20.1.1 : Les polluants de l'eau et leurs sources
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Bien que des processus naturels tels que les éruptions volcaniques ou l'évaporation puissent parfois provoquer une pollution de l'eau, la majeure partie de la pollution provient d'activités humaines terrestres. Les polluants peuvent se propager dans différents réservoirs d'eau, au fur et à mesure que l'eau qui les transporte progresse au cours des étapes du cycle de l'eau (figure\(\PageIndex{a}\)). Le temps de séjour (le temps moyen qu'une molécule d'eau passe dans un réservoir) est essentiel aux problèmes de pollution car il affecte le potentiel de pollution. L'eau des rivières a un temps de séjour relativement court, de sorte que la pollution n'est généralement présente que brièvement. Bien entendu, la pollution des rivières peut simplement se déplacer vers un autre réservoir, tel que l'océan, où elle peut entraîner d'autres problèmes. Les eaux souterraines se caractérisent généralement par un débit lent et un temps de séjour plus long, ce qui peut rendre la pollution des eaux souterraines particulièrement problématique. Enfin, le temps de séjour de la pollution peut être beaucoup plus long que le temps de séjour dans l'eau, car un polluant peut être absorbé pendant une longue période dans l'écosystème ou absorbé par les sédiments.
L'eau peut être contaminée par diverses activités humaines ou par des éléments naturels existants, tels que des formations géologiques riches en minéraux. Les activités agricoles, les opérations industrielles, les décharges, les exploitations animales et les procédés de traitement des eaux usées à petite et grande échelle, entre autres, peuvent tous contribuer à la contamination. Lorsque l'eau coule sur le sol ou s'infiltre dans le sol, elle dissout les matières laissées par ces sources potentielles de contaminants. Les risques et le type d'assainissement d'un contaminant dépendent du type de produits chimiques présents.
La pollution de source ponctuelle peut être attribuée à une origine unique et définissable. Par exemple, les fermes d'élevage (figure\(\PageIndex{b}\)) élèvent un grand nombre et une forte densité de bétail, tels que des vaches, des porcs et des poulets. Les réseaux d'égouts unitaires dotés d'un seul ensemble de canalisations souterraines pour recueillir à la fois les eaux usées et les eaux pluviales des rues à des fins de traitement des eaux usées peuvent également être des sources ponctuelles majeures de polluants. En cas de fortes pluies, le ruissellement des eaux pluviales peut dépasser la capacité des égouts, ce qui provoque leur refoulement. Cela déverse des eaux usées non traitées directement dans les eaux de surface (figure\(\PageIndex{c}\)). D'autres exemples incluent les tuyaux provenant d'usines, de sites d'élimination des déchets, de réservoirs de stockage et de déversements de produits chimiques.
La pollution de source diffuse provient de multiples sources dispersées. L'ensemble de la contribution des polluants est nocif, mais les composants individuels peuvent ne pas atteindre des concentrations nocives. Les sources diffuses de pollution incluent les champs agricoles, les villes et les mines abandonnées. Les pluies s'écoulent sur la terre et le sol, captant des polluants provenant de tout le bassin versant (y compris des zones de terre et des petits cours d'eau qui se déversent dans un plan d'eau particulier). Ces polluants peuvent inclure des herbicides, des pesticides et des engrais provenant des champs agricoles et des pelouses, du pétrole, de l'antigel, des déchets animaux et du sel de voirie provenant des zones urbaines, ainsi que des éléments acides et toxiques provenant de mines abandonnées. Cette pollution est ensuite transportée par le ruissellement dans les plans d'eau de surface et les eaux souterraines. La pollution de source diffuse, qui est la principale cause de pollution de l'eau aux États-Unis, est généralement beaucoup plus difficile et coûteuse à contrôler que la pollution ponctuelle en raison de sa faible concentration, de ses sources multiples et de son volume d'eau beaucoup plus important.
Selon un rapport de 2016, il y a eu 20 912 cas de dégradation de plans d'eau aux États-Unis, ce qui signifie qu'ils ne pouvaient ni soutenir un écosystème sain ni répondre aux normes de qualité de l'eau (tableau\(\PageIndex{a}\)). Certaines causes de dégradation (polluants de l'eau) sont discutées ci-dessous, classées selon qu'elles proviennent de processus chimiques, biologiques ou physiques.
| Cause de la déficience | Nombre de plans d'eau endommagés |
|---|---|
| Polychlorobiphényles (PCB) | 3 712 |
| agents pathogènes | 2 248 |
| Nutriments | 2 228 |
| Mercure | 2 138 |
| Métaux (autres que le mercure) | 2 075 |
| Cause inconnue : altération du biote | 1 852 |
| Enrichissement organique/appauvrissement en oxygène | 1 281 |
| Turbidité | 1 175 |
| pesticides | 795 |
| Salinité/matières dissoutes totales, chlorures et sulfates | 576 |
| pH, acidité et conditions caustiques | 489 |
| sédiment | 453 |
| Température | 358 |
| Total des substances toxiques | 282 |
| Croissance des algues | 174 |
| Cause inconnue | 159 |
| Dioxines | 136 |
| Matières organiques toxiques | 127 |
| Substances inorganiques toxiques | 99 |
Polluants chimiques
La pollution chimique due à l'agriculture, à l'industrie, aux villes et à l'industrie minière menace la qualité de l'eau Les polluants atmosphériques issus de ces activités peuvent également pénétrer dans les plans d'eau (et devenir des polluants de l'eau) par le biais de dépôts secs, de précipitations et de ruissellement. Certains polluants chimiques ont des effets graves et bien connus sur la santé, tandis que de nombreux autres ont des effets sanitaires à long terme méconnus.
Toute eau naturelle contient des produits chimiques dissous, dont certains sont des nutriments importants pour l'homme tandis que d'autres peuvent être nocifs pour la santé humaine. La concentration d'un polluant de l'eau est généralement donnée en très petites unités, telles que des parties par million (ppm) ou même des parties par milliard (ppb). Une concentration d'arsenic de 1 ppm signifie 1 partie d'arsenic par million de parties d'eau. Cela équivaut à une goutte d'arsenic dans 50 litres d'eau. Pour vous donner une perspective différente de l'appréciation des petites unités de concentration, la conversion de 1 ppm en unités de longueur correspond à 1 cm (0,4 po) sur 10 km (6 miles) et la conversion de 1 ppm en unités de temps correspond à 30 secondes par an. Le total des solides dissous (TDS) représente la quantité totale de matière dissoute dans l'eau. Les valeurs moyennes de TDS pour l'eau de pluie, l'eau de rivière et l'eau de mer sont d'environ 4 ppm, 120 ppm et 35 000 ppm, respectivement.
Polluants organiques
Les polluants organiques comprennent les herbicides et les pesticides, les produits pharmaceutiques, les carburants (tels que les déversements de pétrole), les solvants et les nettoyants industriels, ainsi que les hormones synthétiques associées aux produits pharmaceutiques. Ces hormones synthétiques peuvent agir comme des perturbateurs endocriniens. Nombre d'entre eux sont des polluants organiques persistants (POP), qui vivent longtemps dans l'environnement, se bioamplifient tout au long de la chaîne alimentaire et peuvent être toxiques. Comme indiqué précédemment, le DDT (pesticide), la dioxine (sous-produit herbicide) et les PCB (biphényles polychlorés, utilisés comme isolants liquides dans les transformateurs électriques) sont tous des POP.
Le Love Canal, à Niagara Falls, dans l'État de New York, est un exemple de contamination par des produits chimiques organiques (Figure\(\PageIndex{d}\)). De 1942 à 1952, la Hooker Chemical Company a jeté plus de 21 000 tonnes de déchets chimiques, y compris des hydrocarbures chlorés, dans un canal et l'a recouvert d'une fine couche d'argile. Les hydrocarbures chlorés constituent un vaste groupe de produits chimiques organiques dotés de groupes fonctionnels chlorés, dont la plupart sont toxiques et cancérigènes pour l'homme (le DDT et les PCB en sont des exemples). L'entreprise a vendu le terrain au New York School Board, qui l'a transformé en quartier. Lorsque les habitants ont commencé à souffrir de graves problèmes de santé et que des flaques de liquide huileux ont commencé à s'accumuler dans les sous-sols des résidents, le quartier a dû être évacué. Ce site est devenu un site Superfund de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis, un site financé et supervisé par le gouvernement fédéral pour assurer son nettoyage.
Polluants organiques
Les polluants inorganiques (figure\(\PageIndex{e}\)) comprennent des nutriments tels que les nitrates (NO 3 -) et les phosphates (PO 4 3 -), les métaux lourds, le chlorure (Cl -) et les isotopes radioactifs libérés lors d'accidents miniers ou nucléaires (tels que le césium, iode, uranium et radon). Les nutriments peuvent provenir de matériaux géologiques, tels que des roches riches en phosphore, mais proviennent le plus souvent d'engrais et de déchets animaux et humains. Les eaux usées non traitées et les eaux de ruissellement agricoles concentrent de l'azote et du phosphore qui sont essentiels à la croissance des microorganismes. Les nutriments tels que les nitrates et les phosphates présents dans les eaux de surface peuvent favoriser la croissance de microbes, tels que les algues bleues (cyanobactéries), qui à leur tour appauvrissent l'oxygène dissous (O 2) et produisent des toxines. Ce processus est connu sous le nom d'eutrophisation (discuté ci-dessous ainsi que précédemment dans Cycles biogéochimiques, menaces à la biodiversité et agriculture industrielle).
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Parmi les métaux lourds, citons l'arsenic, le mercure, le plomb, le cadmium et le chrome, qui peuvent se bioaccumuler et se bioamplifier tout au long de la chaîne alimentaire. L'arsenic (As) pénètre naturellement dans l'approvisionnement en eau à la suite de l'altération de minéraux riches en arsenic et d'activités humaines telles que la combustion du charbon et la fusion de minerais métalliques. Le pire cas d'empoisonnement à l'arsenic s'est produit dans le pays pauvre et densément peuplé du Bangladesh, qui avait enregistré chaque année 100 000 décès dus à la diarrhée et au choléra en buvant de l'eau de surface contaminée par des agents pathogènes en raison d'un traitement inadéquat des eaux usées. Dans les années 1970, les Nations Unies ont fourni une aide à des millions de puits d'eau peu profonds, ce qui a entraîné une baisse spectaculaire des maladies pathogènes. Malheureusement, de nombreux puits produisaient de l'eau naturellement riche en arsenic. Malheureusement, on estime que 77 millions de personnes (environ la moitié de la population) pourraient avoir été exposées par inadvertance à des niveaux toxiques d'arsenic au Bangladesh en conséquence. L'Organisation mondiale de la santé l'a qualifiée de plus grave empoisonnement de masse de l'histoire de la population.
Le mercure entre naturellement dans l'approvisionnement en eau à la suite de l'altération de minéraux riches en mercure et, comme le mercure, d'activités humaines telles que la combustion du charbon et le traitement des métaux. Un cas célèbre d'empoisonnement au mercure à Minamata, au Japon, était lié à des rejets industriels riches en méthylmercure qui ont provoqué des niveaux élevés de mercure dans les poissons. Les habitants des villages de pêcheurs locaux ont mangé du poisson jusqu'à trois fois par jour pendant plus de 30 ans, ce qui a entraîné la mort de plus de 2 000 personnes. Au cours de cette période, l'entreprise responsable et le gouvernement national n'ont pas fait grand-chose pour atténuer, atténuer ou même reconnaître le problème.
Le sel, généralement le chlorure de sodium, est un contaminant inorganique courant. Il peut être introduit dans les eaux souterraines à partir de dépôts naturels ou de sources anthropiques, comme les sels appliqués sur les routes en hiver pour empêcher la formation de glace (figure\(\PageIndex{f}\)). La contamination par le sel peut également résulter d'une intrusion d'eau salée, où des cônes de dépression autour du pompage de l'eau douce près des côtes de l'océan provoquent l'empiètement de l'eau salée dans le plan d'eau douce.
L'acidité ou l'alcalinité d'un plan d'eau peut également avoir une incidence sur sa qualité. Le pH est une mesure de la concentration d'ions hydrogène (protons) dans une solution, qui détermine le degré d'acide ou de base (alcalin) d'une solution. Les solutions acides ont une concentration élevée en ions hydrogène et un pH inférieur à 7, tandis que les solutions basiques ont un pH supérieur à 7. Le pH de l'eau douce varie généralement entre 5 et 9, et l'eau salée est légèrement basique (pH = 8,2) dans un écosystème sain. Lorsque les conditions sont trop acides, certains animaux aquatiques ne peuvent pas se reproduire et les structures du carbonate de calcium (palourdes, escargots, coraux, etc.) se dissolvent. Les dépôts acides sont abordés plus en détail plus loin dans ce chapitre, et l'acidification des océans est abordée dans le chapitre suivant.
L'eau dure contient beaucoup de calcium et de magnésium, ce qui réduit sa capacité à produire de la mousse savonneuse et favorise la formation de tartre (minéraux de carbonate de calcium et de magnésium) sur les équipements d'eau chaude. Les adoucisseurs d'eau éliminent le calcium et le magnésium, ce qui permet à l'eau de mousser facilement et d'empêcher les minéraux de précipiter sur les surfaces (figure\(\PageIndex{g}\)). L'eau dure se forme naturellement à partir de la dissolution des minéraux de carbonate de calcium et de magnésium dans le sol ; elle n'a aucun effet négatif sur la santé humaine.
Polluants biologiques
Les agents pathogènes (microorganismes infectieux ou virus) pénètrent dans l'eau principalement à partir de déchets fécaux humains et animaux en raison d'un traitement inadéquat des eaux Dans de nombreux pays sous-développés, les eaux usées sont rejetées dans les eaux locales soit sans traitement, soit après un traitement rudimentaire. Dans les pays développés, les eaux usées non traitées peuvent provenir de débordements de réseaux d'égouts unitaires, de fermes d'élevage mal gérées et de systèmes de collecte des eaux usées qui fuient ou ne fonctionnent pas. L'eau contenant des agents pathogènes peut être traitée en ajoutant du chlore ou de l'ozone (O 3), en la faisant bouillir ou en traitant les eaux usées en premier lieu.
Sources physiques de pollution
Les déchets, les sédiments et la pollution thermique proviennent de sources physiques de pollution (figure\(\PageIndex{h}\)). Les déchets ont fait l'objet de nombreuses discussions dans la gestion des déchets Les sédiments excédentaires pénètrent dans les plans d'eau lorsque diverses utilisations des terres, telles que l'exploitation minière, la déforestation et l'agriculture, augmentent l'érosion. Les sédiments peuvent transporter des toxines ou un excès de nutriments, et ils obscurcissent l'eau (ce qui entraîne de la turbidité). La turbidité empêche les plantes aquatiques d'accéder à suffisamment de lumière solaire. La pollution thermique se produit lorsque la température de l'eau dépasse sa plage naturelle. De nombreuses centrales électriques (telles que le charbon, le gaz naturel, le nucléaire, etc.) dépendent de l'eau de l'environnement pour se refroidir. Cette eau est rejetée dans les plans d'eau à une température plus élevée que d'habitude. Les températures élevées perturbent les organismes aquatiques pour plusieurs raisons ; l'une d'entre elles est que les eaux plus chaudes ne peuvent pas contenir autant d'oxygène dissous (voir figure ci-dessous\(\PageIndex{i}\)). Les barrages peuvent également augmenter la température de l'eau au détriment des organismes qui y vivent.
Demande biochimique en oxygène, hypoxie et eutrophisation
Les déchets exigeants en oxygène sont des polluants extrêmement importants pour les écosystèmes. La plupart des eaux de surface en contact avec l'atmosphère contiennent une petite quantité d'oxygène dissous, dont les organismes aquatiques ont besoin pour la respiration cellulaire. Les décomposeurs, tels que les bactéries et les champignons, assurent également la respiration cellulaire et consomment de l'oxygène lorsqu'ils décomposent les matières organiques mortes.
Une trop grande quantité de matière organique en décomposition dans l'eau est un polluant car elle élimine l'oxygène de l'eau, ce qui peut tuer les poissons, les crustacés et les insectes aquatiques. La quantité d'oxygène utilisée par la décomposition aérobie (en présence d'oxygène) de la matière organique est appelée demande biochimique en oxygène (DBO). Les eaux usées constituent la principale source de matière organique morte dans de nombreuses eaux naturelles ; l'herbe et les feuilles sont des sources plus petites.
Un plan d'eau non pollué par rapport à la DBO est une rivière turbulente qui traverse une forêt naturelle. La turbulence met continuellement l'eau en contact avec l'atmosphère où la teneur en oxygène dissous est rétablie. La teneur en oxygène dissous dans une telle rivière varie de 10 à 14 ppm. Lorsque la demande biologique en oxygène est faible, les poissons d'eau propre tels que la truite prospèrent (figure\(\PageIndex{j}\)).
Un plan d'eau pollué par rapport à la DBO est un lac profond et stagnant en milieu urbain doté d'un réseau d'égouts unitaires. Ce système favorise un apport élevé de carbone organique mort provenant des débordements d'eaux usées et limite les chances de circulation de l'eau et de contact avec l'atmosphère. Dans un tel lac, la teneur en oxygène dissous est ≤ 5 ppm. La demande biologique en oxygène est élevée et les poissons tolérants à de faibles niveaux d'oxygène, tels que la carpe et le poisson-chat, dominent (figure\(\PageIndex{k}\)).
Les nutriments excessifs, en particulier l'azote (N) et le phosphore (P), sont des polluants étroitement liés aux déchets exigeants en oxygène. Les plantes et les algues ont besoin de 15 à 20 nutriments pour leur croissance, dont la plupart sont abondants dans l'eau. L'azote et le phosphore sont toutefois appelés nutriments limitants, car ils sont généralement présents dans l'eau à de faibles concentrations et limitent donc la croissance totale des plantes. Cela explique pourquoi l'azote et le phosphore sont des ingrédients majeurs de la plupart des engrais.
De fortes concentrations de nutriments limitants, en particulier d'azote (N) et de phosphore (P), provenant de sources humaines (principalement les eaux de ruissellement agricoles et urbaines, y compris les engrais, les eaux usées et les détergents à base de phosphore) peuvent provoquer une eutrophisation culturelle, ce qui entraîne la croissance rapide des producteurs aquatiques, en particulier algues. D'épais tapis d'algues flottantes ou de plantes enracinées entraînent une forme de pollution de l'eau qui endommage l'écosystème en obstruant les branchies des poissons et en bloquant la lumière du soleil (figure\(\PageIndex{k}\)). Un faible pourcentage des espèces d'algues produisent des toxines qui peuvent tuer les animaux, y compris les humains. La croissance exponentielle de ces algues est appelée prolifération d'algues toxiques.
Lorsque la couche d'algues prolifique meurt, elle devient un déchet exigeant en oxygène, ce qui peut créer de très faibles concentrations d'oxygène dans l'eau (< 2 ppm), une condition appelée hypoxie. Il en résulte une zone morte, car elle entraîne la mort par asphyxie d'organismes incapables de quitter cet environnement (figure\(\PageIndex{l}\)). Environ 50 % des lacs d'Amérique du Nord, d'Europe et d'Asie sont affectés négativement par l'eutrophisation. L'eutrophisation et l'hypoxie sont difficiles à combattre car elles sont principalement causées par la pollution diffuse, difficile à réguler, et l'azote et le phosphore sont difficiles à éliminer des eaux usées.
Attribution
Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :
- Contamination de l'eau due à une introduction à la géologie par Johnson et al. (sous licence CC-BY-NC-SA)
- Pollution de l'eau due à la biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)
- L'industrialisation de la nature : une histoire moderne (1500 à nos jours), extrait de Sustainability : A Comprehensive Foundation par Tom Theis et Jonathan Tomkin, éditeurs. Téléchargez gratuitement sur CNX. (sous licence CC-BY)