BruBru et Popie Chapitre: La vie dans les eaux naturelles Ronéo d hydro 15/02/11 I/ Intro définitions La vie dans les eaux naturelles a des conséquences sur la composition minérale et les substances organiques du milieu. Il y a différents usages des eaux naturelles. Ex: utilisateurs d eau (fabrication de l eau consommée dans le milieu agricole ou industriel) milieu récepteur pour les eaux usées Définitions: écologie: connaissances des relations entre les êtres vivants et leur milieu. Elles visent à établir des lois qui règlent les rapports entre organismes vivants et abiotiques ( air, minéraux ) l environnement: consiste, à un instant donné, à des paramètres physiques (T, humidité), chimiques (teneur en calcium ) et biologiques (êtres vivants). Tous ces facteurs interagissent, et en fonction de l action de ces différents paramètres, on obtient des milieux différents: l environnement est un équilibre instable. L environnement est défini par un écosystème. II/ Organisation d un écosystème Un écosystème est caractérisé par: biotope: espace caractérisé par des facteurs climatiques, géographiques, physiques, chimiques, géologiques, en équilibre et occupés par des organismes qui vivent en association spécifique. Cela correspond à une composante non vivante de l écosystème. Biocénose: ensemble des êtres vivants vivant en interdépendance dans des conditions géologiques et climatiques données. Biomasse: quantité de matière constituée par toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu donné. Cela correspond à l ensemble des matières organiques vivantes ou non. Un écosystème est complexe car un grand nombre d espèces vivantes interagissent entre elles et avec le milieu. Elles dépendent donc étroitement des conditions de vie que leur offre le milieu. 1
III/ Les interactions dans l écosystème Action: influence exercée par le biotope sur la biocénose (nature du sol, T ), responsable de l adaptation, du maintien et de la régulation des espèces dans l écosystème. Réaction: influence exercée par la biocénose sur le biotope. La biocénose peut détruire le biotope. Coaction: influence que les organismes ont les uns sur les autres. IV/ Les divers écosystèmes L écosystème est fondamentalement différent selon que l on est en présence d eau stagnante (mare, marais), eau courante (rivière) ou souterraine. V/ Les conditions de vie dans un écosystème Elles sont en équilibre et beaucoup de paramètres vont intervenir: les gaz dissouts ont une grande importance dans un écosystème aquatique: O 2 et CO 2. Ces gaz sont importants car ils viennent de l atmosphère ou de la vie dans l eau. L O 2 est indispensable à la respiration des êtres vivants et est produit par les algues, les végétaux. Ce dernier est fondamental car il permet la survie et le développement d espèces bactériennes aérobies (bactéries telluriques): elles utilisent l O 2 pour consommer les matières organiques biodégradables. Le CO 2 est présent dans les eaux car il provient de l atmosphère et de la respiration des êtres vivants. Il permet aux algues de fabriquer leur propre matière vivante. Cycle des gaz dissouts O2 utilisé par Algues, végétaux Respiration des êtres vivants photosynthèse + Dégradation aerobie de matière organique utilisé par CO2 Plus le milieu aquatique est oxygéné, meilleure est la qualité de l eau. VI/ Les êtres vivants Les eaux naturelles sont des habitats microbiens important (bactéries, virus) car ils ont des espèces organiques et minérales. Les bactéries sont à l origine de l auto-épuration de l eau. 2
Le plancton, phytoplancton, algues microscopiques et êtres vivants (arthropodes, mollusques) Végétaux: algues et végétaux supérieurs (bords des eaux) Animaux: oiseaux, insectes, mammifères inféodés à l eau. Fonctionnement d un écosystème aquatique Consommateur Producteur (génèrent la matière vivante) Décomposeur Eléments nutritifs Les bactéries participent à l équilibre biologique à la surface de la terre. Elles sont à l origine des transformations chimiques fondamentales (fermentation) et sont responsables du cycle des éléments à la surface de la planète. Cycle du carbone organique Photosynthèse CO 2 (CH 2 O)n + O 2 = production primaire Anaérobie (fermentation) Décomposeurs aérobie CO 2 + CH 4 CO 2 + H 2 O Le CO2 provient de l atmosphère, de la respiration ainsi que des gisements minéraux (sous forme de carbonates) et la matière vivante (protéines, glucides ). Cycle de l azote 3
En même temps que le cycle de l azote, il y a production de matière carbonée. Ces cycles ne rentrent pas seulement dans le domaine du vivant: il y a le sol, l atmosphère qui interviennent. Fixation de l azote: organique et ammoniac 2 N 2 + 3 CH 2 O + 3 H 2 O 4 NH 4 + + 3 CO 2 NH 4 + + OH - NH 3 + H 2 O (nitrification) + - - NH 4 NO 2 NO 3 + - 2 NH 4 + 3 O 2 2 NO 2 + 2 H 2 O + 4 H + - - 2 NO 2 + O 2 2 NO 3 Dénitrification - 4 NO 3 + 5 CH 2 O + 4 H + 2 N 2 + 5 CO 2 + 7 H 2 O Le soufre peut être présent à l état gazeux, en solution ou sous forme solide. Cycle du soufre 4
Cycle du phosphore VII/ Evolution d un écosystème La diversité des animaux et des végétaux d un écosystème traduit l état du milieu dans lequel ils évoluent. L écosystème peut perdre son aptitude à retrouver son état d équilibre. Un des gros déséquilibres du milieu aquatique est le phénomène d eutrophisation. Eutrophisation: prolifération d un nombre limite d espèces végétales dans des eaux trop chargées en nutriment. Le milieu reçoit trop de matière nutritive assimilable par les algues. Cela entraine la prolifération et la mort des algues ainsi que l accumulation de ses déchets au fond de la ressource. Conditions de développement de l eutrophisation: cela s installe quand le milieu s enrichi en nitrate, phosphate et nutriments organiques. Les algues vont se développer quand la température augmente, lors d un fort éclairement, d un courant faible Il y a 3 niveaux d encombrement des milieux aquatiques: Oligotrophe: lac Mésotrophe: marais Eutrophe: tourbière L azote et le phosphore entrainer la multiplication et la mort des algues et des végétaux => production de matière biodégradable => consommation de cette matière par les bactéries aérobies => multiplication bactérienne consommant de plus en plus d O 2 => des bactéries anaérobies les remplacent => fermentation => le milieu devient réducteur, production d hydrogène sulfuré, NH 3, CH 4 5
Chapitre Analyse des eaux C est l examen des caractères physiques, chimiques et bactériologiques de l eau. I/ Caractères physico-chimiques des eaux 1/ Caractères organoleptiques Odeur: importante pour l eau potable Couleur: Réelle: due aux substances en solution Apparente: due aux substances en suspension Saveur 2/ Examens préliminaires Examen microscopique du culot de centrifugation Détermination des matières décantables (mesure du volume des matières ayant décanté) Matières en suspension (obtenues par centrifugation, filtration ) Ces 3 caractéristiques permettent de déterminer les substances minérales ou organiques présentes en suspension dans l eau. Détermination des résidus secs: A 100 : les bicarbonates et l eau d hydratation ne sont pas détruits A 180 : les bicarbonates et l eau d hydratation sont détruits 3/ Mesures physico-chimiques globales Densité: elle est supérieure à 1 s il y a beaucoup d éléments minéraux ph: potentiométrie avec correction de température. Elle permet d informer sur l acidité ou l alcalinité de l eau (6,5 < ph < 9) conductivité χ: permet d obtenir une information sur les espèces minérales. Plus la conductivité est grande, plus il y a d espèces en solution. La résistivité (ρ = 1/ χ) χ: Siemens/m (msiemens/cm) ρ: Ohm/cm Température: elle influe la solubilité des gaz, des espèces minérales Pour les eaux souterraines, la température a un autre intérêt: si la température est stable, la ressource est bien protégée; si la température est variable: la ressource est non protégée. Turbidité: indication sur les matières en suspension (unité: NTU) Potentiel redox: mesuré soit par des électrodes, soit par la mesure de l oxygène dissout. C est l indication de l état du milieu. Pouvoir colmatant Ces mesures sont faites sur le terrain. 6
4/ Substances et critères chimiques indicateurs de pollution Oxydabilité au KMnO 4 : quantité d O 2 fourni par rapport au KMnO 4 entrainant l oxydation des matières organiques présentes dans un échantillon donné. Carbonne organique total: indicateur de présence de matière organique Composés azotés ion ammonium NH 4+ : par iodométrie ou HPLC ionisée azote Kjedahl: azote non oxydé azote total: par minéralisation azote organique: azote total azote Kjedahl nitrites: par spectrophotométrie ou HPLC ionisée nitrates: par spectrophotométrie ou HPLC ionisée 5/ Paramètres généraux de minéralisation dureté acidité / alacalinité a) Dureté Rappels: on parle d eau douce par rapport à l eau salée quand le résidu sec est inférieur à 2g/L. Ceci est à différencier de l eau dure par rapport à l eau douce quand on prend en compte la teneur en Ca 2+ et Mg 2+ (eau douce: faible teneur en ces ions). L origine: calcium et magnésium (+ fer et silice) TH: titre hydrotimétrique ( f = degré français). 1 f = 1/5 milieq Ca 2+ + Mg 2+ Complexométrie EDTA / noir ériochrome: permet de déterminer la dureté totale, temporaire (carbonates et bicarbonates), permanente (sulfates) Aux cations Ca 2+ et Mg 2+ sont associés les anions CO 3-, HCO 3-, SO 4 2- et Cl -. La dureté totale de l eau correspond au nombre de milieq de Ca 2+ et Mg 2+. - - Si on chauffe le milieu avant la mesure, le CO 3 et le HCO 3 sont dégradés en CO 2, et le Ca 2+ et Mg 2+ se déposent sur la paroi du récipient 2- => il ne reste plus dans le milieu que SO 4 et Cl -, ce qui correspond à la dureté permanente Dureté temporaire = dureté totale dureté permanente il ne reste plus que les ions carbonates et bicarbonates dans la dureté temporaire Rq: la dureté calcique correspond à la complexation du Ca 2+ avec de l oxalate d ammonium: on obtient l oxalate de calcium on peut séparer le calcium et le magnésium pour déterminer la dureté magnésienne ou calcique 7