Menaces sur les systèmes aquatiques
Menaces sur les systèmes aquatiques.
Quand la recherche fondamentale s’en mêle.
Les systèmes aquatiques sont vitaux pour la vie quotidienne des hommes. En effet, notre santé et un grand nombre de nos activités sont directement reliés à l’état des systèmes aquatiques. Force est de constater, qu’à l’échelle de la planète, ces derniers sont de plus en plus fortement altérés et menacés par les activités économiques et la démographie en perpétuelle augmentation. Récemment dans la province du Hunan, au sud-est de la Chine, plus de 500 personnes ont été contaminées par des rejets accidentels de Cadmium dans le fleuve Xiangjiang qui approvisionne en eau potable 6 millions d’habitants de Changsha, la capitale provinciale. Les changements climatiques n’épargneront pas, non plus, les systèmes aquatiques. En effet, on peut s’attendre à ce que le réchauffement des eaux nuise à leur qualité et qu’en conséquence on soit amené à faire appel à de nouvelles techniques de potabilisation de plus en plus sophistiquées. La dégradation des systèmes aquatiques touche également la Suisse puisque l’Office Fédéral de l’Environnement propose désormais des exigences plus sévères concernant les micropolluants pour une meilleure protection des ressources en eau potable.
Dans les systèmes aquatiques, l’accumulation, la circulation, le transport et la toxicité des polluants, introduits par les activités humaines, sont encore mal compris en raison de la grande complexité et hétérogénéité de ces milieux. En effet, l’eau n’est pas la seule composante importante de ces milieux et la matière naturelle que l’on retrouve en suspension dans ces milieux y joue un grand rôle. Une partie de cette matière naturelle est constituée de colloïdes qui participent aux échanges multiples et permanents dans les systèmes aquatiques. Ces colloïdes sont constitués de particules inorganiques (argiles, silice, oxydes de fer,…), de matières organiques (polysaccharides, biopolymères,…) et de composés supramoléculaires (acides fulviques) pour ne citer que les plus importants.
Ces colloïdes participent à l’équilibre des systèmes aquatiques, subissent et font subir, au gré des conditions physico-chimiques de ces milieux (comme le pH, la force ionique, le potentiel redox), des processus de transformation et dégradation. Ils peuvent également s’agréger les uns aux autres pour former des assemblages complexes qui sont ensuite éliminés de la colonne d’eau par la sédimentation. De plus, en raison de leur grande surface spécifique, les colloïdes ont une très forte capacité d’adsorber à leur surface les molécules «dissoutes» comme les polluants. Ainsi, ces processus conditionnent le transport et la mobilité des polluants, et peuvent en modifier leur réactivité. Connaître le fonctionnement et la dynamique de ces colloïdes est donc primordial pour pouvoir comprendre l’évolution des systèmes aquatiques et mieux les protéger.
Les travaux de recherche fondamentale notamment du groupe de physico-chimie de l’environnement à l’Institut F-A. Forel visent à identifier et à comprendre les processus physico-chimiques qui gouvernent la circulation des polluants et le comportement des colloïdes dans les milieux aquatiques. Cette recherche s’appuie à la fois sur la modélisation numérique et sur des études en laboratoire et se situe à l’interface entre la chimie de l’environnement, la chimie des polymères et colloïdes, la chimie analytique, et la chimie computationnelle. Elle intègre également de nombreux aspects physiques et mathématiques en matière de recherche sur les processus d’agrégation, de sédimentation et de description d’assemblages complexes à travers la notion de structures fractales par exemple.
A titre d’exemple, nous avons étudié en détails le comportement de nanoparticules de fer en présence de composés fulviques (colloïdes naturels). Les nanoparticules de fer manufacturées font partie de cette classe de nouveaux polluants émergeants, et très préoccupants pour la santé humaine1. La production en masse de nanoparticules manufacturées pour le développement des nanotechnologies est désormais en route et on connaît assez mal leur impact possible sur les systèmes aquatiques.
La toxicité de ces nanoparticules (en rouge) est directement liée, dans notre exemple, à la quantité de composés fulviques (en jaune) qui sont adsorbés à la surface de ces dernières. La quantité de composés fulviques adsorbés et la nature de l’interface conditionnent ainsi la réactivité des nanoparticules. Dans un de nos articles2, nous avons directement pu évaluer cette quantité là en fonction de différentes conditions physico-chimiques. Nous montrons clairement que la quantité de composés fulviques et la nature de la couche d’adsorption sont directement liés à la force ionique de la solution Ci (mol.L-1), ce qui permet d’établir des hypothèses quant à la toxicité de ces nanoparticules.
S. Stoll
1. Nanoparticules, risques pour l’homme et l’environnement, D. Palomino, Gas Wasser Abwasser, 12 (2009), 979-990.
2. Modeling the Adsorption and Coagulation of Fulvic Acids on Colloids by Brownian Dynamics Simulations, Seijo M., Ulrich S., Filella M., Buffle J., and Stoll S., Environmental Science and Technology (2009), 7265-7269.