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Święta Polska
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krystian
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 Anatomie : chapitre 4
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48
REDISTRIBUTION DES ETM DANS LES MICROSITES D’ORIGINE
LOMBRICIENNE
___________________________________________________________________________
L’objectif de cette étude est de décrire et expliquer la distribution des ETM entre les
différents compartiments étudiés (sol, turricules et parois de galeries) et également de
déterminer leur distribution au sein même de ces compartiments.
L’analyse des teneurs totales en ETM permettra entre autre de déterminer à une échelle
globale, la distribution des ETM entre les différents compartiments étudiés : sol et microsites.
A l’échelle des différents compartiments, sol et microsites, la distribution des ETM sera
abordée par deux techniques complémentaires « chimique » et « physique »: les extractions
chimiques permettront d’évaluer les changements de spéciation des ETM dans les microsites
par rapport au sol environnant ; le fractionnement granulo-densimétrique permettra
d’appréhender la localisation des ETM au sein des classes de taille granulométriques afin de
mieux comprendre les changements de spéciation des ETM associés à ces structures.
1. TENEURS TOTALES EN CARBONE, AZOTE ET ETM DANS LE SOL ET LES
BIOSTRUCTURES
1.1 Teneur totale en carbone, azote et ETM dans le sol environnant de la modalité
Témoin et de la modalité Boue.
1.1.1 Carbone et azote total
L’apport de boue augmente les teneurs en carbone et azote dans le sol (figure IV.1). En effet,
les boues contiennent de la MO (Korantajer, 1991 ; Sopper, 1993 ; Barrera et al, 2000), ce qui
explique leur utilisation en tant qu’amendement organique en agriculture.
49
Figure IV.2 Teneurs totales en ETM dans le sol des modalités Témoin et Boue
0
50
100
150
200
Zinc
concentration en mg/kg
Modalité Témoin niveau 1 (2-10 cm) Modalité Témoin niveau 2 (10-20 cm)
Modalité Boue niveau 1 (2-10 cm) Modalité Boue niveau 2 (10-20 cm)
0
10
20
30
40
50
60
70
Plomb
concentration en mg/kg
concentration en mg/kg
0
1
2
3
Cadmium
* *
concentration en mg/kg
50
Cuivre
0
10
20
30
40
*
* Différences significatives
0
5
10
15
20
25
30
Teneur en C (g/kg)
Carbone
Sol Témoin Sol + Boue
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Teneur en N (g/kg)
Sol +Boue
Azote
Figure IV.1 Teneurs totales en carbone et azote dans le sol des modalités Témoin et Boue
*
*
Sol Témoin
N 1 N 2
N 1 N 2
N 1 N 2
N 1 N 2
50
1.1.2 Teneur totale en ETM
Les teneurs totales en éléments traces métalliques dans le sol de la Bouzule avant (sol témoin)
et après apport de boues (sol + boue) sont comparées aux teneurs limites dans un sol imposé
par l’arrêté du 8/01/98 (Baize, 2002) et aux teneurs moyennes des sols (Juste et Feix, 1995)
(tableau IV.1). Les teneurs en cadmium et zinc dans le sol de la modalité Témoin sont
supérieures aux teneurs moyennes dans les sols mais restent cependant inférieures aux teneurs
maximales admissibles.
Tableau IV.1 Teneurs maximales admissibles (Arrête du 8/01/9 , teneurs moyennes dans les
sols et teneurs « totales » dans les sols expérimentaux du cuivre, plomb, cadmium et zinc5
Teneurs en mg/kg Cuivre Plomb Cadmium Zinc
Teneurs limites (Arrêté du 8/01/9 100 100 2 300
Teneurs moyennes dans les sols
(Juste et Feix, 1995)
10 à 30
sol agricole
10 à 30 sol
non pollué
0.2 à 0.5 sol
non pollué
70 à 90 sol
non pollué
Sol témoin (valeur +/- écart-type) 15,27 (0,29) 37,23 (7,47) 1,58 (0,05) 107,23 (28,4)
Sol + boue (valeur +/- écart-type) 25,98 (5,2) 48,43 (8,03) 2,10 (0,07) 158,30 (25,2)
Les teneurs totales en cuivre, plomb, cadmium et zinc dans les niveaux 1 et 2 du sol de la
modalité Témoin et de la modalité Boues sont représentées dans la figure IV.2. Les teneurs
totales en éléments traces métalliques augmentent dans le niveau 1 (2-10 cm) du sol + boue.
Cette augmentation n’est pas toujours significative. Ainsi, les teneurs en plomb et zinc du sol
+ boues ne sont pas significativement différentes du sol sans boue. Cette non significativité
peut être due à l’hétérogénéité du mélange sol + boue : L’incorporation des boues dans le sol
se faisant de façon grossière, des agrégats de boue peuvent rester formés et augmentent alors
la variabilité de la mesure. De plus, la quantité d’ETM apportée par 40g de boue peut être
faible et se retrouver diluée dans le stock initial d’éléments traces du sol : le rapport quantité
de boue en MS sur la quantité de sol n’étant que de 0,016.
Des analyses de teneurs en ETM ont également été réalisées dans le niveau 2, c'est-à-dire le
5 Les teneurs totales en ETM citées ici, tableau III.1, sont différentes de celles citées dans le tableau II.1. Ces
différences tiennent à la méthode d’extraction et de dosage employée. Les teneurs citées dans le tableau II.1
résultant d’une attaque par HF et dosage ICP-MS, tandis que les teneurs citées ci-dessus résultent d’une attaque à
l’acide nitrique et dosage à l’absorption atomique.
51
niveau situé au dessous de l’apport de boue (10-20 cm) afin d’identifier une migration
potentielle des ETM apportés par la boue vers les horizons sous-jacent. Les teneurs sont
similaires à celle du sol initial pour le cuivre, le plomb et le zinc. En revanche, les teneurs en
cadmium du niveau 2 sont similaires à celle du niveau 1, laissant penser que le cadmium des
boues migre vers le niveau 2. Des travaux réalisées dans des condition relativement similaire
(colonnes de sol homogénéisées et compactées) (Emmerich et al, 1982 ; Mc Bride, 1995;
Smith, 1996 ; Michelin et al, 2002 ; Vulkan et al, 2002) montrent que les ETM apportés par
les boues sont généralement peu mobiles et migrent très peu. Cependant, nombre de ces
études ne bouclent pas leur bilan de masse. Ainsi, Mc Grath et Lane (1989) n’ont pu retrouver
68% des éléments traces appliqués, suggérant une perte possible d’éléments. Nos résultats,
concernant le cadmium, s’associent à d’autres travaux qui ont mis en évidence une migration
de la surface vers les horizons de profondeurs du nickel du cadmium et dans certains cas du
zinc. Ces éléments sont connus pour être les plus mobiles (Dowdy et al, 1991 ; Streck et
Richter, 1997 ; Richards et al, 1998). Les effets combinés de la présence de voies
préférentielles d’écoulement des eaux (fractures, galeries) et de composés inorganiques et/ou
organiques solubles, permettraient aux ETM de migrer vers le bas d’une colonne de sol
(Harter et Naidu, 1995 ; Steenhuis et al, 1995 ; Camobreco et al, 1996 ; Richards et al, 1998).
Nos résultats confirment la migration d’un front de cadmium plus labile du haut vers le bas du
microcosme.
1.2 - Teneurs totales en carbone, azote et ETM dans les turricules et parois de galeries
1.2.1 Teneurs en carbone et azote
Les dosages de carbone et azote ont été réalisés pour les microsites de la modalité boue. Les
teneurs totales en C et de N sont significativement plus élevées dans les turricules et les parois
de galeries de L.terrestris que dans le sol environnant (figure IV.3). Pour N.giardi, seuls les
turricules sont significativement enrichis en C et N. De nombreux auteurs (Rafidison, 1982 ;
Lee, 1985 ; Binet, 1993 ; Doube et al, 1994 ; Jégou, 1998) ont observés une augmentation des
concentrations du C total dans les turricules. Selon Lee (1985) les teneurs de C et de N dans
les déjections peuvent être de 1,5 à 2,0 fois supérieures à celles du sol environnant. Les
teneurs en C et N des parois de galeries de L.terrestris sont également supérieures à celle du
sol. Les parois de galeries sont tapissées par des déjections, du mucus et des débris de litière
qui contribuent à un enrichissement en C et N. Les teneurs en C et N des parois de galeries
sont généralement intermédiaires entre le sol et les turricules.
52
Teneur en C (g/kg)
0
20
40
60
80
100
Carbone
Se1 Pg1 T
*
* *
Se2
Teneur en N (g/kg)
0
1
2
3
4
Se1 Pg1 T
Azote *
* *
Se2
Figure IV.3 Teneurs totales en carbone et azote dans le sol environnant, les parois de galeries et les turricules
de L.terrestris et N.giardi pour la modalité Boue.
Sol environnant niveau 1
L.terrestris N.giardi
Sol environnant niveau 2
1.2.2 Teneurs en ETM dans les microsites
Les teneurs totales en ETM dans les biostructures de L.terrestris et N.giardi pour les 2
modalités Témoin et Boue sont présentées dans la figure IV.4.
Les teneurs en cuivre, plomb et zinc dans les microsites ne sont pas significativement
différentes de celles du sol. En revanche, les teneurs en cadmium dans les microsites sont
significativement inférieures à celles du sol environnant pour les deux modalités Témoin et
Boue. Ce résultat n’est pas en accord avec les conclusions de Ireland (1983) qui, dans une
synthèse bibliographique, a montré que les teneurs en cadmium dans les turricules sont
généralement supérieures à celles du sol, alors que les concentrations en cuivre, plomb et zinc
dans les turricules sont variables et non directement reliées aux teneurs dans le sol. Les
travaux cités par Ireland (1983), ont été réalisés sur les turricules d’espèces épigés et pour des
teneurs en ETM plus importantes que dans notre expérimentation. Des travaux plus récents
réalisés par Morgan et Morgan (1992) ne montrent aucune différence significative entre les
teneurs en Cd, Cu, Zn et Pb du sol et des turricules de L.terrestris. Ces différences pourraient
être dues à une consommation de particules de sol plus ou moins contaminées en ETM
(Greville et Morgan, 1989) résultant du comportement alimentaire sélectif des lombriciens
(Martin et al, 1991 ; Barois et al, 1993).
Dans les parois de galeries du niveau 2, niveau sans apport de boue, aucun enrichissement en
ETM n’est observé. Il n’y a donc pas de phénomène d’enrichissement des parois situées audessous
de l’apport de boue via l’activité lombricienne. Cependant, des études de terrains ont
montré une augmentation des teneurs en ETM dans les parois de galeries situées au dessous
53
de la zone d’incorporation de la boue (Tomlin, 1993; Sterckman et al, 2000).
concentration en mg/kg
0
10
20
30
40
50
Cuivre
0
10
20
30
40
50
concentration en mg/kg
concentration en mg/kg
0
20
40
60
70
Plomb
Sol
0
1
2
3
concentration en mg/kg
0
1
2
3
concentration en mg/kg
Cadmium
* * * * * *
* * *
*
* *
Figure IV.4 Teneurs totales en ETM dans le sol environnant, les parois de galeries et les turricules
de L.terrestris et N.giardi pour les modalités Témoin et Boue.
concentration en mg/kg
0
50
100
150
200
Zinc
0
50
100
150
200
concentration en mg/kg
Modalité Témoin
Cuivre
0
20
40
60
70
concentration en mg/kg
Plomb
Cadmium
Zinc
Modalité Boue
Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol environnant niveau 1 L.terrestris
N.giardi Sol environnant niveau 2
Sol environnant modalité Témoin
54
1.3 Discussion
Carbone et Azote
L’apport de boues contribue effectivement à une augmentation significative des teneurs
totales en C, N et ETM dans le sol. L’augmentation de ces paramètres est fonction de la
quantité de boue apportée.
Les teneurs en carbone et azote des biostructures sont 2 à 3 fois supérieures à celles du sol
environnant. Cet enrichissement en C et N des microsites, illustré par de nombreux auteurs
(Rafidison, 1982 ; Lee, 1985 ; Binet, 1993 ; Doube et al, 1994 ; Jégou, 1998), serait du à
l’ingestion préférentielle des particules organiques par le ver (Lee, 1985 ; Martin et al, 1991 ;
Chapuis-Lardy et al, 1998).
Les différences de comportement alimentaire et fouisseur entre L.terrestris et N.giardi se
traduisent par un enrichissement en C et N des turricules et parois de galeries plus important
pour L.terrestris que pour N.giardi. Les consommations de litière observées pendant la durée
de l’expérimentation témoignent de cette différence (Annexe1). Ainsi L.terrestris (anécique à
tendance épigé) a ingéré plus de litière que N.giardi, d’où une augmentation plus importante
des teneurs en C et N dans les turricules et les parois de galeries de cette espèce. Selon Jégou
et al, (2000), la structure du réseau de galeries formée par les deux espèces fait que la
distribution du carbone dans les galeries est différente. Le réseau de galerie formé par
N.giardi étant important et très ramifié, le carbone se trouve dilué au sein de ces structures.
Tandis que, pour L.terrestris dont le réseau est peu ramifié et permanant, l’enrichissement en
carbone se trouve plus localisé et donc plus important dans ces structures (figure IV. 5).
55
Nicodrilus giardi Lumbricus .terrestris
Figure IV.5 Reconstructions en 3 dimensions par tomographie du réseau de galeries
de Nicodrilus giardi et Lumbricus terrestris (Vue latérale)
(D’après Jégou, 1998)
Elément traces métalliques
Les teneurs en ETM dans les biostructures dépendent plus de l’élément considéré que de
l’espèce lombricienne et de la teneur en ETM du sol. Ainsi, les teneurs en Cu, Pb et Zn dans
les biostructures ne sont pas significativement différentes de celles du sol. Le cadmium a un
comportement plus original : ses teneurs diminuent dans les turricules et les parois de galeries
pour les deux modalités. Deux hypothèses peuvent être émises afin d’expliquer cette « nonconcentration
» du cadmium dans les biostructures :
1. Le cadmium serait fortement assimilé dans les tissus des lombriciens.
Des études réalisées sur l’accumulation des métaux dans les tissus des
lombriciens, montrent que les lombriciens accumulent le Cd plus que tout autre
métal (Ash et Lee, 1980 ; Ireland, 1983 ; Beyer et al, 1985 ; Abdul Rida, 1996).
Le cadmium ingéré peut se trouver fixé dans les tissus des lombriciens, et n’est
donc pas excrété dans les turricules. Dans le cadre de notre étude, le dosage de
métaux dans les tissus des lombriciens est en cours à l’INRA d’ARRAS.
2. Le cadmium ne serait pas associé aux particules de sol ingérées par le ver.
En effet, selon Helmke et al, (1979), si l’augmentation des teneurs en éléments
5 cm
2 individus
56
traces métalliques dans les déjections est corrélée à une augmentation des teneurs
de ces éléments dans le sol, cela signifierait que ces éléments sont associés à la
fraction de sol ingérée par le ver. Dans notre expérimentation, l’augmentation des
teneurs en Cu, Pb et Zn dans le sol est corrélé à celles observées dans les
biostructures : ce qui suggère que le cuivre, le plomb et le zinc sont associés à des
particules de sol ingérées par le ver. Le cadmium, à la différence, n’augmente que
légèrement dans les biostructures de la modalité boue : il ne serait donc pas
associé aux particules de sol ingérées par le ver.
Au cours de notre expérimentation, le choix alimentaire des lombriciens pouvait s’orienter
soit vers la MO du sol ou des boues, soit vers la litière déposée en surface. Les lombriciens
aient préférentiellement ingéré la litière déposée en surface, plutôt que la MO du sol ou des
boues. Cette litière étant peu chargée en éléments traces métalliques, elle ne peut contribuer à
l’augmentation des teneurs totales en ETM dans les biostructures. La séparation des turricules
en 2 lots, avant l’apport de litière et après l’apport de litière aurait peut être permis de mettre
en évidence une éventuelle accumulation des ETM dans les turricules. En effet, l’ingestion de
la MO du sol ou des boues à laquelle des éléments traces métalliques peuvent être associés se
serait peut être traduit par une augmentation des teneurs en ETM dans les biostructures.
Figure IV.6 Préférence alimentaire des lombriciens aux cours de notre expérimentation
Les teneurs totales en éléments traces métalliques dans les biostructures dépendent de deux
principaux facteurs que sont le comportement alimentaire des lombriciens et la spéciation des
éléments traces métalliques. Les lombriciens, pour se nourrir, sélectionnent les particules les
plus organiques du sol. Selon que les éléments traces métalliques sont associés ou non à ces
particules, ils vont se retrouver concentrés dans les biostructures.
Ver
Litière (non contaminée en ETM)
Ingestion
Sol
Particules de sol et ETM associées
Particules de sol non associées avec ETM
Litière et Sol
57
2. DISTRIBUTION CHIMIQUE DES ETM DANS LE SOL ET LES MICROSITES
D’ORIGINE LOMBRICIENNE
2.1 Distribution chimique des ETM dans le sol avec boue et sans boue
Les échantillons de sol sont soumis à des extractants de force croissante qui vont permettre de
déterminer la disponibilité de ces éléments. Une quantité très faible d’ETM se trouve sous
forme disponible et n’apparaît donc pas sur la figure IV.7, les teneurs en ETM étant situées en
dessous du seuil de détection de l’absorption atomique. Selon Kabata Pendias et Pendias,
(1992), en condition naturelle, seule une très faible fraction d’ETM se trouve sous forme
disponible dans les sols, la plupart des éléments se trouvant associés à la matrice. Deux types
de représentation sont utilisés pour illustrer la distribution des ETM : soit leur concentration
dans les différentes fractions (figure IV.7), soit le pourcentage représenté par la fraction
disponible par rapport à la teneur totale (figure IV..
Avant ou après l’ajout de boue, plus de 50% des ETM se trouve dans la fraction résiduelle,
c’est à dire inclus dans la matrice sol. Le cuivre fait exception puisque la fraction disponible,
après apport de boue, représente environ 80% du cuivre total.
La fraction potentiellement disponible des ETM augmente dans le sol après apport de boue,
comme l’ont montré plusieurs auteurs (Gerritse et al, 1982 ; Alloway et Jackson, 1991 ; Mc
Grath et al, 2000). Ce changement de disponibilité dépend directement de la concentration et
de la disponibilité de ces éléments dans la boue (Illera et al, 2000). Dans la boue que nous
avons utilisée, les métaux sont essentiellement sous forme liée et non disponible (Tableau
III.2). Cependant, l’apport de boues entraîne des réactions qui peuvent modifier la spéciation
des métaux dans le sol (Juste et al, 1995 ; Richards et al, 1998 ; Illera et al, 2000) et entraîner
une immobilisation ou une mobilité accrue de ces métaux.
58
Fraction résiduelle Fraction potentiellement disponible Fraction disponible
0
10
20
30
40
50
60
Témoin
Sol + boue
N1 N2
Plomb
Teneur en mg/kg
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Témoin
Sol + boue
N1 N2
Cadmium
Teneur en mg/kg
0
5
10
15
20
25
30
Témoin
Sol + boue
N1 N2
Cuivre
Teneur en mg/kg
0
40
80
120
160
Témoin
Sol + boue
N1 N2
Zinc
Teneur en mg/kg
Figure IV.7 Teneurs en ETM dans les fractions résiduelle, potentiellement disponible, disponible
du sol des modalités Témoin et Boue.
Figure IV.8 Représentation en % de la fraction potentiellement disponible
0
20
40
60
80 Cuivre
Disponibilité en %
Témoin
Sol + boue
N1 N2
*
0
20
40
60
80 Zinc
Disponibilité en %
Témoin
Sol + boue
N1 N2
*
0
20
40
60
80 Plomb
Disponibilité en % Témoin
Sol + boue
N1 N2
*
0
20
40
60
80 Cadmium
Disponibilité en %
Témoin
Sol + boue
N1 N2
*
59
Tableau IV.2 Distribution en % des ETM dans les fractions résiduelles et potentiellement
disponibles de la boue
Cuivre Plomb Cadmium Zinc
Fraction résiduelle 13,30 29,49 9,30 44,42
Fraction pot disponible 86,70 70,51 90,36 55,58
2.2 Distribution chimique des ETM dans les turricules et parois de galeries
Comme pour les teneurs totales, la disponibilité des ETM dans les biostructures est plus
fonction de l’élément que de l’espèce lombricienne et que de l’origine de l’élément (figures
IV.9 et IV.10).
Concernant, la disponibilité du cuivre, aucune différence significative n’est observée entre les
biostructures et le sol, et ceci quelle que soit la modalité (Témoin ou Boue) et l’espèce
lombricienne. La disponibilité du cuivre des parois de galeries est toujours similaire à celle du
sol environnant. Il n’ y aurait pas de modification de spéciation du cuivre dans les turricules et
parois de galeries (dans les limites du test d’extraction choisi).
La disponibilité du plomb augmente dans les biostructures des 2 espèces lombricienne quelle
que soit la modalité. Que le plomb provienne du fond géochimique ou des boues, sa
disponibilité augmente de manière similaire dans les turricules et parois de galeries. Cette
augmentation semble être plus importante dans les biostructures de la modalité Témoin
(augmentation toujours > 2), que pour la modalité Boue (augmentation comprise entre 1,4 et
2). Quelle que soit l’origine du plomb, une certaine fraction relativement constante de cet
élément se retrouve sous forme potentiellement disponible dans les galeries. Ce phénomène
peut trouver son explication dans la physiologie des vers. L.terrestris et N.giardi possèdent
des glandes calcifères par lesquelles ils excrètent du carbonate de calcium (Lee, 1985). Ce
processus d’excrétion aurait pour but de limiter la baisse de pH dans les parois de galeries :
baisse de pH dues aux activités microbiennes qui rejettent du H+ dans le milieu (Parkin et
Berry, 1999). Le plomb se retrouvant fixé sur ces carbonates se trouve englobé dans la
fraction potentiellement disponible. L’excrétion de carbonate de calcium constant d’une
modalité à l’autre pourrait expliquer que la disponibilité du plomb dans les biostructures soit
relativement constante : 70 à 80% dans les 2 modalités.
60
Quelle que soit la modalité (Témoin et Boue), la disponibilité du cadmium augmente dans les
turricules et parois de galeries des deux espèces lombriciennes. Dans le cas de la modalité
Témoin, les changements de disponibilité observés dans ces compartiments ne sont pas
toujours significatifs. Cette non significativité s’explique par le fait que les teneurs en
cadmium dans ces compartiments se situent en limite du seuil de détection de l’absorption
atomique. Ce qui implique une moins grande précision dans les mesures. Les concentrations
en cadmium étant plus importantes pour la modalité boue, les mesures sont alors plus
précises. 80 % du cadmium est sous forme disponible dans les turricules et parois de galeries
de L.terrestris, 60 à 70% dans les turricules et parois de galeries de N.giardi et 20 à 40%
respectivement pour le sol Témoin et le sol+ boue.
La disponibilité du zinc dans les biostructures varie selon son origine et/ou sa concentration
dans le sol. Dans la modalité Témoin, la disponibilité du zinc dans les biostructures est
similaire à celle du sol environnant ; par contre sa disponibilité augmente dans les
biostructures lors de l’apport de boue. Cette augmentation se limite aux turricules et parois de
galeries du niveau 1. La disponibilité du zinc dans les parois de galeries du niveau 2, niveau
sans boue, est similaire à celle du sol. Ce qui suggère effectivement que l’origine et/ou la
teneur en zinc dans le sol influe sur le changement de disponibilité de cet élément dans les
biostructures. L’utilisation de marqueur isotopique et de sol « naturellement » riche en zinc
permettraient de faire la différence entre l’augmentation des teneurs et l’origine de l’élément
dans les processus de redistribution chimique intervenant dans les parois de galeries de la
modalité Boue.
61
Teneur en mg/kg Teneur en mg/kg
Plomb
Teneur en mg/kg
Zinc
Teneur en mg/kg
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Cadmium
0
10
20
30 Cuivre
Teneur en mg/kg Teneur en mg/kg
0
10
20
30
40
50
60
Plomb
Teneur en mg/kg
0
40
80
120
160 Zinc Teneur en mg/kg
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Cadmium
0
10
20
30 Cuivre
0
10
20
30
40
50
60
0
40
80
120
160
Figure IV.9 Teneurs en ETM dans les fractions résiduelles, potentiellement disponibles et disponibles,
pour le sol environnant, les turricules et parois de galeries des modalités Témoin et Boue.
Modalité Témoin Modalité Boue
Fraction résiduelle Fraction potentiellement disponible Fraction disponible
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Lt Ng
Se1
Se2
Lt Ng
Lt Ng
Lt
Ng
Se1
Se2 Lt
Ng
Se1 Se2
Lt
Ng
Lt
Ng
Se1
Se2
Lt
Ng
62
0
20
40
60
80
100
Cuivre
Disponibilité en % Disponibilité en %
0
20
40
60
80
100
120
140
Cadmium
*
*
*
*
* *
Disponibilité en %
Plomb
0
20
40
60
80
100
* * * * * *
Disponibilité en %
0
20
40
60
80
100
Zinc
0
20
40
60
80
100
120
140
Cadmium
* *
*
* * *
Disponibilité en %
0
20
40
60
80
100 Cuivre
Disponibilité en %
0
20
40
60
80
100
Plomb * * * * * *
Disponibilité en %
0
20
40
60
80
100 Zinc
* * * *
*
Disponibilité en %
Modalité Témoin Modalité Boue
Figure IV.10 Représentation de la fraction potentiellement disponible en % dans
le sol environnant, les turricules et parois de galeries des modalités Témoin et Boue.
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol Pg2 Pg1 T Sol Pg2 Pg1 T
Sol environnant niveau 1 L.terrestris
N.giardi Sol environnant niveau 2
Sol environnant modalité Témoin
63
2.3 Discussion
De précédentes études (Hartenstein et al, 1980 ; Abdul Rida, 1996) ont montré que le rôle des
lombriciens dans la mise à disposition des ETM dans un sol pollué est très modeste.
Cependant, pour ces 2 cas cités, la durée de l’expérimentation, et la présence de plante sont
autant de paramètres qui peuvent modifier la perception de la remise à disposition des ETM.
Plus récemment, Delviegher et Verstraete (1997) ont mis en évidence une augmentation de
disponibilité du fer, du manganèse et du cuivre en présence de L.terrestris.
Les résultats obtenus dans le cadre de notre expérimentation montrent que des changements
de disponibilité des ETM peuvent être observés dans turricules et parois de galeries par
rapport au sol d’origine ; dans ce cas, il y a redistribution dans ces microsites. Ce changement
de disponibilité suggère un changement de spéciation des éléments traces dans ces structures.
Les microsites, issus des activités lombriciennes, possèdent des propriétés physiques,
chimiques et biologiques différentes de celle du sol (Brown, 1998). Ainsi, les turricules sont
plus riches en argile (Sharpley et Syers, 1976, Shipitalo et Protz, 1988, Chapuis-Lardy et al,
1998), en matière organique et en nutriments disponibles pour les plantes (Rafidison, 1982 ;
Lee, 1985 ; Binet, 1993 ; Jégou, 1998). L’activité des micro-organismes y est plus importante
(Brown, 1998). Les parois de galeries ont elles aussi des propriétés différentes du sol. Les
vers tapissent leur parois de déjections et mucus lors de leur passage successif (Sims et
Gerard, 1985 ; Jégou, 1998). Ces apports, de même qu’une aération plus importante,
favorisent le développement de la microflore pouvant entraîner un flush bactérien (Binet,
1993).
Tous ces processus chimiques, physiques et biologiques peuvent influer la spéciation
(McBride, 1989 ; Kabata-Pendias et Pendias, 1992 ; Bourrelier et Berthelin, 1998) et donc la
disponibilité des éléments traces métalliques dans les microsites. La redistribution d’un
élément au sein des différents constituants du sol va dépendre de la chimie de l’élément luimême
et de ses affinités pour les différents constituants du sol.
Le cuivre et le plomb ont une forte affinité pour la MO (Xian, 1989 ; Saha et al, 1991 ;
Martin et Bulock, 1994 ; Juste et al, 1995 ; Alva et al, 2000). Cependant, le comportement de
ces deux éléments dans les biostructures est différent : la disponibilité du plomb augmente
tandis que la disponibilité du cuivre ne varie pas. Il est donc probable que ces deux éléments
ne soient pas liés aux mêmes constituants ou au même type de MO. Le plomb a par exemple
une plus forte affinité pour les carbonates que le cuivre et pourrait être lié à ces constituants.
64
Par opposition au cuivre et au plomb, le cadmium a une faible affinité pour la MO
(Camobreco et al, 1996 ; Richards et al, 1998 ; Vulkan et al, 2002). Ainsi quelle que soit son
origine, géogène ou exogène, la disponibilité du cadmium augmente dans les biostructures (80
à 90 % du cadmium total se trouve sous forme potentiellement disponible dans les turricules
et parois de galeries). La mobilité du cadmium dépendrait largement des modifications de pH
(Halen, 1993 ; Alloway, 1995 ; Baize, 1997). Le pH des biostructures est généralement
différent de celui du sol. Il peut être plus élevé (Kang et al, 1994 ; Parkin et Berry, 1999) ou
plus bas (Bhandari et al, 1967 ; De Vleeschauwer et Lal, 1981 ; Henrot et Brussard, 1997) que
le pH du sol. Cependant, certaines espèces lombriciennes, dont L.terrestris et N.giardi,
excrètent du carbonate de calcium par leur glandes calcifères (Darwin, 1883, Lee, 1985)
augmentant ainsi le pH dans les galeries (Stehouwer et al, 1993 ; Parkin et Berry, 1999). Cette
augmentation de pH dans ces structures pourrait limiter le changement de disponibilité des
éléments traces métalliques dans les galeries. Il conviendrait de mesurer le pH de nos
échantillons, pour pouvoir conclure quant à cette hypothèse.
Le changement de disponibilité du zinc dans les biostructures dépend essentiellement de son
origine. La disponibilité du zinc dans les biostructures des modalités Témoin n’est pas
modifiée tandis qu’elle augmente avec l’ajout de boue : la disponibilité du zinc géogène ne
serait pas modifiée par l’action des lombriciens. En revanche, la disponibilité du zinc
d’origine exogène est modifiée dans les biostructures (Cf figures III.9 et III.10). Selon Baize
(1997), les ETM exogènes sont apportés sous des formes chimiques assez réactives et
entraînent de ce fait des risques environnementaux supérieurs aux ETM d’origine géogène.
Dans les sol amendés par des boues de station d’épuration, le zinc se distribue
majoritairement entre les fractions résiduelle et oxydables (c'est-à-dire, le zinc lié, complexé
par des composés organiques des sols) (Canet et al, 1997 ; Luo et Christie, 1998 ; Illera et al,
2000). Le fait que le zinc soit fixé sur des composants organiques préférentiellement ingérés
par le ver, peut donc aboutir à une redistribution du zinc dans ces structures.
Les activités lombriciennes modifient directement (réorganisation des liaisons organominérales
dans les turricules) ou indirectement (activité des micro-organismes) la
disponibilité des ETM dans les turricules et parois de galeries. Les lombriciens ne
modifient pas uniquement la disponibilité des ETM d’origine exogène mais également
les ETM du fond géochimique.
Afin de mieux comprendre ce changement de spéciation, un fractionnement granulo-
65
densimétrique a été réalisé sur les échantillons de la modalité Boue.
3. DISTRIBUTION PHYSIQUE DES ETM DANS LE SOL ET LES MICROSITES
D’ORIGINE LOMBRICIENNE
3.1 La granulométrie
3.1.1 La granulométrie des sols
La figure IV.11 présente la granulométrie du sol de la Bouzule avant et après apport de boue.
L’apport de boue modifie peu ou pas la granulométrie du sol. La proportion des fractions
fines tend à diminuer tandis que les fractions grossières augmentent significativement. La
granulométrie de la boue est essentiellement argilo-limoneuse (figure IV.12). Elle contient
également une faible proportion d’élément figuré qui ne peut expliquer en totalité
l’augmentation des fractions grossières dans le sol amendé. Suite à l’apport de boue des
agrégats ont pu se former, non détruits lors de l’agitation rotative, ils peuvent contribuer à
l’augmentation des fractions grossières. Cependant, il faut rappeler que le rapport boue/ sol
est de 0,016 : la faible quantité de boue apportée ne permet peut être pas d’observer un
changement significatif de distribution des particules avant et après épandage.
3.1.2 La granulométrie des biocompartiments
Le pourcentage de fractions fines et grossières diminue significativement dans les turricules
des deux espèces lombriciennes par rapport au sol environnant, tandis que le pourcentage de
matières organiques particulaires (MOP) augmente (figures IV.13 et 14). Dans les parois de
galeries, seul le pourcentage de fractions grossières diminue significativement.
Ces résultats sont en contradiction avec la bibliographie. De nombreux auteurs ont montré que
le pourcentage d’argile des turricules et parois de galeries est généralement supérieur à celui
du sol (Lee, 1985 ; Steehouwer, 1993 ; Kang et al, 1994). La granulométrie des turricules
reflète le comportement sélectif du ver vis à vis du sol qu’il ingère. Il en résulte généralement
une augmentation des argiles et des limons et une diminution des sable dans les turricules
(Lee, 1985 ; Kang et al, 1994 ; Chapuis-Lardy et al, 1998).
66
0
10
20
30
40
50
60
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
MOP
Répartition en %
Fractions µm
Figure IV.12 Granulométrie de la Boue
Figure IV.11 Granulométrie du sol de la modalité Témoin et Boue
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
MOP
Fractions µm
Répartition en %
Modalité Témoin
Modalité Boue
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
200-2000 100-200 50-100
MOP modalité Témoin
MOP modalité Boue *
*
67
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
0
2
4
6
8
200-2000 100-200 50-100
MOP
Répartition en %
Fractions µm
Figure IV.13 Granulométrie des turricules et parois de galeries de L. terrestris
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
0
2
4
6
8
200-2000 100-200 50-100
MOP
Fractions µm
Répartition en %
Figure IV.14 Granulométrie des turricules et parois de galeries de N. giardi
Sol Bouzule + Boue
MOP Sol Bouzule
Turricule
MOP Turricule MOP Parois de galeries
Parois de galeries
Sol environnant
MOP Sol environnant
Turricule
MOP Turricule MOP Parois de galeries
Parois de galeries
*
* *
*
*
* *
* * *
* *
*
68
La présence de litière en surface a probablement orientée le comportement alimentaire du ver.
Celle-ci constitue une ressource trophique appétante, car riche en azote (Abbot et Parker,
1981 ; Cortez et Hameed, 1988) et facilement disponible. Elle a probablement été préférée à
la matière organique du sol moins facilement assimilable. Lors d’une étude en microcosme
avec de la litière marqué au C-13, Jégou (1998) a montré que les vers n’avaient pas
sélectionné le C-organique du sol mais la litière, les turricules étant enrichis en C-13. La
granulométrie des turricules et des parois des galeries reflète cette préférence alimentaire.
Le pourcentage d’augmentation des MOP dans les turricules et parois de galeries de
L.terrestris est plus important que pour N.giardi. Ces différences entre les deux espèces
s’expliquent par leur comportement fouisseur différent. L.terrestris est une espèce anécique, à
tendance épigée quand la litière est présente en grande quantité (Bouché, 1972): il va donc
consommer essentiellement les débris végétaux restés en surface. N.giardi est une espèce
anécique à tendance géophage qui se nourrit de débris de litière en surface mais aussi de la
MOS. La consommation de la litière et l’observation du réseau de galeries traduisent
également les différences de comportement fouisseur des deux espèces. Ainsi, L.terrestris a
creusé peu de galeries et consommé 100% de la litière chaque semaine tandis que N.giardi a
creusé un important réseau et n’a consommé en moyenne que 60% de la litière apportée.
La granulométrie des turricules et des parois de galeries est conditionnée par le
comportement fouisseur du ver.
69
3.2 Bilan en % du C, N et ETM dans les fractions granulo-densimetriques
Avant toutes analyses de résultats concernant les teneurs en C, N et ETM dans les différentes
fractions granulo-densimétriques, nous devons nous assurer qu’aucun problème de perte ou de
contamination quelconque n’est intervenu durant le fractionnement. La somme des teneurs en
éléments dans les différentes fractions granulo-densimétriques d’un échantillon doit
correspondre à la teneur de l’élément dans l’échantillon global.
Les bilans sont calculés par la formule suivante:
[Concentration de l’élément X dans la fraction Z]* [% par rapport au sol total de la fraction
Z]
[Concentration totale de l’élément X]
Les bilans sont donnés en annexe (Annexe 2). Ces bilans sont globalement bons, et bouclent à
100% avec une marge d’erreur de +/- 10%. Dans certains cas des pertes d’éléments allant
jusqu'à 25% sont observées. Ces pertes sont ponctuelles et ne concernent pas le même
élément dans tous les cas. En revanche, un problème de contamination en plomb a été détecté.
Les résultats concernant le plomb devront donc être considérés avec précaution.
3.3 Distribution du carbone et de l’azote dans le sol et les microsites
3.3.1 Distribution du carbone et de l’azote dans les fractions granulo-densimétriques des
sols
Dans les 2 modalités, les concentrations les plus importantes en carbone et azote sont
observées dans les MOP et les fractions fines (0-2 et 2-20µm) (figure IV.15). C’est d’ailleurs
dans ces fractions que l’enrichissement en C, après apport de boue est le plus significatif.
Cependant, pour l’azote, les concentrations diminuent dans les MOP.
Sur cette même figure (figure IV.15) est représentée la distribution en %, par rapport au sol
total, du carbone et de l’azote dans les fractions granulo-densimétriques des sols après
pondération par la granulométrie. La fraction 0-2µm contient jusqu'à 50% du carbone et 60%
de l’azote total. Cette fraction constitue la principale fraction de stockage du carbone et de
l’azote. Bien que les concentrations en azote et carbone soient importantes dans les MOP, leur
importance en terme de stockage reste modeste : 10 à 15% du carbone et de l’azote total du
70
sol. L’apport de boue modifie très peu la distribution du carbone et de l’azote : cela entraîne
une distribution plus faible dans les MOP, sauf dans la fraction 100-200µm. Cependant
comme nous l’avons dit précédemment pour la granulométrie, la quantité de boues apportée
n’est pas suffisante pour observer un changement dans la distribution du carbone et de l’azote
(2% de la masse du sol)
0
20
40
60
80
100
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
100
200
300
400
Carbone
0
2
4
6
8
10
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
5
10
15
20
25
Azote
MOP
MOP
Fractions (µm) Fractions (µm)
Modalité Témoin Modalité Boue
Fractions denses Fractions denses
Figure IV.15 Concentration et distribution du carbone et de l’azote
dans les fractions granulo-densimétriques du sol des modalités Témoin et Boue (N1)
*
* *
Modalité Témoin Modalité Boue
Fractions (µm)
0
10
20
30
40
50
60
70
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
Azote
0
1
2
3
4
5
MOP
MOP
0
10
20
30
40
50
60
70
Fractions (µm)
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
0
2
4
6
MOP
MOP
Carbone
Concentration (g/kg)
Distribution (%)
Concentration MOP
Concentration MOP
3.3.2 Distribution du carbone et de l’azote dans les fractions granulo-densimétriques des
microsites
Les concentrations en C augmentent dans toutes les fractions granulo-densimétriques des
turricules et parois de galeries des deux espèces lombriciennes (figure IV.16). Les plus fortes
augmentations en carbone sont observées pour les MOP et les fractions fines (20-50 et 0-2
µm). Les concentrations en azote augmentent dans les fractions denses et diminuent dans les
71
fractions légères (MOP) (figure IV.16). L’augmentation des teneurs en carbone dans les MOP
est associée à une diminution des teneurs en azote par rapport au sol environnant. Le C/N
augmente donc dans les biostructures. L’augmentation du C/N observée pour la fraction 20-50
est due à l’apport de litière dont la fraction 20-50 est riche en C et N (Annexe 3)
Tableau IV.3 Evolution du C/N dans les fractions pour chaque compartiment étudié
Lumbricus terrestris Nicodrilus giardi
Fractions (µm) Sol Parois de galeries Turricules Parois de galeries Turricules
200-2000 24,71 71,05 60,03 25,98 51,66
100-200 18,82 33,43 20,18 17,04 18,24
50-100 12,74 26,61 16,49 9,23 13,03
20-50 14,59 39,73 48,65 19,16 30,15
2-20 10,41 13,49 17,85 9,37 12,59
0-2 8,23 8,87 9,19 7,28 8,52
200-2000 MOP 23,11 73,66 66,62 41,42 67,59
100-200 MOP 14,20 26,12 32,96 16,97 25,85
50-100 MOP 12,47 21,16 30,25 12,59 18,81
La distribution du carbone et de l’azote est modifiée dans les turricules et parois de galeries
par rapport au sol (figure IV16). Ainsi, la contribution des MOP dans le stockage du carbone
et de l’azote augmente de 300% à 500% dans les turricules et de 150 à 300 % dans les parois
des galeries, ces MOP devenant les principales fractions de stockage du carbone, au détriment
des fractions fines. Dans le sol, 10% du carbone est localisé dans les MOP, pour
respectivement 60% et 40% dans les turricules de L.terrestris et N.giardi. Pour le sol, 80% du
carbone total est localisé dans les fractions fines (0-2 et 2-20µm), pour seulement 30 à 62%
dans les microsites. La fraction 20-50 µm voit également sa contribution augmenter dans le
stockage du carbone.
72
Distribution (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
Fractions (µm)
MOP
Azote
Fractions (µm)
0
10
20
30
40
50
60
70
MOP
200-2000100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
Carbone
Sol environnant
Turricules L.terrestris
Parois de galeries L.terrestris
Turricules N.giardi
Parois de galeries N.giardi
MOP sol environnant
MOP Turricules L.terrestris
MOP Parois galeries L.terrestris
MOP Turricules N.giardi
MOP Parois de galeries N.giardi
Figure IV.16 Concentration et distribution du carbone et de l’azote dans les fractions granulo-densimétriques
du sol environnant, des parois des galeries et des turricules de L.terrestris et N.giardi
MOP
N concentration g/kg
MOP concentration g/kg
0
1
2
3
4
5
6
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Fractions (µm)
Azote
*
*
*
* *
*
*
Fractions (µm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
MOP
Carbone
*
*
*
*
*
*
*
*
* *
*
*
MOP concentration g/kg
C concentration g/kg
Concentration (g/kg)
Turricule L.terrestris
Galerie L.terrestris
Turricule N.giardi
Galerie N.giardi
Sol environnant
73
Cette redistribution du carbone dans les MOP est également observée pour l’azote.
Cependant, pour l’azote, les fractions fines (0-2µm et 2-20µm) restent les principales
fractions de stockage.
3.3.3 Discussion
En terme de concentration, les teneurs en carbone et azote augmentent dans les MOP et les
fractions fines. L’augmentation des teneurs en carbone des MOP est due à l’ingestion de
litière. Cette litière, non totalement décomposée lors du passage dans le tube digestif de ver
(Cortez et Hameed, 1988), vient enrichir en carbone les MOP des turricules et des parois de
galeries. Les teneurs en azote diminuent dans les MOP des biostructures par rapport au sol.
Selon Lee (1985), les lombriciens sont de grands consommateurs d’azote. La production de
protéine et de mucus nécessite une grande quantité d’azote d’où une consommation d’azote
importante afin de compenser ces « pertes ». Les lombriciens exploitent l’azote apporté par la
litière d’où une diminution des teneurs en azote dans les MOP des turricules et parois de
galeries par rapport au sol environnant.
L’augmentation des teneurs en carbone des fractions fines est liée aux différents processus
(comminution6, minéralisation) se déroulant dans les galeries et les turricules. Ces microsites
sont le lieu d’une intense activité microbienne (Parle, 1963 ; Svensson et al, 1986 ; Parkin et
Berry, 1994, 1999 ; Tiunov et Scheu, 1999) dans lesquels la dégradation de la MO est
importante (Scheu, 1987). La MO se distribue selon son degré de transformation (Andreux et
al, 1980 ; Balesdent et al, 1988). Le C/N traduit la transformation de la MO : le C/N des
fractions fines est plus faible que celui des fractions grossières (tableau III.3) ce qui traduit
une évolution de la MO (plus le C/N est bas, plus la MO est transformée). La matière
organique peu transformée est principalement localisée dans les fractions grossières, tandis
que les fractions fines contiennent un mélange de matière organique fraîche et de matière
organique transformée (Balesdent et al, 1988). Ainsi, les débris de litière peu décomposés
viennent enrichir les MOP des turricules et parois de galeries tandis que la MO transformée va
se distribuer dans les fractions fines. L’augmentation de concentration observée pour la
fraction 20-50 reflète la distribution granulométrique de la ressource trophique. Cette
6 Processus due aux multiples contractions musculaires qui vont conduire au broyage fin de différentes
substances.
74
observation traduit la faible capacité d’assimilation de la MO par les vers (Cortez et Hameed,
1988).
L’expression des résultats en terme de distribution permet d’identifier les compartiments de
stockage du carbone et de l’azote. La pondération de la concentration par la quantité de
fraction permet de définir la quantité d’élément dans cette fraction. Cette valeur rapportée à
toutes les fractions permet ainsi de voir quelle fraction renferme la plus grande quantité
d’élément, et ainsi d’identifier la ou les fractions de stockage. L’importance des MOP dans le
stockage du carbone et de l’azote dans les microsites d’origine lombricienne est mise en
évidence : la distribution du carbone et de l’azote dans les turricules et parois de galeries est
différente de celle du sol ; la contribution des fractions fines dans le stockage de ces deux
éléments diminuant au profit des MOP. Cette redistribution du carbone et de l’azote dans les
turricules et parois de galeries par rapport au sol est, comme pour la granulométrie, liée aux
préférences alimentaires des lombriciens.
Cette redistribution confirme également la différence de comportement fouisseur des 2
espèces. L’augmentation de la contribution des MOP est plus importante pour
L.terrestris que pour N.giardi, traduisant ainsi un régime alimentaire presque
exclusivement basé sur la litière pour L.terrestris.
3.4 Distribution des éléments traces métalliques dans le sol et les biocompartiments
3.4.1 Distribution des ETM dans les sols
La figure IV.17 présente les concentrations et la distribution des éléments traces métalliques
dans les fractions granulo-densimétriques du sol des modalités Témoin et Boue.
Les concentrations les plus importantes en éléments traces métalliques sont observées pour les
fractions grossières (dense et MOP) et pour les fractions fines 0-2µm.
Après apport de boues, les teneurs en éléments traces métalliques augmentent dans chaque
fraction. Cependant, les fractions les plus enrichies ne sont pas les mêmes selon l’élément
trace considéré. Ainsi, après apport de boue :
• les fractions les plus enrichies en Cu sont les MOP,
• les fractions les plus enrichies en Cd sont les fractions grossières (dense et MOP)
• Le Pb et Zn se répartissent de façon homogène dans les différentes fractions.
75
Concentration (mg/kg)
0
50
100
150
200
250
Plomb
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
*
*
*
*
0
10
20
30
40
50
60
Plomb
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
0
1
2
3
MOP
*
*
*
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
Cadmium * *
*
*
* *
*
* *
0
10
20
30
40
50
60
Cadmium
200-2000100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
0
1
2
3
MOP
*
*
0
10
20
30
40
50
60
200-2000 100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
Zinc
0
1
2
3
MOP
Fractions µm
0
100
200
300
400
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
Zinc
Fractions (µm)
*
*
*
*
*
*
*
* *
0
50
100
150
200
250
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
Cuivre * *
*
*
* *
0
10
20
30
40
50
60
200-2000100-200 50-100 20-50 2-20 0-2
Cuivre
0
1
2
3
MOP
*
Distribution (%)
Modalité Boue Modalité Témoin
Figure IV.17 Concentration et Distribution des ETM au sein des fractions granulo-densimétriques
du sol des modalités Témoin et Boue.
Modalité Témoin Modalité Boue
En terme de distribution (figure IV.17), les fractions fines (0-2, 2-20 µm) constituent, comme
76
pour le carbone et l’azote, le principal compartiment de stockage des ETM : 50 à 60% des
éléments traces métalliques sont localisés dans ces fractions fines. La fraction 200-2000µm
dense a une importance non négligeable puisqu’elle contient 10 à 20% des ETM totaux.
L’importance des MOP dans le stockage des ETM dans les sols est modeste et varie selon
l’élément considéré et est fonction de son affinité pour la MO. Le cuivre et le cadmium sont
les éléments les plus présents dans les MOP. L’affinité du cuivre pour la MO (Saha et al,
1991, Alva et al, 2000) peut expliquer sa présence dans les fractions légères. En revanche,
pour le cadmium dont l’affinité pour la MO est faible, nous ne pouvons conclure quant à
l’augmentation de sa présence dans les fractions légères.
L’apport de boue modifie la distribution des ETM. Il entraîne une diminution des ETM dans
la fraction 200-2000µm et une augmentation dans les fractions fines (2-20µm) et dans les
fractions 100-200 et 50-100µm des MOP. Cette distribution correspond à celle des boues.
Dans la boue, les éléments traces métalliques se distribuent entre les fractions fines et les
MOP (Annexe 4).
3.4.2 Distribution des ETM dans les biostructures
La figure IV.18 représente les concentrations en éléments traces métalliques dans les
différentes fractions granulo-densimétriques du sol, des turricules et parois de galeries des 2
espèces lombriciennes. Les concentrations se répartissent de la même façon que pour le sol :
les concentrations les plus importantes sont observées pour les fractions grossières (denses et
légères) et les fractions fines (0-2 µm).
Quel que soit le métal, les teneurs en ETM diminuent dans la fraction 200-2000 µm dense des
biostructures. Dans les autres fractions granulométriques denses, les teneurs en éléments
traces métalliques du sol et des biostructures ne sont pas significativement différentes, à
quelques exceptions près.
Les différences les plus pertinentes sont observées au niveau des MOP. Ainsi, les
concentrations en ETM diminuent dans la fraction 200-2000 µm légère quel que soit le métal
et l’espèce lombricienne. Les concentrations en éléments traces métalliques dans les autres
fractions des MOP (100-200 et 50-100 µm) varient selon l’espèce lombricienne et le métal :
(1) Dans la fraction 50-100µm, les teneurs en cuivre et plomb des turricules et parois de
galeries sont inférieures à celle du sol, tandis que les teneurs en cadmium et zinc sont
supérieures à celle du sol. (2) Les concentrations en éléments traces métalliques dans les MOP
de L.terrestris sont toujours inférieures à celle du sol. (3) Pour N.giardi, les concentrations en
plomb, zinc et cadmium sont supérieures à celle du sol dans la fraction 100-200µm.
77
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
50
100
150
200
250
200-2000 100-200 50-100
concentration mg/kg
Cuivre Cuivre
Fractions denses MOP
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
Plomb
concentration mg/kg
0
50
100
150
200
250
Plomb
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
concentration mg/kg
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
200-200 100-200 50 -100 20 -50 2-20 0-2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
concentration mg/kg
Cadmium Cadmium
200-2000 100-200 50-100
200-2000 100-200 50-100
200-2000 100-200 50-100
Sol environnant Turricules L.terrestris
Parois galeries L.terrestris
Turricules N.giardi
Parois de galeries N.giardi
Figure IV.18 Concentration en ETM dans les fractions granulo-densimétriques
du sol environnant, des parois de galeries et des turricules de L.terrestris et N.giardi.
Zinc Zinc
78
Répartition (%)
0
10
20
30
40
50
Cuivre
200-2000 100-200 50-100 20-50 2- 20 0-2
MOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
200-2000 100-200 50-100
Cuivre
0
10
20
30
40
50
60
Plomb
Répartition (%)
200-2000 100-200 50-100 20-50 2- 20 0-2
MOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
200-2000 100-200 50-100
Plomb
0
1
2
3
4
5
6
7
8
200-2000 100-200 50-100
Cadmium
Répartition (%)
0
10
20
30
40
50
Cadmium
Répartition (%)
200-2000 100-200 50-100 20-50 2- 20 0-2
MOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
200-2000 100-200 50-100
Zinc
Répartition (%)
0
10
20
30
40
50
60
Répartition (%)
Zinc
200-2000 100-200 50-100 20-50 2- 20 0-2
MOP
Répartition (%) Répartition (%)
Fractions denses MOP
Sol environnant
Turricules L.terrestris Parois de galeries L.terrestris
Turricules N.giardi Parois de galeries N.giardi
Fractions µm Fractions µm
Figure IV.19 Distribution des ETM dans les fractions granulo-densimétriques
du sol environnant, des parois et des turricules de galeries de L. terrestris et N. giardi
MOP
79
Comme pour le sol, les ETM sont principalement stockés dans les fractions fines (60%) et
dans les fractions grossières (10%). Cependant par rapport au sol, les ETM ont tendance à
diminuer dans ces fractions (figure IV.19).
Inversement, la contribution des MOP dans le stockage des ETM augmente dans les
biostructures par rapport au sol. Cette augmentation est due à l’importance des MOP dans la
granulométrie des turricules. Ainsi, dans les biostructures de L.terrestris et plus
particulièrement dans les turricules, la redistribution des ETM vers les MOP est la plus
importante en liaison avec la quantité de MOP qui est plus importante dans ces microsites de
L.terrestris.
3.4.3 Discussion
Bien que les teneurs totales en ETM n’augmentent pas dans les turricules et les parois de
galeries, les ETM sont redistribués au sein même de ces compartiments.
Les teneurs en éléments traces métalliques diminuent dans la fraction 200-2000 µm globale
(dense et légère) des turricules et parois de galeries par rapport au sol environnant, tandis
qu’elles tendent à augmenter dans les fractions fines (0-2 µm).
La diminution des concentrations en ETM dans la fraction 200-2000 µm des MOP peut
s’expliquer là aussi par les préférences alimentaires du ver. Les MOP des turricules sont
essentiellement constituées de débris végétaux issus de cette litière non contaminée entraînant
ainsi une dilution des concentrations en ETM dans ces MOP. Cependant, après pondération
des concentrations par la granulométrie, les MOP se révèlent être un des principaux
compartiments de stockage des ETM dans les biostructures. En effet, les MOP, bien que peu
chargées en ETM, représentent jusqu'à 50% de la granulométrie des turricules, donc par
rapport au sol, leur représentativité augmente considérablement Ainsi, dans les turricules, la
quantité d’ETM stockée dans les MOP augmente de 4 à 9% par rapport au sol pour
L.terrestris et de 2 à 4 % pour N.giardi. De plus, les MOP contiennent des groupes réactifs
capables de complexer les métaux (Harter et Naidu, 1995 ; Mackey et al, 1996). La
réorganisation des liaisons physico-chimiques et organo-minérales (Shipithalo et Protz, 1989)
se déroulant dans les microsites peut conduire à une redistribution des ETM dans ces
microsites.
80
3.5. Relation entre la distribution du carbone, de l’azote et des ETM dans les sols et les
biostructures
Les teneurs totales ainsi que la redistribution des ETM dans les biostructures dépend
directement du comportement alimentaire des vers. Le ver sélectionne généralement les
particules les plus fines (Barois et al, 1999) ainsi que les fragments organiques (Martin, 1991,
Lee, 1985). Dans le cadre de notre expérience, les choix alimentaires des lombriciens se sont
orientés vers la litière déposée en surface, plutôt que la MO du sol ou des boues.
Il résulte de ce comportement alimentaire une granulométrie particulière des turricules :
diminution de la teneur en argile et augmentation des MOP. Les parois de galeries étant
tapissées de déjections, de mucus et de matériel illuvial (Jeanson, 1964, Stehouwer et al,
1993), leur granulométrie est intermédiaire à celle du sol et des turricules.
De ce choix alimentaire va dépendre les teneurs totales en carbone, azote et ETM ainsi que
leur distribution physique au sein de ces microsites : les teneurs en carbone et azote
augmentent dans les turricules et parois de galeries par rapport au sol. La litière étant peu
chargée en ETM, les teneurs totales en ETM sont similaires à celles du sol, voire inférieures
pour le cadmium notamment.
L’enrichissement en carbone et azote des turricules et parois de galeries provient très
probablement du C et N- litière. Dans une étude réalisée en microcosme, Jégou (1998) a
également montré que les lombriciens ne sélectionne pas le C organique du sol mais le
carbone apporté par la litière, d’où un enrichissement en débris végétaux ou MOP des
turricules. Les MOP deviennent alors la principale fraction de stockage du carbone dans les
turricules (50% du carbone des turricules de L.terrestris est localisé dans les MOP). La
distribution du C et N va donc être modifiée dans les biostructures.
La redistribution des éléments traces métalliques dans les biostructures suit le même schéma
que la redistribution du carbone: une diminution dans les fractions fines (0-2µm) et dans la
fraction 200-2000µm dense et une augmentation dans les MOP. Cependant, la redistribution
des ETM n’a pas la même ampleur que la redistribution du carbone : la fraction < 2µm reste
dans les turricules et parois de galeries, la principale fraction de stockage des ETM.
L’importance de la fraction argileuse (0-2µm) dans la rétention des éléments traces
métalliques a été mise en évidence par de nombreux travaux (Ducaroir et Lamy, 1995 ;
Flores-Velez et al, 1996 ; Besnard et al, 2001). La forte réactivité des constituants minéraux et
des associations organo-minérales présents dans cette fraction (Essington et Mattigod, 1990)
contribuent à son importance dans le stockage des éléments traces. La diminution de
81
l’importance de cette fraction dans le stockage des ETM dans les turricules et parois de
galeries est due principalement à la diminution du taux d’argile dans ces structures. Il ne faut
cependant pas exclure la possibilité d’une redistribution liée aux diverses réactions physicochimiques
se déroulant dans ces microsites.
Comme pour le carbone, la distribution des ETM augmente dans les MOP, principalement
constituées de débris de litière. En fait, les MOP sont peu chargées en ETM mais leur
contribution (masse) dans les biostructures est telle qu’elles deviennent un compartiment
important dans le stockage des ETM.
Dans le cadre de notre expérience, la redistribution du carbone, de l’azote et des ETM
est plus liée au comportement alimentaire sélectif des lombriciens qu’à une
redistribution mettant en cause les réactions physico-chimiques se déroulant dans les
microsites.
4. COMPLEMENTARITE DES APPROCHES CHIMIQUES ET PHYSIQUES DE LA
DISTRIBUTION DES ETM
Deux approches complémentaires ont été utilisées afin de déterminer la distribution des ETM
dans le sol et les biostructures. L’approche chimique avait pour objectif de déterminer la
disponibilité des ETM et l’approche physique avait pour objectif de localiser les ETM dans
les différentes fractions granulo-densimétriques. La localisation des ETM dans ces différentes
fractions peut apporter des éléments de réponses quant aux changements de disponibilité des
ETM dans les biostructures. Dans le tableau IV.4 sont regroupés les principaux résultats
obtenus par les extractions chimiques et le fractionnement granulo-densimétrique.
Les principaux résultats obtenus pour les extractions chimiques sont :
! Une augmentation de la disponibilité du cadmium et du plomb dans les microsites
! Aucun changement de disponibilité du cuivre dans les microsites
! Une augmentation de la disponibilité du zinc dans les microsites de la modalité avec
boue.
Les changements de disponibilité observés dans les microsites suggèrent un changement de
spéciation des ETM dans ces microsites. Pour le cadmium et le plomb, ce changement de
spéciation va vers des formes plus labile quelle que soit la modalité. Pour le cuivre, aucune
modification de disponibilité n’est mise en évidence dans les microsites par rapport au sol
environnant. Ce non-changement ne veut pourtant automatiquement dire qu’il n’y a pas eu de
82
modification de spéciation de cet élément. Le changement de spéciation du cuivre n’est peut
être pas « visible » par le test d’extraction choisi. Dans le cas du plomb, du cuivre et du
cadmium, le changement de disponibilité observé dans les microsites va dans le même sens
(augmentation ou diminution), qu’il s’agisse de la modalité Témoin ou Boue. Ce changement
de disponibilité est lié au choix alimentaire du ver, en l’occurrence à l’ingestion de litière.
Aux vues de ces résultats, la redistribution des éléments traces métalliques dans les microsites
peut être qualifié de redistribution «trophique ». Ceci ne veut pas dire qu’une redistribution
liée aux modifications des paramètres physico-chimiques dans les turricules et parois de
galeries n’est pas intervenue. Cependant, cette redistribution que nous allons qualifié de
« physico-chimique » n’a pu être mise en évidence pour ces trois éléments
Contrairement au Pb, Cd et Cu, les changements de disponibilité du zinc dans les microsites
varient selon la modalité, suggérant ainsi une redistribution différente selon la nature du Zn :
géogène ou exogène. Sa disponibilité n’augmente pas dans les microsites de la modalité
Témoin, alors qu’elle augmente dans les microsites de la modalité Boue. Le paramètre variant
entre les deux modalités est la nature des ETM et donc leurs réactivités. Il semble donc que
les différentes réactions physico-chimiques se déroulant dans les turricules et parois de
galeries ne suffisent pas à augmenter la disponibilité du zinc issu du fond géochimique. En
revanche, la disponibilité du zinc apporté par la boue est modifiée dans les microsites. Ainsi,
la redistribution du zinc dans les microsites d’origine lombricienne n’est pas du uniquement à
un choix alimentaire sélectif mais également à des réactions physico-chimiques se déroulant
dans les microsites.
Le principal résultat obtenu pour le fractionnement granulo-densimétrique est :
! Une augmentation de la contribution des MOP dans le stockage des ETM.
Les changements de localisation des ETM dans les microsites (augmentation des MOP)
suggèrent un changement de spéciation de ces ETM. Ainsi, le cuivre dont la disponibilité
n’augmente pas dans les microsites est redistribué dans les MOP. Le changement de
spéciation du cuivre n’apparaît pas dans l’approche chimique, en revanche il apparaît dans le
cas du fractionnement granulo-densimétrique
.
32
Tableau IV.4 Synthèse des résultats de redistribution des éléments traces métalliques obtenus par les approches chimique et physique.
Se Boue
Se Témoin
Concentration
Cu Pb Cd Zn Cu Pb Cd Zn Cu Pb Cd Zn C C C
Pg
Se
Témoin
Boue
T
Se
Témoin
Boue
Disponibilité Distribution granulo
MOP MOP MOP MOP MOP
MOP MOP MOP MOP MOP
81
Nos résultats montrent une augmentation de la contribution des MOP dans le stockage des ETM
dans les microsites d’origine lombricienne ainsi qu’une augmentation de leur disponibilité. Ceci
tendrait à montrer que les ETM liés aux MOP sont plus faiblement liés que quand ils sont liés au
sol. En effet, les MOP constituent les formes les moins stables de la matière organique des sols
(Balesdent et al, 1988). Elles sont constituées de débris organiques possédant de nombreux
groupements fonctionnels réactifs relargant ainsi les ETM qui y sont fixés. L’augmentation de la
contribution des MOP dans le stockage des ETM qui va dans le sens d’une augmentation de la
disponibilité de ces éléments dans les microsites, tend à mettre en évidence des changements de
spéciation vers des formes plus labiles.
5. CONCLUSION
L’objectif de ce chapitre était de déterminer la redistribution des ETM entre et au sein du sol et
des biostructures.
Cette redistribution inter et intra compartiments des ETM a été largement conditionnée par la
présence de litière en surface de la colonne de sol. Celle-ci constituant une ressource trophique
facilement exploitable et appétante, est préférée à la matière organique du sol ou des boues. Cette
litière n’étant pas contaminée, les teneurs totales en ETM dans les turricules sont similaires à
celles du sol, voire inférieures pour le cadmium. Des teneurs similaires en Cu, Pb et Zn dans les
microsites et le sol suggèrent que les lombriciens ont ingéré de la litière mais aussi des particules
de sol contaminées. Selon Helmke et al (1979), l’augmentation des teneurs en ETM dans les
turricules corrélée à une augmentation des teneurs dans le sol, signifie que ces ETM sont associés
aux particules de sol ingérées par le ver. Ainsi, à la différence du Cd, le Cu, le Pb et le Zn sont
associés aux particules de sol ingérées par le ver.
La redistribution intra-compartiment est conditionnée par le comportement alimentaire sélectif
des lombriciens : les particules sélectionnées pouvant déterminer la disponibilité des ETM dans
les microsites. Ainsi, le choix alimentaire des lombriciens s’est focalisé sur
|
 Posté le: Dim Fév 19, 2006 11:24 pm
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