Plage Navarrosse SAN - Société des Amis de Navarrosse-Biscarrosse, association 1901 agréée au titre de l'article L.141-1 du code de l'environnement.
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MECANISMES DES POLLUTIONS


Dans ce chapitre nous nous intéressons plus particulièrement aux substances et aux mécanismes qui favorisent l'eutrophisation ou le développement de cyanobactéries ainsi qu'à leurs conséquences.

SOURCES DES POLLUANTS

Chacun a en mémoire des pollutions accidentelles aux effets spectaculaires et catastrophiques : marées noires, produis toxiques se répandant dans un fleuve… Pourtant, observées avec quelques années de recul, peu de ces pollutions ont eu un effet durable aussi grave qu'on pouvait le craindre.

Il en va tout autrement des pollutions qui mettent en jeu des quantités de polluants beaucoup plus faibles mais durant des années. Ces dernières pollutions, qu'on peut qualifier de chroniques, ont souvent des conséquences bien plus inquiétantes.


Engrais agricoles et sylvicoles

L'agriculture et la sylviculture utilisent largement des engrais à base de phosphates, nitrates et potasse.

Si ces substances favorisent la croissance des plantes à la surface du sol, elles favorisent aussi leur développement dans l'eau.


Lisier

Le lisier est naturellement riche en phosphates et nitrates.

Il intervient dans le processus d'eutrophisation comme les engrais chimiques.


Eaux des stations d'épurations

Les eaux usées contiennent, elles aussi, du phosphore et de l'azote. Ceci est dû aux matières organiques mais aussi aux lessives.

La quantité produite est facile à déterminer à partir du nombre d'habitants sur le bassin versant. L'"équivalent habitant" nous indique que chaque habitant rejette, en moyenne, dans les eaux usées 4g de phosphore et 15g d'azote par jour. La fraction se retrouvant dans les milieux aquatiques dépend de l'efficacité des méthodes de traitement.


Pesticides et herbicides

Indépendamment de leurs propriétés toxiques qui ne sont pas étudiées ici, certains de ces composés sont soupçonnés de favoriser la formation de cyanobactéries. Ceci est en particulier le cas pour le glyphosate (herbicide commercialisé sous le nom de Roundup).


Résidus industriels

Les résidus industriels peuvent être riches en matières azotées ou phosphorées.

Compte tenu des quantités mises en jeu, une attention toute particulière doit être portée à leur stockage, leur traitement et leur élimination.

Un exemple de pollution industrielle au phosphore est indiqué au chapitre .

PROPAGATION DES POLLUANTS

Ruissellement

Le ruissellement provoqué par les pluies entraîne les engrais, pesticides et herbicides déposés sur le sol ou sur les plantes. Après avoir transité par les fossés ou par le réseau d'assainissement les polluants se retrouvent dans les rivières et les lacs au bout d'un temps très bref. La capacité de dégradation de certains pesticides et herbicides ne peut donc empêcher la pollution des milieux aquatiques.


Nappe phréatique

Les polluants qui n'ont pas été absorbés par les plantes ni entraînés par ruissellement pénètrent dans le sol et vont, pour partie, rejoindre la nappe phréatique.

La vitesse d'écoulement dans les nappes phréatiques est faible, d'autant plus faible que le point de mesure est proche des limites du bassin versant. Dans le bassin versant du lac de Parentis, des vitesses de 11 à 44 m/an ont été relevées suivant la distance au lac. Dans ces conditions, la nappe phréatique constitue un réservoir à polluants, plusieurs dizaines d'années pouvant s'écouler entre le déversement des polluants et leur apparition dans le lac.

Dans le cas particulier du phosphore, il est habituellement considéré que celui-ci se lie par adsorption ou absorption aux particules du sol. Cette hypothèse est de plus en plus contestée1 surtout quand la nappe phréatique est de faible épaisseur et la concentration en phosphore élevée.


Atmosphère

Chacun a entendu parler des pluies acides qui détruisent des forêts, en particulier à proximité de zones industrielles. L'atmosphère véhicule donc, elle aussi, des polluants. Parmi ces polluants figurent des composés du phosphore.


Basculement du lac

En été les eaux du fond du lac restent froides alors que les eaux de surface se réchauffent. Les eaux chaudes étant plus légères que les eaux froides, la situation est stable, il n'y a que peu de mélange entre eaux de surface et eaux de fond. Les eaux en profondeur sont privées d'échanges avec la surface et avec l'oxygène produit par le phytoplancton proche de la surface. Ces eaux s'appauvrissent en oxygène consommé par les poissons et par la décomposition des matières organiques situées au fond du lac. Progressivement les poissons ne peuvent plus vivre en profondeur.


En hiver les eaux du fond gardent une température proche de celle qu'elles ont en été. Par contre les eaux de surface se refroidissent et deviennent plus froides que les eaux du fond. Devenant plus froides, elles deviennent aussi plus lourdes. Il y a inversion (ou basculement) du lac, les eaux se mélangent. Les eaux profondes s'oxygènent. Les poissons peuvent repeupler le fond du lac.


Cette inversion se produit normalement tous les hivers dans tous les lacs suffisamment profonds, donc dans le lac de Cazaux-Sanguinet et celui de Parentis. Elle active un ensemble de réactions chimiques. Le lac devient trouble.

Le basculement n'a pas lieu quand l'hiver est très doux.


Courants

La présence de courants peut avoir une action importante sur le brassage de l'eau car ils se manifestent tout au long de l'année et non à une période précise.

Leur influence est souvent sous-estimée. Par exemple pour le lac de Cazaux-Sanguinet, les plongeurs ont relevé des courants de fond de l'ordre de 0,1 m/s en présence de vent en surface. Ces courants sont en direction inverse du vent. Il est donc logique de supposer qu'en présence de vent l'eau du lac subit un mouvement d'ensemble susceptible de mélanger eau de surface et eau de fond. La vitesse de 0,1 m/s donne un déplacement de 8 km par 24 heures.


Synthèse des échanges

Le graphique ci-dessous schématise les différents cheminements du phosphore vers et depuis les lacs.


Propagation polluants

CHAINE ALIMENTAIRE

La chaîne alimentaire représente les relations de dépendance entre les espèces. Chaque maillon de la chaîne se nourrit du maillon précédent et sert de nourriture au maillon suivant.

La chaîne alimentaire décrit donc des transferts de nourriture (ou biomasse ou énergie) entre espèces.

Chaque maillon de la chaîne est aussi appelé niveau trophique.

Le premier maillon correspond aux végétaux, ce sont les producteurs primaires. Le maillon suivant est occupé par les herbivores, puis viennent les carnivores.

Comme il existe une forte déperdition d'énergie entre chaque niveau trophique, on utilise aussi le paradigme de pyramide des biomasses. Chaque degré de la pyramide représente un niveau trophique. Les degrés les plus bas sont plus larges en proportion des transferts de biomasse.

L'homme, qui n'a pas de prédateur, est situé sur le dernier degré de la pyramide ou le dernier maillon de la chaîne.

COMPETITION ENTRE LES ESPECES

Les cyanobactéries partagent les ressources, nutriments et lumière, avec les autres formes de phytoplancton et les algues, en général. Il a donc compétition entre ces espèces.

Un développement important du phytoplancton entraîne une régression des algues benthiques (qui se développent sur le fond) du fait de la réduction de la lumière qui leur parvient. Par contre, les cyanobactéries sont peu affectées car elles sont moins exigeantes en lumière que la plupart des algues.

De même, les nutriments, azote et phosphore principalement, consommés par une espèce ne sont plus disponibles pour les autres. Beaucoup de cyanobactéries sont avantagées car elles peuvent assimiler l'azote gazeux ce qui les rend indépendantes de la teneur en nitrates.

Les conditions les plus favorables pour le développement de cyanobactéries sont donc une eau trouble, riche en phosphate, qui leur est indispensable, mais pauvre en nitrate.

INFLUENCE DE L'AZOTE ET DU PHOSPHORE

Les principaux nutriments sont des composés azotés et phosphorés. Suivant la proportion de ces deux éléments (N azote et P phosphore) soit l'azote soit le phosphore limite le développement du phytoplancton.

En eau douce les seuils du rapport N/P (Azote / Phosphore) sont les suivants2 :


N - limitant

Intermédiaire

P - limitant

< 4.5

4,5 – 6

> 6


Pour simplifier, nous supposerons par la suite que le seuil est de 5. C'est à dire que les nutriments sont optimisés quand il y a 5 fois plus d'azote que de phosphore.

Si la quantité d'azote est inférieure à 5 fois la quantité de phosphore nous sommes dans une situation d'azote limitant.

Si la quantité d'azote est supérieure à 5 fois la quantité de phosphore nous sommes dans une situation de phosphore limitant.

NIVEAU TROPHIQUE D'UN LAC

Nous avons vu au chapitre précédent que le niveau trophique de l'eau, c'est à dire sa teneur en nutriments peut être déterminé de plusieurs façons. Soit on mesure directement la teneur en nutriments azote et phosphore, soit on en mesure les conséquences : transparence de l'eau à l'aide du disque de Secchi ou charge organique à partir de la teneur en chlorophylle a.

Comme le phosphore est presque toujours l'élément limitant, les trois mesures habituellement utilisées sont :

  • La teneur en phosphore

  • Le disque de Secchi

  • La chlorophylle a


Mesure du phosphore

Le phosphore peut être présent dans l'eau sous différentes formes. Une partie est en solution dans l'eau, ce sont les orthophosphates. Une autre partie est assimilée par les algues, c'est le phosphore organique. La répartition entre ces deux formes varie rapidement, même au cours d'une seule journée suivant le développement des algues. Aussi préfère-t-on, en général, mesurer la teneur en phosphore total, désignée par les lettres TP, qui est la somme des teneurs en orthophosphates et en phosphore organique.

Pour réaliser la mesure du TP une étape préliminaire de digestion est réalisée. Elle sert à convertir toutes les formes de phosphore en orthophosphates.

La teneur en TP est beaucoup plus stable au cours du temps et reflète mieux la richesse de l'eau en nutriments.


Mesure de la transparence - disque de Secchi

La méthode généralement utilisée pour mesurer la transparence de l'eau des lacs est celle du "disque de Secchi".

Il s'agit d'un disque de 20 cm de diamètre peint en quatre secteurs alternativement noirs et blancs. Ce disque est plongé dans l'eau, la mesure est la moyenne entre la profondeur à laquelle il n'est plus visible et la profondeur à laquelle il redevient visible en le remontant.


Mesure de la chlorophylle a

La conséquence directe de la richesse de l'eau en nutriments est le développement des algues. Pour mesurer ce développement, on utilise la teneur en chlorophylle a.

Pour pouvoir effectuer des comparaisons, cette mesure doit être effectuée en été, quand le développement de la biomasse est maximum.


Synthèse des différentes mesures - index de Carlson

Cet index, appelé TSI (Trophic State Index) peut être calculé à partir de :

  • TP = concentration en phosphore total du lac en µg/L

  • CHL = concentration en chlorophylle-a du lac en µg/L

  • SD = profondeur de Secchi* en mètres

Il a été créé par R. Carlson (Kent State University).


TSI (TP) = 14,42 ln(TP) + 4,15

TSI (CHL) = 9,81 ln(CHL) + 30,6

TSI (SD) = 60 – 14,41 ln(SD)

(ln = logarithme népérien)


Le graphique suivant3 donne les correspondances entre les différents paramètres : TP, CHL et SD.


Graphique TSI


Pour construire cet index, des corrélations entre les trois paramètres ont été réalisées suite à des mesures faites sur un grand nombre de lacs. La corrélation transparence / phosphore total est particulièrement intéressante :


Relation Scchi/phosphore



BIOAMPLIFICATION

Qu'est-ce que la bioamplification ?

La bioamplification est l'augmentation de concentration de produits toxiques dans les tissus d'un animal par rapport au milieu dans lequel il vit (s'utilise pour les animaux aquatiques). Le rapport entre les deux concentrations est le BCF (Bioconcentration factor).


BCF = C organisme / C eau ambiante


Le phénomène de bioamplification se manifeste aussi entre animaux, par exemple entre un poisson et un oiseau qui se nourrit principalement de ce type de poisson. La concentration, inoffensive au niveau initial de l'eau, peut alors devenir dangereuse.

Le tableau ci-dessous illustre l'évolution de la concentration le long de la chaîne trophique. Les données correspondent au DDT dans le lac Ontario vers 1970.


Milieu ou organisme

Concentration en ppb ou µg/L

Eau

0,03

Sédiments

27

Plancton

400

Saumons

8000

Goélands

300 000



Pour l'homme le problème se manifeste principalement avec la consommation de poissons carnassiers (qui se nourrissent d'autres poissons), plusieurs étapes de bioamplification se sont succédées avant que l'aliment ne parvienne à l'homme.


Pourquoi y a-t-il concentration ?

La bioamplification est due à la propriété de certaines substances à se dissoudre plus facilement dans les graisses que dans l'eau.

Il est possible de prévoir la bioamplification dans les organismes vivants en mesurant la solubilité de l'agent toxique dans l'octanol et dans l'eau à étudier. L'octanol se comporte de façon similaire aux graisses animales. Les substances ont donc un BCF d'autant plus important qu'elles se dissolvent préférentiellement dans l'octanol.

On détermine :

Kow = concentration dans l'octanol / concentration dans l'eau

Le BCF est alors estimé :

BCF = Kow × % de graisse dans l'organisme considéré


Les concentrations réelles peuvent être beaucoup plus faibles que la valeur calculée si la substance est éliminée rapidement par les reins ou si elle est rapidement dégradée.

Le BCF* ainsi déterminé est plutôt une valeur maximale.


Quels sont les taux de bioamplification ?

Les BCF sont très variables suivant les substances4 et, dans une moindre mesure, suivant l'organisme utilisé pour les mesures :


Substance

BCF

Remarques

Arsenic

44


Dioxine

5000


DDT

53600

N'est plus utilisé mais sa dégradation est très lente

PCB

31200


Mercure

9000


Cyanotoxines

20

Peu de données disponibles

BMAA 

10000

De Nostoc à chauve-souris (Public Health Newsletter of the CRC for Water Quality and Treatment, june 2005).


La bioamplification peut-elle être dangereuse ?

Pour des BCF élevés, des concentrations dangereuses sont atteintes dans les poissons alors que l'eau dans laquelle ils vivent peut parfaitement être utilisée pour produire de l'eau potable sans traitement spécifique.

Par exemple, avec un BCF de 10 000 il faut boire 1000 litres d'eau pour absorber la quantité d'agent toxique contenue dans seulement 100 g de poisson !

Ce phénomène a été dramatiquement illustré par l'intoxication de pêcheurs dans la baie de Minamata au Japon.

DEVELOPPEMENT DES CYANOBACTERIES

Nous avons vu que le développement de cyanobactéries est favorisé par une forte teneur en phosphore. D'autres substances, habituellement défavorables au développement végétal, peuvent favoriser les cyanobactéries qui y sont ou qui y deviennent insensibles.


Résistance aux herbicides

D'une part, les herbicides n'ont pas la même efficacité sur toutes les plantes. D'autre part, de même que les bactéries développent une résistance aux antibiotiques, les plantes, et donc les cyanobactéries, développent une résistance à la plupart des herbicides.

Cette résistance peut être naturelle ou résulter d'une sélection ou d'une mutation.

En présence d'un herbicide et d'une résistance spécifique des cyanobactéries, une augmentation de leur proportion dans le phytoplancton va se produire.

Plusieurs études ont mis en évidence ce phénomène.


Molécule

Nom commercial

Cyanobactérie

Référence étude

Metribuzin et atrazine


Synechocystis

Kirilovsky, D. et al, Apparent destabilization of the S1 state related to herbicide Resistance in a cyanobacterium mutant,1991

Glyphosate

Roundup

Synechocystis, Anabaena variabilis

Kerby, N.W. et al, Natural tolerance of cyanobacteria to the herbicide glyphosate, 1991.

Powell H.A. et al, Natural tolerance of cyanobacteria to the herbcide glyphosate.

norflurazon


Synechocystis

Martinez-Ferez, I.M. et al, Nucleotide sequence of the phytoene desaturase gene from Synechocystis sp. PCC 6803 and characterization of a new mutation which confers resistance to the herbicide

norflurazon, 1992

Diuron


Synechococcus sp.

Brusslan J. and Haselkorn R., Resistance to the photosystem II herbicide diuron is dominant to sensitivity in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC7942


Influence des ions métalliques

Une résistance aux ions de cuivre cadmium et zinc a été observée5. L'utilisation d'algicides à base de sulfate de cuivre est donc à éviter.

Une synthèse des études a été réalisée (National Health and Medical Research Council, Health effects of toxic cyanobacteria) dont voici les points essentiels :

  • Le fer favorise la photosynthèse et la formation de blooms.

  • Le molybdène favorise l'assimilation du carbone et de l'azote, pour Anabaena le molybdène serait limitant vers 50 ng/L.

  • Le zinc favoriserait la croissance et la production de toxines.


Influence des insecticides

Peu d'études ont été réalisées pour étudier l'influence des insecticides sur le développement des cyanobactéries. Une de ces études conclut : "ces résultats confirment partiellement un effet positif (mais peu marqué) des insecticides sur les populations de cyanobactéries"6.


Influence des cyanotoxines sur le zooplancton

Les toxines de certaines cyanobactéries sont dangereuses, non seulement pour les hommes et les grands animaux, mais aussi pour le zooplancton.

Le zooplancton évite donc de se nourrir de cyanobactéries ce qui a pour effet, par suite de la compétition entre les espèces, d'augmenter la population de cyanobactéries.


1 Voir, en particulier, Börling K., Phosphorus Sorption, Accumulation and Leaching, 2003, page 13.

2 Les seuils dépendent des espèces d'algues. Les valeurs indiquées sont des moyennes pour les espèces qui ne métabolisent pas l'azote gazeux.

3 Adapté de Moore et Thornton, Lake and Reservoir Restoration Guidance Manual.


4 Suivant US EPA, 2004 Edition of the drinking water standards and health advisores sauf cyanotoxines : suivant M. Karjalainen et al, Uptake and Accumulation of Dissolved, Radiolabeled Nodularin in Baltic Sea Zooplankton, ainsi que E.E. Prepas et al, Accumulation and elimination of cyanobacterial of hepatotoxins by the freshwater clam Anodonta grandis simpsoniana.

5 Ybarra G. R. and Webb R., Effects of divalent metal cations and resistance mechanism of the cyanobacterium synechococcus sp. Strain.


6 Roger P. A. et al, An experimental assessment of pesticides impacts on soil and water flora and microflora in wetland ricefields of the Philippines.


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