Les processus d'épuration mis en jeu dans les zones humides naturelles

Les processus d'épuration de l'eau dans les zones humides naturelles (Source: [1])

Depuis les années 1950, la concentration en azote dans les eaux de surface et les eaux souterraines ne cesse d'augmenter du fait des rejets de l'activité humaine. Les sources de cette pollution sont diverses: les rejets industriels et urbains forment une source ponctuelle, tandis que les effluents agricoles sont à l'origine d'une pollution diffuse. En Europe, les différentes formes d'azote apportées par l'agriculture représentent 40 à 60% de l'azote circulant dans les hydrosystèmes. Parmi les différentes formes de l'azote, les nitrates sont celles qui posent le plus de problèmes. En effet, l'excès de nitrates contribue à l'eutrophisation des cours d'eau, qui a pour effet de dégrader la qualité de l'eau et de perturber les écosystèmes aquatiques.

Les zones humides sont des zones clés dans le cycle de l'azote au sein du bassin versant, car elles constituent un réceptacle des flux d'origine agricole (fertilisants azotés d'origine industrielle et organique). En effet, différents mécanismes biologiques de rétention et d'élimination de l'azote participent à la régulation des flux d'azote dans les zones humides. Nous expliquerons ces mécanismes et préciserons les facteurs qui les contrôlent.

Le transfert de l'azote dans le bassin versant

Les capacités de régulation des flux d'azote dans une zone humide varient en fonction du type d'alimentation en eau et du type d'apport en azote.
Les zones humides bordant les cours d'eau, appelées aussi ripisylves ou forêt alluviales sont considérées comme des zones de transfert et de rétention. Il est démontré qu'elles contribuent à la régulation de la pollution azotée. En amont du bassin, la majeure partie des apports d'eau entrant dans une ripisylve provient de son bassin versant adjacent, tandis qu'en aval elle provient du cours d'eau lors des débordements de crues.

Le cycle de l'azote

Les sols des zones humides subissent des engorgements plus ou moins temporaires qui font varier leur oxygénation. La teneur en oxygène influence fortement les conditions d'oxydoréduction qui contrôlent le cycle de l'azote. En effet, l'azote est présent dans les zones humides sous trois formes principales qui sont l'ammonium (NH4+), les nitrates (NO3-) et l'azote organique. L'activité des microorganismes qui catalysent la transformation de l'azote d'une forme à l'autre dépend des conditions d'oxydoréduction du milieu.

Ammonification et nitrification : Dans les sols présentant des conditions aérobies, l'azote organique peut être minéralisé sous forme de nitrates par les processus successifs d'ammonification et de nitrification. Ces transformations sont catalysées par des enzymes variées qui peuvent fonctionner, soit à l'intérieur des cellules des micro-organismes, soit directement dans la solution du sol. Les bactéries autotrophes du groupe Nitrosomonas et Nitrobacter sont responsables des réactions de nitrification. Ce sont des bactéries aérobies strictes, elles ne sont actives qu'en présence d'oxygène libre dans les sols. Par contre, l'ammonification est possible même en conditions anaérobies. Dans les sols engorgés, l'eau ralentit la diffusion de l'oxygène. La demande biologique en oxygène devient alors rapidement supérieure au stock disponible, créant des conditions anaérobies.

Dénitrification : Les nitrates formés dans les zones aérobies (en surface ou dans des microsites) peuvent alors diffuser vers les zones anaérobies, où ils seront dénitrifiés. La dénitrification est réalisée par plusieurs groupes de bactéries hétérotrophes du genre Pseudomonas, Bacillus, Nitrosomonas... Ces bactéries sont aérobies facultatives. En effet, elles peuvent survivre en présence ou en absence d'oxygène libre, puisqu'elles sont capables de respirer en utilisant l'oxygène ou les nitrates. Lors de cette respiration, les nitrates sont réduits par une série de réactions qui aboutissent à la formation d'azote moléculaire gazeux (N2), en passant par des intermédiaires dissous (nitrites NO2-) et gazeux (oxyde nitreux NO, protoxyde d'azote N2O).

Dissimilation : Dans des conditions très réductrices, les nitrates peuvent être transformés en ammonium par les bactéries du genre Geobacter et Desulfovibrio. Ce processus s'appelle la réduction dissimilative.

Fixation : Il existe dans les zones humides des organismes libres dans le sol ou associés aux racines (symbiontes) qui peuvent fixer l'azote. L'azote introduit dans le milieu par fixation retournera au sol sous forme organique pour y subir les réactions de transformations que l'on vient de décrire dans cette partie. Ces réactions sont récapitulées sur la figure 1.

Figure 1. Cycle de l'azote dans le sol d'une zone humide (extrait de [1]).


La rétention et l'élimination de l'azote

Deux processus majeurs interviennent dans la rétention et l'élimination de l'azote : l'absorption par les végétaux et les micro-organismes d'une part, et la dénitrification d'autre part.

Les zones humides sont traversées par des flux d'azote et de matière organique qui permettent à ces milieux d'avoir une forte productivité. En effet, l'azote est un nutriment essentiel à la croissance des plantes qui l'absorbent sous forme minérale et le stockent sous forme organique. Cependant, l'absorption ne permet qu'une rétention transitoire de l'azote qui retournera au milieu par les exsudats racinaires et par la décomposition de la matière végétale.

La dénitrification est le seul processus qui permette une élimination définitive de l'azote dans une zone humide, étant donné que l'azote dissous sous forme de nitrate est « évacué » sous forme d'azote moléculaire gazeux. Les conditions anaérobies du sol, la présence de carbone facilement minéralisable, la présence de nitrates et la température sont les principaux paramètres qui influencent la dénitrification, lorsque l'on se place à l'échelle de la bactérie.

La dénitrification est possible même en anaérobiose partielle mais pour de faibles concentrations d'oxygène de l'ordre de 0,2 à 2 mg par litre.
La plupart des bactéries dénitrifiantes sont hétérotrophes, elles utilisent le carbone pour source d'énergie. La présence de carbone organique est donc un facteur limitant de la dénitrification.
La dénitrification est une réaction de transformation des nitrates, elle ne peut avoir lieu qu'en présence de ce substrat. Cependant, tous les scientifiques ne s'accordent pas sur la relation entre la vitesse de réaction et la concentration en nitrates. Pour certains il n' y a pas de relation, pour d'autres il y a une relation de type michaëlienne. Les enzymes qui présentent une cinétique michaëlienne ont une vitesse de réaction fortement dépendante de la concentration en nitrates dans une gamme de faibles concentrations, et faiblement dépendante pour les fortes concentrations.
La température influe sur la cinétique des réactions enzymatiques, elle joue donc un rôle important sur le contrôle de la dénitrification. Bien que l'effet de la température est très variable d'une zone humide à l'autre, on observe que les taux de dénitrification sont multipliés par 2 ou 3 lorsqu'on augmente la température de 10°C [2].

Les processus d'absorption et de dénitrification sont plus ou moins actifs selon le moment de l'année. En effet, les pics d'activité dénitrifiantes s'observent pendant les périodes hivernales, où les débordements sont plus fréquents et permettent d'engorger les sols. L'absorption par les plantes est minimale en hiver et devient maximale à la fin du printemps et début d'été, où les sols sont séchés et donc peu favorables à la dénitrification. Toutefois, la végétation a une influence directe sur la dénitrification puisqu'elle sert de source de carbone assimilable pour les bactéries dénitrifiantes par les exsudats et la litière qu'elle produit. Cet apport de carbone par les racines nous amène à définir la zone de dénitrification comme le volume dans les limites duquel le carbone assimilable peut diffuser.

Références:

[1] : Eliane Fustec, Jean-Claude Lefeuvre et coll., 2000, Fonctions et valeurs des zones humides, éditions DUNOB.
[2] Dimitri Peyrard, Mai 2008, Un modèle hydrobiogéochimique pour décrire les échanges entre l'eau de surface et la zone hyporhéique des grandes plaines alluviales, Université Toulouse III - Paul Sabatier.

 

(revenir en haut de la page)

 


 

Rôle des zones humides naturelles dans l'épuration Exemples