Evaluation de la contamination des algues marines (U. lactuca et C. officinalis) par les métaux lourds (Cd, Cr, Mn, Pb et Zn) dans la région de Jijel

(1)

tfl

~

- .) 1

!

Faculté des Sciences Exacte et ScienCe de la Nature et de

1

Département de biolOgie a~imaJe et végétale Ecole doctorale

1

Mémoire présenté pour Hobtention du:

---

1 1 1

." . , '.. j. "

~

^.

.A~

^h

République AlgéricnüeJlémocratique et Populaire

Ministère de I~Enseigncment Supérieu.r et!de laRecherche Scientifique Université de JiJ'ei

. . . 1

N° d'ordre: ••.•••••.•••

N° de série: .••.•.•.._

!

1

DIPLOME DEMAiGISTER

1

Spécialité: Biologie environnementale Option: Biologie végétale Jtenvironnement

.i1. Evaluation de la contamination des lalguesmarines (U.lactucaet Cofjicinalis) par les métaux lourds (Cd, Cr, Mn, Pb et Zn)

dans la région IlleJijel

1

. i

Présenté Par: Mr.GHERm Abdelfettah

.\

Soutenu le : 17/0112012 devànt le jury.:

'cr

i

Président: Mr. LAHOUEL 1\1.

Rapporteur :,. Mr. LEGHOUCHI E.

Examinateur: Mr. SAHEB M.

Examinateur: Mr. MA YACHEB.

1

i

. 1

Prof.

Pret.1 1

M<CA .

MCA

Université de Jijel Université de Jijel

.Université d'Oum El Bouaghi Université de Jijel

1

(2)

.11.

î

1

~J>

. '. &~publique A1gérienneJ)émocratiqueet Populaire

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

t~<~,..~,,~",~~_ ..q:",",.' Université de Jijel

i ~ .~

\;.- .~ >-Sj~n ^t''-:'~~ ^~'.

}~r^fl'~⁶^G.~-.~~ ^~.t;;~

~ ::...; . ,C'" .

'(

Faculté des Sciences Exacte etScien~-e de la Nature et de la Vie Département de biologie a~imale et végétale

Ecole doctorale N° d'ordre: •••••.•..•••

N° de série: ••••..•••••••

Mémoire présenté pour l~obtention du:

.DIPLOME DE MAGISTER

1

Spécialité: Biologie environnementale Option: Biologie végétale ~t environnement_. _.

Evaluation de la contamination des algues marines (U.lactucaet Cofjicinalis) par les métaux lourtfs (Cd, Cr, Mn, Pb et Zn)

dans la région de Jijel

".

.PrésentéPar:Mr~GHERIB Abdelfettah

Soutenu le : 1710112012devanfle jury:

. 1

"

J!

Président: Mr. LÂHOUELM.

Rapporteur:, Mr. LEGHOUCHIE.

Examinateur : Mr.SAHEBM.

Examinateur: Mr. MA YÂCHEB ..

Prof •

. Prot Mel\.

MCA

Universite de Jijel Université de Jijel

Université d'Oum El Bouaghi Univel'~ité de Jijel

(3)

1

l:

1

"f

Remerciements

Avant tout, je remercie le bon Dieu tout puissant qui m'a donné la force et de m'avoir permis d'arriver à ce stade là. Comme je tien à remercier toute personne ayant participé à

l'élaboration de ceprésent mémoire. Je souhaite leu~ exprimer ici ma . reconnaissance.

'Je remercie tout d'abord le Professeur LegllOuchi Essaid, mon directeur de thèse, pour m'avoir accueilli dans son laboratoire et m'avoir confié ce sujet de recherche qui m'a passionné. Il a guidé mon travail avec toute son expérience scientifique, en me laissant la

1

liberté nécessaire à l'apprentissage et à la créativité. \

J'adresse également mes sincères remerciements aux membres de jury qui ont accepté d'évaluer ce modeste.

J'adresse aussi mes sincères remerciements à tous les enseignants qui mon aider et m'encourager surtout ~le. Habila safia.

Commej'adresse aussi mes remerciements au Pr: Ounissi de l'Université d'Annaba.

La majeure partie des résultats d'analyses est lefru!it de la grande maîtrise de l'ingénieur

de la SAA, je pense particulièrement à Ziade. ¹ ^.

Je tiens de' remercier tous mes collègues de l'écïle doctorale qui mont aidé et m'ont encouragé, notamment: SaM, Aissam, Naila et Sam ira, sans oublier les étudiant de magister en Chimie et en biologie: Ammar, Khaled, HamM et les autres.1

1

J'exprime toute ma gratitude aux membres de !laboratoire de pharmacologie et de photochimie, Riad et Hadia de m'avoir accueilli. ¹

Très nombreux les gens qui de prés ou de loin ont participé à la réalisation de ce traval!

. Torilen m'excusant auprès deux de ne pas les cités,J leur exprime ma vive reconnaissance'

1

(4)

1

~

1

Sommaire

II-3-2-1-Les eaux usées domestiques et rejets urba~ns 15

II-3-2-2-Les décharges publiques 15

II-3-2-3-Les activités industrielles 15

II-3-2-4- Les apports agricoles 15

. 1

II-4-Devenir et répartition des métaux lourds dans l'environnement 15

11-4-1- La compléxation l ¹⁶

II-4-1-1- Formation d'oxydes et d'hydroxydes 16

II-4-1-2- La formation des complexes avec les ligaIildsorganiques et inorganiques 16

II-4- 2-Précipitation! co-précipitation .1. ' 18

II-4-3-L'adsorption!absorption 18

II-4-3-1-Adsorption non spécifique ou physisorption 18

II-4-3- Adsorption spécifique ou chimiosorption ..J ^.18

II-5-Les paramètres physicochimiques influençant l~ devenir des métaux lourds

Dans l'environnement 19

II-5-1-pH 19

II-5-2-Influence des conditions d'oxydoréduction '" 20

II-5-3-La matière organique 20

II-5-4-La force ionique 21

II-4-5-5-La température '" '" '" 21

II-5-6-Action des organismes vivants '" ..1. .21

11-6- La toxicité des métaux lourds 21

III-Les métaux étudiés 23

III-1- Le cadmium' ..'" l '" ²³

III -1-1- Généralités l ²³

III-I-2- Comportement du cadmium dans l'environnJment 24

III -2- Le chrome J 24

III -2-1- Généralités 24

III -2-2-Le com~rtement du cmome dans l' environnrent 26

III -3-Le manganese 26

III -3-1- Généralités j 26

III -3-2-Comportement du manganèse dans l'enviroJement , 26

III -4- Le plomb 27

(5)

1_!l

l l l

~I l

r- i!

l'

1

(6)

,:.,

!~Jil

Liste des abréviations

ANOVA C.officinalis EDTA E. intestinalis ETM

Jrubens g/Cm3

Mm J.lm MO

OD

ppm

SAA

St Ulactuca U Regida J.lmo1.g-1 J.lgg-1

Liste des abréviations

l'analyse de lajvariance Corallina officinalis

Ethylène diamiAe tetracetique Entemorpha intkstinalis éléments traces bétalliques Jania rubens

gramme par centimètre cube millimètre

micromètre

la matière organique Oxygene' d"ISSOUS¹

partie par milliot

spectrophotométke d'absorption atomique.

Station.

Ulva lactuca Ulva regida

micro mole par gramme micro gramme p~r gramme -1

(7)

1

Liste des tableaux

Liste des tableaux

Tableau 01 : effets du pH sur la mobilité des micr<Dpolluants métalliques des sols et des

sédiments l ²⁰

Tableau 02:les caract:ristiques physicochimiquesdu fadmiWU , 24 Tableau 03 :les caract~r~st~ques phyS~cOch~m~quesdu rhrome .25 Tableau 04: les caractenstIques phYSlcochlmlques du plomb 28 Tableau 05 :les caractéristiques physicochi~iques du kinc .29 Tableau 06 : moyennes mensuelles des précipitations +mm [1989-2009] " .31 Tableau 07 :moyennes mensuelles des temperatures [1989-2009] 32 Tableau 08 :variations spatiotemporelles de la tempérlture (oC) des eaux de mer .45 Tableau 09 :variations spatiotemporelles de pH des ekux de mer .46 Tableau 10 :variations spatiotemporelles de la salinité des eaux de mer :...•... 46

Tableau 11 :variations spatiotemporelles des orthophosphates des eaux de mer , .47 Tableau 12 :évolution spatiotemporelle des nitrates dlsles eaux de mer .48 Tableau 13 :évolution spatiotemporelle des nitrites œ.hs les eaux de mer .49 Tableau 14:concentratio~ des métaux.lourds dans les rux de mer .49 Tableau 15 :teneurs en metaux lourds dans les tissus des algues (cas: Ulactuca) 51 Tableau 16: teneurs des métaux lourds dans les tissus dbs algues (cas: C.officinalis) .51

(8)

Introduction

\

Introduction ¹

Les métaux sont des contaminants potentiellement toxiques, ils s'accumulent dans les d, ~epots, b^OlOconcentres par'd es orgamsmes et peuvent poser^° ¹ des probl'emes de sante aux' humams.

1

par l'intennédiaire de la chaîne alimentaire (Daby, 2°1^6).

Le processus de la bioaccumulation des métaux dans les chaînes alimentaires marines est

[

mal comprise parce que les données sont peu disp6nibles sur la concentration des métaux à.

différents niveaux trophiques et leur variation temp~relle ou spatiale (Riosmena-Rodriguez et al., 2010).

Les concentrations de la plupart des métaux [dans l'environnement sont de l'ordre de

1

quelques nanograrnmes par litre d'eau, ce qui rend les techniques de prélèvement et de mesure complexes. Les risques de contamination au momentl de l'échantillonnage et de l'analyse sont nombreux; rendant les mesures délicates. Ces problèmes ont été surmontés par l'utilisation de techniques « ultra-propres » dans l' échantillonnake. Cependant, la mesure directe des con~ants dans l'eau fait appel à des techniqueJ analytiques sophistiquées, difficilement

1

applicables en routine le long d'un linéaire côtier impohant. Par ailleurs, la variabilité temporelle du milieu littoral ne confère que peu de représentativit~ à une mesure ponctuelle dans la colonne

- 1

d'eau. Enfm, le suivi de ces concentrations totales dans le milieu ne renseigne pas directement sur les concentrations des espèces chimiques biOdiS~Onibles. Les dosages concernent le plus souvent la totalité des espèces chimiques et non spécifiquement les formes biodisponibles des contaminants étudiés, information indispensable quant à la protection des écosystèmes et à la compréhension des processus de contamination (Casas,i2005).

i

L'occurrence large de la pollution aquatique en Imétaux a causé beaucoup d'attention. La biosurveillance offre un outil attrayant pour l'évaluation de la pollution métallique dans

[

l'écosystème aquatique. Les bioindicateurs comprehant les algues, les macrophytes, le zooplancton, les insectes, les mollusques bivalves, le gbtéroPode, les poissons, les amphibies et

!

d'autres sont énumérés et comparés pour leurs avanta~es et inconvénients dans biomonitoring pratique de la pollution aquatique par les métaux. Les a~plications potentielles de biomonitoring sont proposées pour inclure principalement l'évaluation1 de la pollution aquatique réelle en

1

métaux, bioremediation, prévision de toxicologie et recherchent sur le mécanisme toxicologique (Zhou et al., 2008).

(9)

Synthèse bibliographique Généralités sur les algues

1 -Généralités sur les algues 1-1-Définition

Les algues ou phycophytes (du gr. Phukos= algue; phuton= plantes), sont des thallophytes chlorophylliens, c'est-à-dire des organiskes capables de photosynthèse. Elles sont donc autotrophes (Roland et al., 2008).

Les algues sont des végétaux inférieurs, cryRtogames, thallophytes, Photo synthétiques, généralement aquatiques ou vivant dans des milieux tr~s humides (Wariaghli et al., 2004).

Les algues ne constituent pas un groupe mOnOphYlétiJue (Lévêque et Mounoulou, 2008 ; Roland et al., 2008). Mais rassemble des organismes assez seJblables (Roland et al., 2008).

. 1

Rappelons qu'il est bien admis que le terme ïalgues" recouvre un ensemble hétérogène correspondant en réalité à plusieurs divisions bien différentes phylogénétiquement (Fischer et al., 1987). L'appareil végétatif des algues n'a pas la mê~e complexité que celui des embryophtes (c'est un thalle) (Reviers, 2002). Et n'ont pas uncdrmus, ce qui les distingues des végétaux supérieurs (Caratini, 1984).

En dehors de nombreuses formes unicellulaires, on trouve des algues pluricellulaires formant des thalles sans feuilles, ni tiges, ni racinet ni vaisseaux conducteurs (lltis, 1980).

Certaines algues ne sont pas photo synthétiques Jais sont étroitement apparentées à des organismes photo synthétiques (par exemple po/y/orna, Fui est une algue verte incolore voisine de chlamydomonas, astasia qui est une euglénophytes, voisine d'euglène, ou hyalophacus, qui est une euglénophyte incolore voisine dephacus (Reviers, 2002).

1-2-Morphologie des algues

La morphologie est très variée. Certaines sont encroutantes, d'autres ont un port dressé.

Les unes sont en formes de filament, d'autres en lam~s, certaines imitent même des structures que l'on trouve que chez les végétaux supérieures, cobe les feuilles de Delesseria (Quero et Vayne, 1998).On peut distinguer 3 types de thalles en flnction de la complexité croissante:

.:. Archéthalle

C'est la forme végétative la plus simple (Caratini, 1984). Ce sont des thalles constitués d'une cellule unique. Il s'agit essentiellement d'algueJ unicellulaires (libres ou en colonies) et plus rarement des thalles massifs de petite taille (figure bl) (Laberche, 2010).

(10)

'~1

-Î

al

. l

7P

r

pt

Synthèse bibliographique ! Généralités sur les algues

et sur la composition chimique des parois cellulaires, ~ches en gélose ou carraghénane selon les espèces (Wariaghli et al., 2004). 1¹

1-3-3-Algues Brunes (Les phéophytes)

Les phéophycées sont des algues pluricellulaires et macroscopiques (Milleron, 2006).

1

Thalle généralement de couleur brune. La couleur est variable, allant du jaune au brun foncé;

certains individus peuvent même être blanchâtres (par bécoloration dans certaines conditions écologiques) ou par incrustation plus ou moins impordnte de calcaire.

1

En pratique, les critères cytologiques de portéd quasi-générale à prendre en compte sont,

1

d'une part, l'absence d'amidon comme de tout autrel polysaccharide colorable par la solution iodo-iodurée et, d'autre part, la présence de pWrrotannins localisés dans des organites particuliers (physodes) (Fischer et al., 1987). ¹

Les algues brunes sont caractérisées par la 10Gaiisation extraplastidiale de ces physodes et leur coloration en bleu par le bleu de crésyle (FisCh~r et al., 1987). Elles ont une taille qui va

. 1

depuis des formes microscopiques jusqu'au plus grande de toutes les algues marines, atteignant une longueur de 60 mètres et un poids plus de 300 kilol (Raven et al., 2000). .

1

1-4-Cytologie des algues

Si l'on examine au microscope des fragments d'algues (ou une goutte d'eau contenant des algues unicellulaires), on coristate l'existence d~ cellules végétales typiques, les algues brunes, vertes ou rouges sont des eucaryotes (Cara{ini, 1984). On observe donc dans leurs

1

cellules: Paroi Cellulaire, cytoplasme à vacuoles, plastes, appareil de Golgi, vacuoles, Inclusions

1

lipidiques, un vrai noyau et des flagelles (lhis, 1980).

1-5- Longévité des algues ¹

Les algues ont des durées de vie très VariablrS. De quelques heures pour les algues microscopiques jusqu'à quelques années pour les graqdes laminaires. Certaines sont annuelles elles sont dites éphémères et se développent le temps d're saison. Beaucoup vivent moins d'une année et certaines sont capables de produire plusiems générations par an. Ou de génération microscopique. Mais certaines espèces peuvent vivrd, plus longtemps. Ainsi la doyenne des algues méditerranéennes est brune, elle s'appelle Cysto1eira qui dépasse un demi-siècle (Leclerc

et Floc'h, 2010). .' ¹

(11)

1!

l

1

Par conséquent, les résultats obtenus et les ekmes détectées peuvent être considérés comme biomarqueurs possible pour surveiller les métak lourds dans l'écosystème marin.

1-10-2- Les algues comme bioindicateurs

Un bioindicateur désigne des espèces végétales ou animales qUi par suite à leur particularités biologiques sont l'indice précoce (o~ganismes sentinelles) de modifications abiotiques ou biotiques de l'environnement dues à tel ou tel type de l'action humaine (Ramade, 2002).

Les algues sont des indicateurs biologiques car elles présentent plusieurs avantages intrinsèques :

• Elles sont benthiques, elles peuvent donc servir à caractériser les conditions environnementales intégrées à un lieu pendant une période.

• Il est généralement facile de cueillir des quantit~s suffisantes dans divers habitats.

• Elles accumulent directement les composés prélents dans l'eau de mer ce qui fait de l'analyse des tissus un indicateur fiable de la hualité de l'eau, et évite les difficultés

,

logistiques souvent associés aux échantillonnages représentatifs et comparatifs de l'eau de mer (Wariaghli et al., 2004).

L'étude faites par (Benkdad et al., 2011), a montré que les macro algues peuvent être un outil puissant en biomonitoring pour évaluer les tendahces spatiales et temporelles des métaux et radionucléides contaminants le secteur côtiers au Mtoc.

Selon (Favero et Frigo, 2002), les espèces de Lacroalgnes suivantes: Vlva laetevirens, Entemorpha intestinalis, Gracilaria verrueosa et S1gassum mUfyeum, ont été utilisées pour surveiller les concentrations des métaux (Al, Mn, Fe, Œu, Zn, Cr, Co, Ni et Cd), dans les eaux de bassin sud de la lagune de Venise.

La bioindication écotoxicologique repose sur un processus écologique très important : la bioaccumulation ou la bioconcentration (Gobat et al., 2!OIO).

1-9-2-1-La bioaccumulation

Phénomène par lequel une substance présente dans un biotope pénètre dans un organisme, même si elle n'a aucun rôle métabolique, et même si elle est toxique à ce dernier, dans ce processus il ya simple transfert d'une fraction de ce substance contenue dans le biotope dans l'organisme de sorte que la concentration de ce dernier dans les tissus est généralement

(12)

-i

J~-;

légèrement inferieur ou égale à celle ou le polluant selrencontrera dans l'eau ou le sol (Ramade, 2002). La bioaccumulation résulte d'une interaction entre facteurs physiologiques (croissance, perte de poids, absorption, stockage), chimiques (transferts métaux, spéciation, biodisponibilité) et environnementaux (température, MES, ChloroPhYller(Casas, 2005).

L'étude effectuée par (Lovstad Roldt et Kraan, 2011), a montré que les algues accumulent non seulement les éléments minéraux et les oligo-métaux désirés mais accumulent également les métaux et métaux lourds indésirables Ge l'environnement environnant. Ceci peut expliquer l'emploi des algues comme biofiltre.

L'étude de (Deng et al., 2007), a montré que Ifespèce d'algue Corallinafascicularis a le potentiel pour être utilisé comme un matériau efficace et économique pour la biosorption,

l, ni' l ' ,'. d C ^2+, art. dl,

. e evement et a recuperatlOn e u a p Ir es eaœc usees.

~'lBI'il:~i~1t~ilml"'JJi1J[~\\llî'Jir_Iii\Î!J.

~J'lI~~.~.~r~(Elizabethetal., 1997).

Les investigations de terrain et de laboratoire ont démontré qu'Entemorpha jlexuosa peut être l'un des viables bioindicateurs pour la contamihation du plomb' dans un environnement d'estuaire tropical. Cette étude a prouvé que Entemorkha jlexuosa peut concentrer le plomb par un facteur de 15,400 et lui accumule égalemedt proportionnellement a la charge de contamination dans l'environnement physique ~Tabudrlvu et al.,2001)~i:

(13)

(14)

Synthèse bibliographique

II-Généralité sur les métaux lourds

Généralités sur lesmétaux lourds

,

i

II -l-Définition

Le terme métaux lourds désignant l'ensem~le des métaux toxique de forte masse atomique, plomb ou mercure par exemple. Certains étant des oligo-éléments biogènes souvent doués de propriétés hermétiques, d'autres étant sans idtérêt pour les êtres vivants et souvent très toxique: le cobalt et le zinc (Ramade, 2005).

Les éléments traces sont les éléments constituants de la croûte terrestre, dont la teneur est pour chacun inférieure à 0,1 %. Le terme élémentJ traces métalliques (ETM) regroupe les éléments traces qui présentent une masse volumique sJpérieure à 6 g/cm3 (Baize, 1997).

La plupart des scientifiques préfèrent à l'ap~llatiOn métaux lourds, l'appellation "

éléments en traces métalliques" -ETM- ou par extension" éléments traces" (Miquel, 2001 ; Burnol et al., 2006).

11-2-Propriétés physicochimiques des métaux lourds

. " 1

11-2-1-La solubilité 1

-La solubilité des métaux lourds dépend de l'élêment concerné et le chimisme de la phase

1

aqueuse (pH, potentiel redox, concentration en ligands, et de phases solides environnante) qui interagisse avec la composition de cette phase. L'htdro solubilité de nombreux métaux est fortement accrue par l'acidité (Lemière et al., 2001V.1 La solubilité d'un élément ou de ces

1

composés joue un rôle important pour son activité toxique réelle dans l'environnement (Bliefert et Perrot, 2003).

11-2-2- La persistance

Contrairement aux polluants organiques, les métaux lourds ne peuvent pas êtres dégradés biologiquement ou chimiquement, ils sont persistants kliefert et Perrot, 2003). C'est pour cette raison, que les métaux peuvent s'accumuler le long bes chaînes alimentaires, au bout de ces chaînes, les métaux peuvent atteindre des concentratiohs qui sont supérieures de plusieurs fois à . celles trouvées dans l'eau dans l'air et dans le sol (LeJière et al., 2001). Cela peut aller plus loin qu'une plante ou un animal ne puisse plus servir de ndurriture pour l'homme (Bliefert etPerrot, 2003).

(15)

Synthèse bibliographique Généralités sur lesmétaux lourds

11-2-3- La volatilité

La plupart des métaux lourds sont considérés comme non volatils, sauf le mercure dont le

1

point d'ébullition est de 357 oC à une pression de 101 Bka (Lemière et al., 2001).

11-3-0rigine des métaux lourds 11-3-1-Apports naturels

11-3-1-1- Le fond géochimique ¹

Les éléments traces métalliques sont naturellement présents dans les divers types des

1

roches (Burnol et al., 2004). Ils se présentent donc daJ;1sles sols à des teneurs variables selon la

1

composition initiale de la roche mère et le type de pédogénèse qui a eu lieu. De même les éléments traces sont présents dans tous les autres co*partiments de l'environnement de façon

1

naturelle et normale, dans les eaux, dans l'air et danslles êtres vivants (Tremel-Shaub et Fiex, 2005).

11-3-1-2- Autres apports d'origine naturelle

Des apports par la voie atmosphérique existent également: volcanisme, érosion et transport éoliens de poussières, transport d'aérosols r'origine océanique, feux de forêts, etc.

Certaines eaux souterraines, en particulier dans les rég~ons volcaniques ou les nappes profondes,

,

sont très riches en métaux. Pour le cas particulier des eaux marines, l'activité tectonique et le volcanisme sous-marins sont également à l' origin1 d'un apport en éléments métalliques

(Blanquet et al., 2004). ¹

1

II-3-2-Les émissions anthropiques ¹

Les sources principales des émissions des métaux comme le cadmium, le plomb ou le

1

mercure sont les centrales thermiques, les unités de l'irldustrie. Dont la sidérurgie, la combustion

1 1

des déchets, la circulation automobiles et les engrais minéraux (Bliefert et Perrot., 2003).

1

11-3-2-1-Les eaux usées domestiques et rejets urbai~s

Les rejets urbains se composent des effluents: d'origine domestique et municipale qui peuvent être chargées par les métaux lourds (Bumo~ et al., 2006). Il s'agit par exemple des contaminations en provenance de stations d'éPuratiJn, des eaux d'inondation ou encore du

1

dragage des sédiments des canaux et ports (Bumol et al., 2004 ; Bumol et al., 2006).

(16)

Généralités sur lesmétaux lourds

Synthèse bibliographique ₁

1

11-3-2-2-Les décharges publiques i

Les rejets associés à la mise en décharge ou à II,incinération des produits arrivés en fin de vie sont également notables: par exemple pour le ploJb et le cadmium dans les piles, batteries et

1

accumulateurs; pour le mercure dans les instruments de mesure (thermomètres, baromètres) (Blanquet et al., 2004).

(Stéphanie et al., 1997).

11-3-2-3-Les activités industrielles

dans lesquels ils sont incorporé (Ramade, 2005).

j

1

Toutefois l'industrie est toujours responsable de la majorité des rejets directs dans l'eau.

Par ailleurs, le traitement des minerais et l'industrie Jétallurgique restent à l'origine d'émissions

1

atmosphériques importantes. Les métaux transportés par l'atmosphère peuvent tôt ou tard contaminer les milieux aqnatiques (Blanquet et al., 2P04). L'industrie du traitement de surface (galvanoplastie, peintures ...) est une source de pollution par les métaux lourds particulièrement

1

importante. Les métaux lourds sont aussi issus des bombustions car on les trouve, à l'état de traces, dans le charbon et le fioul. Ils se retrouven~ dans les cendres et dans les cheminées

1

Certaines utilisations posent encore des problèmes particuliers: par exemple, dispersion des plombs de chasse, usure des pneus (le zinc, accokpagné du cadmium comme impureté, est

1

utilisé comme durcisseur pour la fabrication des pneuS) (Blanquet et al., 2004).

1

11-3-2-4- Les apports agricoles ¹

Les activités agricoles sont également ¹ à l'origine d'une contamination de l'environnement. Le sulfate de cuivre (bouillie bordelflise) est utilisé pour traiter les vignes et les

1

arbres fruitiers. L'arséniate de plomb ou des dérivé~ mercuriels ont été utilisés dans le passé comme pesticides. Certains engrais, fabriqués à Parti1 de minerais riches en phosphates, peuvent aussi avoir de fortes concentrations en cadmium présent en impureté. Les boues des stations

1

d'épuration, les composts d'ordures ménagères ou le lisier utilisé pour amender les surfaces

1

agricoles sont également susceptibles d'être contaminês par les métaux (Blanquet et al., 2004).

II-4-Devenir et répartition des métaux lourds dan.! l'environnement

Les métaux comme tous les éléments présenteht un polymorphisme chimique dépend à la fois de leur forme (ex: chrome trivalent et hexaval1nt) et du composés minéral ou organique

1 1

(17)

,, B;j

J J J J J

Synthèse bibliographique l Généralités sur lesmétaux lourds

Les métaux existent dans la natme sons différettes formes: ions, complexes inorganiques et organiques, en solution ou adsorbés sur des colloiides ou des aérosols (Bliefert et Perrot., 2003). L'analyse de spéciation à pour objet d'iden~ifier et de quantifier la ou les formes chimiques d'un élément contenu dans un échantillJn (Jeannot et al., 2002). La spéciation présente une grande importance en écotoxicologie eJ de façon générale dans les sciences de

1'envÎrounement (Ramade, 2005). ¹

Il est assez difficile de prévoir l'évolution des métaux dans l'environnement car ils peuvent subir un grand nombre de transformations (oJydation, réduction, complexation, etc.), et car cette évolution dépend fortement du milieu (Stéphabe et al., 1997).

11-4-1- La compléxation

Les cations métalliques peuvent former avec Cliverses molécules des composés appelés complexes métalliques. Ils interviennent dans divers processus pédologiques: l'altération des minéraux, l'adsorption, la dissolution, le transport et la biodisponibilité des cations métalliques, ce qui explique leur intérêt et la nécessité de connaitr~ leur propriétés et les conditions de leurs formation (Calvet, 2003).

Les phénomènes de complexation faisant intervenir les métaux sont gouvernés par un ensemble de paramètres physico-chimiques. Ceux-ci 10difient la spéciation des métaux; c'est à dire qu'ils influent sur la répartition des différentes fobes chimiques métalliques, mais agissent également sur l'assimilation par les organismes vivadts. Parmi ces paramètres, on peut citer le pH, le potentiel d'oxydoréduction et bien sûr la quahtité de ligands disponible (aussi appelée capacité complexante) (Blanquet et al., 2004).

11-4-1-1- Formation d'oxydes et d'hydroxydes

Les métaux, en solution aqueuse subissent un phénomène de solvatation (Blanquet et al.,

1

2004). Les ions en solutions aqueuses sont entourés par des molécules d'eau. Le plus

1

fréquemment de quatre à six molécules pour les cations, les cations métalliques sont toujours hydratés et ils forment ce qui est appelé aquo- compl~xes (Calvet, 2003).

I1-4-1-2- La formation des eomplexes avec les liganrS organiques et inorganiques

Selon l'étude de (Baeyens et al., 1998), Vu la spéciation des métaux dissouts dans les

1

eaux estuariennes, il devrait considérer que l'ampleur de la complexation varie nettement avec la nature et la concentration des composés organiquesl et inorganiques.

(18)

l1

l

-1 1

l

1

Dans les sols de nombreux composés orglniqUeS sont d'origines biologiques se comportent comme des ligands vis-à-vis des cations Jétalliques. Les ligands concernés sont soit inorganiques, le plus important c'est OR, soit orJaniques et il faut distinguer les petites molécules et les substances humiques (Calvet, 2003).

Dans les milieux aqueux, les métaux sont présents sous différentes formes chimiques. Les éléments et composés chimiques inorganiques (anions majeurs tels que les carbonates, chlorures et hydroxydes) et organiques (composés formant la matière organique dissoute) présents dans ces milieux constituent des ligands capables de compl~xer les ions métalliques. C'est ce que l'bn appelle compléxation inorganique dans le premier cas^Iret compléxation organique dans le second

(Blanquet et al., 2004). .

La figure 04 illustre les interactions entre un ion métallique libre (M²+) et les ligands avec lesquels des complexes peuvent se former (Blanquet et al., 2004).

Figure 04: phénomènes de complexation des métaux dans l'eau (Blanquet et al., 2004).

Parmi les ligands inorganiques possibles pour Lmétaux, on trouve les anions suivants : chlorure (CI-), bromure (BO, cyanure (CN-), nitrite J02), carbonate (COl-),hydroxyde (OH-) etc. (Blanquet et al., 2004).

La présence des ligands organiques réduit la concentration en ions métalliques libres (responsables de la toxicité des métaux) dans l'environnement aquatique (Blanquet et al., 2004).

1

Quelques soit la nature des ligands et des métaux, il existe deux types d'interactions entre le cation central et le ligand dont l'importance dépend det atomes liés: '

1

• interaction électrostatiques;. ' ¹

• liaison covalente due à la paire d'électrons venant du ligand qui se délocalise sur

(19)

--- ^---

_1

n

j

J J J

J

jfi

-1

j1

j

II -4-2-Précipi ta ti0nIco-p réd pita ti0n

La précipitation est définie comme la croissance d'une structure tridimensionnelle qui se répète dans l'espace (Burnol et al., 2004).

Les métaux dissous peuvent précipiter en cas de changements de pH ou de conditions redox, ce qui peut être le cas au niveau des zones de confluence~ de cours d'eau par exemple (Blanquet et al., 2004).

En ce qui concerne les ETM, les phénomènes importantes de précipitation/dissolution

. . 1 b'l' . d' ¹

sont qUIont un Impact sur a mo 1Ite es metaux sont!

• La précipitation/dissolution de la phase porteus~ d'ions métalliques sur leurs surfaces

comme les oxy-hydroxyde fer; 1

• La précipitation/dissolution des phases sulfurée$ contenant dans leur réseau cristallin des ETM (Bumol et al., 2004).

II -4-3-L' adsorption/absorption

Selon (Bumol et al., 2006), L'adsorption déc~t le processus de fixation de matière sur des surfaces minérales. Bien que des interactions phyJiques de Van der Waals soient également possibles, ce terme décrit principalement la fixatioh par liaison chimique. Il diffère de la précipitation par le fait que l'élément métallique ne fdrme pas de nouvelle phase solide en trois dimensions. De plus, l'adsorption est considérée comnle un processus réversible (effet retard).

L'adsorption du contaminant peut se produire à la surface de différentes phases solides rencontrées. Les mécanismes de sorption à l'interface solide-liquide peuvent affecter le transfert des éléments traces métalliques dans les sols et les eaux souterraines. Deux grandes catégories de processus d'adsorption, ou modes d'adsorption, peuvebt être distinguées:

1

11-4-3-1-Adsorption non spécifique ou PhYSisorptio~

Cette catégorie prédomine dans les solides donJ les surfaces présentent des groupes -OH (groupe hydroxyde) terminaux. Dans ce cas, l'affinitélrelative de la surface d'un solide pour un cation d'élément trace métallique libre augmente avec la tendance du cation à former des liaisonsi fortes avec l'oxygène (Burnol et al., 2006).

11-4-3- Adsorption spécifique ou chimiosorption

Cette catégorie prédomine dans les solides qUI possèdent des sites d'échange, principalement les argiles. Dans ce cas, la tendance à la substitution dépend de la charge et de la

1

taille relative des éléments métalliques échangés. Beauéoup de minéraux (argiles, oxydes

(20)

métalliques) et les composés humiques possèdent des,charges à leur surfaces, avec lesquelles des ions peuvent se fixer et devenir échangeables (Bliefert et Perrot, 2003).

La sorption des ETM diminue avec augmentation des concentrations des cations et anions

. , . (C +2 M +2 F +2+3 p 4-2 ). d ^.c:' d bd' d' 'bl

ma] eurs competlteurs a , g, e , 0 . . .• u laIt u nom re e sItes Isporn es (Bumol et al., 2004).

Selon l'étude de (Deng et al., 2006), La biosorption est un moyen efficace du déplacement des métaux lourds des eaux usées. Les eaux usées industrielles contiennent souvent d'autres ions, par exemple Na+, K+, Mg2+ et Ca2+ qui peuvent affecter la prise des ions des métaux lourds par la biomasse. L'effet des ions des métaux légers sur la prise des métaux lourds est en raison de la concurrence avec les ions des métaux lourds pour les accepteurs.

La figure 05 illustre ces deux processus se pro~uisant sur une structure argileuse.

En l'occurrence, ils peuvent coexister pour des solides qui présentent des groupes OH terminaux et des sites d'échange.

1

r,

1

l l l

l ^(a) ^(b)

Figure 05 : processus d'adsorption; (a) Form~tion d'une liaison covalente, (b) Echange d'ions ETM en solution (Bumol et al., 2006).

11-5- Paramètres physicochimiques influençant le devenir des métaux lourds dans l'environnement

.,ï 1I-5-1-pll

Le pH est certainement le facteur le plus determinat pour expliquer la mobilité des éléments en traces métalliques dans le sol, en gçnéral l'abaissement du pH favorise la mobilisation du métal par échanges protoniques, mise' en solution des sels insoluble ou encore

(21)

1

Synthèse bibliographique \ Généralités sur lesmétaux lourds

l'immobilisation par formation des composées ou1accroissement de la capacité d'échange

1

cationique (tableau 01) (Tremel-Shaub et Fiex, r005).' Il joue également un rôle dans l'absorption et l'accumulation des métaux. Plus le pH est acide, plus les plantes en accumulent

(Laib, 2004). ¹

Tableau 01 : effets du pH sur la mobilité des fnicropolluants métalliques des sols et des sédiments (Tremel-Shaub et Fiex, 2005). ¹

II-5-3-La matière organique

II-5-2-Influence des conditions d'oxydoréduction

Les conditions d'oxydoréduction; 10rsqu'elles!sont soit réductrices, soit oxydantes; ont un effet sur la solubilité des ETM et donc sur leur d~sponibilité pour les végétaux. Les anions oxygénées (As, Mo, Se), le Cr et Hg changent de degrés d'oxydation (valence) selon le potentiel

1

d'oxydoréduction du sol et donc change de solubilité (Tremel-Shaub et Fiex, 2005).

1

Mobilité Activitf protonique

relative

Neutre, Alcalin Acide

Très haute Se, Mo

1

Br

Haute As ¹! Zn, Cd, Hg, Co, Ni, (Mn)

1

Moyenne Mn ⁱ Cu, Al, Pb, Cr

1

Basse Pb, Fe, Zn, Cd, Ti

1

Fe, Ti Très basse Al, Cr, Hg, Cu, Ni, Co ^! Mo, Se, As

1

2005).

La matière organique dissoute joue un rôle important dans la détermination de la spéciation et de la biodisponibilité des métaux. Prisqu'elle a la capacité de former des complexes avec les métaux. Les métaux peuvent être crmplexés par les substances composant la MO et plus particulièrement par les sites carboxyliques (groupements contribuant à la majorité des sites de complexation), azotés et sulfurés qui s'y tJouvent. La capacité totale de fixation des

1

ions métalliques par la MO dans les eaux a été estimée !entre 200 et 600 !!mol.g-1(Blanquet et al.,

1

2004). Du fait de la présence de la matière organique Çr (IV) est réduit en Cr (III) (Baize et al.,

1

~

1!

,

l l l l

l<

(22)

(Jeannot et al., 2002).

inconnus (Akins., 1992).

1

,

!

l l

"1

l l

i

1

11-5-4-La force ionique

La chimie des métaux et de la matière organique dépend en effet des variations de la force ionique (Blanquet et al., 2004). ¹

11-4-5-5-La température

La température stimule la biodégradation de la matière organique et donc la production

. 1

des substances acides ou complexantes (Tremel-Shau9 et Fiex, 2005). Une auguementation de la température de l'eau de 12 à 25 oC multiplie par deux la solubilité du plomb (Savary, 2003).

11-6- La toxicité des métaux lourds

Manque ou excès sont deux formes de toxicité provoquée par les métaux. La toxicité

1

d'un métal dépend de plusieurs facteurs: de la formF dans laquelle un élément se trouve (par exemple le nombre d'oxydation; en tant que compos~ organométallique), de la manière dont il est absorbé (par exemple par voie orale, par inhalatioJ), du type d'organisme ou il se trouve (par exemple plante, animal), de son âge et de son état dJ développement, de la concentration à un certain endroit de l'organisme ou dans un organe déterbiné (Bliefert et Perrot., 2003).

Les formes organométalliques d'un élément, ~ar exemple, représentent le pins souvent une faible fraction de l'élément total mais ces formes! peuvent être plus toxique que les formes inorganiques de l'élément (cas de certaines formes organométalliques du mercure ou de l'étain)

1,

Les métaux lourds provoquent des dommages neurocomportementaux irréversibles se développant chez beaucoup de mammifères, mais IJs mécanismes de ces dommages sont

1

De nombreux métaux sont considérés comme cancérogènes pour l'homme et les animaux ou les deux. Le chrome, le platine et les dérivés inorgliques du mercure sont responsable aussi

(23)

,

Selon (Chen et al.,

:t~*R~~~Q:liqgÎI~~~~tç:~rt~l~rt~E~~f~~,~~lI~

::ft,f~I~~~î~MlI]I'~lill~~~j~~wllil

~~~~~[1ir~]~œt[~~f~II'(~~;~~~ï~~~ï~~1:~i~;wf~~11~:%

; 1

Les résultats de l'étude de (Zhang et aL, 2011), ont indiqué que l'exposition professionnelle à des niveaux bas et élevés de chrome' chez les ouvriers de galvanoplastie, induit des dommages discernables d'ADN associés au niveau de chrome dans les érythrocytes, ce qUI

1

peut servir de biomarqueurs utiles du chrome hexavalent.

i

~r~~~~,~~~;J~~p~~~~~~~l,Â~l~J~;~~~'}I\):;Sîijp~~H£~î:;g~~;';tË\:;~m:~m~~i~~~~~~t~fit,~~~~~llit~t~m~~~s~

~g~w.m~tr@îwr~;~~!{:;;iiYn~;,:,;'([qti'*i,!~:tq~919:*i~~~:1"t~~;;~~~~~;@~I~

llO',

!

l

,

l₁

i

L'action toxique du cadmium sur les os, en !revanche, ne se manifeste qu'après une dizaine d'années d'intoxication chronique. Le cadmium entraine une ostéomalacie se traduisant

1

cliniquement par des fractures multiples et spontanées (Viala et Botta, 2005). Il affecte les

,

cellules des tubules proximaux des rein, provoquant l~excrétion urinaire de protéines de faible poids moléculaire, d'acides aminés et de glucose (Lu, 1991).

L'étude de Watjen et al., 2004, a montré que lyS basses concentrations du cadmium qui lancent la mort programmée de cellules peuvent mener à une mort sélective de cellules dans des régions différentes du cerveau par l'intermédiaire de la igénération d'effort oxydant.

i

L'intoxication due au plomb révèle des troubles hématologiques, intestinaux, une encéphalopathie, des atteintes rénales et pancréatiques (Viala et Botta, 2005). Selon (Pistl et al.,, ,

1

2008), l'intoxication chronique causée par le trihydrate acétate de plomb a un effet

(24)

Généralités sur lesmétaux lourds Synthèse bibliographique

immunotoxique chez les rats

1

[

manifesté par une diminution significative des capacités fonctionnelles des phagocytes et les lymphocytes T.

L'intoxication chronique se caractérise par l'apparition d'une anémie, d'un éctéré, d'un liseré du au plomb au niveau de la gencive, d'une anbrexie, de gastralgie, etc. (Benecke, 2004).

On admet qu'une dose de lmg de plomb est suffisan1e pour engendre rapidement le saturnisme (Viala et Botta, 2005).

ill-Les métaux étudiés

D'après (Normandin et Hazell, 2002), î~,,~~~J~~~t~l1~f~~~i:'~~~p~î!;')j@tjt~'~}:~~~~~,~));jl!~'

!~~!;l!t!t~l{~\~';~~~!\t~HîIl_I.~:::=:::!i,~lii;~IWl~'r~\1fj

.B~1S~;:;qni!lL'évidence croissante suggère que 1er ^astrocytes ^soient l'emplacement de dysfonctionnement et dommages précoces. Les astrocYtes possèdent une haute affinité, capacité élevée, système spécifique de transport pour le manglnèse facilitant sa prise, et sa séquestration dans les mitochondries, menant à une rupture de la phbsPhOrylation oxydante.

~l

!

l

l~

""'"'1,

1.

l

!

ill-l-Le cadmium ill-l-l- Généralités

Elément de numéro atomique Z=48 (Ramade, 2000). Le cadmium est un métal

1

relativement rare, mais il est utilisé pour plusieurs buis. Dans sa forme pure est un métal blanc

1

argenté avec une couleur bleuâtre. Le cadmium est ég~lement très malléable (Cobb, 2008).

Le cadmium est un élément chalcophile, associé généJalement au zinc. Les deux éléments ayant des structures ioniques et une électronégativité procheJ (Bumol et al., 2006).

1 t

Le cadmium peut se présenter sous forme de sulfures de zinc (ZnS(s» (sphalérite ou blende et wurtzite) et de carbonates tels que la smithsobte (ZnC03). Il peut également se trouver dans des gisements de sulfures où il est présent sous la forme de greenockite (CdS(s)) (A, Bumol et al., 2006).

(25)

-- ---

--,

Masse atomique

112¹

Masse volumique . ::-J

8.6~cm

Température de fusion 320.9 °

1

Température d'ébullition 765°1

Symbole chimique Cd

1

Minerai d'origine Scories de zinc

1

1 1

Tableau 02 : les caractéristiques physicochimiques du cadmium (Miquel, 2001) :

1

111-1-2- Comportement du cadmium dans l'environ!nement

Le comportement du cadmium dans le sol es~ fortement contrôlé par le pH. Dans des

1

conditions acides, la solubilité du cadmium augment~ et une légère adsorption de ce métal par des colloïdes du sol, des hydroxydes ou de la matiè~e organique peut se produire. A des pH supérieurs à 6, le cadmium est adsorbé par la phase sblide ou précipite et les concentrations en solution du cadmium sont fortement diminuées. L'hy~rOlYSe du cadmium commence à des pH

1

élevés. Dans des conditions réductrices, CdS(s) est la phase la plus stable contrôlant la solubilité de ce métal (Bumol et al., 2006).

!i

l_!!

r.

-1

1

III-2-Le chrome

Le Cd2+libre et les espèces hydrolysées sont les principales espèces retrouvées dans les eaux (les espèces carbonatées et sulfatées présentent Je faible contribution).

Le cadmium forme des complexes solubles a~ec l'ion chlorure (Cl) ce qui accroît sa mobilité. En effet, la solubilité des carbonates de cadmium augmente quand la concentration en chlorures augmente. Dans les eaux souterraines, selbn la composition de l'eau il peut aussi

1

précipiter en tant que carbonate de cadmium (CdC03) ou d'hydroxyde de cadmium (Bumol et

1

al., 2006). Par ailleurs, le cadmium piégé par les sédiments est directement à la disposition des

1

végétaux aquatiques par l'intermédiaire de leur appareil racinaire (Augier, 2008).

1

i,

1

111-2-1- Généralités

Elément assez répondu dans les sols, son nom rient du grec (Kroma = couleur), c'est un métal de masse atomique 52, n° 24 dans la classificati~n de Mendeleïev. Il a un aspect blanc vif

1

et brillant, quelque fois légèrement jaunâtre. Il est très dur (il raye le verre), mais n'est ni malléable, ni ductile, il est inaltérable à l'air (Augier, 2008).1