Analyse et protection de l'environnement

Les contaminants présents dans l’air, l’eau potable, les eaux usées, les sols, doivent être contrôlés dans l’optique de la protection de l’environnement et de la santé publique. Parmi ces derniers, citons les anions et les cations inorganiques, les métaux lourds, les pesticides, les polluants organiques persistants, et les produits pharmaceutiques et de soins personnels.
INTRODUCTION

Chapitre 1 : Analyses physico-chimiques
Les analyses physico-chimiques font référence à toutes les actions de détermination d'une valeur (les paramètres physique et chimiques) sur un échantillon, qu'il s'agisse d'analyses, de mesures, d'observations, etc... faites en laboratoire ou sur le site de la station de mesure.

Comment surveiller la qualité de l’environnement ?
Évaluation des effets des pollutions sur les organismes vivants
Deux catégories d’indicateurs
Détection des polluants et quantifications dans les milieux physiques et biologiques : Chimie
a- Sur les individus
b-Sur les populations et/ou les communautés
Toxicologie
Ecotoxicologie

L’écologie : est l’étude des interactions entre les organismes vivants et le milieu, et des organismes vivants entre eux dans les conditions naturelles.
l’Environnement:est l’ensemble de caractères physiques, chimiques et biologiques susceptibles
d’avoir une action directe ou indirecte, immédiat ou à terme, sur les êtres vivants et sur les activités humaines.
Définition de l’écologie et de l’environnement

L’environnement
Les composantes environnementales
Eau Quantité, qualité, fiabilité, accessibilité
Sols Érosion, productivité agricole, salinité, concentrations nutritives
Flore Composition et densité de la végétation naturelle, productivité, espèces principales
Faune Population, habitat
Hygiène de l’environnement Vecteurs de maladies, agents pathogènes
Air Effluent gazeux, aérosols

L’impact environnemental
‘L’impact environnemental est l’ensemble de tous les facteurs qui perturbent l’environnement.
D’une façon générale, l’environnement est perçu sur les plans physique, chimique, biologique et Technologique.
Physique Rayonnement (magnétique, énergétique…)
Chaleur
Bruit
Chimique Substances chimiques (Médicament, pesticide, engrais, combustion…)
Biologiques: Modification génétique (OGM…)
Technologiques: Construction (barrage hydroélectrique etc…). Extraction massives de matières premières (Minerai, pétrole, gaz…).

Cours d’eau
Qualité du sol
Qualité de l’air
Altération de la qualité des eaux de surface: Variation de DCO, pH, température, MES, oxygène dissous, matières organiques, DBO et traces de substances toxiques (Pb, Hg, etc.), ainsi que bactéries et virus.
Altération de la qualité de l’air Variation de l’émission de particules (pollens, cendres, poussières, fibres, etc.). Degré de perception olfactive.
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Altération de la qualité du sol: structure, texture, composition chimique du sol
Faune terrestre Altération de la végétation Variation de la structure, de la densité terrestre et aquatique et de son habitat et de la composition des populations animales et végétales.
Flore terrestre Modification sur la faune, Variation du taux de croissance des flores et aquatique et son habitat reproduction. Variation de l’aire de reproduction. Variation du taux de la biomasse.
Altération de l’environnement
Conséquences

L’écotoxicologie: concerne les impacts de ces contaminants et leurs niveaux de pollution sur l’écosystème et la santé humaine.
Parmi les polluants qui doivent être analysés dans l’environnement, on peut citer les éléments physico-chimiques et biologiques , les métaux, les médicaments, les pesticides, les produits pharmaceutiques
L’analyse de l’environnementale comprend deux aspects complémentaires:
L’analyse de l’environnement fournit des informations concernant l’identification des polluants dans le milieu concerné, leurs propriétés physico-chimiques et biologiques, leurs niveaux de concentration… ;
L’analyse de l’environnementale

La protection de l'air ambiant et du climat;
La gestion des eaux usées;
La collecte et le traitement des déchets;
La protection du sol, des eaux souterraines et des eaux de surface;
La lutte contre le bruit;
La protection de la biodiversité et des paysages;
La protection contre les radiations;
Les activités de protection de l'environnement résultent pour l'essentiel de l'application des règles et normes environnementales.
La protection de l'environnement mesure l'effort financier que consacrent les différents agents à la prévention, la réduction ou la suppression des dégradations de l'environnement. Elle comprend les domaines suivants:
Protection de l'environnement

2- LES MATRICES ANALYSÉES
Echantillon = Une fraction de l’objet à analyser
Analyte(s) = Espèce(s) à doser
Solutés = Analytes dissous dans un échantillon liquide
Matrice = Reste des composés présents dans l’échantillon
Généralités sur l’analyse chimique: Vocabulaire
Solvant = matrice liquide
Matrice aqueuse = quand le solvant est de l’eau
Matrice organique = quand le solvant ou le milieu sont organiques (huile, feuille,..)

Organique/inorganique?
Organique = qui contient du carbone et de l’hydrogène (H-C)
Inorganique = le reste (N, S,…)
Minérale = qui ne contient pas de carbone
Mise en solution: Destruction de la matrice
Pour analyse élémentaire
Si échantillons totalement minéraux:
Mise en solution = dissolution de la matrice minérale
Si échantillons organiques ou mixtes:
Minéralisation = décomposition de la matière organique en matière minérale
Mise en solution (Les deux étapes se font simultanées ou pas).

L'EAU
ANALYSE ET QUALITE

Disponibilité mondiale des ressources en eau

F. Ramarde : « Qualité des eaux correspond à un ensemble de critères physico-chimiques qui définit leur degré de pureté et, en conséquence, leur aptitude aux divers usages alimentaires, domestiques, agricoles ou industriels ».

Définition
On appelle pollution de l’eau toute modification de la composition de l’eau ayant un caractère gênant ou nuisible pour les usages humains, la faune ou la flore.
Deux grandes formes de pollution :
les pollutions ponctuelles, souvent relativement immédiates, qui proviennent de sources bien identifiées (rejets domestiques ou industriels, effluents d’élevage...)
les pollutions diffuses, comme celles dues aux épandages de pesticides et d’engrais sur les terres agricoles.

Origine de la pollution
Pollution d’origine naturelle
Pollution d’origine anthropique
Notion d’équivalent habitant: unité théorique correspondant à la pollution produite par un individu en une journée. Actuellement 1 eqH correspond par jour à :
150 litres d'eau + 60g de matières organiques (DBO5) + 4g de phosphore + 15 g d'azote réduit + 90 g de matières en suspension

rejets industriels
plus au moins chargés en substances minérales, organiques ou toxiques dont la nature est suivant le type de l’industrie.
rejets agricoles
engrais: riche en azote et en phosphore, responsables de la pollution diffus des eaux et constituent les nutriments de l’eutrophisation .
Pesticides et produits vétérinaires : hautement toxique et ayant des effets sur les écosystèmes et la santé humaine et animale.

Analyse physico- chimique
Conductivité:
Mesurer par conductivimètre
Elle ne donnera pas forcément une idée sur la charge du milieu car les matières organiques et colloïdales n’ont que peu de conductivité.

La neutralité
Le pH constitue une mesure de la concentration en ions H+.
pH6
La valeur du pH conditionne les équilibres physicochimiques -> éléments toxiques:
ex : équilibre bicarbonate HCO3-<=> CO2
pH<6 bicarbonate => CO2 toxique si >100 mg/l.
ex: équilibre ammonium NH4+ <=> NH3 ammoniaque
Si pH>8 NH4+ => NH3 toxique pour poissons entre 0,2 et 2mg/l

Impact acidité de l’eau
Depuis début des années 1950, apparition pluie acide dans régions industrielles
Résulte pollution de l’air (dioxyde de soufre et oxydes d’azote)
dissolution gaz dans la vapeur d’eau de l’atmosphère puis oxydation en acides (notamment sulfurique et nitrique)
Acidification les précipitations.
Pluie acides sur végétation, sol, milieux aquatiques
Dans un premier temps, si présence de carbonates, H3O++ HCO3-=> CO2 + 2H2O neutralisation apport acide,

La turbidité
Caractérise la non transparence de l’ eau.

Impact sur la turbidité: Les matières en suspension(MES)
Turbidité de l’eau ⇒ impact sur pénétration de la lumière, donc sur photosynthèse.
MES: Ce sont des matières minérales (argiles) et des matières organiques (MO).
MES: Mesurée en mg/l ou g/l correspondent à la masse de matière recueillie par filtration ou centrifugation et séchage en étuve à 105°C.
La pollution domestique produit environ 70 g de M.E.S. par habitant et par jour.

Action des MES
Leur action est surtout mécaniques:
-Augmentent la turbidité de l'eau,  photosynthèse
-Si MES> 25mg/l risque de colmatage branchies poissons
-Modifient la nature des fonds, changeant la flore et la faune (faune et flore des fonds rocailleux disparaissent). MES colmatent interstice entre gravier, diffusion moindre de l’oxygène dans les fonds
-Elles peuvent adsorber à leur surface des polluants chimiques et des bactéries dont des pathogènes.

Azote
Azote (nitrate, nitrite, ammonium), : engrais, déjection animale, sortie station épuration.
Ammoniaque gazeux dissous résultent le plus souvent de la décomposition des matières organiques présentes dans les eaux usées (~35% de l'azote éliminé seulement)
Eau naturelle [NO3]< 10mg/l
Sources rejet : 2/3 agricole, 1/3 domestique, très faible part industrielle
Eau douce, [NO3]> 50 mg/l eau non potable .

Phosphore
Avant les années 1970, problèmes liés excès P dans l'eau peu connus en Europe.
Les phosphates utilisés en abondance dans les engrais ,les produits de lavage, car ils permettent de lutter contre le calcaire de l'eau et les particules de saleté.
Provoque des problèmes d'eutrophisation en eau douce,

Apport de matière organique
Matières organiques ou oxydables (MO) :
Elles constituent la nourriture principale des micro-organismes également consommateur de l'oxygene dissous dans l'eau.
excès de matière organique
Provoque une prolifération de microorganismes et une desoxygenation de l'eau qui peut être fatale à la vie aquatique.
Ce paramètre correspond a une moyenne pondérée de la demande biochimique en oxygène à 5 jours (DBO5) et de la demande chimique en oxygène(DCO).

Matière deversé dans l’eau=consommation d’oxygène
Teneur en oxygène exprimée en mg/l
Les poissons sont en danger si < 5-6 mg/l
La demande chimique en oxygène (DCO ) C’est la quantité d’oxygène (mg) consommée dans un litre d’eau par les matières oxydables sous l’action d’un oxydant chimique.

La demande biologique en oxygène (DBO)
c’est la quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation par voie biologique (microorganismes) des matières organiques présentes dans 1 litre d’eau .(20°C, obscurité pendant 5j, DBO5) (norme française T90-103)
(DBO5=0.684.DBOtotale)
Consommation proportionnelle à la quantité de MO biologiquement oxydable

Le rapport DCO/DBO5 donne une première estimation de la biodégradabilité de la matière organique d'un effluent donné ;
DCO/DBO5<2: MO est facilement biodégradable.
2
DCO/DBO5>3 : MO n'est pas biodégradable.

Devenir de la pollution
le rejet d’un polluant dans un milieu peut être suivi par
- des phénomènes de contamination (air <-> eau , eau <-> sédiment…)
-et de bioaccumulation (mercure, pesticide, DDT….)

C’est la quantité du carbone contenue dans les matières organiques dissoutes ou en suspension dans l’eau.
Elle permet de faciliter l’estimation de la demande en oxygène liée aux rejets et d’établir une corrélation avec la DBO et la DCO.
Détermination du carbone organique totale (COT)

Pollution par les nitrates :
Surconsommation d’engrais azotés
Déjections animales d’élevage Rejets urbains et industriels
lessivage des nappes phréatiques souterraines

Risques sanitaires des nitrates
1. Risques direct pour la santé : peu de risques graves
La méthémoglobinémie : danger pour bébés et femmes enceintes
1er : réduction NO3- NO2-
2ème : hémoglobine du sang méthémoglobine
problème respiratoire ( maladie du bébé ‘’bleu’’ )
Le cancer de l’estomac : pas de preuve mais ….
réduction NO3- NO2- + amines nitrosamines
(alimentaires ) (cancérogènes ?)
NO2-
bactéries

2. Risques indirects : l’eutrophisation
Eutrophisation : asphyxie des écosystèmes aquatiques par les algues.
Prolifération des :
algues par rejets d’engrais ( nitrates ) et lessives (phosphates)
bactéries aérobies (mangent les algues en décomposition)
consommation de l’oxygène du milieu
émanation de CH4, NH3 et H2S
toxines (produites par des micro algues )
risques pour les baigneurs et consommateurs de
crustacés
Dystrophisation : état extrême de l’eutrophisation
mort de l’écosystème aquatique

Cours d’eau eutrophisé
Impact ’’Eutrophisation des Eaux’’
Eutrophisation marine

Milieu oligotrophe
Concentration faible en éléments nutritifs
Milieu mésotrophe
Concentration moyenne en éléments nutritifs
Milieu eutrophe
Forte concentration en élément nutritif

Molécules eutrophisantes et origines
■ Molécules
■ Origines
Composés phosphore P
phosphates, polyphosphates
Composés azote N
ammoniaque, nitrates, nitrites
Composés carbone C
carbonates, molécules organiques
• Agriculture
engrais, épandages, lisiers
• Industrie
• Eaux usées urbaines
riches en azote et phosphore

excès de nutriments
N et P
prolifération d’algues
et phytoplancton
augmentation turbidité
diminution de lumière
mort et décomposition
de matière végétale
Processus de l’eutrophisation des eaux (1)

croissance de
bactéries
diminution
d’oxygène dissous
mort d’espèces
animales et végétales
production de
composés réducteurs
Processus de l’eutrophisation des eaux (2)

Effets néfastes de l’eutrophisation des eaux
• La prolifération de phytoplanctons et d'algues toxiques
• La diminution de la biodiversité animale et végétale
• L’envasement d’espaces aquatiques
• Le développement de pathogènes dans l’eau
• La dégradation des qualités organoleptiques de l’eau

Autoépuration
Phénomène naturel, spontané, grâce auquel une eau élimine une certaine charge de pollution organique sous l’action de micro-organismes.