La matière organique dans les milieux aquatiques
Partie 1 : Partie bibliographique
Chapitre 1 :La matière organique dans les milieux aquatiques
1.1- Généralité sur la matière organique dans un milieu aquatique
Dans les milieux aquatiques, la matière organique (MO) est un ensemble des composés hydrocarbonés d’origine naturelle (macromolécules provenant de la dégradation de débris animaux et végétaux) et des composés anthropique (micropolluants organique ont des origines très variées).
Cette matière joue un rôle important dans la circulation des éléments chimiques en général. Plus particulièrement, la MO se retrouve dans les rivières sous deux formes : la forme dissoute « MOD » et la forme particulaire « MOP » (Thomas, 2014).
Généralement dans les milieux aquatiques, on estime à environ 89 % la part de matière organique dissoute (MOD) en solution dans l‘eau, à 9 % celle de la matière organique particulaire (matière organique associée aux particules et détritus), à 2 % celle du phytoplancton et à moins d‘1 % celle du zooplancton et des bactéries, en masse de carbone organique (Duursma et al, 1981).
La matière organique est constituée essentiellement d’hydrogène de carbone, d’azote, de phosphore et de divers métaux (Hedges et al, 2002). Ces éléments sont à la base de touts les réseaux trophiques aquatiques.
Les sources de la (MO), la température et le pH sont des facteurs qui contrôlent la composition et la concentration de la matière organiques. Ces facteurs jouent divers rôles sur le contrôle de la dissolution et des processus de dégradation et de production photo chimique et biologique (Leenheer et al, 2003).
1.1.1- Origine de la matière organique
La matière organique présente dans les milieux aquatiques a deux origines : matière organique allochtone et autochtone.
1.1.1.1- La matière organique allochtone
C’est-à-dire pédogéniques: s’identifie surtout aux produits naturels, feuillage, herbes et poussières apportées par le vent, la pluie, la neige et les ruisseaux, aussi aux effluents industriels, agricoles et domestiques (Wu, 1980).
1.1.1.2- La matière organique autochtone
C’est-à-dire aquagéniques : est produite par la faune et la flore aquatique et s’identifie principalement aux produits de la photosynthèse des organismes aquatiques et aux cadavres d’organismes aquatiques (Amalay, 1994).
Généralement, le rapport carbone-azote permet de différencier les substances allochtones des substances autochtones.
Un rapport carbone/azote (C/N) d’environ (50:1) est typique pour les substances allochtones tandis qu’un rapport de (12:1) est plus représentatif des substances autochtones (Wetzel, 1983).
1.1.2- Formes physiques de la matière organique
La matière organique des milieux aquatiques revêt une multitude de formes physiques. Celles-ci peut être distingué, arbitrairement, en fraction dissoute et particulaire par un processus de filtration utilisant des filtres de porosité standard de 0.45 μm (Thurman, 1985).
Figure 1 – Continuum solutés/colloïdes/particules en taille (d’après Ranville,1999)
1.1.2.1- Matière organique particulaire
Il s’agit de composés organiques dont la taille est supérieure aux seuils de coupure standards à 0.45 μm. Les divisions les plus couramment utilisées dans cette fraction sont :
- MOP grossière qui correspond aux débris de grande taille (jusqu’à 1 mm).
- MOP fine qui correspond aux débris de 1 mm jusqu’à 53 μm ; et celle très fine, de 53 μm jusqu’à 0.45 μm. MOP est issue des litières végétales, et comprend aussi des débris d’algues, d’invertébrés aquatiques et de débris issus du complexe argilo humique des sols (Leticia, 2000).
1.1.2.2- Matière organique dissoute
On désigne sous le nom de matière organique dissoute (MOD) un ensemble complexe et hétérogène de macromolécules organiques formées par la dégradation du matériel
biologique animal ou végétal, d’origine terrestre ou aquatique. La définition de la MOD est reliée à la taille physique, avec un seuil de coupure à 0,45 µm (Zsolnay, 2003).
C’est la fraction qui traverse le filtre et qui peut être encore subdivisée en matière soluble et colloïdale, bien que la limite entre ces deux catégories soit difficile à établir.
Les colloïdes sont constitués le plus souvent par des molécules regroupant les acides humiques, les complexes organo-métalliques, les complexes minéral-matière organiques et quelque bactéries et virus. La taille des colloïdes peut varier de 0.45μm jusqu’à 1 nanomètre (Leticia, 2000).
MOD a généralement une grande capacité d’interaction avec les micropolluants métalliques ou organiques (Buffle et al, 1998), ce qui peut modifier leur biodisponibilité (Campbell, 1995). MOD peut s’adsorber sur des particules ce qui peut changer leurs propriétés de surface et leur réactivité vis-à-vis des micropolluants (Patrolecco et al, 2010).
La matière organique dissoute présent dans les milieux aquatiques a deux origines :
la MOD d’origine aquatique (aussi appelée aquagéniques), elle résulte notamment de la dégradation de la masse microbienne et phyto-planctonique (Buffle et al, 1988 ; Labanowski 2004).
la MOD d’origine terrestre (également appelé pédogéniques), elle est issue des plantes supérieures et des micro-organismes responsables de leur dégradation (Kracht 2001; Labanowski 2004).
De plus, MOD se subdivise en 2 catégories : MOD récente et la MOD fossile. Bien que toutes deux dérivent de la dégradation de la biomasse.
MOD récente a été produite sur des périodes courtes (inférieures à quelques siècles). Elle se compose notamment des produits de décomposition des micro-organismes et des végétaux (lignine).
MOD fossile résulte de la fossilisation par enfouissement de la biomasse (principalement des plantes vasculaires, du plancton marin et/ou lacustre) sur des échelles de temps géologiques (Killops et al, 2005).
Dans les milieux continentaux, la MO fossile représente en moyenne moins de 1% du carbone organique contenu dans les roches et les sédiments (Tissot et al, 1978).
La MOD représente souvent plus de 90% du carbone organique total des milieux aquatiques. Une partie (30% à 50%) de la MOD est constituée par des molécules très complexes et hétérogènes, appelées également substances humiques.
Le reste étant des hydrocarbures, acides aminés, lipides et sucres, sécrétions animales ou végétales, virus, etc. (Thurman, 1985).
1.2- Classification da la matière organique
1.2.1- Matière organique naturelle
La matière organique naturellement présente dans les écosystèmes aquatiques, est formée par un mélange complexe de produits végétaux et animaux à des stades de composition variés.
Elle comprend également des produits de synthèse, par voies chimiques ou biochimiques, élaborés à partir de ces éléments. Elle comprend enfin des microorganismes (bactéries, virus, etc.) et leurs décompositions.
Elle peut être divisée en deux grands groupes relativement bien caractérisés du point de vue chimique : les substances non-humiques et les substances humiques (Bontoux, 1993).
1.2.1.1- Substances humiques
Ce sont des substances omniprésentes, elles se retrouvent dans les sols, les sédiments et les eaux naturelles. Elles constituent un mélange complexe de molécules organiques hétérogènes, caractérisées par un haut poids moléculaire et une couleur allant du jaune au noir.
L’origine de ces substances résulte essentiellement de la polymérisation des composés organiques, lors des processus de dégradation biologique et d’oxydation chimique de déchets végétaux et animaux suivant des mécanismes lents et complexes (MacCarthy et al, 1990).
Les substances humiques sont principalement générées par les mécanismes suivants : la dégradation microbienne des végétaux, l’action microbienne primaire avec l’action chimique ultérieure, l’autolyse des cellules animales et végétales après leur mort et la synthèse microbienne à l’intérieure de cellules végétales.
La dégradation microbienne des tissus de végétaux conduit à des états de dégradation plus ou moins complets, l’humification pouvant s’arrêter à l’humine, mais pouvant aussi aller jusqu’aux acides humiques et acides fulviques, ou même se terminer par la minéralisation complète.
De plus ces produits de dégradation peuvent ensuite être utilisés par d’autres micro-organismes qui en retirent l’énergie nécessaire à leur métabolisme, en laissant les phénols comme produits résiduaires. Ceux-ci, se polymérisent par la suite spontanément en présence de l’oxygène atmosphérique.
Dans le cas de l’autolyse des cellules animales et végétales, après leur mort, les substances humiques résultent de la condensation et de la polymérisation des produits cataboliques de l’activité cellulaire (sucres, aminoacides, phénols).
Finalement, les tissus de végétaux attaqués par les micro-organismes donnent lieu à la formation et la libération après leur mort de produits de dégradation emmagasinés dans ces micro-organismes. Ces produits de masses moléculaires élevées constitueraient les
humines soumises ensuite à des actions microbiennes ou fongiques aboutissant à des corps de masses moléculaires inférieures (Buffle et al, 1974).
Les composés labiles simples comme les glucides et les acides aminés, sont rapidement métabolisés à une vitesse proportionnelle à la densité des bactéries présentes.
L’accumulation des substances plus réfractaires, comme les tannins, les lignines, les acides humiques et fulviques, est plus lente, et une partie de ces substances n’est jamais entièrement minéralisée.
La présence des substances nutritives, comme les nitrates d’origine agricoles, semble favoriser la décomposition des matières organiques dissoutes dans les eaux souterraines. L’utilisation des nitrates et des matières organiques dissoutes par les bactéries du sol peut aussi stimuler la dénitrification (Amalay, 1994).
Figure 2 – vois de formation des substances humiques (d’après Stevenson, 1994)
Les substances humiques sont composées des acides humiques (AH), des acides fulviques (AF) et de l’humine. La distinction entre ces trois types de substances humiques est basée sur des critères de solubilité en fonction du pH. Les acides fulviques sont solubles à tout pH, l’humine est insoluble à tout pH tandis que les acides humiques sont solubles pour un pH supérieur à 1 (Soares, 2016).
Les substances humiques constituent un mélange de macromolécules portant une grande variété de groupements fonctionnels notamment des groupements azotés 0 à 8 % (amine primaire, imine, etc.), des groupement carbones 40 à 60 % et des groupement Hydrogènes
2,5 % des groupements oxygénés 30 à 50 % aliphatiques (acides, aldéhydes, cétones, etc.) et aromatiques (phénol, quinone…) et présentant une large gamme de propriétés physico-chimiques qui conditionnent leur comportement géochimique (Hayes et al, 1989).
1.2.1.2- Substances non humiques
Les substances non humiques sont les substances non hydrophobes de MOD. Elles sont opérationnellement définies, selon L’IHSS (international Humic substance society) par l’ensemble des composés non retenus sur des résines macroporeuses non ionique (Ogier, 2015), constituées de molécule à la structure relativement « simple », elles sont susceptibles de s’assembler pour forme des condensats plus complexes (Stevenson 1994).
Elles renferment des corps organiques de composition extrêmement diverse allant des alcools aux protéines en passant par les acides aliphatiques et aromatiques, les glucides, les lipides, les pigments, etc. (Bontoux, 1993).
Toutes ces substances sont caractérisées par le fait qu’elles sont aisément attaquées par les microorganismes donc biodégradables. Elles rentrent dans des réactions de polymérisation et de condensation pour se transformer en des molécules nettement plus complexes (Behloul, 2009).
Figure 3 – Distribution de la MO en substances humiques et non humiques (d’après Ogier, 2015)
1.2.2- Matière organique anthropique
Ce sont Les micropolluants organiques présents dans l’environnement aquatique ont des origines très variées. Leur devenir dans un milieu aquatique ainsi que leur impact potentiel sur les différents écosystèmes sont très dépendants de leurs interactions avec le milieu environnant.
Dans les eaux les micropolluants sont habituellement présents en très faibles concentrations, soit à l’état de traces et d’ultra traces (Behloul, 2009).
Il existe des centaines de milliers de contaminants organiques et leur présence dans l‘environnement est initialement conditionnée par leur origine (Dichtl et al, 2007).
Les différentes familles de ces micropolluants organiques couramment recherchées dans l’eau sont : les hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP, les polychlorobiphényles PCB, les chlorophénols, les phthalates, les dioxines, les pesticides etc.… (Eljarrat et al, 2003).
Les régions fortement urbanisées montrent en plus des contaminations reliées à des phénomènes de combustion de façon générale (trafic routier, chauffage, incinérateurs…) et les zones industrialisées peuvent être fréquemment contaminées en produits et sous- produits de synthèse (solvants, détergents…).
Les concentrations d‘un milieu dépendent donc fortement des habitudes agricoles, urbaines et industrielles de la région.
Il existe également des sources de pollution d‘origine naturelle comme les volcans ou les incendies. Les mers et les océans sont le réceptacle final des contaminations organiques terrestres et
peuvent également être le réceptacle initial d‘hydrocarbures (naufrages de pétroliers, transport maritime et navigation de plaisance), de pesticides « peintures anti-salissures des bateaux » (Voulvoulis, 2006) ou encore de déchets directement rejetés (eaux usées de bateaux par exemple).
Le compartiment atmosphérique est quant à lui, le vecteur d’un bon nombre de ces composés et participe également à leur dissémination sur toute la surface de la planète, même aux endroits les plus éloignés des sources (De perre, 2009).
Figure 4 – Origine et devenir de la matière organique anthropiques, d’après Ogier (2015).
1.3- Caractérisation de la matière organique
Dans les milieux aquatiques, l’importance des différentes sources et phases de MO est très variable d’un site à l’autre selon l’état d’eutrophisation, la nature du bassin versant et la pression du bassin versant (Balakrishna et al, 2005).
La matière organique nécessite une caractérisation précise afin de comprendre ses origines, les mécanismes de sa genèse et de déterminer ses différents rôles environnementaux au sein d’écosystèmes naturels ou artificiels.
Cependant, l’étude et l’identification des divers constituants de cette matrice constituent une tâche très délicate en vue leur nombre et leur hétérogénéité, (Behloul, 2009)
Dans les eaux courantes, MO provenant de la production primaire aquatique reste très faible dans le pool organique global qui lui-même est souvent noyé dans une matrice inorganique complexant (matière minérale).
Il en résulte la formation de complexes organo- minéraux (ou absorbants) en suspension dans les eaux de surfaces, qui assurent le transfert des MO de l’amont vers l’aval notamment dans les cours d’eaux (Etcheber, 1986). Tout système aquatique reçoit des produits, transforme et stocke de la matière organique d’origines diverses.
En effet, les milieux aquatiques héritent de MO issue de la ripisylve (feuilles, branches…) à laquelle s’ajoute MO produite au sein du cours d’eau (biofilms, algues, macrophytes, phytoplancton), MO modifiée par l’activité biologique des sols riverains, en plus des rejets anthropiques d’origine domestiques ou industriels (Namour, 1999).
Il possible de remonter aux différentes origines de MO grâce à la mesure des isotopes stables, notamment du carbone et de l’azote, ainsi que le rapport C/N (Redfield et al, 1963).
Le rapport C/N permet, en plus de l’analyse isotopique, d’affiner la recherche de la source de MO. Il donne surtout une idée sur son degré de maturité et sur sa biodégradabilité.
Ainsi le rapport C/N peut être altéré par divers processus tels la minéralisation, l’ammonification, la nitrification ou la dénitrification au niveau des sédiments par exemple.
Une augmentation du rapport C/N est souvent interprétée comme une perte en azote. Une baisse est assimilée soit à de l’adsorption d’azote (organique ou inorganique) sur les feuillets des phylosilicates ou à une incorporation par les bactéries minéralisant MO (Andrws et al 1998).
L’étude des variations des abondances naturelles des isotopes du carbone et de l’azote, est largement utilisée pour la compréhension du fonctionnement des cycles biogéochimiques majeurs à la surface du globe, le carbone et l’azote plus particulièrement.
L’utilisation de cette mesure permet de caractériser les origines allochtone, autochtone et anthropique de la MO des rivières (Mamoudou, 2008).
1.4- Composition de la matière organique
1.4.1- Composition élémentaire
Dans un milieu aquatique, la matière organique se compose essentiellement de carbone, d’oxygène et d’hydrogène (Hedges et al, 2002). Le carbone organique dissous (COD < 0, 45 µm) est plus abondant que le carbone organique particulaire « COP > 0, 45 µm » (Thomson, 2014).
1.4.1.1- Carbone organique
Dans les grands écosystèmes aquatiques, COD représente plus de 60 % des apports de carbone (Dagg et al, 2004). Les concentrations de carbone sont très peu influencées par l es apports anthropiques dans les bassins versants.
COD sert d’indicateur pour la caractérisation de MOD en milieu aquatique (Leenheer et al, 2003; Thurman, 1985).
Les quantités de COD dans les rivières sont dépendantes de la taille des écosystèmes de la nature des bassins versants et sont influencées par des variations saisonnières, lors de crues ou lors d’efflorescences aIguales (Leenheer et al, 2003).
1.4.1.2- L’azote organique
En plus du carbone, de l’oxygène et de l’hydrogène qui lui donnent l’essentielle de sa masse, la matière organique se compose égale ment d’azote (N), un élément essentiel à la production de matière vivante.
L’azote organique dissous (NOD) est fortement influencé par les apports anthropiques de MO (par ex., fertilisation, rejets agricoles) (Meybeck, 1982; Campbell et al, 2000; Seitzinger et al, 2010).
Le azote organique dissoute peut être un facteur, avec l’azote total, contribuant au problème d’eutrophisation (Campbell et al, 2000; Seitzinger et al, 2010).
1.4.1.3- Le phosphore organique
Le phosphore (P) est le troisième élément présent dans la MO. Dans les milieux d’eau douce, le phosphore est très souvent le macronutriment qui limite la production primaire (Meybeck, 1982).
Le phosphore organique dissous (POD) provient, en grande majorité, de la dégradation des organismes biologiques et de la croûte terrestre (Leenheer et al, 2003). Les rejets anthropiques qui contiennent le phosphore ont contribué largement à la dégradation des écosystèmes et des milieux aquatiques.
1.4.2- Composition moléculaire
À une échelle supérieure, la composition moléculaire joue un rôle important. Par exemple, la taille ou la complexité des molécules rend plus difficiles les réactions chimiques et biologiques avec les organismes environnants lors de la consommation de MO.
Cette section détaille quelques unes des structures moléculaires de la MO. D’une part, MO
allochtone qui a comme origine la dégradation de la végétation terrestre et de matière organique des sols du bassin versant, et d’autre part, MO autochtone provenant de la production de matière organique in situ par les organismes autotrophes et hétérotrophes (Thomson, 2014)
La matière organique allochtone est composée essentiellement de molécules organiques complexes riches en carbone et de poids moléculaire élevé, nommées acides humiques (AH) et fulviques (AF). On distingue AH des AF selon leur solubilité en milieu aquatique.
Les acides fulviques composent plus de 40 % de MOD dans les systèmes aquatiques terrestres (Mcknight et al, 1998). Un acide fulvique typique contient 50 % de carbone, 40 % d’oxygène, 3 à 4 % d’hydrogène et environ 1 % d’azote (Schnitzer, 1974).
Les acides humiques précipitent à un pH inférieur à 2, alors que AF restent solubles à tous les pH. Ces acides humiques sont composés de molécules aromatiques avec peu d’azote (Mcknight et al, 1998).
La matière organique autochtone se compose aussi de protéines, de sucres, de lipides, d’acides nucléiques, de pigments et de produits de dégradation (Hedges et al, 1997).
Ces derniers, issus des exsudats des plantes et organismes aquatiques, participent en grande partie au cycle de l’azote (Amon et al, 1996).
En dehors de ces différences, il existe des molécules communes dans les deux types de la matière organique. Les sucres sont des molécules carbonées rapidement disponibles pour la consommation des organismes (Amon et al, 2003).
Ces sucres sont composés en majorité de glucose (75 mol %) dont la concentration est fortement corrélée à la consommation et à la croissance des bactéries (Amon et al, 2001).
1.5- Dynamique de la MO dans milieu aquatique
La matière organique peut se définir à la fois comme l’élément et le produit majeur des processus biogéochimiques contrôlant ces milieux (Kang et al, 2002). Toute matière organique possède une origine et une composition propres à son environnement.
C’est pourquoi, sa caractérisation précise nécessite la prise en compte de ses origines, les mécanismes de sa genèse, la détermination de ses différents comportements environnementaux au sein des écosystèmes naturels ou artificiels. Est-elle naturellement dégradable ou pas ? (Yapo et al, 2009).
Présente dans tous les environnements et à la base des réseaux trophiques, la matière organique est un vecteur de la circulation des éléments chimiques comme le carbone, l’azote et le phosphore.
Sa composition élément aire diffère selon les saisons, les milieux, avec la fraîcheur de la MO et son état de dégradation (Thomas, 2014).
D’importants aspects du fonctionnement des écosystèmes aquatiques sont basés sur le cycle de la matière organique qui est étroitement couplé à celui de l’oxygène dissous.
Dans les milieux aquatiques où les apports allochtones de matières organiques se font en quantité limitée, la consommation d’oxygène résultant de la biodégradation de M.O. par les bactéries hétérotrophes est aisément compensée par la production d’oxygène des processus photosynthétiques, il en résulte un bilan d’oxygène équilibré de l’écosystème.
Lorsque, à l’opposé, des charges importantes de M.O sont apportées au milieu, par exemple via des rejets ponctuels, les processus d’apport d’oxygène au milieu, peuvent s’avérer insuffisants pour compenser la consommation bactérienne d’oxygène et des problèmes de sous- oxygénation du milieu peuvent apparaître (Le Coz, 1998).
Afin de comprendre correctement la dynamique de la matière organique dans les écosystèmes aquatiques, il s’avère nécessaire de distinguer dans le pool de M.O, la fraction dissoute et la fraction particulaire susceptible de sédimenter ainsi que la fraction réfractaire, et de la fraction biodégradable qui seule susceptible d’être utilisée par les bactéries hétérotrophes (Le Coz, 1998)
1.5.1- Influence du paysage sur la dynamique de la matière organique
La composition et la quantité de matière dans les rivières sont dépendantes du climat, de la physiographie, la lithologie et la couverture végétale du sol qui caractérisent les bassins versants.
En effet, les milieux aquatiques (Mulholland, 1997) sont connus comme étant des sources majeures de MOD. Ces milieux agissent comme réservoir ou source de matière organique dissous et peuvent influencer la qualité ou la quantité de MO.
Les caractéristiques physiques des bassins versants telles que les pentes d’écoulement, les températures, les précipitations et la présence de lacs et de réservoirs sont des facteurs permettant d’expliquer les différences de concentration de la matière organique (Lauerwald et al, 2012).
Des récentes recherches ont identifiées la pente des bassins versants et les débits spécifiques des rivières (débits normalisés par la surface du bassin) comme facteurs influant sur la quantité d’azote et de carbone organique dissous (Lauerwald et al, 2012).
Les modifications dans les bassins versants telles que les activités sylvicoles et les feux peuvent occasionner une augmentation du ruissellement et du transport de matériaux en suspension et dissous (Carignan et al, 2000).
La construction de barrages et de réservoirs modifie drastiquement le régime des écoulements et les exports des éléments chimiques par les rivières. En effet, les barrages peuvent inverser la dynamique naturelle des écoulements (Assani et al, 2004).
Ces retenues entraînent aussi une modification des cycles biogéochimiques en interrompant le cycle du carbone organique, en changeant la balance des nutriments par l’apport d’azote et en diminuant les apports de silicate (Humborg et al, 1997).
La matière organique subira alors plus de dégradation avant d’arriver à l’estuaire. La présence de réservoirs favorisera également la production de MO par l’activité microbienne.
Enfin, la mise en eau d’un réservoir cause l’inondation des terres environnantes qui, dans les premières années, produira des quantités importantes de matière organique dissous par la dégradation des végétaux ligneux. Le phénomène s’atténuera avec le temps (Humborg et al, 1997).
