En effet, cette espèce est capable de doubler sa biomasse tous les 6 à 18 jours en fonction des conditions environnementales (Mary, 2010).

5.2. Performance épuratoire

La jacinthe d’eau, à cause de la forte densité qu’elle peut atteindre sur les cours d’eaux, est considérée comme étant un danger pour les écosystèmes aquatiques (Gunnarsson, 2007). En effet, de par sa grande vitesse de multiplication (Mayo, 2007), cette plante qui est la huitième au monde en matière de vitesse de croissance (Reddy K.

&., 1984), recouvre toute la surface des cours d’eaux où on la retrouve, empêchant toute pénétration de rayons solaires dans l’eau. D’autre part, elle puise tous les nutriments utilisés par les producteurs primaires, empêchant l’évolution de ce dernier. De plus, elle freine le transport fluvial, la pêche, et obstrue les prises d’eau des barrages hydroélectriques et des réseaux d’irrigation. Elle constitue donc une nuisance sur les cours d’eaux, et plusieurs méthodes ont été élaborées, ou sont en cours d’élaboration pour son élimination des cours d’eaux (Mama, 2012). Néanmoins, cette plante a été identifiée par plusieurs auteurs comme l’une des meilleures espèces de macrophytes flottants en matière de traitement des EUD (Polprasert et Khatiwada, 1997).

Orth et Sapkota (1988), ont découvert lors d’une comparaison entre un bassin facultatif contenant la jacinthe d’eau et un autre n’en contenant pas, que l’introduction de la jacinthe d’eau a augmenté de plus de 50% l’abattement de la DCO dans le bassin.

Une étude réalisée au Maroc par Ouazzani et al., (1995) a montré une réduction de 78

% de DCO au niveau des bassins à jacinthe. Par son métabolisme (absorption des nutriments, libération d’oxygène), la jacinthe d’eau favorise énormément les processus d’épuration des eaux usées. Cette plante a selon Kengne (2000) une capacité d’absorption de l’ordre de 350 kg P.ha^1-.an et sa capacité de libération de l’oxygène par

les racines dans la rhizosphère varie de 2,4 à 9,6 gm^-2.j^-1. De plus, la réduction de la vitesse d’écoulement des eaux causée par sa présence dans le milieu, favorise la sédimentation des particules. Ce qui justifie que cette plante soit identifiée par plusieurs auteurs comme l’une des meilleures espèces de macrophytes flottants en matière de traitement des EUD (Kpondjo, 2011 ; Akowanou, 2012). Des auteurs (Kengne ,2000 ; Nya et al., 2002 ; Aïna et al., 2012) ont montré que cette plante assure un très bon abattement de la DCO et de la DBO5.

5.3. Facteurs influençant la croissance de la Jacinthe d’eau

Les systèmes d’épuration à base de macrophytes flottants ont certaines limites, qui sont conjointement fonction des conditions climatiques du milieu ainsi que de la physiologie des macrophytes. Ainsi, des paramètres tel que la température, la salinité, l’obscurité, les faibles concentrations en oxygène dissous, et les fortes concentrations en CO2 dissous influencent fortement et peuvent bloquer la germination des graines (Koné, 2002). Par exemple, une exposition de la jacinthe d’eau à une température très basse pendant 24h d’affilée peut conduire à la mort de ces macrophytes (Sooknah & Wilkie, 2004). Cependant, au regard des conditions climatiques que présentent les régions tropicales, le principal facteur pouvant bloquer le processus de multiplication des macrophytes et même causer leur dégénérescence et par la même occasion l’augmentation de la concentration en matière organique dans les bassins de lagunage à macrophytes flottants est la salinité.

Les précédentes études effectuées sur la réaction des macrophytes face à l’augmentation de la salinité ont montré que le développement des macrophytes est inversement proportionnel à la salinité du milieu et qu’il en est de même de leurs performances épuratoires (Harding, 2003). (Winkler, 2005), lors d’une étude sur le temps de récupération de la jacinthe d’eau après exposition à la salinité, a découvert qu’il faut une exposition à 7‰ pendant 21 jours pour la dégénérescence complète d’une biomasse de jacinthe. (Mama, 2012) quant à lui découvert que pour une salinité supérieure à 10‰, les jacinthes d’eau sur le lac Nokoué commençaient par mourir. Il est impossible d’avoir dans la littérature des limites précises d’utilisation des espèces flottantes étudiées, en ce qui concerne la salinité du milieu dans lequel on les introduit.

Cela est dû à la variabilité des conditions climatiques et des interactions dans les différents écosystèmes d’un point à un autre du globe.

CHAPITRE 2 : LES MICROPOLLUANTS PHARMACEUTIQUES ET LEURS PROCEDES D’ELIMINATION

Dans cette section seront développées une généralité sur les micropolluants pharmaceutiques et leur source de contamination des milieux aquatiques. Il sera aussi question de développer les propriétés du micropolluant pharmaceutique identifié (paracétamol), les effets de quelques substances actives pharmaceutiques sur l’environnement ainsi que les procédés conventionnels généralement employés pour le traitement d’effluents chargés en micropolluants pharmaceutiques.

1. Médicaments et environnement 1.1. Historique des médicaments

De l'utilisation des plantes comme remèdes à certaines maladies jusqu'à l'apparition des médicaments issus des biotechnologies, l'histoire du médicament est largement associée à la recherche scientifique qui tente dès le XVI^ème siècle de trouver un remède spécifique pour chaque maladie.

Au Moyen-Age et jusqu'au début du XIX^ème siècle, la guérison des maladies garde un caractère «magico-religieux»: on cherche, par exemple, à «extirper le mal» par le biais des saignées (phlébotomie). Cependant, dès le XVI^ème siècle, Paracelse (alchimiste et médecin suisse né en 1494) a eu l'intuition de la nécessité d'un médicament spécifique pour chaque maladie. Le XIX^ème siècle marque une étape nouvelle grâce aux progrès de la chimie et de la physiologie: les chercheurs réussissent à isoler des principes actifs des substances connues. Ainsi, en 1803, la morphine est isolée à partir de végétaux par Friedrich Adam Satürner (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr). C'est grâce à cette capacité à isoler les principes actifs que les molécules médicamenteuses pourront être par la suite synthétisées. Ainsi donc, après avoir isolé l'acide acétylsalicylique de l'écorce de saule, Charles Frédéric Gerhardt puis Félix Hoffmann vont synthétiser cette molécule en 1853 : c'est la naissance de l'aspirine, commercialisée pour la première fois en 1893 (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr).

L'ère moderne du médicament débute en 1937, avec la découverte de l'action antibactérienne des sulfamides (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr). En 1929, Flemming découvre la pénicilline (Genopole^®, www.genopole.fr). Une phase d'accélération des découvertes s‘ensuit. Dans les années 60, les chercheurs mettent au point une nouvelle méthode d'évaluation des médicaments existants, qui va permettre d'élaborer de nouveaux médicaments à partir de ces modèles de médicaments existants.

Aujourd'hui, et pour les années à venir, c'est vers les biotechnologies que s'orientent les recherches autour des médicaments. En effet, grâce à de nouveaux outils puissants (génie génétique, biologie moléculaire, cellules souches, clonage, etc.), les chercheurs possèdent maintenant une approche génétique des pathologies humaines. Les biomédicaments que les entreprises développent aujourd'hui permettent d'imaginer des solutions à des pathologies pour lesquelles il n'existe pas encore de traitement satisfaisant: cancers, maladies auto-immunes, maladies rares, etc. (Genopole®, Biotechnologie et médicaments du futur, www.genopole.fr).

Figure 7: Histoire chronologique du médicament.

Source : (Genopole®, Biotechnologie et médicaments du futur, www.genopole.fr).

1.2. Classification des médicaments

Afin de faciliter leur application thérapeutique, les médicaments ont été classés en différentes familles, subdivisées en groupes et sous-groupes. Les critères de classification sont (Vicens, 2002): (i) le mode d’action, (ii) l’origine, (iii) la nature chimique, (iv) la modalité d’action et (v) le spectre d’action. Le Tableau 1 présente quelques classes de médicaments avec quelques exemples de chaque classe (Yala, et al., 2001).

Tableau 1: Quelques classes thérapeutiques de médicaments Source: (Yala, et al., 2001)

CLASSE Exemple Classe Exemple

Analgésiques et antalgiques

-Aspirine -Paracétamol -Phenazone -Tramadol

Anticancéreux -Cyclophosphamide -Ifosfamide

Antiarythmiques -Amiodarone Anticoagulants -Warfarine Anti-asthmatiques -Salbutamol Anticonvulsivants Carbamazépine

Antibiotiques

AMINOGLYCOSIDES -Apramycine

-Kanamycine β-LACTAMINES, PENICILLINES -Amoxicilline -Ampicilline

CEPHALOSPORINES -Cefaclor

-Cefalexine SULFONAMIDES -Sulfaméthoxazole Sulfachloropyridazine FLUOROQUINOLONES -Ciprofloxacine

-Erythromycine MACROLIDES -Erythromycine -Tylosine LINCOSANIDES -Clindamycine -Lincomycine PHENICOLES -Chloramphénicol TETRACYCLINES -Chlorotétracycline -Tétracycline TRIMETHOPRIM POLYPEPTIDES -Bacitracine -Néomycine

Anti-diabétiques -Metformine Antifongiques -Amphotéricine B Antigoutteux -Allopurinol Antihistaminiques Cimetidine Anti-hypertenseurs -Propranolol Anti-inflammatoires

non stéroïdiens

-Aspirine

-Acide salicylique -Ibuprofène Antiseptiques -Triclosan β-bloquants -Atenolol -Bisoprolol -Carazolol Bronchodilatateurs -Fenoterol Régulateurs

lipidiques

-Fénofibrate et acide

fénofibrique -Stéroïdes et

hormones

-Progestérone -Testostérone Stimulants

cardiaques

-Digoxine

-Stimulants système nerveux centrale

-Caféine