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Święta Polska
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krystian
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 Anatomie : chapitre 5
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COMPOSITION CHIMIQUE DES PERCOLATS
___________________________________________________________________________
Lors du chapitre précédent, une redistribution chimique et physique des éléments traces
métalliques via les activités lombriciennes a été mise en évidence. Cette redistribution peut avoir
un impact non négligeable sur la qualité des eaux de percolation. Les galeries lombriciennes
constituants des voies préférentielles d’écoulement des eaux, les flux d’eau et d’éléments traces
métalliques peuvent être différent en présence de lombriciens.
1. VOLUME DES EAUX DE PERCOLATION
Les volumes moyens de percolats récupérés chaque semaine sont représentés sur la figure V.1.
La première semaine aucun percolat n’est récolté. La percolation se déroule suivant trois étapes.
La première étape qui peut être appelée phase initiale, couvre les deux premières semaines. Elle
montre une grande différence de percolation entre les deux modalités, Témoin et Boue. Au cours
de cette phase, les différences intra-modalité (ver ou sans ver) sont faibles. 80% de l’eau apportée
est récoltée dans les percolats de la modalité Boue, pour seulement 20% pour la modalité
Témoin. Cette phase peut correspondre à une phase de ré-humectation du sol de la modalité
Témoin. Les boues étant riches en eau (siccité 37.8%), la modalité Boue nécessite moins d’eau
pour sa ré-humectation. Le taux d’humidité à 105°C, calculé en début d’expérimentation puis par
la suite tous les 15 jours (prélèvement d’un aliquote de sol), pour les différentes modalités
confirme cette hypothèse : le taux d’humidité en début d’expérimentation se situe pour les
modalités Témoin entre 6 et 12%, et entre 15 et 20%pour les modalités Boue. La deuxième
étape, semaines 2 à 4, est une étape transitoire, où le volume d’eau percolée augmente pour les
modalités témoins, et diminue pour les modalités Boue. Après la 4ème semaine, une troisième
étape de stabilisation se met en place. Le volume d’eau percolé est plus important pour les
microcosmes avec ver, la présence de ver ayant une influence sur le drainage du sol. Des travaux
réalisés au laboratoire (Joschko et al, 1989 ; Binet, 1993) et aux champs (Zachmann et al, 1987 ;
Edwards et al, 1992 ; Shipitalo et Butt, 1999) montrent une augmentation du drainage en
86
présence de ver.
Temps (semaine)
Volume (ml)
Phase
d’initialisation
Phase de stabilisation
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8
B+ v B0 T+ v T0
Figure V.1 Volume des percolats recueillis chaque semaine pour les microcosmes
Témoin sans vers (T 0), Témoin avec ver (T + v),
Boue sans ver (B0) , Boues avec ver (B +0)
Phase
transitoire
2. CARBONE ORAGNIQUE DISSOUS DANS LES EAUX DE PERCOLATION
2.1 Concentration en COD dans les eaux de percolation
La figure V.2 présente les concentrations en carbone organique (CO) mesurées dans les eaux de
percolation pour les différentes modalités avec ou sans ver.
Les concentrations en COD des eaux de percolation sont plus importantes pour la modalité Boue
que pour la modalité Témoin. La présence de ver n’a pas d’effet apparent sur les concentrations
en COD des eaux de percolation. Comme dans le cas des volumes d'eau de percolation, des
variations importantes se produisent pendant les trois premières semaines d’expérimentation
(phase de mise à l'équilibre des dispositifs), les concentrations étant plus stables ensuite. Entre 3
et 8 semaines, on note une diminution significative de la concentration en COD des eaux du sol
de la modalité Témoin (15 à 10 mg.l-1). Pour la modalité Boue, les concentrations sont constantes
sur la même période.
87
Temps (semaine)
Concentration DOC (mg/l)
Figure V.2 Teneur en Carbone Organique Dissout (COD) dans les percolats recueillis chaque semaine
pour les microcosmes Témoin sans vers (T0 ), Témoin avec ver (T+v),
Boue sans ver (B) , Boues avec ver (B +v)
0
10
20
30
40
2 3 4 5 6 7 8
B+ v B0 T+ v T0
L'excès de COD constaté dans les eaux de percolation de la modalité Boue est la conséquence
directe du passage en solution des fractions les plus hydrosolubles du carbone organique apporté
par la boue. Les boues utilisées dans nos expériences contiennent environ 250 g de CO par kg de
Matière Sèche (MS). Rapporté au 40g de MS apporté à nos microcosmes, cela constitue un
surplus de 10 g de CO lié à l'apport de boue. De ce fait, le microcosme avec boue contient au
départ 5 fois plus de CO que le microcosme Témoin. Alternativement, les molécules organiques
contenues dans l'eau des percolats de la modalité boue peuvent être le résultat des effets de la
boue sur le sol : les boues, riches en MO, ont un effet favorable sur les propriétés physicochimiques
du sol : structuration du sol, augmentation de la CEC et du pH pour les boues
chaulées, apport de nutriment, ect… (Wei et al, 1985 ; Korantajer, 1991 ; Sort et Alcaniz, 1996).
L’activité des micro-organismes se trouve également stimulée par l’apport de boues (White et al,
1997, Andres, 1999). L’accroissement de cette activité microbienne est susceptible de conduire à
l'émission de molécules organiques hydrosolubles, lesquelles pourraient être entraînées par l'eau
de percolation.
Cependant, à coté de ces effets stimulants à court terme, peuvent apparaître des effets toxiques
entraînant une diminution de la biomasse microbienne et des activités enzymatiques (Bardgett et
88
Saggar, 1994, Giller et al, 1998, Khan et Scullion, 2002)
2.2 Flux cumulé de COD dans les eaux de percolation
La figure IV.3 présente les flux cumulés de COD au cours du temps pour les différentes
modalités. Comme pour les concentrations, les flux de COD sont plus importants pour la
modalité boue que pour la modalité témoin sans boues. Un effet ver est observé pour la modalité
boue : le flux cumulé de COD exporté est plus important pour la modalité Boue + ver que pour la
modalité avec Boue sans ver. Pour la modalité Témoin, aucun effet ver significatif n’est mis en
évidence.
Figure V.3 Flux cumulés de COD exportés via les eaux de percolation
en fonction du temps et pour les différentes modalités.
Flux cumulé DOC (mg)
Temps (semaine)
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4 5 6 7 8
B+ v B0 T+ v T0
2.3 Discussion
Dans le cadre de notre expérimentation, la présence de ver n’a pas occasionné une augmentation
significative de la solubilité des matières organiques, qu'il s'agisse des matières organiques du sol
ou de celles apportées par les boues. L'effet prépondérant observé sur le COD est un effet
« Boue ». Les eaux de percolation des modalités boue sont plus chargées en COD que les eaux de
percolation des modalités Témoin.
Au niveau des concentrations, au premier abord aucun effet ne semble se dégager. Cependant,
89
selon Stehouwer et al (1993), les teneurs en carbone labile dans les parois de galeries peuvent être
2 à 8 fois supérieures à celles du sol et ainsi contribuer à une augmentation des teneurs en C des
eaux de percolation. Dans le cadre de notre expérience, les quantités de carbone rendues plus
mobiles par l’activité du ver sont peut-être très faibles par rapport à la quantité de carbone du
fond géochimique mobilisé lors de la percolation. Ce bruit de fond pourrait masquer la remise en
solution du carbone par les activités lombriciennes. De plus, la durée d’expérimentation, 8
semaines, n’est peut-être pas assez longue pour mettre en évidence un effet ver. En effet, au cours
de l’expérimentation, les concentrations en COD des modalités sans ver ont tendance à diminuer
progressivement tout au long de l’expérimentation : l’apport d’eau solubilise des matières
organiques qui sont alors progressivement éluées. Tandis que dans les modalités avec ver, un
équilibre est atteint dès la 3ème semaine. Ces résultats semblent suggérer que dans notre sol, existe
un pool de matières organiques hydrosolubles éluées via les eaux de percolation. L’élution
progressive et continue constatée dans les modalités sans ver serait due à la quantité de pores
recrutés lors de la percolation. Dans ces modalités, il n’existe aucun chemin préférentiel
d’écoulement des eaux. Lorsque l’eau est apportée en surface du microcosme, le nombre de
chemin qu’elle peut emprunter est multiple. La probabilité qu’elle emprunte toujours les mêmes
pores est faible. Le nombre de combinaison de pores recrutés lors de chaque percolation est
différent, la surface explorée par l’eau est donc importante aussi et conduit à une élution
progressive des MO hydrosolubles. En revanche, la présence de galeries lombriciennes entraîne
une combinaison stable des pores recrutés donc une élution constante de ces MO hydrosolubles.
Lors de chaque arrosage, l’eau aura tendance a emprunter le même chemin : la galerie. L’élution
de la MO hydrosoluble se limite à la surface explorée par l’eau, elle est donc moins importante
pour les modalités avec ver, du fait de la présence de galeries. L’eau empruntant toujours le
même chemin, les concentrations en COD des modalités avec ver devraient logiquement
diminuer au cours du temps. Or, les concentrations en COD des modalités vers sont constantes,
suggérant ainsi la présence d’un effet ver. L’enrichissement en C des galeries pourrait contribuer
à ce que les concentrations de COD éluées soient constantes dans le temps.
Un effet "ver" est observé au niveau des flux. Celui-ci est particulièrement notable pour les
modalités "boue" ou le flux total de COD exporté au bout de 8 semaines est de 20% plus élevé
pour la modalité témoin avec vers que pour la modalité témoin sans ver (figure IV.3). Cette
différence est la résultante des différences de volume d’eau percolé entre des deux mêmes
90
modalités. La présence de galeries est connue pour augmenter la conductivité hydraulique du sol.
Dans le cas des modalités Boue, l'accroissement de la conductivité hydraulique de la modalité
Boue avec vers par rapport à la modalité Témoin a entraîné une augmentation de 20% de la
quantité d'eau percolée (figure V.1). Les concentrations en COD des deux modalités étant
identiques (pas d'effet chimique), l’augmentation de la quantité d'eau totale percolée se traduit in
fine par une augmentation de 20% du flux de COD exporté. Concernant les modalités Témoins,
l'écart des flux de COD calculés entre la modalité avec vers et la modalité sans vers n’est que de
5%, alors que l'écart des flux d'eau est comme dans le cas précédent de 20%. En fait, cet écart
entre flux de COD et flux d'eau dans le cas des modalité Témoin est due à l'inversion des
concentrations en COD observée entre modalités : en effet
! [COD]sans vers>[COD]vers pour la modalité Témoin
! [COD]vers>[COD]sans vers pour la modalité Boue(figure V.2).
En l'état actuel de nos résultats, nous sommes dans l'incapacité d'expliquer cette inversion.
Dans le cadre de notre expérimentation, les modifications induites par la présence de vers sur le
transfert du COD à l'échelle du profil de sol sont essentiellement d'ordre physique, liées à
l'augmentation de la conductivité hydraulique (augmentation des flux transférés). Concernant une
modification de la solubilité des matières organiques du sol ou des boues du fait de leur
remaniement ou de leur métabolisation partielle par les vers implantés dans les microcosmes, un
effet chimique pourrait intervenir, mais il n’a pu clairement être mis en évidence.
3. LES ETM DANS LES EAUX DE PERCOLATION
Les concentrations en plomb, cuivre, zinc et cadmium des eaux de percolation pour les
différentes modalités sont présentés dans la figure V.4. Les flux cumulés de ces éléments en
fonction du temps sont présentés dans la figure V.5.
3.1 Le Cuivre
Les concentrations pour cet élément sont constantes dans le temps et plus élevées dans les
modalités Boue (12 ppb en moyenne) que dans les modalités Témoin (8-10 ppb en moyenne).
Aucun effet "vers" significatif n'est observé sur les concentrations en Cu. Il existe des similitudes
entre les séries temporelles de cet élément et celles des concentrations en COD.
91
Concernant les flux, les quantités de Cu exportées sont plus élevées en présence de ver, du fait de
l’augmentation de la conductivité hydraulique liée à la présence des galeries. Par ailleurs, les
valeurs de flux sont plus élevées pour les modalités Boue que pour les modalités Témoin
conformément aux différences de concentrations en cuivre observées entre ces deux modalités
Temps (semaine)
Teneur en µg/l
0
0,5
1
1,5
2
2,5
2 3 4 5 6 7 8
Cadmium
0
5
10
15
20
Temps (semaine)
Teneur en µg/l
2 3 4 5 6 7 8
Cuivre
Teneur en µg/l
Temps (semaine)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
2 3 4 5 6 7 8
Plomb
2 3 4 5 6 7 8
0
50
100
150
200
250
300
Temps (semaine) Teneur en µg/l
Zinc
Figure V.4 Concentration en Cd, Zn, Pb et Cu dans les percolats recueillis chaque semaine
pour les microcosmes Témoin sans vers (T0 ), Témoin avec ver (T+v),
Boue sans ver (B0) , Boues avec ver (B+v)
B+ v B0 T+ v T0
92 Flux cumulé µg/l
0
1
2
3
4
5
6
7
1 2 3 4 5 6 7 8
Temps (semaine)
Flux cumulé µg/l
Cuivre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1 2 3 4 5 6 7 8
Temps (semaine)
Flux cumulé µg/l
Plomb
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1 2 3 4 5 6 7 8
Cadmium
Temps (semaine)
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8
Temps (semaine)
Flux cumulé µg/l
Zinc
B+ v B0 T+ v T0
Figure V.5 Flux cumulés de Cu, Pb, Cd et Zn exportés via les eaux de percolation
en fonction du temps et pour les modalités Témoin et Boue.
3.2 Le Plomb
Les concentrations en Pb sont très faibles pour tous les percolats (<0.1 ppb) (figure IV.4). Par
ailleurs, aucune évolution temporelle significative n'est décelée. Cette constance des
concentrations se retrouve au niveau des flux d’exportation cumulés, lesquels sont aussi très
93
proches les uns des autres (figure IV.4). En terme de flux, les modalités Boue n'exportent pas
plus de Pb que les modalités Témoin. Par ailleurs, la présence de vers n'est pas un facteur
d'augmentation du flux de Pb dissous. Les concentrations en plomb des percolats étant très
faibles, des contaminations en plomb pouvant également intervenir, des erreurs analytiques
peuvent se produire et expliquent l’important intervalle de confiance.
3.3 Le Cadmium
Les teneurs en Cd des percolats varient de 0.2 à 2 ppb pour les modalités Boue et de 0.2 à 0.5 ppb
pour les modalités Témoin. Les concentrations en cadmium des modalités Boue augmentent
progressivement au cours du temps, tandis qu’elles restent constantes pour les modalités Témoin.
En terme de concentration, la présence de vers ne semble avoir aucun effet, puisque les teneurs
en Cd des percolats des modalités avec et sans vers s'avèrent être quasiment identiques. L’effet
boue prédomine et se retrouve au niveau des flux. Pour les modalités Témoin, les flux sont
constants : les quantités de cadmium exportées augmentant linéairement avec le temps. Pour les
modalités Boue, l'augmentation des concentrations conduit à une augmentation exponentielle du
flux exporté avec le temps. Comme pour le cuivre, l’augmentation de la conductivité hydraulique
liée à la présence de galeries lombriciennes conduit à une augmentation des flux de cadmium
pour la modalité Boue. En revanche, pour la modalité Témoin, l’augmentation de la conductivité
hydraulique liée à la présence de ver ne conduit pas à une augmentation du flux de cadmium. Les
concentrations en cadmium des modalités avec ver étant légèrement inférieure à celle de
modalités sans vers, cette différence se répercute au niveau des flux.
3.4 Le Zinc
Le comportement du Zn est similaire à celui du Cd en ce sens où les concentrations augmentent
avec le temps pour les percolats provenant des modalités Boue, alors que ceux issus des
modalités Témoin montrent des concentrations constantes à légèrement décroissantes dans le
temps. Par ailleurs, et comme pour le Cd, les concentrations en Zn des percolats des modalités
Boue sont 5 à 10 fois plus élevés (de 50 à 250 ppb) que celles des concentrations des percolats
des modalités Témoin (1à à 50 ppb). Cependant et à l'inverse du Cd, pour les modalités boue, la
présence de ver conduit à une forte augmentation des concentrations en Zn aboutissant à une
différence significative de plus de 80ppb au niveau des concentrations après 8 semaines
94
d’expérimentations. Les courbes de flux du Zn dissous sont comparables à celles du Cd : les flux
de Zn exporté par la modalité Boue augmentent exponentiellement, alors que les flux sont
linéaires voire décroissants pour la modalité Témoin. L’effet ver observé pour les concentrations
se répercute au niveau des flux par une augmentation de plus de 50% des flux de Zn en présence
de ver.
3.5 Discussion
Dans notre discussion, le cuivre et le plomb seront associés de même que le cadmium sera
associé au zinc. Ces associations dépendent du comportement de ces éléments dans le sols : le
cuivre et le plomb ayant une forte affinité pour la MO (Petruzzeli et al, 1978 ; Chang et al, 1984 ;
Keller et Vedy, 1990 ; Flores-velez, 1996), le cadmium et le zinc ayant une affinité plus modérée
pour la MO.
Les concentrations ainsi que les flux de plomb sont très faibles quelle que soit la modalité. Tandis
que les concentrations et flux de cuivre sont plus importants : les flux de cuivre sont 10 fois
supérieurs aux flux de plomb. Ces deux éléments étant fortement liés à la MO, ces résultats sont à
mettre en parallèle avec ceux obtenus pour le COD. Les percolats des modalités Boue sont plus
chargés en COD que les percolats des modalités Témoin. Ce résultat a été attribué à une plus
grande labilité de la MO de la boue. Le plomb et le cuivre, associés à la MO devraient donc se
retrouver dans les eaux de percolation. Or pour le plomb ce n’est pas le cas. Ces résultats
suggèrent que le plomb et le cuivre ne sont pas associés aux mêmes composés organiques. Selon
Cambier et al, (1999), le plomb migre peu et reste en surface car lié aux composés de poids
moléculaires moyens (8000 Da) assimilé à des produits humiques. De plus selon Prudent et al
(1993) les phénomènes de solubilisation du plomb apporté par du compost urbain sont ponctuels
et interviennent 45 jours après épandage. Les concentrations en plomb dans les lixiviats de sol
amendé par du compost sont généralement très faibles (Cambier et al, 1999). Tandis que le cuivre
associé aux comportements des fines particules et de composés organiques de faible poids
moléculaire (Cambier et al, 1999) présente un potentiel de migration rapide dans le sol (Prudent
et al, 1997).
Ainsi dans notre expérience, le plomb serait associé à des complexes organiques stables qui sont
faiblement entraînés par les eaux de percolation. Alors que le cuivre serait lié au pool de MO
hydrosoluble entraîné par les eaux de percolation. Des analyses fines de spéciation du cuivre et
95
du plomb, dans le sol et dans les eaux de percolation seraient nécessaires à la vérification de cette
hypothèse.
Le cadmium et le zinc sont deux éléments dont le comportement dans le sol est relativement
similaire mais dans notre expérience, leur « comportement » diffère sur plusieurs points.
Les concentrations en cadmium et zinc des percolats sont plus importantes pour les modalités
Boue que pour les modalités Témoin. Ces concentrations augmentent au cours du temps pour les
modalités boues, tandis qu’elles restent stables pour les modalités témoin. Au niveau des
concentrations, aucun effet ver n’est mis en évidence pour le cadmium. En revanche, un effet ver
est mis en évidence pour le zinc dans les modalités Boues. En terme de flux, les tendance
observées sont les mêmes que pour les concentrations. Toutefois, un effet ver est mis en évidence
concernant les flux de cadmium pour les modalités boues, relié à l’augmentation de la
conductivité hydraulique. Cependant, le cadmium migre dans le sol sans que la présence de
galeries lombriciennes ne constitue des voies préférentielles de circulation. En effet, le cadmium
migrerait dans les percolats via l’eau circulant dans la microporosité du sol. L’augmentation dans
le temps des concentrations en cadmium des percolats pourrait alors correspondre au
déplacement d'un front de cadmium labile apporté par la boue, du haut vers le bas du
microcosme.
Le comportement du zinc est relativement similaire à celui du cadmium. Les concentrations et
flux de zinc sont plus importants pour les modalités boues et augmentent au cours du temps.
Ainsi, cet élément pourrait comme le cadmium circuler dans le sol via un front de migration de
zinc labile apporté par les boues expliquant l’augmentation des concentration en zinc dans les
percolats au cours du temps. De plus, la présence de ver de terre pour la modalité Boue augmente
les concentrations en zinc des percolats.
L’influence des lombriciens sur la migration d’un élément peut être de type physique ou
chimique. Dans le cadre de notre expérimentation, l’influence physique lié à la présence de
galeries lombriciennes a été mise en évidence dans le cas des flux de COD, Cu et Cd. Cependant,
du fait de la « nature » des galeries, une influence chimique de ces structures sur le lessivage des
éléments traces métalliques pourrait également intervenir. En effet, les parois de galeries
constituent une sphère d’influence reconnue depuis quelques années : la drilosphère (Brown,
96
1998). Elles ont des propriétés physiques et chimiques différentes de celles du sol : le pH, les
teneurs en argiles et les teneurs en carbone total et soluble différentes de celle du sol (Syers et
Springett, 1983 ; Stehouwer et al, 1993 ; Gorres et al, 1997). L’augmentation de la conductivité
hydraulique ne suffisant pas à expliquer les différences de flux de zinc observées en présence et
en absence de ver. Pour cet élément, un effet chimique s’ajoute à l’effet physique, augmentant
ainsi les flux de zinc dans les eaux de percolation.
4. BILAN DES FLUX DE CARBONE ET ELEMENTS TRACES METALLIQUES
Des bilans d’exportation des différents éléments dans le système sont réalisés pour les deux
modalités en présence et/ou non de ver. Ces bilans permettent de quantifier les flux sortant par
rapport à la matrice sol.
4.1 Bilan des flux de carbone et ETM
Les bilans des flux du carbone, cadmium, zinc, plomb et cuivre sont représentés dans les figures
V.6 pour le carbone, V.7 et V.7 bis pour les ETM. Les flux de sortie du carbone et des éléments
traces métalliques calculés sur la période d'étude, c'est-à-dire 8 semaines, sont très faibles. Les
flux de sortie rapportés à la matrice sol varie au minimum de 2.7 10-5 % pour le plomb et au
maximum de 0.18 % pour le cadmium, le plomb étant l’élément le moins mobilisé et le cadmium,
l’élément le plus lessivé.
97
Bilan du carbone
Sol
stock initial :68,47 g
Boue
Sol + boue + Litière
117,69 g
+ Ver
V eau : 451.7 ml
87,67 mg de COD
V eau : 387.46 ml
59,6 mg de COD
Sol + Litière
stock initial : 68,47 g
+ Ver
V eau : 381.21 ml
35,6 mg de COD
V eau : 299.1 ml
28,2 mg de COD
1,66 g 1,66 g 9,89
0.050 % 0.040 % 0.074 % 0.050%
Figure V.6 Bilan de sortie du carbone par lessivage
pour les microcosmes Témoin avec ver (T+v), Témoin sans vers (T0),
Boues avec ver (B +v), Boue sans ver (B0)
Pour le carbone seulement 0,040% à 0,074% du carbone total passe en solution. La présence de
vers de terre augmente les bilans de sortie du carbone. L’augmentation des flux de sortie du
carbone en présence de ver serait la résultante de l’augmentation de la conductivité hydraulique
et non de processus chimiques pouvant se dérouler dans la drilosphère
Le cuivre bien que moins mobilisé présente des bilans d’exportation similaires à ceux du COD.
En présence de boue, les bilans d’exportations du cuivre sont plus importants. Selon Juste et al,
(1995), l’apport de boues provoque une redistribution du cuivre dans le sol : des molécules
organiques complexantes, produites lors des processus de biodégradation des boues participent à
l’approvisionnement en métal de la solution du sol, d’ou un lessivage plus important du cuivre
pour ces modalités. Comme pour le COD, l’augmentation des bilans d’exportation de cuivre en
présence de lombriciens pourrait être liée à l’augmentation de la conductivité hydraulique. Il ne
faut cependant pas exclure l’hypothèse d’un effet chimique lié à la présence de ver, effet qui n’a
pu être mis en évidence ici.
Le plomb est l’élément le moins mobilisé, seulement 4.31 10-5 % du plomb de la matrice passe
en solution. Les bilans d’exportation du plomb sont plus importants pour la modalité Témoin que
98
pour la modalité Boue. Les boues joueraient un rôle de rétention du plomb. Le métal pourrait être
immobilisé au sein de complexes organo-métalliques stables. De plus, la présence de lombriciens
limite encore l’exportation du plomb. Le plomb pourrait également être séquestré dans ces
structures. Les lombriciens et notamment L.terrestris rejettent du carbonate de calcium par leurs
glandes calcifères (Lee, 1985). Le plomb pourrait donc se fixer à ce carbonates de calcium et se
trouver alors immobiliser dans les galeries.
Le cadmium est l’élément dont l’exportation est la plus importante, 0.06 % et 0.18 % du
cadmium total passe en solution respectivement pour les modalités témoin et boue, sans que les
lombriciens y jouent un rôle. Le cadmium est reconnu comme étant un élément assez mobile
(Legret et al, 1988 ; Baize, 1997). Après apport de boue, plus de cadmium passe en solution.
Selon Illera et al, (2000), après apport de boue, les fractions du sol les plus enrichies en cadmium
sont les fractions échangeable, acido-soluble (carbonates). Ces fractions étant les plus facilement
mobilisables (Berti et Jacobs, 1996 ; Ma et Rao, 1997 ; Sloan et al, 1997), le cadmium peut
migrer en profondeur via les eaux de percolation.
Comme pour le cadmium, les bilans du zinc sont plus importants pour la modalité Boue. Dans le
cas du zinc, la présence de ver augmente les bilans d’exportations du zinc. Il semble donc que le
ver ait une propension à mobiliser sélectivement le zinc des boues mais pas le cadmium. Il a été
montré que le cadmium et le zinc entraient en compétition lors des processus d’adsorption (Juste
et al, 1995). Dans nos expériences, il est possible que le Zn apporté par les boues ait été
préférentiellement adsorbé par rapport au Cd sur les constituants du sol ingérés par le ver. Des
travaux ont montré que dans un sol amendé par des boues ou du compost (Canet et al, 1997 ; Luo
et Christie, 1998 ; Illera et al, 2000), le zinc se distribue entre les fractions résiduelles et
oxydables (lié à la MO). Une telle sélectivité dans l'adsorption pourrait expliquer les différences
de comportement de ces deux métaux.
99
Bilan du Plomb
Sol
stock initial : 242.5 mg
Boue
15.56 mg
Sol + boue
258,06 mg
+ Ver
V eau : 451.7 ml
0.00008 mg de Pb
V eau : 387.46 ml
0.00011 mg de Pb
2.74 10-5 % 3.78 10-5 %
Sol
stock initial : 242.5 mg
+ Ver
V eau : 381.21 ml
0.000089 mg de Pb
V eau : 299.1 ml
0.0001 mg de Pb
2.7 10-5 % 4.12 10-5 %
Litière
4,48 10-4 mg
Litière
4,48 10-4 mg
Bilan du Cuivre
Sol
stock initial : 108 mg
Boue
+ 16.76 mg
Sol + boue
124.76 mg
+ Ver
V eau : 451.7 ml
0.04072 mg de Cu
V eau : 387.46 ml
0.03126 mg de Cu
0.032 % 0.025 %
Sol
stock initial : 108 mg
+ Ver
V eau : 381.21 ml
0.02305 mg de Cu
V eau : 299.1 ml
0.01946 mg de Cu
0.021 % 0.018 %
Litière
3,8 10-4 mg
Litière
3,8 10-4 mg
Figure V.7 Bilan de sortie par lessivage du Pb et du Cu,
pour les microcosmes Témoin avec ver (T+ v), Témoin sans vers (T0),
Boues + ver (B + v), Boue sans ver (B0)
100
Figure V.8 Bilan de sortie par lessivage du Cd et du Zn,
pour les microcosmes Témoin avec ver (T+ v), Témoin sans vers (T0 ),
Boues avec ver (B + v), Boue sans ver (B0)
Bilan du cadmium
Sol
stock initial : 1.42 mg
Boue
+ 0.38 mg
Sol + boue
1.80 mg
+ Ver
V eau : 451.7 ml
0.00328 mg de Cd
V eau : 387.46 ml
0.00303 mg de Cd
0.18 % 0.17 %
Sol
stock initial : 1.42 mg
+ Ver
V eau : 381.21 ml
0.00089 mg de Cd
V eau : 299.1 ml
0.00088 mg de Cd
0.06 % 0.06 %
Bilan du Zinc
Sol
stock initial : 650 mg
Boue
+ 69.52 mg
Sol + boue
719.52 mg
+ Ver
V eau : 451.7 ml
0.325 mg de Zn
V eau : 387.46 ml
0.28657 mg de Zn
0.045 % 0.039 %
Sol
stock initial : 650 mg
+ Ver
V eau : 381.21 ml
0.07715 mg de Zn
V eau : 299.1 ml
0.05814 mg de Zn
0.011 % 0.008 %
Litière
2,29 10-3 mg
Litière
2,29 10-3 mg
Litière
1,12 10-5 mg
Litière
1,12 10-5 mg
101
Ces bilans nous permettent d’aller plus loin dans l’interprétation par la quantification de l’effet
boue et de l’effet ver. Ces effets sont calculés comme suit :
Effet ver sur l’élément X [témoin]
= [Flux de sortie de X témoin + V]- [Flux de sortie de X témoin 0] * 100
[Flux de sortie de X témoin 0]
Effet boue sur l’élément X
= [Flux de sortie de X témoin + V]- [Flux de sortie de X boue + V] * 100
[Flux de sortie de X témoin 0]
Tableau V.1 – Quantification des effets boue et ver sur les flux d’éléments
COD Cu Pb Cd Zn
Effet ver [témoin] + 25 % + 16,67 % - 34,47 % 0 + 3,75 %
Effet ver [boue] + 48 % + 28 % -27,51 % +5,88% +15,38 %
Effet boue [0 ver] + 25 % + 38,89 % -8,25 % + 183,3 % + 387,5 %
Effet boue [+ ver] +48 % + 52,3 % +1,48 + 200 % + 309,09 %
A l’exception du COD et du plomb, l’effet boue prédomine sur l’effet ver dans la remise en
circulation du cuivre, cadmium et zinc. Cet effet est très important pour le cadmium et le zinc
dont l’exportation augmente respectivement de 200 et 350% après apport de boue.
Pour le plomb, l’effet ver jouerait un rôle plus important que l’effet boue dans l’immobilisation
du plomb. L’effet boue en présence de ver aboutissant à une augmentation de l’exportation du
plomb. Ces résultats suggèrent que outre un effet ver sur la percolation, un effet ver de type
physico-chimique semble également contrôler l’exportation du plomb. Concernant, le COD
l’effet ver et boue sont de même ordre.
Par la formulation d’hypothèse, on peut aller encore plus loin dans l’identification de l’effet boue
et de l’effet ver. L’effet boue peut se décomposer en deux : un premier effet lié à l’augmentation
des teneurs en éléments dans le sol après apport de boue et un deuxième effet lié aux diverses
réactions physico-chimiques induites par cet apport. Ces deux effets peuvent être différenciés par
102
un calcul théorique simple qui supposerait qu’il n’existe aucune interaction physico-chimique
(changement de spéciation des éléments, modification de la conductivité hydraulique, …) entre la
boue et le sol. La quantité d’élément exporté par les eaux de percolation ne serait alors fonction
que de la quantité d’élément apportée par la boue. Ceci signifierait que le rapport entre la quantité
d’élément lessivé via les eaux de percolation et le stock d’élément dans la matrice de la modalité
témoin en l’absence de ver serait égal à celui de la modalité Boue en absence de ver.
Soit :
[Quantité de X lessivé pour la modalité témoin] = [Quantité de X lessivé pour la modalité boue]
[Stock de X dans le sol de la modalité témoin] [Stock de X dans le sol de la modalité boue]
La différence obtenue entre la valeur théorique et la valeur réelle d’élément lessivé serait alors la
part pris par l’effet physico-chimique des boues.
Le même calcul théorique est appliqué aux modalités avec ver. La valeur théorique à la même
signification que précédemment, associé à la présence de ver. La différence entre la valeur
théorique et la valeur réelle correspondrait à la part d’élément exporté sous l’effet des
modifications physico-chimique induites par l’action conjointe de la boue et du ver.
Lors des calculs, nous avons constaté que les valeurs théoriques calculées pour les modalités avec
et sans vers étaient du même ordre. L’hypothèse posée est alors que l’effet boue due à
l’augmentation des teneurs en élément est le même pour les modalités vers et sans vers. Ainsi, la
différence entre les effets physico-chimiques observés pour les modalités sans vers et pour les
modalités avec vers quantifierait l’effet physico-chimique lié à la présence de ver.
Les différents effets sont synthétisés dans les figures V.9 à V.13.
Ainsi pour le carbone selon les calculs réalisés, un effet séquestrant des boues est mis en
évidence : la valeur théorique d’élution calculée d’après l’augmentation des teneurs en COD dans
la modalité boue étant supérieur (70%) à la valeur réelle (25%). En revanche, la présence de ver
de terre favoriserait le lessivage du COD. L’effet séquestrant de la boue est supérieur et s’oppose
à l’effet « éluant » des vers : celui-ci est donc masqué. L’effet ver de 23% serait dû aux
modifications physico-chimiques intervenant dans les parois de galeries.
L’apport de boue augmente le lessivage de cuivre de 38,89 % en l’absence de ver et de 52,3% en
103
présence de ver. L’augmentation des teneurs en cuivre dans la modalité boue serait responsable
de 14 à 15% du cuivre élué. Ainsi 23,3% du cuivre élué serait lié aux processus physicochimiques
induit par l’apport de boue. L’effet ver serait alors de 14%.
Les résultats pour le plomb sont variables. Ainsi en l’absence de ver, l’apport de boue limite
l’élution du plomb tandis qu’en présence de ver l’apport de boue augmente le lessivage du
plomb. Les boues ont un effet séquestrant sur le lessivage du plomb. Cet effet boue étant dans le
cas des modalités avec ver contrebalancé par effet ver qui lui va plutôt favoriser l’élution du
plomb. Ainsi selon l’origine du plomb, le ver va avoir un action différente : il limite l’élution du
plomb géogène, il favorise l’élution du plomb exogène. Les résultats concernant cet élément sont
cependant à prendre avec précautions, rapport aux incertitudes de mesures liées aux faibles
concentrations mesurées et aux problèmes de pollution.
L’apport de boue augmente fortement le lessivage du cadmium et du zinc de 200% et de 350%
environ respectivement pour le cadmium et le zinc. Cette augmentation étant lié pour plus de
150% dans le cas du cadmium et plus de 366% dans le cas du zinc aux modifications physicochimiques
s’opérant dans le sol suite à l’apport de boue. Si dans le cas du cadmium, l’effet ver
s’ajoute à l’effet boue, dans le cas du zinc, l’effet ver s’oppose à l’effet boue.
Ainsi, la présence de ver favorise l’élution du cadmium et limite l’élution du zinc.
Ces résultats semblent s’opposer à ceux obtenus dans le cadre des flux. Cela veut seulement
signifier qu’en l’absence d’interactions entre les lombriciens et le zinc provenant des boues, les
flux de zinc seraient encore plus importants. Les interactions physico-chimiques ver/Zn
s’opposent alors à l’effet des vers sur le drainage.
Ces calculs montrent l’existence de la présence d’un effet physico-chimique lié à la présence de
ver. Cet effet peut accélérer l’exportation d’élément, c’est le cas pour le carbone, le cuivre et le
cadmium, ou ralentir l’élution c’est le cas du zinc.
104
Carbone
Figure V.9 Bilan des effets des vers et de la boue sur le lessivage du COD
Effet ver
Sans boue
+ 25%
Effet ver
Avec boue
+ 48%
Effet Boue
sans boues + 25%
Dt +70% augmentation teneurs
- 45% physico-chimie
Effet Boue
avec boue + 48%
Dt +70% augmentation teneurs
- 22% physico-chimie
105
Cuivre
Boue
Figure V.10 Bilan des effets des vers et des boue sur le lessivage du cuivre
Effet ver
sans boue
+16,7%
Effet ver
avec ver
+28%
Effet Boue (0) + 38,9 %
Dt 15,5% augmentation teneurs
23,3% physico-chimie
Effet Boue (+v) + 52,3%
Dt 14,3% augmentation teneurs
38% physico-chimie
Plomb
Boue
Figure V.11 Bilan des effets des vers et de la boue sur le lessivage du plomb
Effet ver
sans boue
-34,47%
Effet ver
avec boue
-27,51%
Effet Boue
sans ver -8,25%
Dt +6,3% augmentation teneurs
-15,2% physico-chimie
Effet Boue
avec ver +1,5%
Dt +6,3% augmentation teneurs
-4,8% physico-chimie
106
Cadmium
Boue
Figure V.12 Bilan des effets des vers et de la boue sur le lessivage du cadmium
Effet ver
sans boue
+0%
Effet ver
avec boue
+5,88%
Effet Boue
sans ver + 183,3 %
Dt 26,6% augmentation teneurs
156,7% physico-chimie
Effet Boue
avec ver + 200%
Dt 26,6% augmentation teneurs
173,4% physico-chimie
Zinc
Boue
Figure V.13 Bilan des effets des vers et de la boue sur le lessivage du Zinc
Effet ver
sans boue
+3,7%
Effet ver
avec boue
+15,4%
Effet Boue (0) + 387,5 %
Dt 10% augmentation teneurs
377,5% physico-chimie
Effet Boue (+v) + 309,1%
Dt 10,69% augmentation teneurs
366,8% physico-chimie
4.2 Le risque Boue
Nous avons voulu quantifier un éventuel risque Boue. C’est à dire déterminer la probabilité que
les ETM présents dans les boues se retrouvent dissous dans les eaux de percolation. Ce risque a
107
été quantifié en calculant les deux indices suivants :
I1
[(% de x lessivé pour la modalité boue) - (% de x lessivé pour la modalité témoin)] *100
(% de x lessive pour la modalité boue)
I2
(Quantité total de x lessivé provenant de la boue) *100
(Quantité total de x apporté par la boue)
Tableau V.2 Indice I1
Carbone Cuivre Plomb Cadmium Zinc
I1 (sans ver) 20 28 - 64,70 79,4
I1 (+ ver) 32,43 34,37 - 66,6 75,5
Tableau V.3 Indice I2
Carbone Cuivre Plomb Cadmium Zinc
I2 (sans ver) 0,04 0,01 - 0,06 0,04
I2 (+ ver) 0,06 0,015 - 0,08 0,06
L’indice I1 quantifie la fraction d' ETM présent dans les percolats ayant la boue comme origine.
L'indice I2, quant à lui, exprime la fraction du stock total d'ETM contenu dans la boue qui a été
mobilisée par la solution de percolation. Les deux indices sont calculés en absence de ver et en
présence de ver. Les calculs mettent en évidence des indices I1 élevés pour le cadmium et le zinc,
éléments pour lesquels 67 % à 79% du flux total exporté pendant les 8 semaines qu'ont duré les
expériences proviendrait des boues. Pour le cuivre, l'indice I1 descend à 50. Pour le plomb, cet
indice est nul étant donné que le lessivage de plomb en présence de boue est inférieur aux
témoins.
108
Concernant l'indice I2, les valeurs les plus élevées sont obtenues pour le Cd (0.6%) et le Zn
(0.3%); pour le Cu la valeur de l'indice est de 0.1%; pour le plomb une valeur négative est
obtenue, les modalités Boue exportant moins de Pb que les modalités Témoin.
Le risque boue existe notamment pour le cadmium et le zinc dont plus de 50% de ces éléments
retrouvé dans les percolats provient de la boue. Cependant, ce risque reste très faible, l’indice I2
étant compris entre 0,06 pour le cadmium et 0,01 pour le cuivre. La présence de ver de terre
accélère ce processus d’élution. Cette augmentation étant faible, le risque boue reste minime.
5. DISCUSSION GENERALE
Pour de nombreux chercheurs (Emmerich et al, 1982 ; Smith, 1996 ; Lozano Cerezo et al, 1999),
la mobilité potentielle des éléments traces issus de boues de station d’épuration via les eaux de
percolation est réduite. La plupart de ces travaux sont réalisés au laboratoire sur des colonnes
compactées et ne prennent pas en compte la macroporosité (Richards et al, 1998). Ces voies
préférentielles peuvent accélérer le mouvement de l’eau et des solutés dans le profil de sol
(Stagnitti et al, 1991 ; Steenhuis et al, 1995). Les galeries de ver de terre sont reconnues pour être
des voies préférentielles d’écoulement des eaux (Ehlers, 1975 ; Zachmann et al, 1987 ; Shipitalo
et Butt, 1999). Elles peuvent augmenter de 8 à 9 fois la conductivité hydraulique (Joschko et al,
1992) augmentant par la-même les flux de solutés (Steenhuis et al, 1990 ; Shipitalo et al, 1994).
Elles sont également reconnues pour être des interfaces réactifs, capables de favoriser le transfert
des solutés du sol vers la solution du sol. Ainsi, il a été démontré que certaines parois de galeries
étaient enrichie en NO3
- soluble et en carbone organique labile (Syers et Springett, 1983 ;
Stehouwer, 1993). Par ailleurs, d'après les travaux de Binet (1993), la quantité de NH4
+
exportable par lixiviation serait accrue d'un facteur 5 en présence de ver.
Dans le cadre de notre expérience, aucun effet ver significatif n’est mis en évidence pour aucune
des deux modalités (sans boue ou avec boue) au niveau des concentrations. Ce qui ne veut pas
dire pour autant que cet effet n’existe pas. L’effet ver est peut être masqué par l’effet boue
largement prédominant. En effet, à l’exception du plomb, les concentrations en COD et éléments
traces métalliques dans les eaux de percolation sont supérieures pour les modalités Boues, avec et
sans ver. Les éléments traces métalliques provenant des boues sont présents sous des formes
chimiques assez réactives potentiellement plus labiles que les éléments traces géogènes. Ceux-ci
sont le plus souvent immobilisés sous des formes relativement inertes (Baize, 1997). Les ETM
provenant des boues peuvent donc être lessivés à court terme via les eaux de percolation. Seul le
plomb dont les teneurs diminuent dans les percolats des modalités Boue semble être immobilisé
suite à l’apport de boue. Une partie de la MO apportée par les boues s’apparente à la MO
humifiée du sol, et résiste à la décomposition dans le sol (Terry et al, 1979 ; Gerritse et al, 1982).
Le plomb pourrait donc être immobilisé au sein de tels complexes organiques stables peu labiles.
Les concentrations en cuivre évoluent de façon similaire à celles du COD. Ces résultats suggèrent
la présence de deux types de MO : l’une hydrosoluble à laquelle le cuivre sans être fixé, et l’autre
peu labile à laquelle le plomb serait lié. Les concentrations en zinc et cadmium des percolats des
modalités Boue augmentent au cours du temps indifféremment à la présence de ver. Ces
observations suggèrent la migration d’un front labile de ces deux éléments du haut vers le bas du
microcosme. Les travaux de Scokart et al (1983) montrent également une migration du cadmium
et du zinc vers les horizons situés en dessous de l’apport de boue. La spéciation de ces deux
éléments traces dans les boues (Illera et al, 2000) pourrait expliquer que ces deux éléments
migrent vers les horizons sous-jacents.
En terme de flux, un effet ver est observé pour les modalités Boue notamment. Cet effet ver est
avant tout lié à l’augmentation de la conductivité hydraulique. Cet effet physique direct est mis
en évidence pour le cadmium, le cuivre et le zinc. Un effet indirect, lié aux propriétés physicochimiques
particulières des parois de galeries, peut également favoriser le lessivage des ETM via
les eaux de percolation. Cet effet indirect n’a été mis en évidence que pour le zinc.
La contribution des lombriciens dans les transferts de COD et d’éléments traces métalliques vers
les eaux souterraines est modeste. Cette contribution peut être de type physique : en présence de
ver, la conductivité hydraulique augmente et par conséquent le transfert de soluté et de type
physico-chimique : les interactions ver/ETM dans les parois de galeries pouvant accélérer ou
limiter le transfert de soluté.
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 Posté le: Dim Fév 19, 2006 11:43 pm
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