Soutenance mémoire
Les métaux traces sont présents à l’état de trace dans la croûte terrestre. Leur présence dans les eaux naturelles résulte de processus naturels (précipitations, érosion et altération, émissions volcaniques) et des activités humaines. Celles-ci sont les principales sources de contamination des eaux par les métaux traces. L’importance relative des sources de contamination anthropique (industrielle, domestique, ou agricole) est variable selon l’élément considéré et l’occupation des sols sur le bassin versant. Le développement des sociétés industrialisées a entraîné l’utilisation de métaux, d’éléments rares, de minéraux, ainsi que des extractions de matières premières, le traitement et le stockage des déchets, créant un flux contaminant supplémentaire, qui s’ajoute au flux naturel lié à l’altération des roches, au volcanisme… Après un transfert par l’atmosphère, l’hydrosphère ou la biosphère, les polluants métalliques vont s’accumuler dans les sols et les sédiments. Ils génèrent donc des pollutions à la fois concentrées et diffuses dans l’environnement. Les concentrations atteintes peuvent parfois être très toxiques et se trouver, dans des conditions particulières, sous des formes chimiques favorisant une plus forte mobilité des éléments. Parfois, les métaux traces ont pu être libérés par le passé et fixés dans le milieu naturel, engendrant encore actuellement, des années après rejet, une pollution diffuse ou concentrée. Le volume, la nature et la concentration des métaux traces déterminent à la fois la toxicité et les effets sur l’environnement. En outre, au-delà d’une certaine concentration (parfois très faible) dans le milieu, les métaux ont des effets néfastes.
Définition et description des métaux traces
Actuellement, la notion de « métaux traces » est une notion floue, qui ne comporte pas de définition scientifique, technique ou juridique, officiellement établie et unanimement reconnue. Cette notion, souvent péjorative, fait appel à différents termes se recoupant les uns les autres. En outre, les éléments traces métalliques (ETM) sont parfois considérés par certains comme les anciens « métaux lourds ». Autrement dit, la notion d’ETM tendrait peu à peu à supplanter celle de métaux lourds. Les définitions des métaux lourds sont donc multiples et variables selon les auteurs. Certains définissent les « métaux traces » comme les éléments métalliques ayant une masse volumique comprise entre 4 000 et 5 000 kg/m3 . D’autres les définissent par rapport au tableau périodique des éléments : soit en admettant que les métaux lourds sont les éléments métalliques du tableau compris entre le Cuivre et le Plomb, excluant donc le Fer et le Chrome ; soit en considérant qu’il s’agit de tous les éléments métalliques compris à partir de la quatrième période du tableau périodique des éléments. Enfin, certains incluent dans la catégorie des métaux traces certains composés organiques toxiques, n’ayant pas de propriétés métalliques. Il subsiste donc un flou, une imprécision dans la définition. Les deux termes, « métaux traces » et « métaux lourds » seront donc employés au cours de cette étude.
Selon le tableau de classification périodique des éléments, les métaux lourds appartiennent à la catégorie des « éléments traces métalliques». Au total, cette catégorie comprend les éléments alcalins, les alcalino-terreux, les métalloïdes, les terres rares (lanthanides), les actinides, les familles du Scandium et du Titane, et les métaux traces, qui comprend les éléments suivants : Cr, Mn, (Fe), Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Sn, W, Hg, Pb. L’expression « en trace » connote l’idée que les éléments en trace sont un vestige de la formation de l’univers. Les éléments en trace se différencient des éléments majeurs. Dans la présente étude, nous considérerons les principaux métaux traces que sont le manganèse (Mn), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le cuivre (Cu), le cadmium (Cd), le mercure (Hg) et le plomb (Pb). Tous les éléments traces ont été classés par Goldschmidt (1954) en souscatégories, selon deux critères, à savoir la charge de l’ion et le rayon ionique. Ainsi, une majorité des métaux traces (Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Pb) appartiennent aux éléments du groupe I, au sein duquel ils sont toujours sous forme de cations et par conséquent, solubles dans l’eau quel que soir le pH. Seul Cu appartient aux éléments du groupe II, sous formes d’oxydes et d’hydroxydes, toujours solubles. Le groupe III regroupe les complexes solubles, dont fait partie Cr. Cette classification s’avère très utile pour évaluer le comportement des ETM. En outre, la connaissance des formes dans lequel se trouve un élément, c’est-à-dire sa « spéciation », détermine, d’une part, sa capacité à être transporté en solution dans l’eau, et d’autre part, son niveau de toxicité (Atteia, 2005).
Définition et description des systèmes lacustres
Un lac représente une grande étendue d’eau douce, entourée par des terres, qui peut s’écouler en direction de la mer par un cours d’eau nommé « émissaire », ou ne pas avoir de débouché maritime, formant parfois une mer intérieure, à l’instar de la mer Caspienne ou de la mer d’Aral. Ces plans d’eau agissent sur le cycle de l’eau à la fois comme régulateurs en écrêtant les crues et en soutenant les étiages, et sont soumis à de multiples usages : hydroélectricité, approvisionnement en eau potable, réserve pour l’irrigation agricole, activités nautiques, baignade, pêche… Les eaux d’un lac sont caractérisées par des éléments tels que la profondeur, la lumière, la température de l’eau, la salinité, la quantité de nutriments disponible, la colonisation par la végétation et autres microorganismes… Les lacs sont formés d’eau douce, dont la teneur totale en sels marins ne dépasse pas 0,6 ‰. Ils peuvent avoir plusieurs origines, en lien avec leur formation : marine (en cas de débouché maritime), tectonique (effondrement de portions de la croûte terrestre), volcanique (lac de cratère au sein d’un volcan actif ou d’une caldeira), glaciaire ou morainique (lacs dus à l’érosion glaciaire), alluvionnaire (lorsqu’un cours d’eau rencontre des dépôts alluvionnaires sur son cours), karstique (érosion et dissolution en zone calcaire), de déflation éolienne (érosion par le vent) ou enfin, artificielle (lac de barrage, lac réservoir) (Encyclopédie Wikipédia Internet).
Les lacs sont présents partout à la surface du globe, à toutes les altitudes et dans toutes les zones climatiques, mais ils sont présents essentiellement dans les régions subpolaires et de montagne. Ils sont alimentés en amont par un ou plusieurs cours d’eau, par des résurgences karstiques, ou la fonte des glaciers. Mais tous ne sont pas alimentés par un cours d’eau. L’eau s’évacue naturellement par évaporation ou par les cours d’eau en aval (émissaires). La masse d’eau que forme un lac n’est pas immobile ; il existe des courants crées par les cours d’eau se déversant dans le lac, ainsi que par des sources souterraines parfois présentes au fonds des lacs. Les facteurs climatiques (chaleur, orages, vents) sont également susceptibles de produire des perturbations de type tourbillons et ondulations, brassage des masses d’eau, des particules et des sédiments, et par conséquent leur remise en suspension. Les lacs sont donc sujets à des mouvements, à des déplacements latéraux des masses d’eau qui entraînent des variations de niveau pouvant aller jusqu’à 50 cm (Drever, 1988).
Caractéristiques des transferts de métaux traces dans l’environnement
Les métaux traces constituent l’un des principaux groupes de contaminants dans l’environnement et dans les hydrosystèmes aquatiques. Ils ont à la fois une origine naturelle et anthropique : d’une part, ils sont contenus naturellement dans les sols et les roches des terrains naturels, et sont libérés progressivement dans l’atmosphère et les hydrosystèmes (lacs et rivières), du fait des processus de dégradation et d’érosion. D’autre part, les métaux lourds comportent de nombreuses utilisations domestiques, agricoles et industrielles, et leurs rejets – directs ou indirects – dans le milieu naturel, constituent alors des effluents très polluants. L’apport dans l’environnement peut en effet être direct (déversements industriels dans le milieu naturel…) ou indirect (ruissellement sur décharges, parcelles agricole…).
Les métaux traces se trouvent sur toute la surface de la terre ; ils sont persistants et peuvent provenir de sources proches ou éloignées. Il est impossible de les éliminer, car ils ne se décomposent et ne disparaissent jamais. Ils sont en revanche «transférés » continuellement dans l’environnement, par les courants atmosphériques et aquatiques, sur de plus ou moins grandes distances. Il est donc parfois difficile de déterminer formellement l’origine (industrielle ou anthropique) des métaux lourds présents dans l’environnement. Dans les hydrosystèmes continentaux, les métaux lourds se trouvent généralement à des concentrations de l’ordre du nanogramme ou du microgramme. Mais ces concentrations que l’on peut considérer comme « naturelles » peuvent être dépassées, ce qui constitue un problème de plus en plus préoccupant, notamment pour les métaux lourds contaminants, tels que le plomb, le cadmium et le mercure. L’augmentation de la concentration des métaux lourds sont imputables à différents facteurs, en lien avec le développement des territoires : la démographie croissante et l’urbanisation massive conséquente, l’extension de l’irrigation agricole, la progression des activités industrielles et l’exploitation des ressources naturelles (notamment minières). On peut ajouter à cela le non-respect ou le manque de réglementation concernant le rejet des substances et notamment des métaux lourds dans l’environnement (Étude des métaux lourds, C. Biney et Al.) .
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Table des matières
INTRODUCTION
I. PRESENTATION ET DEFINITION DES OBJETS DE L’ETUDE : METAUX TRACES ET SYSTEMES LACUSTRES
1. Définition et description des métaux traces
2. Définition et description des systèmes lacustres
II. ORIGINES ET MODES DE TRANSFERT DES METAUX TRACES DANS L’ENVIRONNEMENT
1. Caractéristiques des transferts de métaux traces dans l’environnement
2. L’origine naturelle et terrestre des métaux traces
a) Les métaux traces dans les roches : le fonds géochimique
b) Les apports atmosphériques de métaux traces
3. L’origine anthropique des métaux traces dans l’environnement
a) Les apports agricoles des métaux traces
b) Les apports industriels des métaux traces
4. Processus de transferts vers les systèmes lacustres
III. COMPORTEMENT PHYSICO-CHIMIQUE DES METAUX TRACES DANS LES SYSTEMES LACUSTRES
1. Processus physico-chimiques naturelles, réactions en solution
a) Généralités sur le comportement des métaux traces dans les lacs
b) Les formes chimiques des métaux traces en solution : dissolution et précipitation
c) Les réactions d’oxydo-réduction : le potentiel redox de l’eau
2. Processus physico-chimiques en interaction avec des surfaces
a) Processus d’adsorption des métaux traces dans les lacs
b) Processus de complexation au sein des systèmes lacustres
3. Processus biologiques et microbiens dans les systèmes lacustres : le rôle des organismes
a) Processus non spécifiques de solubilisation microbienne des métaux traces
b) Processus non spécifiques d’insolubilisation microbienne des métaux traces
c) Processus spécifiques de solubilisation et d’accumulation des métaux traces
IV. BILAN DES PROCESSUS PHYSIQUES, CHIMIQUES, BIOLOGIQUES ET PROCESSUS D’EPURATION DANS LES LACS
1. Bilan des processus et du comportement des métaux traces
2. Flux d’échange et remobilisation des métaux traces entre colonne d’eau et sédiment
3. Les mécanismes d’épuration au sein des systèmes lacustres
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
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