Je remercie chaleureusement le Docteur Françoise Persin (Institut Européen des Membranes de Montpellier) pour son aide en spéciation chimique des métaux et en électrochimie. L'étude de la spéciation chimique des métaux traces dans l'eau (Buffle, 1988) et de leur répartition en fractions particulaires, colloïdales et dissoutes (Duursma et Carroll, 1996) semble essentielle pour mieux comprendre les facteurs qui contrôlent leur transfert dans les écosystèmes et leur biodisponibilité pour les organismes aquatiques. organismes (Tessier et Turner, 1995).
Les métaux traces dans l’environnement
Généralités
Enfin, une approche pour mesurer la toxicité des métaux traces pour les organismes aquatiques sera présentée, à l'aide d'essais biologiques impliquant des micro-organismes. L'affinité d'un métal pour un ligand et les échanges avec d'autres métaux dans ce ligand sont fonction de la chimie de coordination du métal considéré (Stumm et Morgan, 1996.
Cas du cuivre
Les utilisateurs sont principalement l’industrie électrique puis le secteur de la construction, où l’utilisation de biocides à base de cuivre est globalement en diminution. Cependant, les concentrations atteignent régulièrement les seuils recommandés par l'USEPA pour la protection des écosystèmes aquatiques (9 µg/L pour une exposition chronique et 13 µg/L pour une exposition aiguë).
Le cuivre dans les eaux de ruissellement viticoles
Généralités sur les pesticides
Il s'agit des « produits phytopharmaceutiques » des professionnels, ou des « produits phytopharmaceutiques » et « produits antiparasitaires à usage agricole » des juristes. En revanche, la pollution diffuse d'origine agricole peut devenir la principale influence des hydrosystèmes dans certaines zones, notamment dans les régions de culture intensive.
Pollution diffuse des eaux de surface
Malgré un suivi encore hétérogène et insuffisant, des études récentes montrent que la présence de quantités excessives de pesticides dans l'eau est une réalité (IFEN, 1998). La contamination des eaux superficielles et souterraines par les pesticides a aujourd'hui un impact important sur les ressources en eau : la présence de pesticides, seule ou en combinaison avec d'autres causes, est à l'origine de près d'un quart des causes totales de non-conformité de l'eau potable.
Généralités sur le cuivre en tant que produit phytosanitaire de la vigne
Le cuivre est encore aujourd’hui largement utilisé pour le traitement des plantes contre les maladies cryptogamiques, notamment pour le traitement de la vigne contre le mildiou porcin. En revanche, le cuivre est aujourd’hui utilisé avec un groupe de produits phytosanitaires organiques pouvant interagir avec lui.
Toxicité des métaux traces pour les organismes aquatiques
Mais depuis peu, avec l'essor de la viticulture biologique, la limitation des produits utilisables (pas de fongicide de synthèse) conduit à n'utiliser que le cuivre comme protection phytosanitaire contre l'oïdium (bouillie bordelaise, oxychlorure de cuivre, carbonate de cuivre). La biodisponibilité des métaux est un concept clé pour comprendre la réponse biologique (ex : assimilation, bioaccumulation, toxicité) résultant de l'exposition aux métaux traces dans les milieux aquatiques.
Biodisponibilité des métaux dans les écosystèmes aquatiques
Le modèle de l’activité de l’ion libre
Cependant, la nature de la surface des organismes peut avoir une influence ; il ne s'agit pas d'une simple membrane, mais d'une structure plus complexe, telle que des couches S bactériennes (Sleytr et Beveridge, 1999 ; Sleytr et al., 1999) ou des pores de spores fongiques (Shoja et al., 1998). Cette approche a été développée pour la première fois pour les poissons avec le modèle d'interaction avec la surface des branchies (GSIM), généralisé sous le nom de modèle de ligand biotique (BLM). ) de Di Toro et al.
Les complexes lipophiles des métaux
C'est par exemple le cas des complexes du cuivre avec les 2-méthyl-8-quinolinols (Shoja et al., 1998), qui ont une géométrie planaire, ne sont pas polaires (charges égales aux opposés de l'axe de la molécule ) et n'a aucun effet fongicide. C'est par exemple le cas des complexes de cuivre avec des lipides naturels issus d'algues (Florence, 1982a ; Florence et al., 1983).
Spéciation des métaux en milieu aquatique
Complexation
Parmi les complexes inorganiques, les produits d’hydrolyse du cuivre (CuOH+, Cu(OH)2, Cu2(OH)2++) et les complexes avec l’ion carbonate basique (CuCO3, Cu(CO3)2--) dominent. La stabilité de ces complexes dépend de la nature de l'ion métallique et de l'énergie de liaison des groupes fonctionnels du ligand.
Précipitation
La matière organique présente dans les eaux naturelles est un ligand important pour les métaux, et en particulier pour le cuivre (Van der Berg et al., 1986). Dans les eaux à forte productivité biologique, il existe une multitude de ligands organiques provenant de sources indigènes ou immigrées, souvent sous forme colloïdale.
Adsorption
Pour évaluer la spéciation du cuivre dans l’environnement, il est souvent difficile de caractériser complètement les interactions entre les différentes molécules. Les méthodes disponibles permettent de mesurer ou de séparer uniquement certaines espèces ou fractions, définies en fonction de leur biodisponibilité attendue et de leur comportement.
Méthodes de spéciation des métaux dans les milieux aquatiques
Spéciation des formes dissoutes
L'électrode spécifique permet de mesurer directement l'activité de l'ion Me++ libre et de déterminer la capacité de complexation. De plus, les interférences avec d’autres ions peuvent être une source d’erreur importante, conduisant généralement à une surestimation de la concentration de l’ion étudié.
Spéciation des formes particulaires
Les schémas d'extraction séquentielle ont été progressivement complétés par différents auteurs et utilisent différents solvants d'extraction plus ou moins spécifiques à certaines fractions (Tableau 5). Et il est vrai aussi que les conditions physico-chimiques utilisées lors de l’extraction (réactifs forts et cinétique rapide) sont difficilement extrapolables aux conditions naturelles (réactifs faibles et cinétique lente).
Mesure de la toxicité des métaux traces pour les organismes aquatiques
Biotests sur des micro-organismes
Les activités enzymatiques in vivo sont donc des indicateurs de la capacité des micro-organismes à dégrader les contaminants. Les tests écotoxicologiques basés sur l'inhibition de la luminescence de la bactérie Vibrio fischeri sont standardisés (norme ISO 11348).
Site d’étude : le bassin versant expérimental de Roujan
Bilan des connaissances sur le bassin versant
L’eau « préexistante » de la nappe de dépression est une composante minoritaire du mélange en sortie. Le débit à la sortie du bassin versant hors période de crue (débit de base) correspond à la vidange de la table de dépression par les fossés.
Prélèvements
Dans un premier temps, une étude a été réalisée sur les risques de transfert vers les eaux de surface (principale source de pollution diffuse du milieu méditerranéen). Les caractéristiques climatiques, pédologiques et topographiques ne peuvent être prises en compte qu'en évaluant le risque de transfert de polluants sur la parcelle.
Détermination des caractéristiques des crues
Pratiques de laboratoire
Caractérisation physico-chimique
- Matières en Suspension (MES)
- Colloïdes
- Paramètres généraux : pH, conductivité, alcalinité
- Carbone Organique Dissous (COD)
- Cations
- Anions
- Métaux traces
- Extractions aqueuses et organiques des MES
Pour les expériences en milieu synthétique, les concentrations de ligands et de métaux ont été choisies après calcul de la spéciation chimique à l'équilibre dans les solutions avec MINEQL+ 3.01a (Schecher et McAvoy, 1994). Pour les échantillons collectés, le calcul de la spéciation chimique a été effectué uniquement sur la base des concentrations de ligands inorganiques et des métaux totaux dissous.
Biotests
Bactérie
Algue
L'inoculum est préparé en diluant adéquatement les algues dans le milieu de test pour obtenir une concentration cellulaire de 2,1.105 cellules/mL (pour le test chronique) ou 2,1.106 cellules/mL (pour le test aigu à 1 heure). Au moment du test, une solution mère est préparée en diluant 0,525 mL de solution mère dans 5 mL d'eau ultra pure et 10 µL de cette solution sont ajoutés dans chaque puits, après incubation.
Analyses statistiques
Validation des données
Quelle que soit l’activité surveillée, le pourcentage d’inhibition de l’activité des algues à une concentration toxique donnée est calculé selon l’équation 4.
Expression de la toxicité
Ensuite, une simulation bootstrap totalement non paramétrique estime les intervalles de confiance des paramètres, sur un certain nombre de simulations (500 est généralement un nombre suffisant). Les valeurs sont données avec un intervalle de confiance de 95%, évaluées sur la base de 500 simulations non paramétriques.
Corrélations et Analyses multivariées
La CE50 et la TE50 ont été calculées à partir d'au moins trois concentrations (ou temps) pour lesquelles l'effet observé Ic était compris entre 10 et 90. L'effet pour une dose (ou une durée) nulle et l'effet maximum ont été chargés à 0 et 100, respectivement, dans le modèle.
Effet des métaux sur des organismes aquatiques en conditions
Effet du cuivre sur l’algue Pseudokirchneriella subcapitata
- Quantification de la biomasse algale : validation d’une alternative au comptage cellulaire
- Comparaison de la toxicité du cuivre évaluée par les différents indicateurs d’effet
- Implications pour l’utilisation du biotest
Comparaison des effets sur la croissance, la fluorescence de la chlorophylle, l'activité estérase et l'intégrité de la membrane. Pour étudier les effets du cuivre, le test d’inhibition chronique de la croissance est le plus approprié.
Influence du milieu d’ajustement osmotique pour le biotest bactérien
- Toxicité du cuivre
- Toxicité du zinc
- Toxicité du cadmium
- Toxicité du plomb
- Conclusions
L'utilisation de NaNO3 a pour effet de réduire la sensibilité du test malgré des concentrations en ions libres plus élevées que dans le milieu NaCl (4% d'ions libres dans le milieu NaCl contre 20% dans le milieu NaNO3). Le calcul par MINEQL+ n'a pas permis de valider la toxicité de l'ion libre dans le milieu NaNO3 pour le zinc et le cadmium.
Biodisponibilité des complexes lipophiles des métaux
- Résultats
- Discussion
- Conclusion
Pour l'interprétation de la toxicité basée sur le calcul de la spéciation chimique, seules la concentration en ions libres, ainsi que les concentrations en complexes avec l'oxine et le DDC, ont été prises en compte. Les résultats obtenus indiquent la nécessité de relier la spéciation chimique des métaux à la toxicité (ex : présence de MeL2, influence de la force ionique et du pH).
Conclusions générales du chapitre
Caractéristiques Granulométrie Principaux éléments Contaminants courants Cu, Zn, As, Pb Type de cuivre Extractions séquentielles. Caractéristiques Principaux éléments Carbone organique Contaminants courants Cu, Zn, As Simazine, Diuron Spéciation du cuivre Calcul avec MINEQL+.
Étude des eaux de ruissellement de parcelles viticoles_______________ 95
MES et cuivre associé
- Répartition granulométrique des MES
- Éléments majeurs constitutifs des MES
- Métaux traces dans les MES
- Spéciation du cuivre dans les MES
- Toxicité des extraits des MES et implications pour l’exposition des écosystèmes
Les concentrations de métaux traces dans les SS de la parcelle sur sol carbonaté sont présentées sur la figure 30c-d. La fraction échangeable est peu présente, ni dans le MES, ni dans les sols de la parcelle aux sols carbonatés.
Éléments dissous
- Matrice des ions majeurs
- Utilisation de produits phytosanitaires pendant la période d'étude
- Concentrations moyennes en métaux traces et pesticides
- Dynamique des contaminants au cours d’une crue
- Spéciation du cuivre dissous
- Toxicité dans la fraction dissoute
La figure 37 montre, par exemple, la dynamique du cuivre et de l'arsenic dissous dans le ruissellement d'une parcelle de sol carbonisé lors de la crue du 16 avril 2000. Concentrations de cuivre dans le ruissellement d'une parcelle sur sol filtré (<1 µm) et carbonates ultracentrifugés (<20 nm) sont présentés dans la figure 39.
Conclusions générales du chapitre
Les résultats obtenus confirment que le cuivre utilisé en agriculture est fortement retenu sur les particules du sol. La corrélation de toxicité avec l'arsenic et les herbicides montre que ce type de produits phytosanitaires peut avoir un impact important sur les producteurs primaires.
Conclusions et perspectives ___________________________________ 129
Détection des complexes lipophiles dans l'environnement
L'utilisation de cartouches SPE-C18 pour la séparation des CLM n'a jusqu'à présent pas donné de résultats satisfaisants, comme nous l'avons observé lors d'une campagne préliminaire dans 5 rivières en Suisse et de plusieurs tests en écoulement d'eau. Un effort méthodologique et analytique reste donc à faire avant de pouvoir commenter plus précisément la présence de CLM dans l'environnement et leur origine (MON ou molécules d'origine anthropique).
Identification des mécanismes de biodisponibilité
Cuivre et produits phytosanitaires en viticulture
Development of a flow cytometry-based algal bioassay for assessing copper toxicity in natural waters. Effect of dissolved organic matter on copper toxicity to Ceriodaphnia dubia: Effect of complexation kinetics.
Prélèvements d’eaux de ruissellement effectués sur l’ensemble de la période d’étude
Caractéristiques de la pluie, du ruissellement et paramètres globaux de la fraction
Eléments majeurs dans la fraction dissoute du ruissellement à l’exutoire de la parcelle
Contaminants dans la fraction dissoute du ruissellement à l’exutoire de la parcelle à sol
Caractéristiques générales de la fraction particulaire du ruissellement à l’exutoire de la
Contaminants dans la fraction particulaire du ruissellement à l’exutoire de la parcelle
Caractéristiques des eaux de ruissellement de la parcelle à sol acide
Analyse en composantes principales à partir des analyses physico-chimiques des eaux
Annalyses détaillées des eaux de ruissellement d’avril à juin 2000 prélevés à l’exutoire
