Les proliférations d'algues sont devenues un problème de plus en plus visible et urgent dans les systèmes d'eau douce du monde entier.Ces explosions de cyanobactéries et d'autres algues peuvent transformer des lacs et des réservoirs dynamiques en eaux de fonte, de couleur verte, menaçant les réserves d'eau potable, les loisirs et la vie aquatique.Les coûts économiques se chiffrent en milliards de dollars par année en raison du traitement de l'eau, du tourisme perdu et de la mortalité par les poissons.

Comprendre la sédimentation dans les systèmes d'eau douce

Dans le contexte de la lutte contre la prolifération des algues, ces particules comprennent à la fois des matières inorganiques (argile, limon, sable) et des matières organiques (détritus, algues mortes, bactéries). La vitesse de décantation d'une particule dépend principalement de sa taille, de sa forme, de sa densité et de la viscosité de l'eau environnante. Les particules plus grandes et plus denses se déposent rapidement — le sable grossier peut tomber mètres par minute — alors que les fines particules d'argile peuvent rester suspendues pendant des jours ou des semaines.

Le rôle de la taille et de la densité des particules

La relation de Stokes , qui régit la vitesse de décantation terminale : le carré du diamètre des particules multiplié par la différence de densité entre les particules et l'eau, divisé par viscosité. Par conséquent, les limon et les argiles fins se déposent lentement, exigeant souvent une floculation (frappage) pour devenir assez lourde pour couler. Les particules organiques, comme les cellules phytoplanctoniques, ont des densités proches de l'eau et nécessitent souvent une agrégation avec des particules minérales ou des polysaccharides extracellulaires pour sédimenter efficacement.

Reliure et sédimentation des nutriments

Le phosphore, qui est le nutriment le plus couramment utilisé dans les écosystèmes d'eau douce, se lie fortement aux particules d'argile et aux oxydes de fer ou d'aluminium. Lorsque ces particules se déposent, elles transportent du phosphore dans la couche sédimentaire, le séquestrent efficacement de la colonne d'eau et le rendent indisponible pour l'absorption des algues.

La connexion Nutrient-Algae : comment la sédimentation interrupte le carburant Bloom

Lorsque les concentrations de phosphore et d'azote dans l'eau dépassent les seuils critiques, les algues peuvent se multiplier rapidement, formant des écumeaux de surface denses. La sédimentation interrompt ce cycle en éliminant physiquement les nutriments de la zone photique où poussent les algues. Le taux de cette sédimentation dépend du temps de séjour de l'eau, du flux de décantation des particules et de la charge des nutriments provenant de sources externes.

Rétention du phosphore dans les sédiments

Une fois le phosphore atteint le fond des sédiments, il peut rester enfoui sous des couches successives de sédiments frais, effectivement enfermés pour des périodes géologiques. Cependant, les lacs et les réservoirs peu profonds subissent souvent des phénomènes de remise en suspension - vagues alimentées par le vent, bioturbation par les poissons nourrissant le fond ou dragage anthropique - qui peuvent remobiliser le phosphore. Dans les lacs profonds et stratifiés, la sédimentation peut enlever le phosphore à l'hypolimnion (eau profonde) où il reste isolé de la surface jusqu'à ce que le mélange saisonnier le résout.

Suppression de l'azote par dénitrification

La sédimentation influence également la dynamique de l'azote, bien que par une voie différente. L'azote organique se dépose dans les sédiments, où les bactéries se décomposent, libérant de l'ammonium. Dans les sédiments anoxiques, l'ammonium peut être converti en gaz azoté par dénitrification, en éliminant définitivement l'azote du système.

Facteurs influant sur l'efficacité de la sédimentation

L'efficacité de la sédimentation en tant que mécanisme de contrôle de la floraison est très variable et modulée par une série de facteurs physiques, chimiques et biologiques.

Conditions hydrodynamiques

Dans les rivières et les cours d'eau, la forte turbulence maintient les particules en suspension, limitant la capacité d'élimination des nutriments dans la sédimentation. Même dans un lac, les courants induits par le vent peuvent résorber les sédiments fins des zones peu profondes, niant les avantages de l'enfouissement. La construction de structures de régulation du débit (p. ex., des birdes, des chicanes) peut créer des zones de faible vitesse pour améliorer le tassement.

Température et stratification

La température de l'eau affecte la viscosité et l'activité biologique. L'eau plus chaude a une viscosité plus faible, permettant un dépôt plus rapide de petites particules. Cependant, la stratification thermique en été crée une épilimnion chaude et moins dense et une hypolimnion froide et dense. Les particules se trouvant dans la thermocline peuvent accélérer ou ralentir en fonction des changements de densité.

Interactions biologiques

Les plantes aquatiques jouent un double rôle. Les macrophytes submergés ralentissent le mouvement de l'eau, piègent les particules en suspension et stabilisent les sédiments du fond avec leurs racines. Leur présence peut augmenter considérablement les taux de sédimentation et réduire la remise en suspension. Inversement, les cyanobactéries peuvent se propager en empêchant la sédimentation en produisant des vésicules gazeuses qui maintiennent les cellules en mouvement, ce qui leur permet de rester dans la zone photique malgré des charges nutritives élevées.

Composition des sédiments et chimie du redox

La teneur en minéraux des sédiments détermine la capacité de liaison au phosphore. Les argiles riches en fer, en aluminium ou en calcium ont une capacité élevée de sorption. Dans des conditions oxiques, le phosphore lié au fer est stable. Mais lorsque les sédiments deviennent anoxiques – souvent dus à une forte charge en matière organique provenant d'algues stabilisées – le fer(III) est réduit en fer(II), libérant le phosphate dans l'eau interstitielle où il peut se répandre à la colonne d'eau.

Concentration des particules et floculation

Les charges élevées de sédiments en suspension (turbidité) peuvent en fait améliorer la sédimentation par un processus appelé -en masse, en se sédimentant ou en freinant le sédiment, mais jusqu'à un point. Plus important encore, les floculants naturels (minéraux d'argile, substances humiques, polysaccharides microbiens) favorisent l'agrégation des particules fines dans des flocus plus grands et plus rapides.

Conséquences de la gestion : Harning Sedimentation for Bloom Control

Compte tenu de l'interaction complexe des facteurs, les gestionnaires ont élaboré plusieurs approches pour tirer parti de la sédimentation comme outil de réduction de la prolifération des algues, stratégies qui sont les plus efficaces lorsqu'elles sont combinées à une réduction de la charge externe.

Traps de sédiments et dragage

L'installation de pièges à sédiments dans les cours d'eau ou les bassins de décantation construits peut intercepter les particules riches en éléments nutritifs avant qu'elles n'atteignent le plan d'eau principal. Un entretien régulier (enlèvement des sédiments accumulés) est nécessaire. Pour les lacs qui souffrent déjà de la charge interne de phosphore, le dragage ciblé des sédiments de surface riches en éléments nutritifs peut éliminer le phosphore qui alimente les fleurs récurrentes.

Restauration et création des zones humides

Les terres humides peuvent aussi favoriser la dénitrification. La restauration des terres humides qui fracturent le long des rives du lac ou en amont des réservoirs peut servir de tampon, réduisant ainsi la charge en éléments nutritifs qui pénètrent dans le plan d'eau principal.

Flotte et coagulation

Dans certains réservoirs et réserves d'eau potable, l'alun (sulfate d'aluminium) ou d'autres coagulants sont ajoutés à l'eau pour s'installer rapidement dans le phosphore et les algues. Cette technique, appelée traitement de l'alun, forme un floc qui coule au fond, créant une couche de liaison au phosphore. Elle a été utilisée avec succès dans des lacs comme le lac Okaro (Nouvelle-Zélande) et le lac Michigan (États-Unis) pour réduire la charge interne et la gravité de la floraison.

Promotion de la végétation aquatique

La restauration des plantes aquatiques submergées est une approche écologique à faible coût pour améliorer la sédimentation. Les macrophytes ne sont pas seulement des pièges de particules, mais aussi des algues pour les nutriments et la lumière. De plus, ils oxygénent les sédiments, réduisant ainsi la libération interne de phosphore.

Études de cas: La sédimentation en pratique

Des exemples concrets illustrent à la fois les promesses et les pièges de la gestion basée sur la sédimentation.

Lac Érié: Une histoire de chargement interne

Malgré la réduction de la charge externe, les rejets internes de phosphore des sédiments durant l'été de l'anoxie favorisent la floraison. Les recherches effectuées par l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis montrent que la sédimentation seule ne peut pas suivre le rythme du réservoir interne massif de phosphore ancien.

Lac Taihu, Chine: Essais de floculation en argile

Une étude publiée dans Water Research a testé l'application d'argiles locales modifiées pour floculer et déposer des cellules d'algues. La méthode a permis d'éliminer >90% de la chlorophylle-a en quelques heures, mais la remise en suspension des flocons en quelques jours a nécessité un retraitement. Ceci souligne que si la sédimentation peut être rapidement efficace, elle est souvent une solution temporaire sans traiter les charges nutritives sous-jacentes.

Lac Christina, Minnesota: Restauration de macrophytes

Un projet de restauration bien documenté sur le lac Christina (Minnesota, États-Unis) a utilisé la biomanipulation et la plantation de macrophytes pour déplacer le lac d'un état turbide dominé par les algues vers un état à eau claire dominé par les plantes. Les couches denses d'algues de sago et de coontail ont augmenté la sédimentation des solides en suspension, réduit la charge interne de phosphore et contribué à maintenir une phase stable en eau claire pendant plus d'une décennie.

Défis et limites

Malgré son potentiel, la sédimentation comme stratégie primaire de lutte contre la prolifération est assortie de plusieurs mises en garde importantes.

Resuspension et chargement interne

Comme on l'a vu, les sédiments peuvent devenir une source plutôt qu'un puits de nutriments. Les vents, l'activité des poissons et le mélange saisonnier peuvent résorber les particules fines, restituer le phosphore et la matière organique à la colonne d'eau. Dans les lacs peu profonds, ce processus peut se produire à plusieurs reprises, ce qui rend la sédimentation inefficace sans stabilisation continue des sédiments.

Modification de l'habitat et accumulation de sédiments

Dans les réservoirs, l'accumulation de sédiments raccourcit la durée de vie et peut étouffer les organismes benthiques. Le dragage pour éliminer les sédiments accumulés est une activité énergétique importante et peut en soi entraîner un rejet de nutriments. Les gestionnaires doivent équilibrer les avantages de l'élimination des nutriments par rapport aux coûts écologiques de l'accumulation de sédiments.

Incertitude dans le cyclisme nutritif

L'activité microbienne, les transformations chimiques et le mélange physique peuvent modifier le potentiel de séquestration à long terme. Par exemple, la matière organique peut être minéralisée rapidement, et retourner les nutriments dans la colonne d'eau plus rapidement que prévu. De même, les changements dans les conditions de redox (p. ex., à la suite d'événements hypoxiques) peuvent libérer du phosphore lié.

Coût et scalabilité

La restauration des terres humides, bien qu'elle soit plus abordable, exige la disponibilité des terres et peut prendre des années pour devenir pleinement efficace. L'approche la plus rentable consiste souvent à prévenir une sédimentation excessive en contrôlant l'érosion et le ruissellement des sols.

Orientations futures et stratégies intégrées

Les approches les plus robustes pour contrôler la prolifération des algues combinent l'amélioration de la sédimentation avec d'autres mesures telles que la réduction des sources de nutriments, la biomanipulation et la gestion hydrologique. Les recherches émergentes explorent l'utilisation de zéolites modifiées, d'agents de recouvrement et d'argiles mélangées qui lient sélectivement le phosphore tout en minimisant les dommages écologiques.

La gestion intégrée des bassins versants demeure la base de la réduction des charges nutritives externes – grâce à l'amélioration des pratiques agricoles, à la modernisation du traitement des eaux usées et à la maîtrise des eaux pluviales – allège le fardeau des processus dans les lacs comme la sédimentation.

À mesure que les changements climatiques s'intensifient, les températures plus chaudes de l'eau et les changements dans les précipitations peuvent augmenter à la fois le ruissellement des éléments nutritifs et la fréquence de la floraison des algues. Il est essentiel de comprendre comment la dynamique de la sédimentation réagit à ces changements. Par exemple, des tempêtes plus intenses peuvent augmenter la charge des sédiments mais aussi la remise en suspension.

Conclusion

La sédimentation est un processus naturel fondamental qui élimine continuellement les nutriments et les particules de la colonne d'eau, ce qui en fait un allié précieux pour contrôler la prolifération des algues.De la physique du dépôt des particules à la biogéochimie complexe du cycle des nutriments sédimentaires, ce processus influence l'intensité, la durée et la récurrence de la floraison. En comprenant les facteurs qui contrôlent la sédimentation – hydrodynamique, biologie, chimie des sédiments – les gestionnaires de l'eau peuvent concevoir des stratégies qui améliorent ce service naturel. Les techniques telles que les pièges à sédiments, le dragage, la restauration des zones humides, l'application de floculants et la restauration des macrophytes se sont révélées efficaces dans des contextes précis.