TPE: Phytoépuration

 

Les bactéries présentes autour des racines des plantes minéralisent et dégradent la matière organique (à base de carbone) contenue dans l'huile (C18H3402), les déjections ou le glucose (C6H12O6). Cette matière organique est alors assimilable par les plantes pour leur développement.

 

Filtration des déchets solides de tailles importantes

Avant d'aborder le rôle de la plante au sein du processus de phytoépuration, évidemment il est nécessaire de rappeler l'importance du granulat, du sable et de la terre dans le filtrage des déchets de grandes tailles. En effet la finesse du sable et de la terre permet de retenir les déchets solides : plastiques. Les deux matériaux ont donc la tâche d'un tamis.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le cycle de l'azote (en dehors du principe même de la phytoépuration)

 

L'azote est un élément essentiel pour la vie sur Terre constituant l'atmosphère à 78% sous sa forme moléculaire diatomique N2. On le retrouve dans les acides aminés des protéines, les base azotées des nucléotides de l'ADN et de l'ARN et les molécules chlorophylliennes importantes pour la photosynthèse. La plupart des êtres vivants ne pouvant pas assimiler l'azote sous sa forme gazeuse, le cycle comprend de nombreuses étapes pour le rendre utilisable par tous les organismes grâce à l'actions d'enzymes et de micro-organismes.

 

1- La fixation de l'azote

 

Certaines bactéries comme des Rhizobium, vivant sur les racines des plantes, d'autres bactéries libres (Azobacter) ou bien des cyanophycées (Anaboena) parviennent à convertir l'azote atmosphérique en ammonium NH4+ assimilable par les plantes et les animaux. Cela se fait notamment par le biais de l'eau (H2O) présente dans le sol. L'autre partie de l'ammonium, inutilisée par ces organismes, réagit avec des ions hydroxyles pour former de l'ammoniac gazeux NH3. Cette réaction est possible grâce à un apport d'énergie issue de la photosynthèse: d'où le rôle essentiel de la plante dans le cycle de l'azote.

 

2N2 + 3 CH20 + 3H2O → 4NH4+ + 3CO2 

azote       matière            eau           ammonium    dioxyde de

              organique                                                  carbone

 

NH4+ + OH- → NH3 + H2O  

ammonium hydrogène ammoniac eau

 

 

 

 

 

 

 

 

2- L'ammonification

 

L'ammonification s'effectue quand une bactérie ou un champignon transforme le N2 ou l'azote combiné (azote sous toutes ses formes sauf N2), présent dans les excréments et les cadavres d'animaux sous forme d'ions ammonium (NH4+). Le sol contient une certaine bactérie qui utilise des enzymes pour réaliser cette transformation. En effet, les ions ammoniums étant des cations se lient, grâce à l'attraction électrostatique entre deux corps de charge opposées, aux particules de la terre. Dans un système de phytoépuration, les déchets des végétaux (feuilles et racines) essentiels au cycle de l'azote, sont remplacés par les déchets humains.

 

3- La nitrification

 

Les ions ammonium ne pouvant servir aux végétaux car ils sont liés à la terre, nécessitent d'être transformés en ions nitrates pour être assimilables par les plantes qui en dépendent. Cela se fait par le biais de bactéries (nitrobacter) présentent dans le sol qui convertissent d 'abord NH4 en nitrite (NO2-) puis en nitrates (NO3-); il s'agit d'une réaction d'oxydation par catalyse enzymatique qui a lieu en présence d'eau.

 

2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+

Ammonium  oxygène       nitrite            eau     hydrogène

2NO2- + O2 → 2NO3-

Nitrite       oxygène       nitrate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4- L'absorption d'azote par les végétaux (l'assimilation)

 

Grâce à leurs racines, les végétaux parviennent à absorber le nitrate et l'ammonium présents dans le sol ou dans l'eau.

Cette étape consiste en la filtration des nitrates dans l'eau. En effet les nitrates transformés en nitrites par des micro-organismes réducteurs (c.f: étape au-dessus), peuvent se révéler nocifs. Les micro-organismes qui transforment le nitrate en nitrite sont présents près des plants. Mais via la fin du cycle, ces nitrites sont transformés de nouveau en azote et ne pose plus de problème. Or si ce prélèvement des nitrates par la plante n'avait pas lieu, alors les sols et plus particulièrement l'eau, resteraient de forte concentration en nitrates. Des micro-organismes (bactéries) similaires à ceux présents autours des racines, se trouvent aussi au sein du corps humain: dans le tube digestif. Par le même processus les nitrates seraient transformés en nitrites et le corps humain serait donc directement touché par ces éléments dangereux.

Les bactéries des filtres nitrifient, et dans certaines conditions dénitrifient, mais ce que qu'absorbe la plante est très faible au regard de la charge entrante, et ne constitue pas le processus de phytoépuration. Les stations de phytoépuration classiques de deux filtres verticaux ne dénitrifient pas, car il n'y a pas de phase anaérobie et il y a donc des concentrations élevées en nitrates à la sortie (mais plus d'azote organique). Les phytoépurations qui dénitrifient ont dans le circuit un filtre à écoulement horizontal qui fonctionne en anaérobie partielle.

•       filtre vertical: excellente nitrification, excellente oxydation de la matière organique carbonée, abattement de la DBO5 et de la DCO (indicateurs de matières organiques), mais faible dénitrification d'où la présence des nitrates à la sortie du filtre.

•      filtre horizontal : faible nitrification, faible oxydation des MO, mais bonne finalisation de la dénitrification de l'azote en N2, doit obligatoirement être précédé d'un filtre vertical.

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour être assimilable par les plantes, l'azote doit se réduire à la forme NH4+. Lors de l'assimilation, NO3- présent dans les racines donne des amides à la base de la protéine. Ils seront ensuite transportés par le biais du xylème (permet de faire circuler la sève des racines vers les feuilles) vers les tiges et les feuilles. Cela permet donc à la plante de se nourrir mais également de faire son métabolisme; c'est-à-dire, d'échanger de la matière et de l'énergie avec son milieu.

 

5- La dénitrification

 

La dénitrification correspond à la transformation de nitrate en diazote par le biais de bactéries. L'azote de nouveau formé retourne dans l'atmosphère accompagné de dioxyde de carbone CO2 et d'oxyde d'azote N2O.

4NO3- +5CH2O + 4H+ → 2N2 + 5CO2 + 7H2O

nitrate         matière     hydrogène      azote      dioxyde          eau

                 organique                                      de carbone

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La phytoépuration permet donc de réintégrer dans son cycle biogéochimique l'azote contenu dans nos déchets (dessin ci-dessous). Il n'est ainsi plus considéré comme polluant mais comme une source de nutrition pour les plantes. En effet, le nitrate NO3- étant un ion négatif s'accompagne d'un cation comme du calcium Ca2+, du magnésium Mg2+ ou du potassium K+ permettant la croissance de la plante et l'amplification de ses capacités épuratoires. La croissance de la plante sous l'effet des nitrates est visible par les "marées vertes" où les algues connaissent une prolifération importante dû aux rejets de nitrates contenus dans les engrais azotés utilisés par les agriculteurs. Ce nitrates rejoint ensuite les rivières pour finir par se déverser dans la mer. Les algues profitent de ce nitrate pour leur croissance. Ainsi cet élément peut être bénéfique lorsqu'il est utilisé avec raison mais peut poser des problèmes très importants lorsqu'il est en excès. L'azote est issu, à l'échelle des eaux usée traitées par notre système, de notre nourriture et de certains de nos déchets. A l'échelle de l'eau présente dans l'environnement, l'azote est principalement issu des cultures.