Eutrophisation - Eutrophication

Floraison d'algues dans une rivière près de Chengdu , Sichuan, Chine.

L'eutrophisation (du grec eutrophos , "bien nourri") est le processus par lequel une masse d'eau entière , ou des parties de celle-ci, s'enrichit progressivement de minéraux et de nutriments . Il a également été défini comme "l'augmentation de la productivité du phytoplancton induite par les nutriments ". Les plans d'eau avec des niveaux de nutriments très faibles sont appelés oligotrophes et ceux avec des niveaux de nutriments modérés sont appelés mésotrophes . L'eutrophisation avancée peut également être appelée conditions dystrophiques et hypertrophiques . L'eutrophisation des écosystèmes d'eau douce est presque toujours causée par un excès de phosphore.

Avant l'intervention humaine, il s'agissait et continue d'être un processus naturel très lent au cours duquel les éléments nutritifs, en particulier les composés phosphorés et la matière organique, s'accumulent dans les plans d'eau. Ces nutriments proviennent de la dégradation et de la dissolution des minéraux dans les roches et de l'effet des lichens, des mousses et des champignons qui nettoient activement les nutriments des roches. L' eutrophisation anthropique ou culturelle est souvent un processus beaucoup plus rapide dans lequel des nutriments sont ajoutés à un plan d'eau à partir d'une grande variété d'intrants polluants, y compris les eaux usées non traitées ou partiellement traitées , les eaux usées industrielles et les engrais issus des pratiques agricoles. La pollution par les nutriments , une forme de pollution de l' eau , est une cause principale d'eutrophisation des eaux de surface , dans laquelle l'excès de nutriments, généralement l' azote ou le phosphore , stimule la croissance des algues et des plantes aquatiques .

L'effet visible de l'eutrophisation est souvent la prolifération d'algues nuisibles qui peuvent entraîner une dégradation écologique substantielle des plans d'eau et des cours d'eau associés. Ce processus peut entraîner un appauvrissement en oxygène du plan d'eau après la dégradation bactérienne des algues.

Les approches de prévention et d'inversion de l'eutrophisation comprennent : la minimisation de la pollution de source ponctuelle provenant des eaux usées et la minimisation de la pollution par les nutriments provenant de l'agriculture et d'autres sources de pollution diffuse . Les coquillages dans les estuaires, la culture d'algues et la géo-ingénierie dans les lacs sont également utilisés, certains au stade expérimental.

Mécanisme et localisation de l'eutrophisation

L'eutrophisation est un processus d'augmentation de la production de biomasse dans un plan d'eau causé par des concentrations croissantes de nutriments végétaux, le plus souvent de phosphate et de nitrate . L'augmentation des concentrations de nutriments entraîne une augmentation de la fécondité des plantes aquatiques , à la fois des macrophytes et du phytoplancton . Au fur et à mesure que de plus en plus de matériel végétal devient disponible en tant que ressource alimentaire, il y a une augmentation associée des invertébrés et des espèces de poissons . Au fur et à mesure que le processus se poursuit, la biomasse de la masse d'eau augmente mais la diversité biologique diminue. Avec une eutrophisation plus sévère, la dégradation bactérienne de la biomasse excédentaire entraîne une consommation d'oxygène, ce qui peut créer un état d' hypoxie au moins dans les sédiments de fond et les couches d'eau plus profondes. Les zones hypoxiques se trouvent généralement dans les lacs d'eau profonde pendant la saison estivale en raison de la stratification dans l' hypolimnion froid pauvre en oxygène et l' épilimnion chaud riche en oxygène . Les eaux douces fortement eutrophes peuvent devenir hypoxiques sur toute leur profondeur à la suite de fortes proliférations d'algues ou de proliférations de macrophytes.

Selon l'Encyclopédie d'Ullmann, "le principal facteur limitant de l'eutrophisation est le phosphate". La disponibilité du phosphore favorise généralement une croissance et une décomposition excessives des plantes, entraînant une grave réduction de la qualité de l'eau. Le phosphore est un nutriment nécessaire à la vie des plantes et constitue le facteur limitant de la croissance des plantes dans la plupart des écosystèmes d'eau douce. Le phosphate adhère étroitement aux particules du sol, il est donc principalement transporté par l'érosion et le ruissellement. Une fois délocalisé dans les lacs, l'extraction du phosphate dans l'eau est lente, d'où la difficulté d'inverser les effets de l'eutrophisation. Dans les écosystèmes marins, l' azote et le fer sont les principaux nutriments limitants pour l'accumulation de la biomasse algale.

Les sources d'excès de phosphate sont les phosphates dans les détergents , les eaux de ruissellement industrielles/domestiques et les engrais. Avec l'élimination progressive des détergents contenant du phosphate dans les années 1970, le ruissellement industriel/domestique et l'agriculture sont devenus les principaux contributeurs à l'eutrophisation.

L'eutrophisation a été reconnue comme un problème de pollution de l'eau dans les lacs et réservoirs européens et nord-américains au milieu du 20e siècle. Des recherches révolutionnaires menées dans la région des lacs expérimentaux (RLE) en Ontario, au Canada, dans les années 1970 ont fourni la preuve que les plans d'eau douce sont limités en phosphore. L'ELA utilise l' approche écosystémique globale et des études d'eau douce à long terme sur l'ensemble du lac en se concentrant sur l'eutrophisation culturelle.

Le triphosphate de sodium , autrefois un composant de nombreux détergents, était un contributeur majeur à l'eutrophisation.
1. L'excès de nutriments est appliqué au sol. 2. Certains éléments nutritifs s'infiltrent dans le sol et s'écoulent plus tard dans les eaux de surface. 3. Certains nutriments s'écoulent sur le sol dans le plan d'eau. 4. L'excès de nutriments provoque une prolifération d'algues. 5. La prolifération d'algues réduit la pénétration de la lumière. 6. Les plantes sous la prolifération d'algues meurent parce qu'elles ne peuvent pas obtenir la lumière du soleil pour effectuer la photosynthèse. 7. Finalement, la prolifération d'algues meurt et coule au fond du lac. Les communautés bactériennes commencent à décomposer les restes, utilisant de l'oxygène pour la respiration. 8. La décomposition provoque l'épuisement de l'eau en oxygène. Les formes de vie plus grandes, comme les poissons, meurent.
Eutrophisation dans un canal

Eutrophisation naturelle

Bien que l'eutrophisation soit généralement causée par les activités humaines, elle peut aussi être un processus naturel, en particulier dans les lacs. Les paléolimnologues reconnaissent maintenant que le changement climatique, la géologie et d'autres influences externes sont également essentiels pour réguler la productivité naturelle des lacs. Quelques lacs démontrent également le processus inverse ( méiotrophisation ), devenant moins riches en nutriments avec le temps, car les apports pauvres en nutriments éluent lentement la masse d'eau plus riche en nutriments du lac. Ce processus peut être observé dans les lacs artificiels et les réservoirs qui ont tendance à être très eutrophes lors du premier remplissage mais peuvent devenir plus oligotrophes avec le temps. La principale différence entre l'eutrophisation naturelle et anthropique est que le processus naturel est très lent et se produit à des échelles de temps géologiques.

Eutrophisation culturelle

L'eutrophisation culturelle est causée par un excès de nutriments dans l'eau provoquant une croissance excessive d'algues qui peuvent bloquer les échanges de lumière et d'air. Les algues finissent par être décomposées par des bactéries provoquant des conditions anoxiques et des "zones mortes".

L' eutrophisation culturelle ou anthropique est le processus qui accélère l'eutrophisation naturelle en raison de l'activité humaine. En raison du défrichement des terres et de la construction de villes, le ruissellement des terres est accéléré et davantage de nutriments tels que les phosphates et les nitrates sont fournis aux lacs et aux rivières, puis aux estuaires et baies côtiers . L'eutrophisation culturelle se produit lorsque des nutriments excessifs provenant des activités humaines se retrouvent dans les plans d'eau, créant une pollution par les nutriments et accélérant également le processus naturel d'eutrophisation. Le problème est devenu plus apparent suite à l'introduction des engrais chimiques dans l'agriculture (révolution verte du milieu des années 1900). Le phosphore et l'azote sont les deux principaux nutriments qui provoquent l'eutrophisation culturelle car ils enrichissent l'eau, permettant à certaines plantes aquatiques, en particulier les algues, de se développer rapidement. Les algues ont tendance à fleurir en forte densité et lorsqu'elles meurent, leur dégradation par les bactéries élimine l'oxygène, générant des conditions anoxiques . Cet environnement anoxique tue les organismes aérobies (par exemple les poissons et les invertébrés) dans le plan d'eau. Cela affecte également les animaux terrestres, limitant leur accès à l'eau affectée (par exemple comme sources d'abreuvement). La sélection d'espèces d'algues et de plantes aquatiques qui peuvent prospérer dans des conditions riches en nutriments peut provoquer des perturbations structurelles et fonctionnelles d'écosystèmes aquatiques entiers et de leurs réseaux trophiques, entraînant une perte d'habitat et de biodiversité des espèces.

Il existe plusieurs sources de nutriments excessifs provenant de l'activité humaine, notamment le ruissellement des champs fertilisés, des pelouses et des terrains de golf, les eaux usées et les eaux usées non traitées et la combustion interne de carburants. L'eutrophisation culturelle peut se produire dans les plans d'eau douce et d'eau salée, les eaux peu profondes étant les plus sensibles. Dans les rives et les lacs peu profonds, les sédiments sont fréquemment remis en suspension par le vent et les vagues, ce qui peut entraîner la libération de nutriments dans l'eau sus-jacente, augmentant ainsi l'eutrophisation. La détérioration de la qualité de l'eau causée par l'eutrophisation culturelle peut donc avoir un impact négatif sur les utilisations humaines, y compris l'approvisionnement en eau potable pour la consommation, les utilisations industrielles et les loisirs.

Sources de pollution anthropique par les nutriments

Vue aérienne du lac de Valence connaissant un important flux d'eutrophisation culturelle en raison du rejet d'eaux usées non traitées dans le lac.
Pollution par les nutriments causée par le ruissellement superficiel du sol et des engrais pendant une tempête de pluie

La pollution par les nutriments, une forme de pollution de l' eau , fait référence à la contamination par des apports excessifs de nutriments . C'est l'une des principales causes d'eutrophisation des eaux de surface , dans lesquelles un excès de nutriments, généralement de l' azote ou du phosphore , stimule la croissance des algues . Les sources de pollution par les éléments nutritifs comprennent le ruissellement de surface des champs agricoles et des pâturages, les rejets des fosses septiques et des parcs d'engraissement et les émissions provenant de la combustion. Les eaux usées brutes contribuent largement à l'eutrophisation culturelle, car les eaux usées sont riches en nutriments. Le rejet d'eaux usées brutes dans un grand plan d'eau est appelé déversement d'eaux usées et se produit encore partout dans le monde. L'excès de composés azotés réactifs dans l'environnement est associé à de nombreuses préoccupations environnementales à grande échelle. Il s'agit notamment de l'eutrophisation des eaux de surface , des proliférations d'algues nuisibles , de l' hypoxie , des pluies acides , de la saturation en azote des forêts et du changement climatique .

Depuis le boom agricole des années 1910 et à nouveau dans les années 1940 pour répondre à l'augmentation de la demande alimentaire, la production agricole repose fortement sur l'utilisation d'engrais. L'engrais est une substance naturelle ou modifiée chimiquement qui aide le sol à devenir plus fertile. Ces engrais contiennent des quantités élevées de phosphore et d'azote, ce qui entraîne des quantités excessives de nutriments entrant dans le sol. L'azote , le phosphore et le potassium sont les principaux éléments nutritifs des « 3 grands » dans les engrais commerciaux, chacun de ces éléments nutritifs fondamentaux joue un rôle clé dans la nutrition des plantes. Lorsque l' azote et le phosphore ne sont pas pleinement utilisés par les plantes en croissance, ils peuvent être perdus dans les champs agricoles et avoir un impact négatif sur la qualité de l'air et de l'eau en aval. Ces nutriments peuvent éventuellement se retrouver dans les écosystèmes aquatiques et contribuent à l'augmentation de l'eutrophisation. Lorsque les agriculteurs épandent leurs engrais, qu'ils soient organiques ou synthétiques, la plupart des engrais se transformeront en ruissellement qui s'accumule en aval, générant une eutrophisation culturelle.

Les approches d'atténuation pour réduire les rejets de polluants nutritifs comprennent l'assainissement des éléments nutritifs, l'échange d'éléments nutritifs et la répartition des sources d'éléments nutritifs.

Effets

Systèmes d'eau douce

Une réponse aux quantités ajoutées de nutriments dans les écosystèmes aquatiques est la croissance rapide d'algues microscopiques, créant une prolifération d' algues . Dans les écosystèmes d'eau douce , la formation de proliférations d'algues flottantes sont généralement des cyanobactéries fixatrices d' azote (algues bleu-vert). Ce résultat est favorisé lorsque l'azote soluble devient limitant et que les apports en phosphore restent importants. La pollution par les nutriments est une cause majeure de prolifération d'algues et de croissance excessive d'autres plantes aquatiques, ce qui entraîne une compétition de surpopulation pour la lumière du soleil, l'espace et l'oxygène. Une concurrence accrue pour les nutriments ajoutés peut entraîner une perturbation potentielle d'écosystèmes et de réseaux trophiques entiers, ainsi qu'une perte d'habitat et de biodiversité des espèces.

L'eutrophisation du lac Mono qui est un lac Soda riche en cyanobactéries .

Lorsque les macrophytes et les algues meurent dans des lacs, rivières et ruisseaux eutrophes sur-productifs, ils se décomposent et les nutriments contenus dans cette matière organique sont convertis en une forme inorganique par des micro-organismes. Ce processus de décomposition consomme de l'oxygène, ce qui réduit la concentration d'oxygène dissous. Les niveaux d'oxygène épuisés peuvent à leur tour entraîner la mort de poissons et une série d'autres effets réduisant la biodiversité. Les nutriments peuvent se concentrer dans une zone anoxique et ne peuvent être à nouveau disponibles qu'au cours du renouvellement d'automne ou dans des conditions d'écoulement turbulent. Les algues mortes et la charge organique portées par les apports d'eau dans un lac se déposent au fond et subissent une digestion anaérobie libérant des gaz à effet de serre tels que le méthane et le CO 2 . Une partie du gaz méthane peut être oxydée par des bactéries anaérobies d' oxydation du méthane telles que Methylococcus capsulatus qui à leur tour peuvent fournir une source de nourriture pour le zooplancton . Ainsi, un processus biologique auto-entretenu peut avoir lieu pour générer une source de nourriture primaire pour le phytoplancton et le zooplancton en fonction de la disponibilité d'oxygène dissous adéquat dans le plan d'eau.

La croissance accrue de la végétation aquatique, du phytoplancton et des proliférations d'algues perturbe le fonctionnement normal de l'écosystème, provoquant divers problèmes tels qu'un manque d' oxygène nécessaire à la survie des poissons et des crustacés . L'eutrophisation diminue également la valeur des rivières, des lacs et du plaisir esthétique. Des problèmes de santé peuvent survenir lorsque des conditions eutrophes interfèrent avec le traitement de l' eau potable .

Les activités humaines peuvent accélérer la vitesse à laquelle les nutriments pénètrent dans les écosystèmes . Les eaux de ruissellement provenant de l' agriculture et du développement, la pollution des fosses septiques et des égouts , l' épandage de boues d'épuration et d'autres activités liées à l'homme augmentent le flux de nutriments inorganiques et de substances organiques dans les écosystèmes. Des niveaux élevés de composés atmosphériques d' azote peuvent augmenter la disponibilité de l'azote. Le phosphore est souvent considéré comme le principal coupable dans les cas d'eutrophisation des lacs soumis à une pollution « ponctuelle » provenant des canalisations d'égout. La concentration d'algues et l'état trophique des lacs correspondent bien aux niveaux de phosphore dans l'eau. Des études menées dans la région des lacs expérimentaux en Ontario ont montré une relation entre l'ajout de phosphore et le taux d'eutrophisation. Les stades ultérieurs d'eutrophisation conduisent à des proliférations de cyanobactéries fixatrices d'azote limitées uniquement par la concentration de phosphore.

Les eaux côtières

L'eutrophisation est un phénomène courant dans les eaux côtières . Contrairement aux systèmes d'eau douce où le phosphore est souvent le nutriment limitant, l'azote est plus communément le principal nutriment limitant des eaux marines ; ainsi, les niveaux d' azote ont une plus grande importance pour comprendre les problèmes d'eutrophisation dans l'eau salée. Les estuaires , en tant qu'interface entre l'eau douce et l'eau salée, peuvent être à la fois limités en phosphore et en azote et présentent généralement des symptômes d'eutrophisation. L'eutrophisation dans les estuaires entraîne souvent une hypoxie/anoxie des eaux de fond, entraînant la mort de poissons et la dégradation de l'habitat. La remontée d'eau dans les systèmes côtiers favorise également une productivité accrue en transportant des eaux profondes riches en nutriments vers la surface, où les nutriments peuvent être assimilés par les algues . Des exemples de sources anthropiques de pollution riche en azote des eaux côtières comprennent la pisciculture en mer et les rejets d' ammoniac provenant de la production de coke à partir de charbon.

Le World Resources Institute a identifié 375 zones côtières hypoxiques dans le monde, concentrées dans les zones côtières d'Europe occidentale, les côtes orientales et méridionales des États-Unis et d'Asie de l'Est , en particulier le Japon .

En plus du ruissellement terrestre, des déchets de la pisciculture et des rejets industriels d'ammoniac, l' azote fixé dans l' atmosphère peut être une importante source de nutriments en haute mer. Une étude réalisée en 2008 a révélé que cela pourrait représenter environ un tiers de l'apport d'azote externe (non recyclé) de l'océan et jusqu'à 3 % de la nouvelle production biologique marine annuelle. Il a été suggéré que l'accumulation d'azote réactif dans l'environnement peut s'avérer aussi grave que l'émission de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Écosystèmes terrestres

Les écosystèmes terrestres sont soumis à des effets négatifs similaires de l'eutrophisation. L'augmentation des nitrates dans le sol est souvent indésirable pour les plantes. De nombreuses espèces végétales terrestres sont menacées par l'eutrophisation des sols, comme la majorité des espèces d' orchidées en Europe. Les prairies, les forêts et les tourbières se caractérisent par une faible teneur en nutriments et des espèces à croissance lente adaptées à ces niveaux, de sorte qu'elles peuvent être envahies par des espèces à croissance plus rapide et plus compétitives. Dans les prairies, les herbes hautes qui peuvent profiter de niveaux d'azote plus élevés peuvent modifier la zone et entraîner la disparition d'espèces naturelles. Riches en espèces fens peuvent être dépassés par les roseaux ou reedgrass espèces. Le sous - bois forestier affecté par le ruissellement d'un champ fertilisé voisin peut être transformé en fourré d' orties et de ronces .

Les formes chimiques de l'azote sont le plus souvent préoccupantes en ce qui concerne l'eutrophisation, car les plantes ont des besoins élevés en azote, de sorte que les ajouts de composés azotés stimuleront la croissance des plantes. L'azote n'est pas facilement disponible dans le sol parce que le N 2 , une forme gazeuse d'azote, est très stable et n'est pas directement disponible pour les plantes supérieures. Les écosystèmes terrestres dépendent de la fixation microbienne de l' azote pour convertir le N 2 en d'autres formes telles que les nitrates . Cependant, il y a une limite à la quantité d'azote qui peut être utilisée. Les écosystèmes qui reçoivent plus d'azote que les plantes n'en ont besoin sont dits saturés en azote. Les écosystèmes terrestres saturés peuvent alors contribuer à la fois à l'azote inorganique et organique dans l'eutrophisation des eaux douces, côtières et marines, où l'azote est également généralement un élément nutritif limitant . C'est également le cas avec l'augmentation des niveaux de phosphore. Cependant, comme le phosphore est généralement beaucoup moins soluble que l'azote, il est lessivé du sol à un rythme beaucoup plus lent que l'azote. Par conséquent, le phosphore est beaucoup plus important en tant que nutriment limitant dans les systèmes aquatiques.

Effets écologiques globaux

L'eutrophisation est apparente sous la forme d'une turbidité accrue dans la partie nord de la mer Caspienne , imagée depuis l'orbite.

De nombreux effets écologiques peuvent découler de la stimulation de la production primaire , mais il y a trois impacts écologiques particulièrement troublants : la diminution de la biodiversité, les changements dans la composition et la dominance des espèces et les effets de toxicité.

Diminution de la biodiversité

Lorsqu'un écosystème connaît une augmentation des éléments nutritifs, les producteurs primaires en récoltent d'abord les bénéfices. Dans les écosystèmes aquatiques, des espèces telles que les algues connaissent une augmentation de leur population (appelée prolifération d' algues ). Les proliférations d'algues limitent la lumière du soleil disponible pour les organismes des fonds marins et provoquent de grandes variations dans la quantité d'oxygène dissous dans l'eau. L'oxygène est nécessaire à toutes les plantes et animaux à respiration aérobie et il est reconstitué à la lumière du jour par la photosynthèse des plantes et des algues. Dans des conditions eutrophes, l'oxygène dissous augmente considérablement au cours de la journée, mais est considérablement réduit après la tombée de la nuit par les algues qui respirent et par les micro-organismes qui se nourrissent de la masse croissante d'algues mortes. Lorsque les niveaux d'oxygène dissous chutent à des niveaux hypoxiques , les poissons et autres animaux marins suffoquent. En conséquence, des créatures telles que les poissons, les crevettes et en particulier les habitants des fonds immobiles meurent. Dans les cas extrêmes, des conditions anaérobies s'ensuivent, favorisant la croissance des bactéries. Les zones où cela se produit sont appelées zones mortes .

Invasion de nouvelles espèces

L'eutrophisation peut provoquer une libération compétitive en rendant abondant un nutriment normalement limitant . Ce processus provoque des changements dans la composition des espèces des écosystèmes. Par exemple, une augmentation de l'azote pourrait permettre à de nouvelles espèces compétitives d'envahir et de supplanter les espèces habitantes d'origine. Il a été démontré que cela se produisait dans les marais salés de la Nouvelle-Angleterre . En Europe et en Asie, la carpe commune vit fréquemment dans des zones naturellement eutrophes ou hypereutrophes, et est adaptée à vivre dans de telles conditions. L'eutrophisation des zones en dehors de son aire de répartition naturelle explique en partie le succès des poissons à coloniser ces zones après leur introduction.

Toxicité

Certaines proliférations d'algues résultant de l'eutrophisation, autrement appelées « proliférations d'algues nuisibles », sont toxiques pour les plantes et les animaux. Les composés toxiques peuvent remonter dans la chaîne alimentaire , entraînant la mortalité animale. Les proliférations d'algues d'eau douce peuvent constituer une menace pour le bétail. Lorsque les algues meurent ou sont mangées, des neurotoxines et des hépatotoxines sont libérées, ce qui peut tuer les animaux et constituer une menace pour l'homme. Un exemple de toxines algales pénétrant l'homme est le cas de l' empoisonnement par les coquillages . Les biotoxines créées lors des proliférations d'algues sont absorbées par les coquillages (moules, huîtres), ce qui conduit ces aliments humains à acquérir la toxicité et à empoisonner l'homme. Les exemples incluent les intoxications paralysantes , neurotoxiques et diarrhéiques par les mollusques. D'autres animaux marins peuvent être vecteurs de telles toxines, comme dans le cas de la ciguatera , où c'est généralement un poisson prédateur qui accumule la toxine et empoisonne ensuite l'homme.

Évaluation

Aux niveaux les plus extrêmes, l'eutrophisation est identifiable par la vue et l'odorat.

Lorsque les conditions deviennent répugnantes et que des mesures drastiques sont nécessaires pour contrôler les croissances odieuses d'algues, il n'est plus nécessaire de faire appel à des experts ou à du matériel scientifique pour expliquer ce qui s'est passé.

Cependant, à mesure que les plans d'eau changent d'état chimique et biologique, l'identification de l'échelle et des causes du problème sont des conditions préalables à l'identification d'une stratégie d'assainissement.

Dans les masses d'eau eutrophes, les éléments nutritifs sont en flux constant et une détermination des concentrations de N et de P peut ne pas fournir de bonnes preuves de l'état eutrophe actuel. Dans les premières études sur les Grands Lacs , les solides totaux, le calcium, le sodium, le potassium, le sulfate et le chlorure ont fourni de bonnes preuves à l'appui de l'eutrophisation même s'ils n'étaient pas eux-mêmes impliqués. Ces ions étaient révélateurs d'apports anthropiques généraux et fournissaient de bons substituts pour les apports de nutriments.

Les évaluations qualitatives de l'eau basées sur des signes évidents d'eutrophisation tels que des changements dans les espèces d'algues présentes ou leur abondance relative seront généralement trop tardives pour éviter les dommages causés par l'eutrophisation à la diversité biotique.

Des évaluations quantitatives à intervalles réguliers d'indicateurs chimiques et biologiques clés peuvent fournir des données statistiquement valables pour identifier le début le plus précoce de l'eutrophisation et suivre ses progrès. Les paramètres typiques utilisés comprennent la chlorophylle-a, l'azote total, le phosphore total et dissous, la demande biologique ou chimique en oxygène et le niveau de profondeur de secchi .

Ampleur du problème

Des enquêtes ont montré que 54 % des lacs d' Asie sont eutrophes ; en Europe , 53 % ; en Amérique du Nord , 48 % ; en Amérique du Sud , 41 % ; et en Afrique , 28%. En Afrique du Sud, une étude du CSIR utilisant la télédétection a montré que plus de 60% des réservoirs étudiés étaient eutrophes. Certains scientifiques sud-africains pensent que ce chiffre pourrait être plus élevé, la principale source étant des stations d'épuration dysfonctionnelles qui produisent plus de 4 milliards de litres par jour d'effluents d'eaux usées non traités, ou au mieux partiellement traités, qui se déversent dans les rivières et les réservoirs.

Objectifs mondiaux

Le cadre des Nations Unies pour les objectifs de développement durable reconnaît les effets néfastes de l'eutrophisation sur les environnements marins et a établi un calendrier pour la création d'un indice d'eutrophisation côtière et de densité de débris plastiques flottants (ICEP).

L' objectif de développement durable 14 a spécifiquement pour objectif de prévenir et de réduire considérablement la pollution de toutes sortes, y compris la pollution par les nutriments (eutrophisation) d'ici 2025.

Prévention et renversement

L'eutrophisation pose un problème non seulement aux écosystèmes , mais aussi aux humains. La réduction de l'eutrophisation devrait être une préoccupation majeure lors de l'examen des politiques futures, et une solution durable pour tous, y compris les agriculteurs, est réalisable. Bien que l'eutrophisation pose des problèmes, les humains doivent être conscients que le ruissellement naturel (qui provoque la prolifération d'algues dans la nature) est courant dans les écosystèmes et ne devrait donc pas renverser les concentrations de nutriments au-delà des niveaux normaux.

Minimiser la pollution ponctuelle provenant des eaux usées

Les mesures finlandaises d' élimination du phosphore ont commencé au milieu des années 1970 et ont ciblé les rivières et les lacs pollués par les rejets industriels et municipaux. Ces efforts ont eu une efficacité d'élimination de 90 %. Pourtant, certaines sources ponctuelles ciblées n'ont pas montré de diminution du ruissellement malgré les efforts de réduction.

Il existe de nombreuses façons différentes de remédier à l'eutrophisation culturelle, les eaux usées brutes étant une source ponctuelle de pollution. Par exemple, les usines de traitement des eaux usées peuvent être améliorées pour l'élimination biologique des éléments nutritifs afin qu'elles rejettent beaucoup moins d'azote et de phosphore dans le plan d'eau récepteur. Cependant, même avec un bon traitement secondaire , la plupart des effluents finaux des stations d'épuration contiennent des concentrations importantes d'azote sous forme de nitrate, de nitrite ou d'ammoniac. L'élimination de ces nutriments est un processus coûteux et souvent difficile.

Les lois réglementant l'évacuation et le traitement des eaux usées ont entraîné des réductions spectaculaires des éléments nutritifs dans les écosystèmes environnants. Étant donné que les eaux usées domestiques non traitées sont l'un des principaux contributeurs à la charge de nutriments de source diffuse des plans d'eau, il est nécessaire de fournir des installations de traitement dans les zones fortement urbanisées, en particulier celles des pays en développement , dans lesquelles le traitement des eaux usées domestiques est rare. La technologie permettant de réutiliser de manière sûre et efficace les eaux usées , à la fois domestiques et industrielles, devrait être une préoccupation majeure pour la politique concernant l'eutrophisation.

Minimiser la pollution par les nutriments par l'agriculture

Il existe de nombreuses façons d'aider à corriger l'eutrophisation culturelle causée par l'agriculture. Des pratiques agricoles sûres sont le moyen numéro un de résoudre le problème. Certaines précautions de sécurité sont :

  1. Techniques de gestion des éléments nutritifs - Toute personne utilisant des engrais doit appliquer l'engrais en quantité correcte, au bon moment de l'année, avec la bonne méthode et le bon emplacement.
  2. Couvre-sol toute l'année - une culture de couverture empêchera les périodes de sol nu, éliminant ainsi l'érosion et le ruissellement des nutriments même après la saison de croissance.
  3. Planter des tampons de champ - En plantant des arbres, des arbustes et des herbes le long des bords des champs pour aider à capter le ruissellement et absorber certains nutriments avant que l'eau n'atteigne un plan d'eau à proximité.
  4. Travail du sol de conservation - En réduisant la fréquence et l'intensité du travail du sol, vous augmenterez les chances d'absorption des nutriments dans le sol.

Minimiser la pollution diffuse

La pollution diffuse est la source de nutriments la plus difficile à gérer. La littérature suggère, cependant, que lorsque ces sources sont contrôlées, l'eutrophisation diminue. Les étapes suivantes sont recommandées pour minimiser la quantité de pollution qui peut pénétrer dans les écosystèmes aquatiques à partir de sources ambiguës.

Zones tampons riveraines

Des études montrent que l'interception de la pollution diffuse entre la source et l'eau est un moyen efficace de prévention. Les zones tampons riveraines sont des interfaces entre un cours d'eau et la terre, et ont été créées près des cours d'eau pour tenter de filtrer les polluants; les sédiments et les nutriments sont déposés ici plutôt que dans l'eau. La création de zones tampons à proximité des fermes et des routes est un autre moyen possible d'empêcher les nutriments de voyager trop loin. Pourtant, des études ont montré que les effets de la pollution atmosphérique par l'azote peuvent s'étendre bien au-delà de la zone tampon. Cela suggère que le moyen de prévention le plus efficace provient de la source primaire.

Politique de prévention

Une politique réglementant l'utilisation agricole des engrais et des déchets animaux doit être imposée. Au Japon, la quantité d'azote produite par le bétail est suffisante pour répondre aux besoins en engrais de l'industrie agricole. Ainsi, il n'est pas déraisonnable d'ordonner aux propriétaires de bétail de collecter les déchets animaux du champ, qui, lorsqu'ils sont laissés en stagnation, s'infiltreront dans les eaux souterraines.

La politique de prévention et de réduction de l'eutrophisation peut être décomposée en quatre secteurs : Technologies, participation publique, instruments économiques et coopération. Le terme technologie est utilisé de manière vague, faisant référence à une utilisation plus répandue des méthodes existantes plutôt qu'à une appropriation de nouvelles technologies. Comme mentionné précédemment, les sources diffuses de pollution sont les principaux contributeurs à l'eutrophisation, et leurs effets peuvent être facilement minimisés par des pratiques agricoles courantes. La réduction de la quantité de polluants qui atteint un bassin versant peut être obtenue en protégeant son couvert forestier, en réduisant la quantité d'érosion qui s'infiltre dans un bassin versant. De plus, grâce à l'utilisation efficace et contrôlée des terres à l'aide de pratiques agricoles durables pour minimiser la dégradation des terres , la quantité de ruissellement du sol et d'engrais à base d'azote atteignant un bassin versant peut être réduite. La technologie d'élimination des déchets constitue un autre facteur de prévention de l'eutrophisation.

Le rôle du public est un facteur majeur pour une prévention efficace de l'eutrophisation. Pour qu'une politique ait un effet, le public doit être conscient de sa contribution au problème et des moyens par lesquels il peut réduire ses effets. Les programmes institués pour promouvoir la participation au recyclage et à l'élimination des déchets, ainsi que l'éducation sur la question de l'utilisation rationnelle de l'eau sont nécessaires pour protéger la qualité de l'eau dans les zones urbanisées et les plans d'eau adjacents.

Les instruments économiques, « qui comprennent, entre autres, les droits de propriété, les marchés de l'eau, les instruments fiscaux et financiers, les systèmes de redevances et les systèmes de responsabilité, deviennent progressivement un élément important de l'ensemble d'outils de gestion utilisé pour les décisions de contrôle de la pollution et d'allocation de l'eau ». Des incitatifs pour ceux qui pratiquent des technologies de gestion de l'eau propres et renouvelables sont un moyen efficace d'encourager la prévention de la pollution. En internalisant les coûts associés aux effets négatifs sur l'environnement, les gouvernements sont en mesure d'encourager une gestion de l'eau plus propre.

Parce qu'un plan d'eau peut avoir un effet sur un éventail de personnes allant bien au-delà de celui du bassin versant, la coopération entre différentes organisations est nécessaire pour empêcher l'intrusion de contaminants pouvant conduire à l'eutrophisation. Des agences allant des gouvernements des États à ceux de la gestion des ressources en eau et des organisations non gouvernementales, allant jusqu'à la population locale, sont responsables de la prévention de l'eutrophisation des masses d'eau. Aux États-Unis, l'effort interétatique le plus connu pour prévenir l'eutrophisation est la baie de Chesapeake .

Test et modélisation de l'azote

L'analyse de l'azote du sol (N-Testing) est une technique qui aide les agriculteurs à optimiser la quantité d'engrais appliquée aux cultures. En testant les champs avec cette méthode, les agriculteurs ont constaté une diminution des coûts d'application d'engrais, une diminution de l'azote perdu dans les sources environnantes, ou les deux. En testant le sol et en modélisant la quantité minimale d'engrais nécessaire, les agriculteurs récoltent des avantages économiques tout en réduisant la pollution.

L'agriculture biologique

Une étude a révélé que les champs fertilisés organiquement « réduisent considérablement le lessivage nocif des nitrates » par rapport aux champs fertilisés de manière conventionnelle. Cependant, une étude plus récente a révélé que les impacts de l'eutrophisation sont dans certains cas plus importants pour la production biologique que pour la production conventionnelle.

Coquillages dans les estuaires

Une solution proposée pour arrêter et inverser l'eutrophisation dans les estuaires consiste à restaurer les populations de coquillages, comme les huîtres et les moules . Les récifs d'huîtres éliminent l' azote de la colonne d'eau et filtrent les solides en suspension, réduisant par la suite la probabilité ou l'étendue des proliférations d'algues nuisibles ou des conditions anoxiques. L'activité de filtration est considérée comme bénéfique pour la qualité de l'eau en contrôlant la densité du phytoplancton et en séquestrant les nutriments, qui peuvent être retirés du système par la récolte de mollusques, enfouis dans les sédiments ou perdus par dénitrification . Des travaux de base sur l'idée d'améliorer la qualité de l'eau de mer grâce à la conchyliculture ont été menés par Odd Lindahl et al., en utilisant des moules en Suède. Aux États-Unis, des projets de restauration des coquillages ont été menés sur les côtes Est, Ouest et du Golfe. Voir la pollution par les éléments nutritifs pour une explication détaillée de l'assainissement des éléments nutritifs à l' aide de mollusques et crustacés.

Culture d'algues

L'aquaculture d'algues offre une opportunité d'atténuer et de s'adapter au changement climatique. Les algues, telles que le varech, absorbent également le phosphore et l'azote et sont donc utiles pour éliminer les nutriments excessifs des parties polluées de la mer. Certaines algues cultivées ont une productivité très élevée et pourraient absorber de grandes quantités de N, P, CO2, produisant une grande quantité d'O2 ont un excellent effet sur la diminution de l'eutrophisation. On pense que la culture d'algues à grande échelle devrait être une bonne solution au problème d'eutrophisation des eaux côtières.

Géo-ingénierie dans les lacs

Application d'un absorbant de phosphore à un lac - Pays-Bas

La géo-ingénierie est la manipulation de processus biogéochimiques , généralement le cycle du phosphore , pour obtenir une réponse écologique souhaitée dans l' écosystème . Les techniques de géo-ingénierie utilisent généralement des matériaux capables d'inactiver chimiquement le phosphore disponible pour les organismes (c'est-à-dire le phosphate) dans la colonne d'eau et également de bloquer la libération de phosphate des sédiments (charge interne). Le phosphate est l'un des principaux facteurs contribuant à la croissance des algues, principalement des cyanobactéries, donc une fois que le phosphate est réduit, les algues ne peuvent pas proliférer. Ainsi, des matériaux de géo-ingénierie sont utilisés pour accélérer la récupération des masses d'eau eutrophes et gérer la prolifération d'algues. Il existe plusieurs sorbants phosphatés dans la littérature, issus de sels métalliques (eg alun , sulfate d'aluminium ,) de minéraux, d'argiles naturelles et de sols locaux, de déchets industriels, d'argiles modifiées (eg bentonite modifiée au lanthane ) et autres. Le sorbant au phosphate est couramment appliqué à la surface du plan d'eau et il coule au fond du lac en réduisant le phosphate. De tels sorbants ont été appliqués dans le monde entier pour gérer l'eutrophisation et la prolifération d'algues.

Voir également

Les références

Liens externes