Une étude internationale montre que l'eau douce polluée par des matières fécales peut être déterminée plus rapidement et de manière plus fiable en utilisant une nouvelle technique. Crédit :De Jiao et al, doi :10.1126/sciadv.abc7318. Ce travail est sous licence CC BY-NC.
Une étude internationale montre que l'eau douce polluée par des matières fécales peut être déterminée plus rapidement et de manière plus fiable grâce à une nouvelle technique.
Lorsque les eaux usées des villages et des villes se déversent dans les rivières et les lacs, de grandes quantités de graisses, de protéines, de sucres et d'autres substances organiques contenant du carbone se retrouvent dans la nature avec les matières fécales. Ces substances organiques sont décomposées par des bactéries qui consomment de l'oxygène. Plus le volume d'eaux usées est important, plus les bactéries se développent. Cela signifie cependant que la teneur en oxygène de l'eau continue de diminuer jusqu'à ce que les poissons, les moules ou les vers manquent littéralement d'air. Cela a créé des zones de mort à faible teneur en oxygène dans de nombreuses rivières et lacs du monde entier.
Aucun étalon-or pour les mesures jusqu'à présent
Afin de mesurer à quel point les eaux sont polluées par les matières organiques provenant des matières fécales, les organismes gouvernementaux et les chercheurs en environnement prélèvent régulièrement des échantillons d'eau. Une méthode de mesure largement utilisée utilise une réaction chimique pour déterminer la teneur en substances organiques. Comme le montre maintenant une équipe internationale de scientifiques, cette méthode établie fournit des valeurs à partir desquelles le degré réel de pollution de l'eau peut difficilement être dérivé. Le professeur Helmuth Thomas, directeur de l'Institut des cycles du carbone d'Hereon, contribue également à l'étude, qui a maintenant été publiée dans la revue scientifique Science Advances . "Dans le document, nous introduisons donc également une nouvelle méthode pour rendre les mesures beaucoup plus fiables à l'avenir", dit-il.
En utilisant la méthode de mesure conventionnelle, des échantillons d'eau sont mélangés avec les produits chimiques permanganate ou dichromate. Ceux-ci sont particulièrement réactifs et décomposent toutes les substances organiques en peu de temps. La quantité de permanganates ou de dichromates consommés peut ensuite être utilisée pour déterminer la quantité de substance organique contenue dans l'échantillon d'eau.
Les experts appellent cette mesure la « demande chimique en oxygène », DCO. Le problème avec les mesures de DCO est qu'elles ne font pas la différence entre les substances organiques qui se retrouvent dans l'eau avec les eaux usées et celles qui se produisent naturellement - comme la lignine et les acides humiques - qui sont libérées lorsque le bois se décompose. Cela signifie que la pollution de l'eau peut difficilement être distinguée de la teneur naturelle en substances organiques.
« Pour le fleuve Han en Corée du Sud, par exemple, nous avons montré que la pollution par les substances organiques des eaux usées au cours des vingt-cinq dernières années a diminué. Les mesures de DCO, cependant, montrent toujours des valeurs élevées comme elles l'étaient auparavant », explique Helmuth Thomas, « car ici, les substances naturelles constituent une grande partie de la matière organique de l'eau. »
Analyse biologique compliquée
Mais comment mesurer la pollution réelle de manière plus fiable ? Une méthode de mesure biologique a été établie ici depuis des décennies, mais elle est beaucoup plus complexe que la méthode DCO et est donc plus rarement utilisée par les organismes gouvernementaux et les instituts de recherche. Dans ce cas, un échantillon d'eau est prélevé dans la rivière ou le lac et la teneur en oxygène de l'eau est mesurée comme valeur initiale. Un autre « échantillon parallèle » est immédiatement scellé hermétiquement. Ensuite, cet échantillon d'eau repose pendant cinq jours. Pendant ce temps, les bactéries décomposent la substance organique et consomment progressivement l'oxygène de l'eau. Après cinq jours, le récipient est ouvert et l'oxygène est mesuré. Si l'eau contient beaucoup de matière organique, les bactéries sont particulièrement actives. La consommation d'oxygène était alors élevée en conséquence. Les experts se réfèrent à la "demande biologique en oxygène" (DBO) dans cette mesure.
"La mesure de la DBO est beaucoup plus précise que la DCO car les bactéries décomposent préférentiellement les petites molécules organiques des eaux usées mais laissent les naturelles, comme la lignine, intactes", explique Thomas. Néanmoins, la mesure de la DBO a aussi ses inconvénients. D'une part, la mesure DBO prend cinq jours, tandis que la valeur DCO est disponible après quelques minutes. D'autre part, lors du remplissage, du stockage et de la mesure des échantillons d'eau, un soin méticuleux doit être pris pour s'assurer qu'aucun oxygène de l'air ambiant ne se retrouve dans l'échantillon et ne fausse la valeur de mesure. "Seules quelques personnes ayant une grande expérience en laboratoire ont maîtrisé la gestion complète de la mesure de la DBO", déclare Thomas. "Par conséquent, les organismes gouvernementaux et les chercheurs préfèrent encore aujourd'hui la COD malgré ses plus grandes incertitudes."
Méthode plus rapide et plus fiable
Helmuth Thomas et son équipe introduisent donc une méthode alternative qui améliore la mesure conventionnelle de la DBO. L'avantage de la méthode est qu'un seul échantillon d'eau est nécessaire, qui est immédiatement scellé et la consommation d'oxygène est mesurée sans interférer avec l'échantillon. Il n'est donc pas nécessaire d'ouvrir à nouveau l'échantillon après cinq jours pour mesurer la teneur en oxygène. Cela empêche l'échantillon d'entrer à nouveau en contact avec l'oxygène atmosphérique.
Avec la nouvelle approche, une fibre optique est insérée dans le récipient d'échantillon dès que l'échantillon d'eau est rempli. Grâce à cette fibre, la teneur en oxygène peut être mesurée en continu directement dans l'échantillon à l'aide d'effets optiques. Thomas déclare :"Nous pouvons mesurer la teneur en oxygène en continu et obtenir une image beaucoup plus précise de la consommation d'oxygène par les bactéries."
Les premiers tests ont montré qu'un résultat significatif est déjà disponible après environ quarante-huit heures, ce qui accélère considérablement la mesure de la DBO. Dans l'ensemble, la méthode optique rend les mesures de DBO non seulement plus fiables, mais aussi plus rapides. Helmuth Thomas suppose que la nouvelle méthode dans les années à venir sera donc établie comme la nouvelle norme, qui remplacera à la fois les mesures DCO et DBO classiques. À l'avenir, par exemple, il sera possible de déterminer de manière plus fiable qu'auparavant si les mesures de contrôle de la pollution de l'eau sont réellement efficaces.
Référence :"Corriger une erreur majeure dans l'évaluation de la pollution par le carbone organique dans les eaux naturelles" par Nianzhi Jiao, Jihua Liu, Bethanie Edwards, Zongqing Lv, Ruanhong Cai, Yongqin Liu, Xilin Xiao, Jianning Wang, Fanglue Jiao, Rui Wang, Xingyu Huang, Bixi Guo, Jia Sun, Rui Zhang, Yao Zhang, Kai Tang, Qiang Zheng, Farooq Azam, John Batt, Wei-Jun Cai, Chen He, Gerhard J. Herndl, Paul Hill, David Hutchins, Julie LaRoche, Marlon Lewis, Hugh MacIntyre, Luca Polimene, Carol Robinson, Quan Shi, Curtis A. Suttle, Helmuth Thomas, Douglas Wallace et Louis Legendre, 14 avril 2021, Science Advances .
DOI :10.1126/sciadv.abc7318
