GFA : Enseigner de façon intégrée les Sciences en ES et L Thème : Nourrir l humanité : vers une agriculture durable au niveau de la planète Proposition du lycée Adrien Zeller de Bouxwiller Marie-Noëlle Guhl, professeur de sciences physiques et chimiques Nathalie Weissenbach, professeur de sciences de la vie et de la terre Préambule L entrée dans ce thème se fait classiquement à partir de la problématique «Comment produire suffisamment pour nourrir une population humaine estimée à 9 milliards d individus à l horizon 2050?». Nous proposons une autre entrée possible à partir d un travail sur la qualité de l eau. Nous avons cherché à éviter les redondances possibles entre ce qui est classiquement abordé par le professeur de SVT et ce qui l est par le professeur de SPC dans cette partie. La proposition suivante ne couvre pas l ensemble du programme pour ce chapitre et doit évidemment être complétée par d autres séances. Nous avons indiqué en rouge, les notions, contenus et compétences abordés par cette proposition. NOTIONS ET CONTENUS Pratiques alimentaires collectives et perspectives globales L agriculture repose sur la création et la gestion d agrosystèmes dans le but de fournir des produits (dont les aliments) nécessaires à l humanité. Dans un agrosystème, le rendement global de la production par rapport aux consommations de matière et d énergie conditionne le choix d une alimentation d origine animale ou végétale, dans une perspective de développement durable. Une agriculture pour nourrir les Hommes L exportation de biomasse, la fertilité des sols, la recherche de rendements et l amélioration qualitative des productions posent le problème : - des apports dans les cultures (engrais, produits phytosanitaires, etc.) ; - des ressources en eau ; - de l amélioration des races animales et des variétés végétales par la sélection génétique, les manipulations génétiques, le bouturage ou le clonage ; - du coût énergétique et des atteintes portées à l environnement. Le choix des techniques culturales doit concilier la production, la gestion durable de l environnement et la santé. Qualité des sols et de l eau Le sol : milieu d échanges de matière. Engrais et produits phytosanitaires ; composition chimique. Eau de source, eau minérale, eau du robinet ; composition chimique d une eau de consommation. Critères physicochimiques de potabilité d une eau. Traitement des eaux naturelles. COMPÉTENCES EXIGIBLES Comparer la part d'intervention de l'homme dans le fonctionnement d'un écosystème et d'un agrosystème. Montrer que consommer de la viande ou un produit végétal n a pas le même impact écologique. Comparer les bilans d énergie et de matière (dont l eau) d un écosystème et de différents agrosystèmes (cultures, élevages), à partir de données prélevées sur le terrain ou dans des bases de données et traitées par des logiciels de calculs ou de simulation. Expliquer, à partir de résultats simples de croisements, le principe de la sélection génétique («vigueur hybride» et «homogénéité de la F1»). Relier les progrès de la science et des techniques à leur impact sur l'environnement au cours du temps. Étudier l impact sur la santé ou l environnement de certaines pratiques agricoles (conduite d un élevage ou d une culture). Exploiter des documents et mettre en œuvre un protocole pour comprendre les interactions entre le sol et une solution ionique en termes d échanges d ions. Mettre en œuvre un protocole expérimental pour doser par comparaison une espèce présente dans un engrais ou dans un produit phytosanitaire. Réaliser une analyse qualitative d une eau. Rechercher et exploiter des informations concernant : la potabilité d une eau ; le traitement des eaux naturelles ; l adoucissement d une eau dure.
Séance 1 : La qualité de l eau de consommation La plupart des notions abordées dans cette séance sont souvent classiquement traitées par le professeur de physique-chimie. Néanmoins, elles sont souvent communes aux deux matières et peuvent être traitées par l un ou l autre professeur. Document initiateur : nous proposons plusieurs possibilités. Possibilité 1 : couverture du magazine Tonic du mois de janvier 2013 Possibilité 2 : Extrait du documentaire «Du poison dans l eau du robinet» http://www.youtube.com/watch?v=tz3eoukd11a De la 29 ème min à la 39 ème min Possibilité 3 : enquête sur les habitudes des élèves «Et vous, quelle eau buvez-vous?» 1. A la maison, quelle eau buvez-vous? Attribuez un chiffre de 0 à 4 à chaque réponse : 0=jamais ; 1= rarement ; 2 = parfois ; 3 = souvent ; 4 = très souvent eau du robinet eau du commerce en bouteille (gazeuse ou non) eau du robinet filtrée par une carafe filtrante 2. Qu est-ce qui motive votre choix pour l eau consommée le plus souvent? Cochez une seule réponse : son goût son prix les bénéfices pour la santé l assurance de consommer une eau non polluée 3. Pensez-vous que l eau du robinet à votre domicile est : toujours potable occasionnellement non potable régulièrement non potable non potable. L enquête peut être lancée à la séance précédente et un groupe d élève peut être chargé de dépouiller les résultats et de les présenter au reste de la classe.
Le document initiateur permet de poser les problématiques suivantes : Problème : quels sont les critères qui font qu une eau est apte à la consommation? Quelles sont les sources de pollution de l eau? Documents cf Annexes 1 et 2 : Qualité de l eau du robinet pour une ou plusieurs communes alsaciennes. Travail à effectuer - Questions : a. D où provient l eau distribuée (eaux souterraines, eaux de surface)? b. L eau distribuée a-t-elle subit des traitements? Lesquels? Dans quels buts? c. Quels sont les paramètres de qualité analysés? Complétez le tableau suivant (cf annexe 3) pour répondre. Notions construites dans cette séance Différents types d eau sont consommés : eau du robinet : elle doit respecter des critères de potabilité. eau de source : eau d origine souterraine, apte à la consommation sans traitement. eau minérale : eau apte à la consommation dont la composition minéralogique lui confère des propriétés favorables à la santé (reconnues par le ministère de la santé). Sa composition chimique est constante. L eau distribuée en France peut être prélevée dans les eaux de surface ou par des forages dans les eaux souterraines. Elle subit un traitement avant d être distribuée. Les modalités du traitement dépendent des caractéristiques de l eau prélevée : neutralisation, désinfection Pour être potable, une eau doit respecter plusieurs critères de potabilité, entre autres : - sa qualité microbiologique : elle doit être exempte de microorganismes pathogènes ; - une composition chimique où des substances nocives pour la santé (pesticides, nitrates par exemple) ne dépassent pas des limites définies - des conditions de ph. Certaines substances pouvant être contenues dans l eau ont pour origine des pratiques agricoles : fertilisation et utilisation de pesticides. Nouvelles problématiques pour la séance suivante Comment les pratiques agricoles peuvent-elles être à la source d une pollution de l eau? Quelles sont les conséquences pour la santé et l environnement? Quelles sont les solutions possibles?
Séance 2 : Techniques culturales et gestion durable de l environnement et de la santé Cette séance est menée par le professeur de SVT. Documents : cf annexe 4 + activité pratique : cf annexe 5 Travail à effectuer : la séance peut être l objet d un entraînement à un exercice type bac, le commentaire argumenté basé sur un corpus de documents choisis dans l annexe 4. Exemple de sujet Vous habitez la commune de Bouxwiller. Votre nouvelle voisine vient d emménager avec son mari et leur petite fille âgée de 4 mois. Elle vous fait part de son inquiétude à consommer l eau du robinet. A l aide des documents et des résultats de l expérience : - montrez-lui que ses inquiétudes sont, en partie, fondées, - expliquez-lui pourquoi l agriculture peut être la source d une pollution de l eau. Notions construites dans cette séance : Pour augmenter les rendements des cultures, on ajoute des engrais, sources d azote, élément indispensable aux plantes. Les propriétés du sol font qu il retient les ions positifs mais que les ions négatifs sont entrainés par l eau. On dit qu il y a lessivage. Les nitrates sont des ions négatifs. Les nitrates des engrais qui n ont pas été absorbés par les plantes se retrouvent ainsi dans les eaux souterraines Une dose élevée de nitrates dans l eau consommée est nocive pour la santé humaine. La recherche de rendements pose donc le problème des apports d engrais dans les cultures. Le choix des techniques culturales doit concilier rendement et la gestion durable de l environnement et la santé. Prolongement possible- Travail à la maison : impact des nitrates sur l environnement, eutrophisation. Séance 3 : Dosage dans un produit phytosanitaire ou dans un engrais Cette séance d activités pratiques est conduite par le professeur de physique-chimie.
Annexe 1 : fiche ARS qualité de l eau, commune de Bouxwiller Les fiches de toutes les communes d Alsace sur le site de l agence régionale de santé (ARS) Alsace : http://www.ars.alsace.sante.fr/fiches-d-information-2011-du-b.117529.0.html#b
Annexe 2 : Les risques sanitaires liés à la consommation de l eau du robinet Sources Agences Régionales pour la santé (ARS Alsace et ARS Auvergne) L eau est essentielle à la vie mais elle peut également être un vecteur majeur de maladies. Le risque sanitaire hydrique est dépendant de facteurs environnementaux et individuels. Les mesures préventives et les mesures de contrôle mises en place ont permis une meilleure maîtrise des risques, mais la vigilance reste de mise. L'eau du robinet génère toujours des craintes des consommateurs, craintes souvent infondées, alors que l eau distribuée au robinet des usagers est l un des aliments les plus contrôlés. Les bilans de qualité sont facilement accessibles; l alerte en cas de risque est très rapide; les normes relatives à l'eau sont parmi les plus sévères. Il pourrait donc y avoir des risques pour la santé des consommateurs lorsque l eau contient des micro-organismes, notamment d origine fécale, et/ou des substances chimiques en concentrations régulièrement supérieures aux normes. Les normes ont pour objet de réduire les risques au maximum afin de préserver la santé publique. Les analyses microbiologiques Il existe une multitude de micro-organismes susceptibles d engendrer des infections. Il est techniquement et financièrement impossible de les rechercher tous et ceci pour différentes raisons, notamment, le délai d obtention des résultats qui serait beaucoup trop long pour pouvoir agir en cas de pollution. C est pourquoi, les hygiénistes ont défini des «germes test» de contamination fécale, la grande majorité des germes pathogènes véhiculés par l eau étant d origine fécale. Les troubles de santé, généralement de courte durée, prennent le plus souvent la forme de gastro-entérites, associant diarrhées, douleurs abdominales ou vomissements. Mais à côté de ces épidémies «bénignes», surviennent occasionnellement des maladies d origine hydrique plus graves. Ce sont le mode de contamination et surtout l état de santé des personnes contaminées qui déterminent la gravité de l infection. Les autres analyses Pour les autres paramètres analysés, paramètres physico-chimiques et organoleptiques, les problèmes les plus courants portent sur : l agressivité de l eau captée, en général, en zones montagneuses et forestières. Cette agressivité est la conséquence de l addition de plusieurs facteurs tels qu un ph acide (inférieur à 6,5), une minéralisation très faible (conductivité inférieure à 150µs/cm) et une dureté faible (inférieur à 8 TH). Cette agressivité peut entrainer une corrosion des conduites. Le risque principal observé sur les populations est celui du saturnisme, en présence de canalisations ou branchements en plomb, puisque l agressivité de l eau favorise la corrosion des conduites. la turbidité : elle correspond à la présence dans l eau de matières en suspension (argiles, grains de sable, limons, particules colloïdales, organismes microscopiques, etc.) qui absorbent la lumière. La consommation d une eau très trouble peut constituer un risque pour la santé car une turbidité excessive peut protéger des micro-organismes pathogènes ou stimuler la croissance des bactéries dans les réseaux. teneurs en nitrates et nitrites : ce problème concerne essentiellement les captages ou forages situés à proximité de zones cultivées et industrielles. Les nitrates ne sont pas en eux-mêmes dangereux pour la santé, mais c est leur transformation en nitrites dans l organisme qui présente un risque potentiel toxique. En effet, les nitrites oxydent l hémoglobine qui devient inapte au transport de l oxygène des poumons aux tissus. Cette affection se manifeste par une cyanose (ou maladie bleue) et touche essentiellement les nourrissons. la teneur en pesticides. La connaissance de l action à long terme des pesticides sur la santé humaine reste incomplète. Certains pesticides ont des effets ou sont suspectés avoir des effets sur la santé (cancers ) lorsqu ils consommés pendant de nombreuses années.
Annexe 3 : tableau à compléter à partir des annexes 1 et 2 Paramètres analysés Origine Limite ou référence de qualité Risques sanitaires Correction Paramètres analysés Bactériologie Dureté Origine Contamination à la source ou en cours de transport. Dysfonctionnement des installations de traitement, absence de traitement, mauvais entretien des ouvrages Représente la concentration en calcium et en magnésium, éléments présents naturellement dans les eaux ph 6,5 à 9 Nitrates Chlorures Eléments présents naturellement dans les eaux Apports mal maitrisés d engrais Eléments présents naturellement dans les eaux Limite ou référence de qualité Absence exigée de bactéries indicatrices de pollution Risques sanitaires Gastro-entérites - ph acide, dureté faible = agressivité de l eau = corrosion des conduites (risque de saturnisme si conduites en plomb) Inférieure à 50 mg.l -1 La transformation en nitrites dans l organisme présente un risque potentiel toxique Inférieure à 250 mg.l -1 - Sodium Eléments présents naturellement dans les eaux Inférieure à 200 mg.l -1 - Fluor Pesticides Turbidité Eléments présents naturellement dans les eaux Mauvaise maîtrise des produits utilisés pour désherber ou pour protéger les récoltes présence dans l eau de matières en suspension (argiles, grains de sable ) Inférieure à 1,5 mg.l -1 Inférieure à 0,1 µg.l -1 Un excès de fluor entraîne des fluoroses dentaires (tâches sur l émail) La connaissance de l action à long terme des pesticides sur la santé humaine reste incomplète. Certains pesticides ont des effets ou sont suspectés avoir des effets sur la santé (cancers ) lorsqu ils consommés pendant de nombreuses années. Une turbidité excessive peut protéger des microorganismes pathogènes ou stimuler la croissance des bactéries
Annexe 4 : Plusieurs documents possibles pour le commentaire argumenté de la séance 2 Document 1 : cf annexe 1, résultats des analyses d eau pour la commune de Bouxwiller. Document 2 : cf annexe 2, risques sanitaires liés à l eau du robinet Document 3 : impact des nitrates sur la santé A partir de 50 mg de nitrates par litre, une eau n est plus considérée comme potable. En fait, il vaut mieux ne pas dépasser 25 mg par litre si l eau est destinée à des nourrissons. En effet, chez ces derniers, l estomac est propice à la prolifération de bactéries qui transforment les nitrates en nitrites. Les nitrites passent dans le sang au niveau de l intestin et réagissent avec l hémoglobine pour former de la méthémoglobine qui perd la capacité de transporter le dioxygène comme le fait normalement l hémoglobine. Il en résulte une asphyxie qui peut aller jusqu à la mort. D une façon générale, et même à faible dose, les nitrates peuvent être dangereux pour la santé humaine. Réduits en nitrites, ils peuvent se combiner à des molécules organiques azotées pour donner des nitrosamines dont l action cancérigène (cancers du foie, des reins ) a été démontrée chez des espèces animales, les primates compris. D après Sciences et Vie N 872 Document 4 : Devenir des engrais dans l environnement (source annales zéros Eduscol) Document 5 : rendement relatif d une culture en fonction de la dose d azote apportée lors de la plantation (source annales zéros Eduscol)
Document 6 : évolution des moyennes de concentrations en nitrates de la nappe phréatique d'alsace. Inventaires réalisés sur près de 700 points. (Source agence Rhin Meuse) Document 7 : Les nitrates dans les eaux en Alsace (source : Diren Alsace) L Alsace est particulièrement concernée par une contamination de ses eaux par les nitrates. Les rejets d azote vers le milieu naturel sont dus pour partie à l activité domestique et industrielle mais surtout à l activité agricole du fait d une utilisation massive d engrais minéraux ou d épandage de déjections animales. L agriculture (maïsiculture, élevage ou viticulture) intensive est responsable d une pollution diffuse des eaux souterraines par l utilisation d engrais azotés. Document 8 : Une directive européenne, la directive Nitrates (Source Wikipedia) La «Directive Nitrates» est une directive européenne datée du 12 décembre 1991. C'est l'une des directives que les états-membres ont dû intégrer dans leur Droit de l'environnement national, pour protéger l'environnement et les ressources naturelles (et plus particulièrement la ressource en eau en l'occurrence). Exemples de mesures : plafond de 170 kg/ha épandable à ne pas dépasser pour l ensemble de l exploitation. calendrier réglementaire des épandages de fertilisants précisant les dates autorisées d utilisation des fertilisants meilleure prise en compte de besoin azoté des cultures et des reliquats azotés (ce qui a déjà été épandu, qui est encore dans le sol, et qui n'a pas été consommé par les plantes). Périmètres tampon ou de protection éloignant les limites d épandage des zones sensibles (champs captant, réservoirs d'eau, certains cours d'eau etc.).
Annexe 5 Activité pratique : mise en évidence des échanges ioniques dans le sol Photo Lycée Bouxwiller Une solution aqueuse d éosine ( coloration orange due à un anion) et une solution de bleu de méthylène ( coloration bleue due à un cation ) sont versées sur un échantillon de terre de jardin placé dans un entonnoir muni d un papier filtre. Interprétez les observations faites sur les filtrats comparés aux tubes témoins.