Une nouvelle étude met en lumière un phénomène chimique méconnu qui pourrait améliorer notre compréhension du rétablissement des lacs

Pourquoi certains lacs continuent-ils d’être touchés par des proliférations d’algues nuisibles, même après une réduction de la pollution au phosphore?

Une partie de la solution se trouve sous la surface. Selon une nouvelle étude menée à l’Université Concordia, un processus chimique jusque-là peu étudié contribuerait à piéger le phosphore dans les sédiments lacustres, l’empêchant ainsi de retourner dans l’eau où il favorise la croissance excessive des plantes aquatiques et des algues.

Publiée dans la revue Scientific Reports, l’étude montre que la mackinawite, un minéral à base de sulfure de fer qui se forme dans les sédiments appauvris en oxygène, peut retenir le phosphore dans des conditions où d’autres minéraux piégeurs deviennent instables.

Cette découverte ajoute une pièce importante au casse-tête que constitue le déplacement des nutriments dans les écosystèmes d’eau douce, et pourrait améliorer les modèles utilisés pour prévoir le rétablissement des lacs touchés par la pollution.

« Les sédiments jouent un rôle central dans le contrôle de la qualité de l’eau qui les recouvre », explique Milad Ezzati, doctorant au Département de chimie et de biochimie de Concordia et auteur principal de l’étude.

« Ils renferment de grandes quantités de minéraux, de nutriments et de matière organique, dont une partie peut retourner dans les eaux sus-jacentes. Même de faibles variations environnementales peuvent entraîner le rejet de nutriments qui ont un effet direct sur la qualité de l’eau. »

Une source cachée de phosphore

Le phosphore est un nutriment essentiel à la vie aquatique, qu’il s’agisse d’algues microscopiques ou de poissons. Toutefois, lorsqu’il est présent en trop grande quantité, il peut déséquilibrer les écosystèmes d’eau douce et provoquer l’eutrophisation, un phénomène caractérisé par une prolifération excessive d’algues et, dans certains cas, des éclosions nocives de cyanobactéries comme celles observées dans plusieurs lacs du sud du Québec durant l’été.

Les sédiments lacustres peuvent contribuer à limiter ce phénomène en emprisonnant le phosphore. À l’inverse, ils peuvent l’accentuer s’ils relâchent dans l’eau le phosphore qu’ils ont accumulé.

Les scientifiques savent depuis longtemps que des minéraux riches en fer peuvent piéger le phosphore en présence d’oxygène. Toutefois, lorsque les concentrations d’oxygène diminuent et que des conditions dites anoxiques s’installent, ces minéraux se dégradent et libèrent le phosphore dans l’eau environnante.

Milad Ezzati et ses collègues ont voulu savoir si la mackinawite, un minéral qui se forme précisément dans des milieux pauvres en oxygène, pouvait continuer à retenir le phosphore lorsque les minéraux habituels disparaissent. Leurs expériences ont confirmé cette hypothèse.

« En biogéochimie, un piège permet d’éliminer un composé du milieu actif, poursuit le doctorant. Nos résultats indiquent que la mackinawite offre une nouvelle solution pour retenir le phosphore dans des conditions anoxiques, quand les minéraux habituellement responsables de son piégeage ne sont plus stables. »

Repenser le cycle du phosphore

Jusqu’à présent, les scientifiques reconnaissaient généralement deux mécanismes permettant de stocker de façon permanente le phosphore dans les sédiments pauvres en oxygène : l’enfouissement de matière organique ou la formation d’un autre minéral à base de fer et de phosphore, appelé vivianite.

La mackinawite est habituellement observée dans les sédiments lacustres riches en matière organique, mais son rôle potentiel dans le cycle du phosphore n’avait jamais été étudié.

« D’après nos résultats, le cycle du phosphore dans les lacs est plus complexe qu’on ne le croyait et les sulfures de fer pourraient jouer un rôle jusque-là sous-estimé », indique Milad Ezzati.

L’équipe a également constaté que la matière organique naturelle rivalise avec le phosphore pour se fixer à la surface du minéral, ce qui réduit la quantité de phosphore que la mackinawite peut retenir. Des recherches supplémentaires pourraient aider à mieux prévoir le cycle des nutriments dans différentes conditions environnementales.

Améliorer les prévisions pour des lacs plus sains

Le phosphore pénètre dans les lacs sous l’effet de diverses activités humaines, notamment le ruissellement des engrais, le rejet des eaux usées, l’utilisation de fosses septiques et l’aménagement des rives. Il reste essentiel de réduire ces activités pour protéger les écosystèmes d’eau douce.

Même si diminuer la pollution à la source demeure la stratégie la plus efficace pour préserver les lacs, les résultats de l’étude pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre comment les écosystèmes d’eau douce réagiront une fois que des mesures de réduction seront mises en place.

D’après les modèles actuels, le phosphore accumulé dans les sédiments peut continuer de circuler dans les lacs bien après la réduction des sources externes de pollution, ce qui ralentit le rétablissement lacustre.

Pour Milad Ezzati, le mécanisme mis au jour par son équipe pourrait retirer une partie du phosphore de ce cycle, permettant potentiellement aux lacs de se rétablir plus rapidement que ce que l’on estimait jusqu’à présent.

« Selon nous, les interactions entre le phosphore et la mackinawite offrent un moyen supplémentaire d’éliminer le phosphore des lacs, précise-t-il. Nous devons encore déterminer l’importance de ce phénomène à l’échelle d’un lac entier, mais nous pourrions tout de même mieux prévoir le temps nécessaire au rétablissement des lacs eutrophes une fois que les apports en phosphore sont fortement réduits. »

L’équipe entend maintenant étudier les interactions entre différentes formes de matière organique naturelle et la mackinawite, et mesurer l’importance de ce nouveau piège à phosphore par rapport aux autres processus observés dans les sédiments lacustres. 

« Une grande majorité des processus chimiques qui ont lieu dans le fond des lacs demeure mal comprise, conclut le doctorant. En approfondissant nos connaissances de ces réactions, nous pourrons mieux évaluer l’état actuel des lacs et prédire plus précisément la santé future des écosystèmes d’eau douce. »

L’article décrivant l’étude a été rédigé conjointement avec Yves Gélinas, professeur au Département de chimie et de biochimie.

Lisez l’article cité : « Phosphate immobilization by mackinawite in freshwater sediments and the competitive role of organic carbon ».

Apprenez-en plus sur les recherches menées au Département de chimie et de biochimie.