Cycle des métaux

Cycle des métaux

Sommaire

Le cycle du mercure

Voir cycle du mercure.

Le mercure est un élément trace indispensable aux cellules, mais qui, à de fortes concentrations, peut devenir toxique. Les sources naturelles de mercure sont constituées par le volcanisme et certaines roches ignées. On estime à environ 25000 t/an la quantité de mercure introduit dans latmosphère par le volcanisme. De plus, lérosion hydrique des roches superficielles entraine dans les cours deau puis les océans, une fraction du mercure contenu dans les roches superficielles.

Le cycle biogéochimique du mercure est caractérisé par un passage alternatif de létat inorganique à létat organique, et des formes oxydées à des formes réduites. Ce cycle seffectue entre les trois compartiments de la biosphère : atmosphère, hydrosphère, et couche superficielle de la lithosphère.

On retrouve le mercure dans la plupart des environnements naturels, à une concentration denviron 1 ng/L. Cependant, lessentiel du mercure terrestre se situe dans les sédiments. Dans latmosphère, on le trouve principalement sous sa forme élémentaire, Hg0 qui est volatile. En effet, ce métal sévapore à basse température et passe facilement dans lair sous forme de vapeur. Par photochimie, le mercure métallique,Hg0, peut être oxydé en ion mercurique,Hg2 + . Cet ion peut ensuite être méthylé en méthyl-mercure,CH3Hg + par activité microbienne (Desulfovibrio). Le méthyl-mercure est soluble et peut alors être assimilé par les poissons, dans un tel cas il est stocké dans leur tissu. Il peut également être méthylé en diméthyl-mercure,CH3Hg + CH3 , composé volatil qui passe dans latmosphère, et va ensuite être ramené dans les eaux et les sols par les précipitations. Mais il peut aussi être absorbé dans les eaux par le phytoplancton ou les macrophytes et passer ensuite dans divers réseaux trophiques aquatiques ou terrestres. Certaines bactéries sulfato-réductrices sont capables de produire du HgS à partir dion mercurique et de H2S. Le HgS est peu soluble, donc se trouve essentiellement dans les sédiments anoxiques se déroule la sulfato-réduction. Mais en cas daération, les thiobacilles vont permettre loxydation du HgS pour donner de lion mercurique et un ion sulfate. De même, certaines bactéries méthanogènes vont produire du méthane,CH4 , et du mercure métallique, à partir de méthyl-mercure.


Le cycle du fer

Le fer, de symbole Fe, est lun des éléments les plus abondants de la croûte terrestre.

Il existe à létat naturel sous deux formes :

  • le fer ferreux noté Fe2+, qui est la forme soluble
  • le fer ferrique noté Fe3+ qui est la forme complexée

On peut aussi le trouver sous forme Fe0 qui est le résultat dun fer transformé par les activités humaines, tout particulièrement de la fonte des minerais de fer. Le fer ne constitue pas un réel danger pour notre santé ou lenvironnement, cependant il peut occasionner quelques désagréments dordre esthétique ou organoleptique (rouille, corrosion, goût métallique…).


Loxydation du fer ferreux en fer ferrique : Fe2+ ⇒ Fe3+

Cette oxydation se fait dans des conditions aérobiques. Dans les eaux bien aérées, cest le potentiel redox qui est responsable de loxydation du fer ferreux en fer ferrique, qui précipite ensuite sous forme dhydroxyde de fer (FeOH3), ce qui permet une élimination naturelle du fer dissout.

Fe2+ =oxydationFe3+ =précipitationFe(OH)3

Loxydation est permise car le potentiel redox augmente. Ceci est réalisable par simple aération du milieu, c'est-à-dire quil y a contact avec du dioxygène. LO2 constitue un remarquable accepteur délectron pour loxydation spontanée du fer ferreux. En effet, cest le seul à pouvoir réaliser cette oxydation spontanément. Loxydation bactérienne du Fe2+, la plus importante, est réalisé à pH acide (pH<7) car dans de telles conditions, le fer ferreux est stable et donc pas oxydé spontanément. Très peu dénergie est générée par cette oxydation et les bactéries impliquées dans cette réaction doivent oxyder de grandes quantités de fer pour leur croissance. Cest pourquoi, même un petit nombre de cellule peut être responsable de la précipitation dune grande quantité de fer.


La réduction du fer ferrique en fer ferreux : Fe3+ ⇒ Fe2+

De nombreux organismes peuvent utiliser le fer ferrique comme accepteur délectrons. Et étant donné que cet ion est abondant dans la nature, sa réduction constitue une forme importante de respiration anaérobie. Le fer ferrique peut former des complexes avec de nombreux composés organiques, ce qui lui permet par la suite de devenir soluble et à nouveau disponible comme accepteur délectron pour les bactéries réductrices de fer ferrique. Dans les marais, les sols gorgés deau et les sédiments des lacs anoxiques, la réduction du fer ferrique est fréquente. Cest lhydroxyde ferrique nouvellement précipité peut lui interagir avec dautres substances non biologiques, comme des substances humiques, pour réduire le fer ferrique en fer ferreux.

Les effets des métaux lourds sur les microorganismes et les vertébrés

A côté de métaux comme le fer et le manganèse, qui ne sont pas toxiques, il y a une série de métaux qui ont divers effets toxiques sur les micro-organismes et les animaux homéothermes (organismes dont le milieu intérieur conserve une température constante indépendamment du milieu extérieur). Les micro-organismes jouent des rôles importants en modifiant la toxicité de ces métaux. Il y a trois grandes catégories de métaux :

  • les métaux dits « nobles » qui ne peuvent pas traverser la barrière hémato-encéphalique des vertébrés et qui ne sont donc pas toxiques
  • les métaux que les micro-organismes peuvent méthyler pour former des produits plus mobiles appelés « organométaux » qui eux peuvent traverser la barrière hémato-encéphaliques pouvant alors affecter le système nerveux des vertébrés.

Le cycle du mercure présente un intérêt particulier et illustre nombre des caractéristiques de ces métaux qui peuvent être méthylés. Ainsi, dans le sud ouest du Japon se développa une maladie qui créa de sévères désordres neurologiques. En effet, dans la baie de Minamata le mercure inorganique accumulé dans les sédiments boueux fut méthylé par des bactéries anaérobies du genre Desulfovibrio. Ces formes méthylées de mercure étant plus volatiles et solubles les concentrations en mercure augmentèrent dans la chaine alimentaires et furent alors ingéré par la population humaine par lintermédiaire du poisson.

  • les métaux constitués de formes ioniques directement toxiques pour les micro-organismes ou les organismes plus complexes. En doses élevées ces métaux ont des effets létaux et à plus faibles doses beaucoup dentre eux sont utilisés comme oligo-éléments.


Cependant, certains micro-organismes utilisés dans les cycles des métaux peuvent être toxiques pour les êtres vivants comme par exemple Pseudomonas aeruginosa qui dégrade le mercure et peut qui peut causer :

  • des infections systémiques
  • des infections urinaires
  • la pneumonie associée à la mucoviscidose.


Bibliographie

  • Biologie des micro-organismes, Mickael Madigan et John Matinko, 11ème édition, 2007, p664-665, Brock.
  • Microbiologie, Prescott, Harley, Klein, 2ème édition française, 2003, p 619, DeBoeck.
  • Eléments décologie- écologie appliquée, François Ramade 6ème édition, 2005, p 307 à 309, Dunod.

Notes et références


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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Cycle des métaux de Wikipédia en français (auteurs)

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