CYCLES BIOGÉOCHIMIQUES

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Les métaux lourds

Les sociétés industrialisées utilisent les métaux. Or ceux-ci participent aux cycles biogéochimiques. Dans les conditions naturelles, ils se déposent lorsque le milieu ne permet plus leur mobilité. Ces dépôts varient en qualité, depuis des métaux presque purs (le cuivre [Cu] à l'état natif) jusqu'à des éléments très dispersés dont l'intérêt économique est marginal. En l'absence d'activité humaine, les métaux étaient relâchés dans l'environnement au rythme auquel l'érosion les libérait. Ces rythmes ont été considérablement modifiés par les activités minières et les modifications de l'environnement. Les activités humaines perturbent donc une fois encore les cycles biogéochimiques en modifiant les flux de métaux entre les différents réservoirs et en changeant la forme chimique sous laquelle ces éléments étaient déposés.

Les métaux ont parfois des propriétés semblables, mais tous ont des caractéristiques originales qui interviennent à un niveau ou un autre de leur cycle. Ils sont susceptibles d'établir des liens réversibles avec une grande quantité de composés, organiques ou inorganiques, qui contrôlent leur transport et leur devenir.

Les métaux dans les cycles biogéochimiques

Pour participer aux cycles biogéochimiques, il faut qu'un métal soit disponible et qu'il ait été mobilisé, c'est-à-dire rendu apte à être transporté au-delà de la zone où il s'était déposé. La disponibilité d'un métal dépend de son abondance et de la stabilité de ses minéraux. Sa mobilisation est le résultat de l'érosion chimique, qui altère les roches pour former des composés plus mobiles, ou bien de l'activité biologique : la croissance des racines broie mécaniquement les roches et expose des surfaces nouvelles à l'érosion chimique, tandis que les interactions entre les solutions du sol et les plantes modifient le pH des eaux, leur composition chimique et leur réactivité. L'activité volcanique contribue aussi à mobiliser les métaux les plus volatils (Pb, Cd, As, Hg), en extrayant les métaux des réservoirs profonds et en les injectant dans l'atmosphère.

Les métaux jouent un rôle essentiel dans de nombreux systèmes enzymatiques. Cependant, tous sont toxiques à forte teneur. Les micro-organismes jouent un rôle majeur en convertissant des composés métalliques organiques ou inorganiques en des formes chimiques solubles, transportables à travers les divers compartiments des écosystèmes aquatiques ou absorbables sur des particules.

Les activités humaines ont contribué à accroître la mobilisation des métaux. À titre d'exemple, la combustion des charbons libère des cendres très enrichies en métaux (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Pb, Se, V, Zn). Certains (As, Pb, Cd, Se, Cr, Zn) sont concentrés sur les plus fines particules qui s'échappent des cheminées et sont transportées dans l'atmosphère à de grandes distances. Sous l'action des eaux, elles sont attaquées et donnent naissance localement à des solutions couvrant des gammes de pH très larges (de 4 à 13), ce qui permet la solubilisation des métaux transportés. La disponibilité de ces métaux est ainsi accrue et ils peuvent être mobilisés, puis transportés par les rivières ou l'atmosphère jusqu'aux sédiments.

L'exemple du mercure

Le cycle naturel du mercure (Hg) est dominé par le transport atmosphérique et les échanges entre l'atmosphère et la surface des continents ou des océans. Ce métal est relâché par les volcans et par volatilisation depuis les terres et les mers. Ses temps de résidence dans l'atmosphère, les sols et l'océan sont respectivement 11 jours, 1 000 ans et 3 200 ans.

Ce cycle naturel a été très perturbé parce que les processus industriels de haute température sont responsables d'émissions importantes dans l'atmosphère. Il en résulte une augmentation de la teneur moyenne en mercure de l'air et des rivières, celle-ci pouvant atteindre localement un facteur dix.

Dans les sols, la réduction biologique de la forme oxydée de Hg(+2) conduit à la formation de Hg métal susceptible de se volatiliser, ce qui lui permet d'entrer dans le cycle biologique bactérien. Il peut alors passer dans les solutions aqueuses et l'océan, où il forme des complexes avec des ligands organiques et inorganiques et où il est associé avec la matière organique dissoute ou particulaire. Dans les sédiments, il peut être transformé en méthylmercure, composé très volatil et toxique. Celui-ci est facilement accumulé dans les organismes et envahit la totalité de la chaîne alimentaire, jusqu'à l'homme, comme cela s'est produit dans la baie de Minamata (Japon), où le mercure concentré dans le poisson fit de nombreuses victimes. Les applications industrielles du mercure sont déjà responsables de plusieurs milliers de cas d'empoisonnement.

Les cycles biogéochimiques sont d'une extrême complexité et contrôlent, pour une large part, nos conditions de vie. Les activités humaines ont considérablement perturbé les équilibres fragiles qui les régissaient. Dès maintenant, les conséquences sont visibles : accroissement de la teneur en gaz à effet de serre, modification du pouvoir oxydant de l'atmosphère, pluies acides, baisse de la qualité des eaux douces, diminution de l'ozone stratosphérique, qui nous protège du rayonnement ultraviolet.

L'écologie a montré qu'une population en croissance exponentielle dans un milieu fermé ne peut survivre à terme. Même si elle est capable de recevoir la nourriture nécessaire à sa survie, elle périt par accumulation de déchets toxiques. Les hommes vivent actuellement une telle expérience et la perturbation des cycles biogéochimiques suit étroitement la croissance de la population mondiale. Cela confirme que notre planète est un système clos et que nous ne pourrons y maintenir une vie de qualité qu'en contrôlant la croissance de la population humaine.

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Cycle du carbone

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  • : directeur de recherche au C.N.R.S., Centre des faibles radioactivités, Gif-sur-Yvette

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Pour citer l’article

Jean-Claude DUPLESSY, « CYCLES BIOGÉOCHIMIQUES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/cycles-biogeochimiques/