Article | 03/12/2021

Que faire face à des sols pollués par des métaux ?

03/12/2021

Denis Baize

Anciennement, UR2072 Science du Sol, INRA Orléans

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Diverses méthodes de réhabilitation de sites pollués. Ne rien faire, recouvrir, décaper, immobiliser la pollution, voire l'extraire par des méthodes de phytoremédiation. Un exemple d'action mêlant immobilisation in situ et phytostabilisation.


Lorsqu'un terrain est notablement pollué par des métaux[1] (cf. Trois clés pour comprendre les concentrations en éléments traces dans un sol), il existe un danger de contamination des produits agricoles, des herbages ou bien un danger d'absorption directe par voie orale pour les riverains (pica[2] , poussières). Dans un tel cas, on ne peut guère compter sur le vieillissement[3] ni sur l'atténuation naturelle[4], deux phénomènes spontanés qui concernent surtout les composés organiques (hydrocarbures aromatiques polycycliques, dioxines, pesticides). Il n'existe donc que trois grands types d'attitudes possibles présentés ci-dessous avant un exemple concret de dépollution de site.

Stratégies sans traitement

En milieu rural et pour les jardins, on doit décider de cultiver des plantes non alimentaires ou des espèces et variétés absorbant peu les métaux ou les absorbant surtout dans des organes non consommés. En milieu urbain péri-industriel, une solution consiste à recouvrir la zone polluée par des apports de terres « saines » sur une épaisseur jugée « suffisante ». Cette solution, employée dans le passé par exemple à Mortagne-du-Nord sur le site d'une ancienne usine d'acide sulfurique, est à proscrire. C'est, en effet, « mettre la poussière sous le tapis. »

Décapage des horizons pollués

En cas de décapage, ou bien les matériaux excavés sont mis en décharge car considérés comme des déchets, ou bien ils sont traités en usine pour dépollution. Ce sont toujours des solutions très couteuses, qui ne peuvent s'appliquer qu'à des surfaces réduites. En effet, un hectare de sols décapé sur une épaisseur de 30 cm représente environ 3900 tonnes de “terre” ! On peut imaginer la noria de camions qui serait nécessaire pour évacuer une telle masse. En outre, les matériaux traités en usine par des traitements chimiques deviennent des matériaux minéraux inertes et stériles sans aucun intérêt agronomique.

Immobilisation in situ et phytoremédiation

Immobilisation in situ

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.

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

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.

Les méthodes de phytoremédiation

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.

L'exemple du site de Maatheide-Lommel (Belgique)

Sur ce site belge, ont été testées sur 3 ha[10] et avec succès des techniques d'immobilisation in situ et de phytostabilisation.

Le site de Maatheide-Lommel avant dépollution

État initial

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).

Tableau 1. Concentrations pseudo-totales (CPT) et estimation des phytodisponibilités (EDTA) en métaux d'échantillons de surface de sols prélevés à des distances croissantes (vers le Nord-Est) de l'ancienne zinguerie de Maatheide-Lommel

 

Distance en m

Zn

Pb

Cu

Cd

CPT

300

15 750

1 510

730

106

EDTA

300

10 970

560

320

69

CPT

400

11 850

3 580

1 350

27

EDTA

400

5 590

1 550

540

12

CPT

500

7 180

1 630

300

37

EDTA

500

3 370

900

109

25

CPT

800

670

150

160

3

EDTA

800

340

87

77

1,5

CPT – Extraction par eau régale, mélange d'acide nitrique et d'acide chlorhydrique. Ce réactif n'est pas capable de dissoudre tous les silicates donc de solubiliser toutes les formes des métaux. C'est pourquoi les concentrations obtenues après attaque à l'eau régale sont dites concentrations « pseudo-totales » (CPT).

EDTA – Extraction par association d'acétate d'ammonium et d'acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA), constituant un réactif complexant souvent utilisé pour estimer au laboratoire la phytodisponibilité des métaux dans un échantillon de sol.

Concentrations exprimées en mg/kg de terre sèche (moyennes de trois dosages distincts).


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

  • lessivage vers la profondeur : les métaux sont susceptibles d'être lessivés à travers ces sols sableux et acides, le zinc et le cadmium étant les éléments les plus mobiles. Des concentrations élevées de ces deux métaux ont d'ailleurs été trouvées dans la nappe phréatique à une profondeur de 3 à 5 m et des valeurs élevées ont été observées jusqu'à une profondeur d'au moins 25 m en certains points. Le lessivage des métaux a été estimé grossièrement à 96 kg de Zn, 0,14 kg de Pb, 0,81 kg de Cu et 0,41 kg de Cd par an pour l'ensemble de la surface considérée ;
  • agrandissement de la zone polluée sous l'influence des vents transportant les poussières polluées de la zone dénudée vers d'autres secteurs agricoles et des zones d'habitations ;
  • pollution directe des récoltes (par absorption via les racines) ;
  • charge en métaux de la végétation environnante résultant du dépôt de particules métallifères.

Premiers traitements

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.

Tableau 2. Concentrations en zinc extrait par l'eau régale et par l'eau, cinq ans après le traitement du sol de Maatheide avec des cendres volantes

 

Zn extrait par l'eau régale

Zn extrait par l'eau

eau régale/eau (%)

Sol de jardin non contaminé

106 ± 7

0,7 ± 0,06

0,66

Sol pollué sans traitement

11 425 ± 506

141,0 ± 11,2

1,23

Sol avec végétation spontanée

960 ± 51

10,4 ± 0,81

1,09

Sol pollué avec traitement

(moyenne de 12 placettes)

7 639 ± 455

2,2 ± 0,22

0,03

L'eau régale, mélange d'acide nitrique et d'acide chlorhydrique, permet d'estimer une concentration pseudo-totale, CPT, voir tableau 1.

Concentrations exprimées en mg/kg de terre sèche (moyennes de 3 extractions et écarts type).


Bibliographie indicative

J. Boisson, M. Mench, V. Sappin-Didier, P. Solda, J. Vangronsveld, 1998. Short-term in situ immobilization of Cd and Ni by beringite and steel shots application to long-term sludged plots, Agronomie, 18, 5-6, 347-359 [pdfFree Access]

Z. Chour, 2018. Valorisation de terres rares à partir de plantes hyperaccumulatrices, thèse de doctorat, Univ. de Lorraine, 202p. [pdf])

C. Garbisu, I. Alkorta, 2001. Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment, Bioresource Technology, 77, 3, 229-236

L. Horckmans, R. Swennen, J. Deckers, 2006. Geochemical and mineralogical study of a site severely polluted with heavy metals (Maatheide, Lommel, Belgium), Environ. Geol., 50, 725–742 [pdf]

E. Muszyńska , E. Hanus-Fajerska, 2015. Why are heavy metal hyperaccumulating plants so amazing?, Bio Technologia, 96, 4, 265-271 [pdf]

R.D. Reeves, A. J.M. Baker, T. Jaffré, P.D. Erskine, G. Echevarria, A. van der Ent, 2018. A global database for plants that hyperaccumulate metal and metalloid trace elements, New Phytol., 218, 407-411 [pdfFree Access]

J. Vangronsveld, R. Herzig, N. Weyens, N., J. Boulet, K. Adriaensen, A. Ruttens, T. Thewys, A. Vassilev, E. Meers, E. Nehnevajova, D. van der Lelie, M. Mench, 2009. Phytoremediation of contaminated soils and groundwater: lessons from the field, Environ. Sci. Pollut. Res., 16, 765–794 [pdf]



[1] Les métaux les plus redoutés sont le cadmium (Cd), le plomb (Pb) et le mercure (Hg), tandis que le zinc (Zn), le cuivre (Cu), le chrome (Cr) et le nickel (Ni) semblent poser moins de problèmes.

[2] Pica : trouble alimentaire apparaissant le plus souvent chez les enfants âgés de un à deux ans, consistant en l'absorption volontaire de substances non comestibles, notamment de la terre.

[3] Vieillissement : ensemble des processus conduisant, avec le temps et sans aucune intervention humaine, à une moindre extractibilité des composés organiques (hydrocarbures aromatiques polycycliques, dioxines, pesticides) et donc à une diminution de leur biodisponibilité et de leur mobilité. Peuvent être invoqués principalement des phénomènes de biodégradation entrainant des changements de spéciation et des séquestrations dans les fractions organiques.

[4] Atténuation naturelle : diminution spontanée, au cours du temps, de la fraction la plus biodisponible de certains polluants, spécialement les xénobiotiques organiques. Le plus souvent, grâce à l'activité microbienne des sols contaminés, et en fonction des conditions de milieu, une biodégradation, par exemple des HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques), peut se produire dans certains horizons. Cette diminution peut être accélérée par diverses techniques qui favorisent l'activité biologique. Des phénomènes physiques peuvent aussi intervenir (advection, dispersion, dilution, diffusion, volatilisation, sorption/désorption) ou des changements de spéciation par échange d'ions ou complexation. Il peut s'agir aussi de transferts vers la profondeur, hors de portée des racines.

[5] La birnessite est un oxyde de manganèse lamellaire dont les feuillets sont composés d'octaèdres de MnO.

[6] La béringite (de Beringen, ville de Flandre belge) est un aluminosilicate composite modifié, matériau provenant de la combustion en lit fluidisé de déchets schisteux d'une mine de charbon.

[7] Cendres cycloniques : produit pulvérulent résultant de la combustion en centrale thermique d'un combustible minéral ou de biomasse.

[8] Cette petite plante, le tabouret bleu, était nommée anciennement Thlaspi caerulescens.

[9] Spéciation : identification et quantification des différentes formes chimiques (forme ionique, structure moléculaire) sous lesquelles se trouve un élément dans un milieu donné (sols, eaux, déchets) à un moment donné.

[10] Hectare : 1 ha = 10 000 m2 = 0,01 km2, soit 1 km2 = 100 ha.