Que faire face à des sols pollués par des métaux ?

L'immobilisation in situ des métaux sur des sites pollués, au moyen d'amendements ajoutés aux sols, a été proposée comme une méthode alternative de réhabilitation séduisante et bon marché. Ces amendements favorisent les processus géochimiques tels que précipitation, sorption, échange d'ions et réactions d'oxydo-réduction, d'où il résulte une réduction de la mobilité et de la biodisponibilité des métaux. En conséquence les aliments et les fourrages peuvent être cultivés avec plus de sécurité, ou bien, sur des sites encore plus fortement pollués, une couverture végétale peut se développer, qui stabilise le sol, empêchant l'érosion aérienne ou hydrique et réduisant le lessivage des métaux vers la nappe phréatique. L'immobilisation in situ n'implique pas la dépollution du site car la teneur totale du métal demeure inchangée, mais la fraction biodisponible est diminuée. D'un point de vue écotoxicologique et de santé alimentaire, c'est la principale préoccupation. C'est donc une technique d'avenir, raisonnablement faisable, encore faut-il être certain de la durabilité de l'effet obtenu.

Source - © - F. van Oort

Figure 1. Fosse pédologique dans une parcelle fortement polluée de la plaine de Pierrelaye (Val d'Oise)

Dans la plaine de Pierrelaye (Val d’Oise), des eaux usées de l’agglomération parisienne ont été épandues pendant un siècle sur des terrains sableux destinés au maraichage (van Oort et al., 2013 [ref10]). En conséquence, les sols ont été pollués par de multiples métaux (Cd, Hg, Pb, Zn, etc.) et par des substances organiques. Noter la couleur anormalement noire de l’épais horizon de surface sableux ; dans les sols voisins non pollués, cet horizon est gris très clair.

Étant donné les risques d’absorption des métaux par les récoltes, les productions maraichères ont été interdites (1999 et 2000), puis le maïs et le blé. Aujourd’hui on y implante une forêt d’agrément.

C'est pourquoi de nombreuses études ont testé les effets de différents produits et sous-produits : e.g. scories phosphatées, magnétite, maghémite, hématite, birnessite^[5], oxyde de manganèse hydraté, grenaille d'acier, béringite^[6], silicates de sodium, cendres volantes cycloniques^[7]… On notera que le chaulage (amendement calcique) est également une technique d'immobilisation in situ, mais efficace seulement quand les sols sont initialement franchement acides.

Ce sont des techniques de traitement des sols pollués utilisant les plantes et leurs interactions avec les micro-organismes du sol. Pour ce qui concerne les métaux, on distingue phytostabilisation, phytovolatilisation et phytoextraction. Ces techniques présentent peu d'inconvénients mais elles sont lentes à donner des résultats et il est difficile de traiter de vastes superficies. Selon la nature des polluants, elles ne sont pas toutes applicables. Aucune ne fait disparaitre la pollution elle-même ; elles en atténuent seulement les plus graves effets.

Phytostabilisation. Recours à des plantes supérieures vasculaires pour réduire la mobilité et la diffusion dans l'environnement des polluants contenus dans un sol, que ce soit sous forme de poussières entrainées par le vent, d'ions ou de particules lessivés par l'eau. La phytostabilisation ne vise pas l'élimination de la pollution, mais la fixation du polluant, évitant ainsi la recontamination de l'environnement autour des sites pollués. C'est une technique récente et seuls quelques essais en plein champ, ou en conditions s'en rapprochant, sont rapportés dans la littérature.

Phytovolatilisation. Certaines plantes extraient du sol les métaux volatils (par exemple le mercure et le sélénium) puis ces éléments absorbés sont transportés vers les parties aériennes où ils sont volatilisés.

Phytoextraction. Processus employé pour la décontamination des sols, qui utilise des végétaux afin d'extraire et d'accumuler les métaux potentiellement polluants dans les parties récoltables de plantes sélectionnées pour leur capacité de tolérance aux polluants et leur potentiel d'extraction et d'accumulation (plantes hyperaccumulatrices - par ex. Arabidopsis halleri, Brassica juncea, Alyssum lesbiacum, Noccaea caerulescens^[8].

La plante accède à la fraction la plus mobile des métaux du sol, appauvrit notablement cette fraction et par conséquent réduit les risques de transfert des éléments toxiques vers les cibles sensibles, organismes vivants et eaux. La phytoextraction est souvent présentée par les journalistes comme une panacée pleine d'avenir, mais on oublie trop souvent les problèmes posés par cette technique. En ce qui concerne les éléments en traces, c'est d'abord la lenteur du processus. Il faudrait pouvoir générer beaucoup de biomasse enrichie en métaux, or les plantes les plus “extractrices” sont toutes petites ; il faut les cultiver seules ou en association avec une plante plus rémunératrice (par ex. le maïs). Dans les deux cas, il faut trouver des graines en quantités suffisantes et savoir mener la culture jusqu'à la récolte. En outre, on n'agit que sur de petites surfaces. L'objectif est de faire baisser la quantité du métal présent sous une forme facilement biodisponible et non pas d'abaisser sensiblement les teneurs totales. Mais, à moyen terme, des formes chimiques non biodisponibles initialement ne vont-elles pas le devenir ? La "spéciation"^[9] des métaux n'est évidemment pas figée définitivement…

On est confronté à un choix contradictoire concernant la spéciation des polluants si l'on veut, pour des raisons économiques évidentes, combiner plantes alimentaires et hyperaccumulatrices. Pour cultiver des plantes alimentaires, il faut chercher à diminuer les quantités des formes phytodisponibles des métaux polluants pour en limiter la présence dans l'alimentation. Au contraire, pour favoriser la phytoextraction par des végétaux hyperaccumulateurs, il faut chercher à accroitre la quantité des formes phytodisponibles de ces polluants pour accélérer leur extraction.

En Campine, région du Nord-Est de la Belgique, le sol a été contaminé sur plus de 280 km² par des éléments traces métalliques suite à l'activité de quatre zingueries. Sur environ 70 km², le sol présentait des teneurs en cadmium supérieures à 3 mg/kg. L'un de ces sites à proximité d'anciennes fonderies de zinc est devenue une zone nue, quasi-désertique, où la végétation naturelle a disparu sur plus de 135 ha. À l'origine, ce site faisait partie d'un paysage de landes dominées par une végétation de callunes et de bouleaux, développées sur des sols pauvres, assez acides, sableux, typiques de la région.

À Maatheide, une fonderie a fonctionné depuis 1904. Le zinc était produit par un procédé pyrométallurgique, caractérisé par de très fortes émissions vers l'atmosphère de zinc et d'autres métaux associés tels que le plomb, le cuivre, le cadmium. Des déchets solides, tels que des scories métalliques et des cendres, furent également stockés sur le site. En 1974, l'usine fut fermée et démolie. Pendant ce temps, une zone sans végétation s'était développée autour des installations. Le site fut nivelé et laissé à l'abandon.

En 2000, plus de 25 ans après l'arrêt des activités industrielles, les horizons supérieurs des sols étaient toujours fortement contaminés par des métaux non ferreux : les concentrations totales dans le sol s'élevaient jusqu'à des valeurs maximales de plus de 20 000 mg/kg pour le Zn, 4 000 mg/kg pour le Pb, 1 500 mg/kg pour le Cu et 110 mg/kg pour le Cd. Un exemple des teneurs mesurées dans des échantillons prélevés à des distances croissantes de l'ancienne fonderie est donné ci-dessous (tableau 1).

Cette pollution massive a généré quatre dangers, la part de chacune des voies d'exposition étant difficile à estimer :

En 1990, une zone de 3 ha de sols acides fortement pollués par des métaux a été traitée avec une combinaison de produits stabilisants (compost et béringite^[6], cendres volantes). Après le traitement du sol et le semis d'un mélange de plantes tolérantes aux métaux (Agrostis tenuis et Festuca rubra) une couverture végétale, ne présentant pas de signes de phytotoxicité, s'est développée.

Cinq et sept ans plus tard, des analyses physico-chimiques, des tests de phytotoxicité et de biodiversité ont été réalisés. Les résultats montrèrent alors que, dans la zone traitée, la fraction du zinc extractible à l'eau était 64 fois plus faible que dans le sol non traité (tableau 2). Des résultats similaires ont été observés pour le cadmium.

La diminution de la phytotoxicité a permis l'installation de nouvelles espèces sans tolérance particulière aux métaux. Il s'agissait pour la plupart d'espèces qui nécessitent l'installation de mycorhizes sur leur système racinaire pour se développer. En outre, la quantité de bactéries dans la zone traitée était 100 à 1000 fois supérieure à celle de la zone non traitée. L'établissement d'une relation symbiotique et l'augmentation de l'activité des micro-organismes témoignaient de la réduction de la toxicité du sol. La biodiversité a continué d'augmenter, même après 10 ans, ce qui a démontré l'efficacité et la durabilité du traitement.