Pollution des sols et qualité des eaux et des récoltes - INRS Centre ...
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Ecole Nationale Supérieure d ’Agronomie <strong>et</strong> <strong>des</strong> Industries Alimentaires<br />
Institut National<br />
Polytechnique<br />
de Lorraine<br />
Institut National<br />
de la<br />
Recherche Agronomique<br />
<strong>Pollution</strong> <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
<strong>et</strong> qualité <strong>des</strong> <strong>eaux</strong> <strong>et</strong> <strong>des</strong> récoltes<br />
Jean Louis MOREL<br />
Laboratoire Sols <strong>et</strong> Environnement<br />
INPL / INRA<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Plan de la présentation<br />
1. Introduction<br />
2. Nature <strong>des</strong> polluants dans les <strong>sols</strong><br />
3. Devenir <strong>des</strong> polluants<br />
4. Sols urbains <strong>et</strong> industriels<br />
5. Phytoremédiation<br />
6. Conclusion<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
1. Introduction<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
• Biologiques<br />
Fonctions <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
– réservoir de biodiversité<br />
– support : humains,…, racines<br />
• Alimentaires<br />
– réservoir d’éléments nutritifs<br />
– production de biomasse<br />
• Filtre <strong>et</strong> échange<br />
– avec l’atmosphère : régulation <strong>des</strong> flux de C<br />
– avec l’eau : système épurateur<br />
– avec les organismes : nutrition minérale<br />
• Mémoire<br />
– préservation de l’héritage culturel<br />
– histoire <strong>des</strong> pollutions<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Menaces sur les <strong>sols</strong><br />
• Altération physique<br />
– érosion<br />
– compaction<br />
– perte de matière organique<br />
– scellement, excavation<br />
• Altération chimique<br />
– acidification<br />
– salinisation<br />
– contamination (organique, inorganique)<br />
• Conséquences<br />
Oldeman, L.R., R.T.A. Hakkeling, and W.G. Sombroek. 1990.<br />
World Map of the Status of Human-Induced Soil Degradation.<br />
– fonctions altérées<br />
– risques pour la sécurité alimentaire (<strong>eaux</strong>, aliments)<br />
– pertes irréversibles : sol = ressource non renouvelable<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Erosion<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
La qualité <strong>des</strong> <strong>sols</strong> :<br />
une préoccupation récente<br />
« Nous plaçons désormais la protection <strong>des</strong><br />
<strong>sols</strong> au même plan que l’épuration de l’air<br />
<strong>et</strong> de nos ressources en eau »<br />
Margot Walström<br />
Commissaire européenne chargée de l’environnement<br />
le 19 avril 2002<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
2. Nature <strong>des</strong> polluants<br />
dans les <strong>sols</strong><br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Nature <strong>des</strong> polluants <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
• Activités agricoles<br />
– pestici<strong>des</strong>, phosphore, azote,<br />
• Activités urbaines <strong>et</strong> industrielles<br />
– polluants organiques<br />
• Hydrocarbures pétroliers<br />
– supercarburant, gasoil, kérozène, white spirit<br />
• HAP, BTEX, PCB, Solvants halogénés<br />
• autres ...<br />
– éléments en traces<br />
• Métaux : Cu, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn - Cd, Hg, Pb...<br />
• Non métaux : B, Se - As...<br />
• Radionucléi<strong>des</strong> : Am, Cs, Nb, Ni, Np, Pu, Sr, Tc, U, Zr...<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Les 10 principaux polluants<br />
<strong>des</strong> <strong>sols</strong> industriels seuls ou en mélange<br />
• Hydrocarbures 38.45 %<br />
• H.A.P 15.93 %<br />
• Pb 15.90 %<br />
• Zn 10.20 %<br />
• Solvants halogénés 12.93 %<br />
• Cr 13.48 %<br />
• Cu 12.46 %<br />
• As 10.51 %<br />
• Ni 8.78 %<br />
• Cd 5.70 %<br />
(Source : Basol, 2004)<br />
Plus de 1 500 000 sites suspectés s contaminés s en Europe<br />
(15 pays - ESTC, 1998)<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Rej<strong>et</strong>s de plomb <strong>et</strong> cadmium<br />
par voie industrielle<br />
Pb<br />
Cd<br />
(Puskaric, 1995 in Rapport n°42<br />
Académie <strong>des</strong> Sciences, 1998)<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Viticulture <strong>et</strong> contamination<br />
<strong>des</strong> <strong>sols</strong> par le cuivre<br />
• 850 000 ha<br />
• bouillie bordelaise (CuSO 4 + Ca(OH) 2 )<br />
• 6 traitements en moyenne<br />
• jusqu’à 500 mg Cu kg -1<br />
(valeur limite 100)<br />
Localisation de la culture de la vigne
Epandages répétés<br />
d’<strong>eaux</strong> usées urbaines<br />
en zone maraîchère<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
3. Devenir <strong>des</strong> polluants<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Devenir <strong>des</strong> polluants dans les <strong>sols</strong> cultivés<br />
<strong>Pollution</strong><br />
Volatilisation<br />
Restitutions<br />
Animaux<br />
Minéralisation<br />
Érosion<br />
Absorption<br />
DISPONIBILITÉ<br />
Sorption<br />
Dégradation biotique<br />
<strong>et</strong> abiotique<br />
Lixiviation<br />
Transport colloïdal<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Contamination <strong>des</strong> <strong>eaux</strong><br />
par les pestici<strong>des</strong><br />
Volumes<br />
drainés<br />
(m3)<br />
1500<br />
Sol limoneux<br />
0,8<br />
1500<br />
Sol argileux<br />
Résidus<br />
(µg/l)<br />
1,5<br />
• Atrazine <strong>et</strong> métabolites<br />
• Isoproturon<br />
• Rétention <strong>et</strong> libération lente<br />
0,6<br />
1000<br />
0,4<br />
1000<br />
1<br />
400<br />
Pluviométrie (mm)<br />
Concentration en résidus (µg/l)<br />
10<br />
500<br />
0<br />
3<br />
)<br />
500<br />
0,2<br />
0<br />
0<br />
4 5 6 7<br />
nombre d'années après le traitement<br />
3<br />
)<br />
4 5 6 7<br />
0,5<br />
0<br />
300<br />
200<br />
Isoproturon<br />
Atrazine<br />
7,5<br />
5<br />
Volumes drainés (m 3 )<br />
Atrazine<br />
100<br />
2,5<br />
Dé-éthylatrazine<br />
Dé-isopropylatrazine<br />
Ensemble <strong>des</strong> résidus<br />
(Schiavon <strong>et</strong> al., 2000)<br />
0<br />
4<br />
8<br />
15<br />
19<br />
27<br />
39<br />
43<br />
47<br />
66<br />
83<br />
97<br />
Mai 95<br />
130<br />
169<br />
191<br />
215<br />
229<br />
235<br />
256<br />
305<br />
319<br />
347<br />
358<br />
440<br />
484<br />
518<br />
528<br />
578<br />
599<br />
609<br />
617<br />
760<br />
793<br />
820<br />
865<br />
877<br />
1036<br />
1053<br />
1087<br />
Mai 96 Mai 97<br />
Jours après traitement<br />
1131<br />
0<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Transfert sol - plante du cadmium<br />
mg Cd kg -1 matière sèche<br />
10<br />
Raygrass<br />
5<br />
C M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7<br />
Concentrations croissantes de métaux dans le sol (Cd, Cu, Ni, Zn)
Réponse de différentes espèces végétales au Cd dans le sol<br />
Pois<br />
Ray grass<br />
Blé<br />
Chou<br />
Maïs<br />
Laitue var 1<br />
Laitue var 2<br />
concentration dans les feuilles<br />
Epinard<br />
Tomate<br />
Laitue var 3<br />
Tabac<br />
Thlaspi caerulescens<br />
0 5<br />
10 15 20 mg/kg<br />
2 000 mg/kg<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Réponse <strong>des</strong> plantes<br />
aux concentrations croissantes de métaux dans les <strong>sols</strong><br />
Plante<br />
Hyperaccumulation<br />
Accumulation<br />
Indication<br />
Exclusion<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Sol<br />
(d’après Baker, 1981)
4. Sols urbains <strong>et</strong> industriels<br />
cultivés<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Jardins Des : apports intrants massifs souvent mal de contrôlés matériaux divers<br />
fumier<br />
cendres
L’influence Proximité <strong>des</strong> voies voies de communication<br />
de circulation
Fonderie de plomb<br />
… <strong>et</strong> <strong>des</strong> activités<br />
industrielles<br />
L’influence<br />
industrielle<br />
sur les <strong>sols</strong> de jardins<br />
<strong>et</strong> de maraîchage<br />
Sidérurgie<br />
Mine de chrome
Changements d’usage <strong>des</strong> <strong>sols</strong> en milieu urbain<br />
conséquences sur leur composition <strong>et</strong> évolution<br />
Expansion<br />
urbaine<br />
Cité<br />
<strong>sols</strong> scellés<br />
Élimination<br />
<strong>des</strong> déch<strong>et</strong>s<br />
Techno<strong>sols</strong><br />
Zones potentiellement contaminées<br />
par d’anciens dépôts de déch<strong>et</strong>s<br />
ou d’activités industrielles<br />
= nouvelles zones résidentielles<br />
ou de production horticole<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Gradient d’anthropisation <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
Forêt<br />
Parcelle<br />
agricole<br />
Zone<br />
maraîch<br />
chère<br />
Milieu<br />
urbain<br />
Friche<br />
industrielle<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Exemples de TECHNOSOLS :<br />
Friches industrielles requalifiées<br />
Terre exogène<br />
dépôts<br />
successifs<br />
Crassier<br />
sol naturel<br />
initial<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Exemples de<br />
Techno<strong>sols</strong><br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Technosol urbain :<br />
profil de distribution <strong>des</strong> métaux lourds<br />
mg.kg-1<br />
0 250 500 750 1000<br />
remblais contemporain<br />
20<br />
remblais ancien 1<br />
remblais ancien 2<br />
horizon cultivé enterré<br />
horizon d’accumulation<br />
alluvions de la Meurthe<br />
175<br />
198<br />
215<br />
294<br />
725<br />
Cd<br />
Cu<br />
Cr<br />
Hg<br />
Ni<br />
Pb<br />
Zn<br />
profondeur (cm)<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Technosol<br />
sur ancien site sidérurgique<br />
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000<br />
0<br />
mg kg -1c<br />
50<br />
100<br />
Jardins potagers<br />
sur d’anciennes friches<br />
150<br />
Ancien crassier recouvert par de la « terre végétale »<br />
200<br />
cm<br />
Zn<br />
Ni<br />
Pb<br />
Cd<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Cu<br />
Diagramme de fréquence<br />
<strong>des</strong> teneurs en métaux<br />
de <strong>sols</strong> de jardins (n=233)<br />
<strong>et</strong> <strong>sols</strong> agricoles (n=185)<br />
(F<strong>et</strong>zer <strong>et</strong> al., 1998)<br />
concentration (mg kg -1 )<br />
40<br />
40<br />
35<br />
30<br />
Pb<br />
35<br />
30<br />
Zn<br />
25<br />
25<br />
20<br />
20<br />
15<br />
15<br />
10<br />
10<br />
5<br />
5<br />
0<br />
0<br />
concentration (mg kg -1 )<br />
concentration (mg kḡ 1 )<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
(Schwartz <strong>et</strong> al., 1995)
Teneurs moyennes <strong>des</strong> métaux<br />
dans les <strong>sols</strong> de jardins<br />
105 <strong>sols</strong> de jardins<br />
Moselle - Est<br />
Moyenne<br />
Minimum<br />
Maximum<br />
Cd Cu Ni Pb Zn<br />
1,0 27 19 59 138<br />
0,2 4 4 1 37<br />
5,3 181 56 340 518<br />
18000 <strong>sols</strong> agricoles<br />
Allemagne (Crößman <strong>et</strong> al. , 1992)<br />
Moyenne<br />
Cd Cu Ni Pb Zn<br />
0,4 15 15 36 67<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
(Schwartz, 1993)
Teneurs en métaux de laitues cultivées<br />
sur <strong>des</strong> <strong>sols</strong> de jardins<br />
mg kg -1 matière sèche<br />
Cd<br />
Cu<br />
Zn<br />
moyenne<br />
0,04<br />
0,6<br />
3,1<br />
minimum<br />
0,01<br />
0,4<br />
1,3<br />
maximum<br />
0,33<br />
3,7<br />
7,2<br />
Valeur limite (Allemagne)<br />
0,10<br />
5,0<br />
15,0<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Prélèvement <strong>des</strong> 16 HAP-EPA<br />
par <strong>des</strong> plantes maraîchères cultivées<br />
sur <strong>des</strong> terres d’anciennes usines à gaz<br />
Teneur en 16 HAP US-EPA (mg kg -1 MS)<br />
3,0<br />
2,5<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
b<br />
b<br />
b<br />
a<br />
Feuilles de<br />
laitues<br />
a<br />
NS<br />
Tubercules<br />
épluchés<br />
4 mg HAP/kg TS<br />
53 mg HAP/kg TS<br />
172 mg HAP/kg TS<br />
1263 mg HAP/kg TS<br />
2536 mg HAP/kg TS<br />
b<br />
b b<br />
ab<br />
Carottes<br />
épluchées<br />
a<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec (Fismes <strong>et</strong> al., 2000)
Phytoremédiation<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
(Phyto)Volatilisation<br />
Actions <strong>des</strong> plantes<br />
sur les polluants<br />
<strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
Séquestration<br />
Dégradation<br />
(Phyto)Extraction<br />
(Phyto) Stabilisation<br />
CO 2<br />
Eau<br />
+<br />
Solutés<br />
O 2<br />
CO 2<br />
Exsudats<br />
(Phyto)Dégradation<br />
Eff<strong>et</strong> Rhizosphère<br />
Les échanges sol XVII - racine<br />
èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Phytoextraction<br />
• Utiliser <strong>des</strong> plantes pour extraire<br />
les métaux <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
– Plantes accumulatrices<br />
à forte production de biomasse (Brassica juncea)<br />
– Plantes hyperaccumulatrices<br />
(Thlaspi caerulescens, Alyssum murale)<br />
• Ingénierie agronomique au secours <strong>des</strong><br />
<strong>sols</strong> pollués (urbains <strong>et</strong> industriels)<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
(Lombi, 2002)<br />
Lombi, 2001
Psychotria douareii (Nouvelle Calédonie)<br />
> 3%Ni<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Photo J.L. Morel
• Berkeya codii<br />
• Afrique du Sud<br />
• Hyperaccumulateur<br />
de nickel (>1%)<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Photo C. Schwartz
Alyssum murale (>3% Ni)<br />
pourtour méditerranéen<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Photo R. Reeves
Thlaspi caerulescens (Europe)<br />
(> 1% Zn MS; > 0,3% Cd; Ni; Pb…)<br />
Photo : C. Schwartz<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Hyperaccumulateurs de Cd en France<br />
(Schwartz, 1997; Shallari <strong>et</strong> al., 1998; Reeves <strong>et</strong> al., 2001)<br />
Cd<br />
4000 3000 2000 1000<br />
(mg kg -1 MS foliaire)<br />
0<br />
A1<br />
A2<br />
B1<br />
B2<br />
B3<br />
B4<br />
B5<br />
C1<br />
C2<br />
C3<br />
D1<br />
D2<br />
E1<br />
E2<br />
F1<br />
G1<br />
G2<br />
G3<br />
G4<br />
H1<br />
H2<br />
I1<br />
I2<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Phytoextraction du Zn in situ<br />
(site naturel)<br />
Zn (g ha -1 )<br />
11000<br />
10000<br />
9000<br />
8000<br />
7000<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
10 kg Zn ha -1 Schwartz <strong>et</strong> al., 1999<br />
I II III IV<br />
SOL : 8 530 6 600<br />
sector<br />
3 880 3 230 mg Zn kg -1<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Armeria maritima<br />
Arabidopsis halleri<br />
Arrhenaterum elatius<br />
others
Architecture racinaire<br />
spécifique<br />
racines de<br />
T. caerulescens<br />
en fonction<br />
de la localisation<br />
du Zn<br />
(Schwartz <strong>et</strong> al., 1999)
Epuisement du compartiment<br />
biodisponible du Cd du sol<br />
(Gérard <strong>et</strong> al., 2000; Schwartz <strong>et</strong> al., 2003; Sirguey, 2004; Massoura <strong>et</strong> al.,<br />
2004)<br />
Non accumulateur<br />
<br />
Hyperaccumulateur<br />
pool non phytodisponible<br />
pools disponibles<br />
Renouvellement <br />
compartiment réduit par la phytoextraction<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
De la curiosité botanique<br />
à l’extracteur industriel de métaux<br />
• 19 ème siècle : identification d’une flore spécifique aux<br />
milieux métallifères<br />
• années 30 : découverte <strong>des</strong> propriétés d’accumulation<br />
– Alyssum bertolinii, Thlaspi caerulescens<br />
• 1976 : dénomination « Hyperaccumulateurs »<br />
• années 80 : utilisation pour traiter les <strong>sols</strong> pollués <br />
• années 90 :<br />
– « phytoextraction » : 1 ères applications commerciales (Etats Unis)<br />
– développement <strong>des</strong> recherches (Etats Unis, Europe)<br />
• années 2000 :<br />
– transfert technologique « fondé » scientifiquement<br />
– interactions développement - recherche<br />
– combler les (nombreuses) lacunes<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
Phytoextraction : avantages <strong>et</strong> limites<br />
• Avantages<br />
– technologie prom<strong>et</strong>teuse générée par l’énergie solaire<br />
– extensive sans altération de la fertilité du sol<br />
– coûts réduits ; acceptation sociale<br />
• Limites<br />
– questions non résolues pour la domestication d’espèces végétales<br />
<strong>et</strong> le développement de la filière<br />
• semences (sélection, production), itinéraires techniques, gestion de<br />
la biomasse, eff<strong>et</strong>s écotoxicologiques, machinisme, grande échelle,<br />
aspects économiques…<br />
– transfert technologique<br />
• application d’une technologie sans fondements scientifiques soli<strong>des</strong><br />
– échecs de startups aux Etats Unis<br />
– déception de clients potentiels<br />
– discrédit au niveau <strong>des</strong> grands groupes<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
12 laboratoires de Lorraine<br />
Dynamique <strong>des</strong> pollutions<br />
Technologies de traitement<br />
(ex : phytoremédiation)<br />
Site atelier<br />
Parcelles expérimentales<br />
équipées<br />
Ancienne cokerie<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec<br />
Station lysimétrique<br />
(en construction)<br />
http://www.gisfi.prd.fr
Conclusion<br />
• Sol : ressource limitée non renouvelable<br />
• <strong>Pollution</strong> <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
– ancienne, généralisée, complexe, variable<br />
– contamination <strong>des</strong> <strong>eaux</strong> <strong>et</strong> <strong>des</strong> récoltes<br />
– danger sous-estimé dans les zones peuplées<br />
• Gestion <strong>des</strong> <strong>sols</strong> pollués<br />
– nécessité de conserver les fonctions <strong>des</strong> <strong>sols</strong><br />
• marché jeune <strong>et</strong> prom<strong>et</strong>teur<br />
• besoins d’innovation<br />
– promotion de la prévention<br />
XVII èmes Entr<strong>et</strong>iens Jacques Cartier - Québec
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