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L’eau douce, matière vitale

vendredi 10 juin 2011 par Joëlle Mirabaud

Par Coline HUGONET, Emmanuel MAURER et Dimitri MARQUETTE

Introduction
Parmi les aspects écologiques des nouvelles normes de construction, nous avons fait une recherche documentaire sur l’étude expérimentale des techniques de gestion des eaux en milieu urbain et dans notre lycée : toit végétalisé, bassin de récupération des eaux de pluie pour l’arrosage du jardin, piscine naturelle en autonomie grâce aux plantes...
Cette année, les élèves ont choisi de répondre à cette question :

Pourquoi l’eau du bassin de récupération verdit-elle ?

Parmi les aspects écologiques des nouvelles normes de construction, nous avons vu que l’eau de pluie est récupérée par l’intermédiaire du toit et des goutières dans un bassin. Ce bassin sert pour l’arrosage du jardin. Mais très rapidement, surtout s’il fait chaud, cette eau perd sa limpidité !
Pourquoi cette eau de récupération verdit-elle ? Que contient-elle ?

Prélèvement d’eau :
Le lycée ne possédant pas encore son bassin de récupération des eaux de pluie, nous avons d’abord été prélever de l’eau dans la mare du parc du lycée entre les préfabriqués du village, pour la tester.

Filtration
Cette eau étant boueuse, nous nous sommes demandé quel filtre utiliser. Nous allons filtrer l’eau en construisant un filtre avec 3 types de grains différents. N’étant pas d’accord sur l’ordre efficace, nous en avons fait 2 :
- Le premier filtre où il y avait dans l’ordre d’ajout : graviers, gravillons et sable au dessus.
- Le deuxième filtre où il y avait dans l’ordre d’ajout : sable, gravillons et graviers au dessus.
Il s’est avéré que le filtre numéro 2 était bien plus efficace, les particules étant arrètées en fonction de leur taille sans boucher le filtre ni déborder.

Mesure des caractéristiques de l’eau :
Pour chaque test, on met dans un tube à essai 5ml d’eau :
- eau de la mare du lycée, filtrée avec du sable en dessous (A).
- eau du robinet (B)
- eau de la mare verte du jardin d’Adrien (C)

La mesure du pH
Le pH indique le degré d’acidité des eaux, entre 1 et 7 le milieu sera acide, égal à 7 le milieu sera neutre, entre 7et 14 le milieu sera basique. Plutôt que d’utiliser du papier pH, nous avons eu envie d’utiliser du jus de choux. On a mis 5mL de jus de choux dans chacun des tubes à essais + 5mL d’eau à tester. L’eau de mare du lycée et l’eau du robinet ont un pH neutre, l’eau verte a un pH acide. Le pH est lié à l’oxygène dissous, en effet lorsque les eaux sont bien oxygénées le pH est élevé.

Dureté de l’eau
Une eau est dure lorsque sa concentration en sels de calcium et de magnésium est importante. Une eau est douce lorsque sa concentration en sels de calcium et de magnésium est faible. On a mesuré cette dureté avec un kit du commerce. L’eau du robinet est calcaire, dite dure, avec une moyenne de 32°f (degrés français). L’eau des mares est douce bien que l’eau de pluie ait déjà dissous des sels minéraux du sol argileux en surface qui les porte (10°f).

La concentration en nitrite et nitrate
Les déchets (urine, excréments, débris végétaux, excès de nourriture, poissons morts...) sont constamment libérés : ces produits azotés sont rapidement dégradés et transformés dans l’eau en ion ammonium (NH4+), soluble dans l’eau et invisible mais qui est toxique. Le cycle de l’azote représente les transformations que l’ammoniaque va subir pour être dégradée. Un premier type de bactéries, appelées Nitrosomonas va d’abord se charger de transformer l’ammoniaque toxique en nitrites (NO2-) un peu moins toxiques. D’autres bactéries Nitrobacter et Nitrospira vont dégrader les nitrites en nitrates (NO3-), composant peu toxique cette fois (sauf à fortes doses).
Cette concentration a aussi été mesuré avec ce kit. L’eau du robinet est chargée de 16mg/L (max autorisé = 50mg/L).

Unicellulaires microscopiques
Le verdissement pourrait être lié à la présence d’algues invisibles à l’œil nu, aussi avons-nous décidé d’observer cette eau au microscope. A grossissement x 600, on voit des êtres unicellulaires, des "grosses" algues vertes, ici des euglènes, et des petites bactéries.
Nous les avons comptés à l’aide de lames spéciales, les lames Kova, cadrillées.
Technique de comptage : Chaque lame comporte 10 puits de comptage contenant 1µL de liquide (ou 1mm3). La goutte doit être posée dans le coin coupé, elle rentre entre lame et lamelle par capilarité. Chaque puits de comptage comprend une grille comportant 9 grands carrés, un grand carré contient 0,1µL et est découpé en 9 petits carrés contenant 0,01µL. Selon le nombre de cellules, on les compte dans un seul carré choisi parmis les 3 tailles et on multiplie le nombre trouvé par le volume pour estimer le nombre dans le volume de départ.
Résultat : l’eau A contient 1000 bactéries par µL et pas d’algue, l’eau B ne contient pas d’algue ni de bactérie, l’eau C contient 780 bactéries et 200 algues par µL...
Pour prouver que ce sont bien les algues responsables du verdissement, nous avons mis 1 tube d’eau verdie dans le noir dans un placard fermé et 1 autre tube d’eau verdie sous une lampe ultraviolet. La semaine suivante, l’eau était claire. Au microscope, nous n’avons pas trouvé de cellules, tuées par les UV puis décomposées. Par contre nous avons trouvé des algues, moitié moins que la semaine précédente, ayant survécu à la semaine dans le noir, mais leurs chloroplastes étaient presque transparents, sans chlorophylle pour faire la photosynthèse.

Lien entre sels minéraux et algues
Pour quantifier le lien entre les concentrations en sels minéraux et les algues, nous avons réalisé un nouveau test. Nous avons rempli 4 erlenmeyers de 250 mL d’eau verdie, le D étant le témoin.
2 semaines plus tard, le nombre d’algues, qui était en moyenne de 200algues par µL, a évolué :

tubes A B C D
KNOP en mL 5 10 20 0
nombre d’algues 300 500 150 250

Le nombre d’algues unicellulaires est bien proportionné à la concentration en sels minéraux, à l’exception de la concentration 20mL de KNOP. Or, les cellules sont moins pleines sous notre microscope, le milieu trop concentré en sels minéraux les a déshydratées.

Evolution de la couleur de l’eau en fonction des algues :
Pour prouver que ce sont bien les algues responsables du verdissement, nous avons mis 1 tube d’eau verdie dans le noir dans un placard fermé et 1 autre tube d’eau verdie sous une lampe ultraviolet.
La semaine suivante, l’eau des 2 tubes était claire alors que l’eau verte resté à la lumière normale avait continué à verdire.
Nous avons alors observé l’eau des 2 tubes au microscope. Dans le tube sous UV, nous n’avons pas trouvé de cellules, tuées par les UV puis décomposées. Par contre, dans l’eau du tube resté à l’obscurité, nous avons trouvé des algues, moitié moins que la semaine précédente, ayant survécu à la semaine dans le noir, mais leurs chloroplastes étaient presque transparents : la cellule ne fabrique plus de chlorophylle quand la photosynthèse est impossible.

Influence de la chaine alimentaire
Pour comprendre comment une eau claire peut verdir, nous avons rempli 3 aquariums avec 4L d’eau de source et 1L d’eau de mare verte. Nous n’avons rien ajouté dans le premier , dans le deuxième une algue , dans le troisième un poisson combattant et une algue de même taille et de même espèce que la précédente.
Nous avons choisi un combattant car il accepte une température de 20°C et 5L lui suffisent. Le combattant doit etre seul si c’est un mâle, sinon il se battrait. Comme nous ne voulons pas faire un élévage, nous avons qu’un mâle. Il a besoin d’abris pour se cacher et chasser à l’affût, il se nourrit de vers, de larves. Il a besoin de plantes pour oxygéner l’eau. Il faut mettre des graviers dans l’aquarium , pour maintenir les plantes et les excréments au sol. Pour 1 seul poisson , il faut à peu près 5 litres d’eau minimum. Pour transposer le poisson dans l’aquarium, suite aux conseils du magasin, nous avons laissé ouvert le sac plastique qui contenait le poisson, sac placé dans l’aquarium pendant 15 minutes, avant de l’y verser pour éviter un choc thermique.
Nous avons choisi la plante Hygrophila car elle est très facile d’adaptation donc recommandée aux débutants. C’est une plante à tige et feuilles vertes.
Chaque semaine, nous avons mesuré les caractéristiques des 3 aquariums.
Les aquariums 1et 2 se sont peu à peu acidifiés. L’hydrophila doit aussi tendre à acidifier l’eau.
La concentration en nitrite a un peu augmenté dans l’eau avec le poisson et n’a pas évolué dans les 2 autres.
La concentration en calcaire n’a pas évolué.
Nous avons aussi mesuré la concentration en O2 avec ExAO. L’eau verte est devenue peu à peu très pauvre en O2. L’eau verte avec la plante n’a pas changée. L’eau verte avec la plante et le poisson a perdu en O2 et ella a verdi, sans doute à cause des excréments du poisson qui ont été transformés en nitrite, nourriture des algues unicellulaires ; le dioxygène apporté par l’Hygrophila a partiellement compensé la perte de dioxygène par développement bactérien consommant les excrêments.
Après consultation de l’index biotique, en nous appuyant sur nos mesures et sur l’identification des êtres vivants dans ces 3 aquqriums, nous pouvons classer l’eau verte avec les euglènes en eau polluée, et l’eau moins verte avec hygrophila, diatomées et spyrogyres en peu pollué. L’eau avec l’hygrophila et le combattant est moyennement polluée.

Conclusion
L’eau du bassin ou de la mare verdit car elle subit une eutrophisation, ce qui peut se résumer en une surfertilisation des eaux. Dès que la température et l’ensoleillement sont suffisants, des algues unicellulaires et filamenteuses se développement en excès.
Ces algues servent normalement de nourriture au zooplancton et à différents types d’invertébré filtrants. Mais si ces algues se développent plus vite qu’elles ne sont consommées, elles entraînent un déséquilibre de l’ensemble du système. Cette matière organique en excés provoque une demande biologique en oxygène beaucoup plus importante que dans un milieu équilibré.
Au lieu de servir de nourriture dans la chaîne alimentaire - qui aboutit normalement au poisson - quand il y a eutrophisation, ces algues vont les asphyxier en consommant tout l’oxygène du milieu et en rendant impossible son renouvellement. Dans des conditions normales en présence d’oxygène, les bactéries et autres micro-organismes du fond, transforment (ou plutôt recyclent) la matière organique morte en matière minérale (azote, phosphore). Une excessive richesse en matières organiques à décomposer, jointe à l’épuisement des réserves d’oxygène du milieu, favorise, au contraire, le développement des bactéries sulfidoréductrices (oeuf pourri), qui n’assurent pas une décomposition totale de la matière organique.
Elles dégagent, en plus, des gaz toxiques (anhydride sulfureux et méthane), lesquels contribuent à l’asphyxie complète de l’écosystème.


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Lycée Jules-Hardouin Mansart de Saint Cyr L’Ecole (académie de Versailles)
Directeur de publication : Christine Joureau