Chapitre III: Microbiologie des eaux cours1: Eaux naturelles

Ce qui caractérise les eaux superficielles les variations saisonnières (climatiques) et, à degré moindre, journalières des paramètres physiques: température, turbidité et coloration ; le développement plus ou moins important de phytoplancton (algues), de zooplancton et, dans certaines conditions, d’une vie aquatique intense ; la présence fréquente de matières organiques d’origine naturelle provenant de la décomposition des organismes végétaux ou animaux après leur mort ;

Parmi les caractéristiques générales des eaux souterraines : turbidité, une température et une composition chimique sensiblement constantes, et l’absence d’oxygène dissous. Elles peuvent être d’une très grande pureté bactériologique ; c’est le cas lorsque l’eau s’infiltre dans des terrains à très fine granulométrie et à grand pouvoir filtrant.

Microbiologie Il existe dans l’eau douce naturelle (en particulier dans l’eau de surface: rivières et lacs) des micro-organismes aquatiques divers constituant la faune et la flore, que l’on peut classer dans les grands groupes suivants : bactéries, virus, champignons, amibes, vers, insectes, … algues planctoniques (ou phytoplancton), zooplancton crustacés, mollusques, rotifères, protozoaires, etc.).

Rôle? Ils jouent chacun leur rôle dans l’équilibre complexe qui régit les biotopes aquatiques, en tant que maillons transitoires ou terminaux de la chaîne alimentaire, où co-existent les producteurs primaires (autotrophes) et les consommateurs d’organismes (hétérotrophes).

Ces organismes peuvent être planctoniques (vivant en suspension au sein de l’eau) ou benthiques (vivant sur le fond ou accrochés à des débris). Les formes benthiques connaissent souvent un stade planctonique au début de leur cycle vital (œufs, kystes, larves...).

Les eaux superficielles stagnantes (lacs, étangs) contiennent la faune la plus variée et les chaînes alimentaires les plus complexes. Les eaux de fleuves et rivières ont un nombre d’individus plus restreints. Cependant, chaque eau présente une population particulière, avec des variations saisonnières d’ordre qualitatif et quantitatif.

Les eaux souterraines, de type nappes phréatiques, en communication aisée avec la surface, présentent souvent une microfaune importante. Dans certaines nappes profondes (jusqu’à une cinquantaine de mètres de profondeur), la faune principalement rencontrée se compose de nématodes, d’oligochètes, de crustacés et de larves d’insectes. Ces animalcules sont en général entraînés lors du creusement du forage ou par pollution liée à un défaut de protection.

Autoépuration naturelles des eaux CHAFI

Autoépuration C’est un processus biologique naturel par lequel les polluants organiques vont se transformer dans le milieu aquatique. Son importance dépend des micro-organismes présents (bactéries), des possibilités d'oxygénation, de l'atmosphère et de la lumière.

De nombreux micro-organismes ayant différentes vitesses de croissance, tels que les bactéries, les algues, les champignons et les protozoaires sont associés à ce processus de dégradation. Les bactéries restent cependant les micro-organismes les plus impliqués dans ce processus (environ 95 % des micro-organismes présents dans une boue activée.

En présence d’un polluant

Une phase de transport permet d'amener les polluants (solubles et insolubles) du sein du liquide à la surface de la bactérie. Le substrat soluble diffuse facilement à travers la membrane, alors que les matières insolubles (particules, colloïdes et grosses molécules) sont après leur adsorption à la surface de la bactérie, hydrolysées par des exo-enzymes avant d'être à leurs tours facilement assimilables.

C'est au sein de la cellule que s'effectue la métabolisation des polluants: - l'assimilation (ou anabolisme) qui est l'utilisation des matières polluantes pour la synthèse de nouvelles cellules - la respiration (ou catabolisme) qui permet la combustion des substrats afin de libérer l'énergie nécessaire aux micro-organismes pour assurer leurs fonctions vitales - la respiration endogène au cours de laquelle les micro-organismes utilisent leur propre matière en guise de substrat.

Variation de la quantité d'oxygène dissous dans l'eau à la suite d'un apport de déchets organiques dans un cours d'eau.

EXEMPLE Après un rejet d'eaux usées dans une rivière, ces organismes se développent en utilisant les matières biodégradables et en consommant de l’oxygène. Au fur et à mesure, vers l’aval, il y aura de moins en moins de matières biodégradables dans le courant de la rivière et donc de moins en moins de consommation d'oxygène par les décomposeurs. Il arrivera finalement un endroit où l'oxygène reviendra à une valeur semblable à celle qu'il avait avant le rejet de pollution :

Evolution de la pollution d'une rivière suite à un rejet d'égout direct

Élimination de carbone Le processus de dégradation de la matière carbonée est plus rapide en aérobiose et la bactérie est plus active que les organismes plus évolués. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse.

Elimination de la pollution azotée. L’élimination de la pollution azotée est assurée biologiquement par la nitrification-dénitrification - Nitrification 1 étape: la nitritation, qui est la transformation de l'ammonium en nitrite, est essentiellement liée aux Nitrosobactéries (genre Nitrosomonas) 2 étape: la nitratation, au cours de laquelle les nitrites sont oxydés en nitrates, est principalement l’œuvre des Nitrobactéries (genre Nitrobacter).

Dénitrification Certains micro-organismes, généralement hétérotrophes, sont en fait capables, en période d'anoxie, d'utiliser les ions nitrites et nitrates au lieu de l'oxygène dissous dans leur chaîne respiratoire et donc de réaliser cette transformation de l'azote nitrique.

La nitrification en phase aérobie : NH4+ + 2O2 NO-3 + 2H+ + H2O La dénitrification en phase anaérobie : NO-3 + 6H+ + 5 e-     ½ N2 + 3 H20 Le nitrate peut être éliminé par des bactéries du genre Paracoccus et par Escherichia coli

Figure : Schéma des principaux processus participant aux mécanismes d’autoépuration (MES : Matières en suspension, MOP : matière organique particulaire)

Les processus qui participent l’autoépuration des cours d’eau dépendent de l’action conjointe de trois types de phénomènes (Fontvieille et al. 1996): des processus physiques tels que les échanges gazeux avec l’atmosphère, la sédimentation des particules en suspension ou l’adsorption sur le substrat, - des processus chimiques, bactériens et production primaire tels que la décomposition des matières organiques (minéralisation), l’assimilation des nutriments minéraux (par la végétation, le biofilm), la respiration, la nitrification, la dénitrification,

Mécanismes biologiques d’épuration: Trois séries de phénomènes sont étudiées: Bactériolyse Antibiose (eubactéries, actinomycète, mycétozoaires). Parasitisme (bactériophages, Bdellovibrio bactériovorus ). Prédation (protozoaires, ciliés en particulier).

Cependant, sur une partie du cours d'eau, les produits non-biodégradables ne sont pas éliminés et l’eau se retrouve enrichie en résidus minéraux ce qui provoque l’explosion de la croissance de végétaux (algues vertes, lentilles d'eau). C’est ce qu’on appelle l’eutrophisation. Les besoins en oxygène de ces végétaux peuvent asphyxier le milieu aquatique et entraîner la mort des autres êtres vivants de l'écosystème

Eutrophisation (un enrichissement en éléments nutritifs) qui stimule la croissance des plantes, des algues et des bactéries. Les éléments eutrophisants (matière organique (MO), azote (N), phosphore (P) En tant qu’éléments nutritifs, ils sont à la base de la production primaire et des réseaux trophiques. Apportés en excès, ils provoquent un déséquilibre : l’eutrophisation

Schéma des principales phases de l’eutrophisation des eaux

Quels sont les symptômes de l’eutrophisation? Accumulation de sédiments dans le fond du plan d’eau; Prolifération des végétaux aquatiques ; Appauvrissement de l’oxygène dans les eaux profondes Disparition des espèces de poissons les plus exigeantes en terme de concentration en oxygène Efflorescences de cyanobactéries

Menace à la santé publique Les cyanobactéries présentes dans l’eau produisent des toxines qui peuvent s’avérer dangereuses pour la santé. Ces risques sont plus ou moins importants selon les toxines. Les trois toxines produites s’attaquent aux muqueuses, à la peau, au foie ou au système nerveux.

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