Pollution organique et l’eutrophisation d’un milieu aquatique

Pollution organique et l’eutrophisation d’un milieu aquatique

Chapitre 2 : pollution organique et l’eutrophisation d’un milieu aquatique

2.1- Généralités

2.1.1- La pollution des eaux

Le terme « pollution » désigne toute modification défavorable du milieu naturel, qui parait en totalité ou en partie comme un sous-produit de l’action humaine, au travers des effets directs ou indirects altérant les critères de répartition des flux d’énergie, des niveaux de radiation, de la constitution physico-chimique du milieu naturel et de l’abondance des espèces vivantes.

La pollution de l’eau est due à sa contamination par des corps étrangers tels que des microorganismes, des produits chimiques, des déchets industriels ou autres. Ces substances et corps étrangers dégradent la qualité de l’eau et la rendent impropre aux usages souhaités.

Ces modifications peuvent affecter l’homme directement ou à travers des ressources agricoles, en eau et en produits biologiques. Elle peut être définit également, comme la surexploitation des capacités d’autoépuration du milieu naturel (Khaled, 1995).

Ou aussi comme “Introduction directe ou indirecte, par la suite de l’activité humaine, de substances ou de chaleur dans l’air, l’eau ou le sol, susceptibles de porter atteinte à la santé humaine ou à la qualité des écosystèmes aquatiques ou des écosystèmes terrestres dépendant directement des écosystèmes aquatiques, qui entraînent des détériorations aux biens matériels, une détérioration ou une entrave à l’agrément de l’environnement ou à d’autres utilisations légitimes de ce dernier (DCE, 2000).

La pollution des eaux se traduit par des effets très spécifiques dus aux particularités écologiques propres aux milieux aquatiques.

L’eau est capable de dissoudre peu ou prou, mais souvent avec facilité, la plupart des substances chimiques minérales ou organiques ; de plus, elle met en suspension les matières entraîné par le jeu du cycle hydrologique fort loin en aval de la source de contamination (Ramade, 1984).

2.1.2- Un milieu aquatique pollué

Un milieu aquatique est dit pollué, lorsque son équilibre a été modifié de façon durable par l’apport en quantités trop importantes soit de substances plus ou moins toxiques, d’origine naturelle ou issue d’activités humaines, soit encore d’eaux trop chaudes.

Ces pollutions peuvent entraîner divers types de nuisances : augmenter la mortalité de certaines espèces animales ou végétales jusqu’à parfois les faire disparaître, altérer leurs capacités physiologiques, détériorer la qualité de l’eau au point de la rendre impropre à certains usages, comme l’alimentation humaine (Perrodin, 2013).

2.1.3- La pollution organique

Cette forme de pollution constitue la fraction la plus importante. En effet, elle résulte de l’introduction dans le milieu de substances organiques provenant de diverses activités : industrielles (hydrocarbures), agricoles (engrais azotés et phosphatés) et domestiques « phosphates, matières fermentescibles » (Khaled, 1995).

La pollution organique de l’eau provenant des eaux domestiques et des industries agroalimentaires provoque une surconsommation de l’oxygène nécessaire à la dégradation de la matière organique et peut entrainer par conséquent l’élimination de l’écosystème aquatique (Veyret, 1997).

Les composés azotés contribuent à la pollution organique, suite à la dégradation de l’urée, et des acides aminés, ce sont d’abord les formes ammoniacales qui dominent en milieu désoxygéné; la fraction d’ammoniaque non dissociée (NH4) est toxique pour le poisson.

Lorsque les eaux sont ré-oxygénées, l’ammoniaque se transforme en nitrates, avec un stade intermédiaire les nitrites (Rodolph, 1990).

Dans le cas de la matière organique, les polluants peuvent augmenter la turbidité des eaux et créer un phénomène d’eutrophisation avec une diminution de la quantité d’oxygène dissous. Ces modifications environnementales ont de profondes conséquences sur les populations d’un milieu (Web site 1).

2.2- Les types des polluants organiques

Les polluants organiques, ce sont principalement les détergents les pesticides, les hydrocarbures et la matière organique fermentescible :

2.2.1- Les hydrocarbures

Ils proviennent des industries pétrolières et des transports, ce sont des substances peu solubles dans l’eau difficilement biodégradables, leur densité inférieure à l’eau leur permet de surnager. En surface, ils forment un film qui perturbe les échanges gazeux avec l’atmosphère.

Ce sont une source importante de pollution des eaux. Ils peuvent provenir de:

• pollutions des sols (par transports terrestres, fuites de cuves…) qui atteignent ensuite les rivières,
• ou pollutions marines (déballastages de bateaux pétroliers, plate-forme pétrolières…).

Les grandes catastrophes très visibles causant des marées noires ne sont qu’une petite partie du problème. Les rejets par les bateaux pétroliers (déballastages sauvages), qui sont des pratiques courantes, larguent dans les mers et océans une quantité bien supérieure d’hydrocarbures.

Les hydrocarbures par exemple, comme le pétrole, sont des composés organiques biodégradables. Ils peuvent cependant avoir des effets toxiques importants sur la flore et la faune aquatiques lorsqu’ils sont présents en fortes quantités.

Or, les fortes pollutions ponctuelles aux hydrocarbures ne sont pas rares, non seulement en mer notamment lors des fameuses » marées noires » provoquées par les accidents de pétroliers géants, mais aussi sur les milieux continentaux.

Figure 5 – Cycle biogéochimique des hydrocarbures (d’après McElroy et al, 1989, dans Le Dû-Lacoste, 2008).

2.2.2- Les pesticides

Les pesticides (insecticides, raticides, fongicides, et herbicides) sont des composés chimiques dotés de propriétés toxicologiques, utilisés par les agriculteurs pour lutter contre les animaux (insectes, rongeurs) ou les plantes (champignons, mauvaises herbes) jugés nuisibles aux plantations.

Malheureusement, tous les pesticides épandus ne remplissent pas leur emploi. Une grande partie d’entre eux est dispersée dans l’atmosphère, soit lors de leur application, soit par évaporation ou par envol à partir des plantes ou des sols sur lesquels ils ont été répandus.

Disséminés par le vent et parfois loin de leur lieu d’épandage, ils retombent avec les pluies directement sur les plans d’eau et sur les sols d’où ils sont ensuite drainés jusque dans les milieux aquatiques par les eaux de pluie (ruissellement et infiltration).

Les pesticides sont ainsi aujourd’hui à l’origine d’une pollution diffuse qui contamine toutes les eaux continentales: cours d’eau, eaux souterraines et zones littorales.

On désigne généralement comme des utilisées en agriculture les conséquences néfaste dues pesticides sont liées aux caractères suivants :

• rémanence et stabilité chimique conduisant à une accumulation dans les chaines alimentaire
• rupture de l’équilibre naturel.

Figure 6 – Mécanisme de diffusion des pesticides dans l’air, l’eau et les sols (web site 3)

2.2.3- Les détergents

Ce sont des composés tensioactifs synthétiques dont la présence dans les eaux est due aux rejets d’effluent urbain et industriel.

Les nuisances engendrées par l’utilisation des détergents sont :

• L’apparition de gout de savon.
• La formation de mousse qui frein le processus d’épuration naturelle ou artificielle
• Le ralentissement du transfert et de la dissolution de l’oxygène dans l’eau.

2.2.4- Les matières organiques fermentescibles

Elles sont les déjections animales et humaines, graisses, etc.…. constituent, la première cause de pollution des ressources en eaux. Ces matières organiques sont notamment issues des effluents domestiques, mais également des rejets industriels (industries agro-alimentaires, en particulier).

La première conséquence de cette pollution réside dans l’appauvrissement en oxygène des milieux aquatiques, avec des effets bien compréhensibles sur la survie de la faune (Diallo, 2005)

2.3- L’origine de la pollution organique des eaux

2.3.1- La pollution domestique

Provenant des habitations, elle est en général véhiculée par le réseau d’assainissement jusqu’à la station d’épuration. La pollution domestique se caractérise par des germes fécaux, de fortes teneurs en matières organiques, des sels minéraux (azote, phosphore) et des détergents.

En sortie des stations d’épurations, nous retrouvons les mêmes éléments en quantités moindre (50 à 90% éléments) mais concentrés au point du rejet (Gaujous, 1995).

2.3.2- Pollution industrielle

Les industries, en particulier chimiques, métallurgiques et même électroniques, constituent une cause principale de la pollution organique des eaux. Celle-ci prend place non seulement au niveau des usines mais aussi au niveau de l’utilisation des substances produites et au niveau des objets manufacturés, en fin de cycle du produit, avec les déchets (Ramade, 1984).

Elle est caractérisée par une très grande diversité, selon l’utilisation de l’eau dans les processus de refroidissement, lavage, extraction, mise en solution…etc..

Nous pouvons donc retrouver dans l’eau, qui est un bon solvant, tous les sous-produits possibles de l’activité humaine : Des matières organiques et graisses (industries agroalimentaires, abattoirs et équarrissage), Hydrocarbures (raffineries), acides, bases et produits chimiques divers « industries chimiques et pharmaceutiques » (Gaujous, 1995).

2.3.3- Pollution agricole

Elle dépend de plusieurs types d’activités : agricoles, d’élevages et liée à l’habitat. L’agriculture est devenue une cause importante de pollution des sols et des eaux par suite de l’usage systématique des engrais chimiques et des pesticides.

L’élevage traditionnel abouti au fumier qui constitue des litières souillées de déjections animales (fertilisant naturel). Il présente de fortes charges organiques. Aux activités précédemment décrites s’ajoutent une pollution de type domestique liée à l’habitat du monde rural (Viala et Botta, 2005).

Certaines de ces pollutions ont un effet cumulatif et retardé : cas des nitrates dans les nappes phréatiques). Ce qui ne facilite pas l’étude de ces phénomènes et la lutte contre leurs effets (AFNOR, 1992).

2.3.4- Phénomènes naturels

Certains auteurs considèrent que divers phénomènes naturels sont aussi à l’origine de pollution par exemple : les éruptions volcaniques qui sont Les résultants d’une montée de magma provoquent des rejets de cendre, de poussières et aussi de gaz.

Parmi ces derniers, on dénombre le soufre, certains gaz halogènes, de la vapeur d’eau et surtout du dioxyde de carbone (CO2). Plus les éruptions volcaniques il y a aussi d’autres phénomènes qui provoquent la pollution comme l’épanchement sous-marin d’hydrocarbures, le contact avec des filons géologiques, une source thermominérale …..etc. (Gaujous, 1995).

2.4- Propriétés des Polluants Organiques

2.4.1- La contamination

L’effet néfaste des polluants organiques (PO) sur l’environnement a été observé très tôt. De nombreuses études ont ensuite montré l’impact des PO sur les mammifères marins et les oiseaux de proie.

La relation de cause à effet entre une exposition à des polluants et des maladies de l’homme ou la faune n’est généralement pas aisée à mettre en évidence. Cette difficulté est accentuée pour les PO qui s’accumulent dans les tissus adipeux jusqu’à atteindre des concentrations toxiques.

Alors que l’exposition peut sembler initialement limitée. De plus, les PO sont rarement trouvés seuls et il n’est alors pas évident de déterminer lequel des polluants organique a un effet sur la santé (Loizeau, 2014).

Des recherches ont associé les polluants organiques à la perturbation du système endocrinien, au dérèglement de la fonction de reproduction, du système immunitaire et à des troubles neurocomportementaux.

Plus récemment, certains PO ont également été liés à une baisse de l’immunité chez les enfants et à une augmentation concomitante des infections, à des anomalies du développement, à des troubles neurocomportementaux, ainsi qu’au cancer et à l’induction ou à la promotion de tumeurs (Loizeau, 2014).

2.4.2- Bioaccumulation

Les polluants organiques sont lipophiles : ils ont tendance à se fixer sur les tissus adipeux et s’accumulent dans les organismes vivants. Ainsi, la concentration augmente le long de la chaîne alimentaire.

Par exemple, on peut trouver de fortes concentrations de PCBs dans les mammifères marins malgré une contamination initiale de l’eau de mer relativement faible. On comprend aisément la menace pour la santé humaine du fait de l’alimentation très variée de l’homme (Loizeau, 2014).

2.4.3- Transport longue distance

Les PO sont des polluants multiphasiques : ils peuvent être présents dans les différents milieux sous forme liquide, gazeuse ou particulaire. Ils ont des comportements de transport très différents : certains sont très volatils (“flyers”) tandis que d’autres ont plus d’affinité avec l’eau (“swimmers”).

Ceci s’explique par la très large gamme de valeurs prises par les coefficients de partition entre les différentes phases (Wania, 2003).

Une fois émis dans l’atmosphère, les polluants organiques sont transportés par le vent puis se déposent au sol (ou dans l’eau) par lessivage ou dépôt sec (gazeux et particulaire). Du fait de leur persistance dans le sol, ils peuvent être réémis vers l’atmosphère par un procédé de volatilisation.

Figure 7 – Pollution. Phénomène à des échelles très variés (Fierens et al, 2006)

Les PO peuvent ainsi être transportés sur de longues distances par une série de phases successives de dépôt-réémissions-transport. Ce processus est appelé “effet saut de sauterelle”. Bien entendu, plus les polluants sont volatils plus ces “sauts” vont couvrir de longues distances (Wania and Mackay, 1996).

Figure 8 – Construction typique de la concentration moyenne annuelle en PM10

2.5- Eutrophisation d’un milieu aquatique

2.5.1- Définition de l’eutrophisation

L’eutrophisation se définit comme le processus d’accumulation de matières organiques dans les eaux, dû à la prolifération et à la décomposition des végétaux non consommés, ce qui diminue la teneur en oxygène des eaux profondes.

Ce processus naturel est accéléré par l’apport de matières nutritives liées aux activités humaines (Office de la langue française, 1987). Ces matières nutritives sont principalement le phosphore et les nitrates.

Cependant, le phosphore est généralement l’élément qui vient à manquer le plus rapidement dans la synthèse de nouveaux tissus et est donc considéré comme « élément limitant ». En fait, un apport de 1 g de phosphore produira 500 g de matière fraîche végétale.

Il est donc évident qu’une augmentation de la concentration en phosphore (et dans certains cas, en nitrates) dans l’eau aura un impact important sur la production primaire en augmentant radicalement cette dernière.

Au final, ce sont tous les cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote et du phosphore qui sont perturbés par une eutrophisation accélérée (Ramade, 1998).

Figure 9 – Milieu aquatique eutrophie (Web site 2)

Figure 10 – Prolifération d’algues en surface l’eau (milieu eutrophie)

Figure 11 – Dystrophie d’un milieu aquatique

Généralement, ces apports proviennent de sources diffuses liées à la fertilisation des sols agricoles, ainsi que des points de rejets d’eaux usées urbaines et industrielles.

Dans une moindre mesure, des fuites du réseau d’égouts ou des fosses sceptiques situées près d’un plan d’eau peuvent exacerber une situation déjà problématique.

Bien que le terme eutrophisation fait référence généralement aux lacs, certaines rivières de milieux fortement agricoles subissent un sort semblable (Cogeby, 2000). Il s’agit généralement de rivières à faible débit qui n’arrivent pas à éliminer les apports en nutriments suffisamment rapidement.

L’eutrophisation entraîne plusieurs conséquences sur la qualité physico-chimique, biologique et organoleptique de l’eau.

Entre autres inconvénients, on peut citer : la prolifération des macrophytes et des algues, la diminution de la transparence de l’eau, les problèmes d’odeur et de goût, la diminution de la concentration d’oxygène dissous, la perte de biodiversité, la diminution de la valeur esthétique d’un plan d’eau, et le comblement accéléré de ce même plan d’eau (Gangbazo et al. 2005).

L’état d’eutrophisation d’un lac n’est pas absolu, mais plutôt réversible, dans la mesure où l’eutrophisation a été accélérée par des facteurs anthropiques et que ceux-ci disparaissent.

2.5.2- Les causes de l’eutrophisation

Les causes de l’eutrophisation peuvent finalement se résumer à la conjonction de tout ou partie des facteurs suivants qui sont en interaction : un excès d’apport de nutriments, un temps de résidence de l’eau long, une quantité de lumière suffisante et une température favorable.

Sous l’action de ces facteurs, le fonctionnement des écosystèmes aquatiques va alors être modifié, entraînant une réponse complexe des écosystèmes. Le mécanisme général est commun aux écosystèmes d’eau douce et marins : l’augmentation des nutriments entraîne une forte augmentation de la productivité primaire.

Les écosystèmes aquatiques passent alors d’un système avec des apports limités de nutriments à un système progressivement saturé en nutriments, dans lequel le nouveau facteur limitant devient la lumière.

En effet, la zone de production primaire se concentre alors vers la surface de la colonne d’eau sur une épaisseur de plus en plus faible, la pénétration de la lumière démine par auto-ombrage à mesure que la biomasse produite augmente (Pinay et al, 2014).

Les apports du bassin versant riches en matière organique et minérale (effluents urbains, nitrates provenant des épandages d’engrais agricoles…) favorisent la prolifération d’algues.

Dans la lagune, le taux de l’azote, qui se trouve en grande partie sous forme dissoute, dépend du taux de renouvellement des eaux. Sa teneur peut considérablement augmenter à la suite d’épandages d’engrais précédant une période de pluie. Le phosphore quant à lui est moins

entraîné par le ruissellement des eaux du bassin versant, et souvent lié à la matière particulaire, il sédimente et constitue un «capital» qui s’accumule (Pinay et al, 2014).

2.5.3- L’évaluation de l’eutrophisation d’un milieu aquatique

Un certain nombre de valeurs-seuils de différentes variables entre chaque niveau trophique ont alors été proposées en fonction des types de milieux (lac, rivière, estuaire, marin côtier).

Les principaux indicateurs étaient la transparence de l’eau (mesurée à l’aide d’un disque de Secchi) et les concentrations en azote, phosphore et en pigments chlorophyl- liens (utilisés comme proxy de la biomasse phytoplanctonique), à partir des travaux de Vollenweider (1968) sur plus d’une centaine de lacs nord-américains, et légèrement modifiés ensuite (Dodds et al. 1998 ; Smith et al. 1999).

Tableau 2 – Caractéristiques moyennes des niveaux trophiques pour les lacs les rivières et les milieux marins (D’après Smith et al., 1999).

2.5.4- Les conséquences de l’eutrophisation

Les principaux effets dans les milieux aquatiques sont un véritable bouleversement pour l’écosystème initial, avec notamment les effets suivants :

Eau trouble et teinte de l’eau en vert ou marron, signe d’un développement excessif de phytoplancton en suspension dans la colonne d’eau et possiblement de cyanobactéries.

Développement excessif d’algues benthiques et constitution d’un épais biofilm sur le fond et sur la végétation aquatique fixée.

Développement excessif des espèces macrophytiques, fixées ou flottantes, pouvant se développer jusqu’à recouvrir totalement la surface libre (Smith et al. 1999; Smith 2003 et Hilton et al. 2006)

Très fortes variations d’oxygène dissous et de pH dans une même journée pendant les blooms, avec une sous-oxygénation marquée la nuit pouvant, dans le cas des rivières, plonger le système dans des conditions anoxiques.

Perte de biodiversité de l’écosystème initial pour tous les maillons de la chaine trophique en fonction de l’adaptabilité des différentes espèces.

Mise en place de conditions favorisant le développement par opportunisme d’espèces végétales et animales invasives.