Une séance de TP en 1°ES sur la pollution organique des eaux

 

                                                                                                             Michel.olive1@ac-reunion.fr

 

Ci-après la fiche de TP distribuée aux élèves, suivie des résultats obtenus.

 

1°ES1  2007                                                      TP : l’auto-épuration des eaux

 

Le document ci-dessous est adapté de votre manuel Bordas, page 226 :

 

 

Les cellules puisent du O2 dans le milieu extérieur pour respirer, c’est à dire oxyder des molécules organiques. 

Voici par exemple la réaction d’oxydation du sucre glucose :        C6H12O6 + 6 O2 è  6 CO2 + 6 H2O (+ énergie)

 

1/ La DBO5 est la masse de dioxygène consommée en 5 jours par les bactéries d’une eau polluée pour oxyder la matière organique qu’elle contient. Mesurer la DBO5 est un moyen simple d’évaluer la pollution organique d’une eau : parmi les  rejets évoqués dans le 1° tableau, citez les deux plus polluants et justifiez votre choix.

 

2/ Avec une sonde oxymétrique, nous mesurerons la DBO5 de l’eau du robinet (flacon 1), de cette eau additionnée de 0,5 ml de lait par litre (flacon 2), de l’eau mélangée à 2 ml de lait par litre (flacon 3) : comment pensez-vous procéder et ensuite comment calculerez-vous logiquement cette DBO5 ?

Pourquoi les flacons doivent-ils être parfaitement bouchés ? Pourquoi faut-il empêcher des algues de s’y développer (en conservant les flacons à l’obscurité) ?  

 

3/ Le document indique que des ions ammoniaque NH4+ se forment à partir de molécules organiques sous l’action des bactéries. Nous allons le vérifier. Le lait contient environ 12 % de matières organiques: protéines, lipides et sucre.

a- D’après leur composition en éléments chimiques, à partir de laquelle de ces 3 catégories de substances organiques pourraient être produits des ions NH4+ ?

b- Vous disposez de 4 petits erlenmeyers contenant un fond d’eau + 3 % de lait : le 1 vient d’être préparé, le 2 a été fait il y’a 2 semaines, le 3 et le 4 il y’a 6 semaines, le 3 ayant été gardé dans un placard fermé, le 4 près d’une fenêtre du laboratoire. Un 5° flacon, sans lait et placé à la lumière depuis 6 semaines, sert de témoin.

Vous disposez de languettes servant à détecter la présence d’albumine dans l’urine ; en fait ce test est positif en présence de toute protéine dissoute. Vous avez aussi des tests liquides de dosage des ions NH4+.

En respectant toutes les règles de sécurité nécessaires, vérifiez votre réponse a précédente à partir des flacons 1 et 2.

c- Observez au microscope une goutte du flacon 2, et faites un dessin des microorganismes que vous voyez au fort grossissement.

d- D’après les flacons 3, 4 et 5, expliquez le développement d’algues en 4.

 

5/ En comparant la DBO5 de l’eau aux points P1, P2 et P5, montrez que la rivière est capable d’auto-épuration. Précisez grâce à vos résultats pourquoi on parle d’épuration d’origine biologique.

 

Les manipulations et les résultats obtenus :

 

 

Les mesures ont été effectuées sous le logiciel REACELL WINDOWS qui a le mérite de donner le taux de dioxygène en mg/L et non en mmol.L-1.

Huit ml de chacun des 4 liquides à doser sont versés successivement (puis alternativement aspirés à la pipette, munie d’une pompe) dans le bio-réacteur Jeulin, l’agitateur magnétique tournant constamment de la 1° à la dernière mesure, (la sonde sous évalue fortement le taux de dioxygène si le milieu n’est pas agité). Chaque mesure dure 1 mn, temps minimum imposé par le logiciel. Si le taux de dioxygène semble diminuer au départ pour les tracés rouge et bleu, c’est que la mesure a été lancée avant la fin du temps de latence exigé par la sonde pour pouvoir donner un chiffre à peu prés stable.

 

On constate que l’eau du robinet est exempte de pollution organique.

La DBO de l’eau « polluée » par 2 ml de lait par litre (soit environ 8,5 – 2 = 6,5 mg O2.L-1 ) est supérieure à celle de l’eau additionnée de seulement 0,5 ml lait.L-1, ce qui est cohérent : il y’a bien une relation entre la DBO et la pollution organique des eaux.

 

Par contre il n’y a pas proportionnalité ; d’après les mesures et les calculs,  la DBO du lait à 0,5/1000 est de 5 mg O2.L-1 : il ne devrait alors évidemment plus rester de dioxygène dans le lait à 2/1000. Il est possible que du dioxygène atmosphérique se soit introduit dans le dernier flacon.

En fait des calculs simples montrent qu’il faut environ 70 mg de dioxygène pour oxyder totalement la matière organique contenue dans 1 litre d’eau additionné de 0,5 ml de lait : la DBO, en tous cas la DBO mesurée ici, sous-estime donc très fortement la charge organique réelle d’une eau polluée. C’est pourtant un paramètre retrouvé quasi-systématiquement dans les analyses de l’eau, malgré son évidente imprécision (le nombre et la capacité respiratoire des bactéries présentes au départ joue également), la batterie de dilutions qu’il est nécessaire d’utiliser (une DBO de 5 g.L-1 des effluents d’une laiterie exige pour pouvoir être mesurée une dilution au millième, mais on l’ignore au départ…) et les 5 jours à attendre avant résultats. Le programme de 1°ES prévoit, dans les activités envisageables, la « mise en évidence d'une DBO (demande biologique en oxygène) ou d’une DCO (demande chimique en oxygène) », il est bon de préciser aux élèves que les valeurs obtenues pour ces deux paramètres sont forcément différentes.

 

Le test « albustix » se trouve en pharmacie, le « tetratest » pour l’ammoniac total en magasin d’aquariophilie, au prix de 10 à 15 euros chacun :

 

 

 

Résultats du test albumine :

 

A droite le mélange eau + 4% de lait préparé pendant la séance : le lait pur contenant environ 30 g de protéines par litre, cette dilution en contient donc environ 1,2 g par litre ; le résultat du test est assez cohérent (en réalité l’élève a laissé trop longtemps tremper la languette de droite, le réactif de sa partie centrale a été dilué) .

A gauche le flacon de lait à 4% préparé depuis 2 semaines et la languette-test montrant la disparition totale des protéines.

 

Résultat du test ammoniac total :

 

Le test comprend 3 réactifs liquides à rajouter successivement goutte à goutte à un peu de lait à 4% vieux de 2 semaines (résultat dans le tube carré de droite) et à un mélange en mêmes proportions préparé avec du lait frais pendant la séance (tube à essais à gauche).

Sur la boite, de gauche à droite, les couleurs correspondent à l’absence d’ammonium (teinte vert-très jaune), à 0,25 mg de NH3/ NH4+ par litre, puis à 1,5 mg, 3 mg et 5 mg.L-1.

Si on a la patience d’attendre 20 minutes pour lire les résultats, comme demandé par la notice, le test indique un taux de NH4+ d’au moins 5 mg.L-1 (le taux véritable étant bien plus important) dans la solution âgée de 2 semaines. Par contre le test reste négatif pour le lait frais à 4%.

Il y’a donc bien eu disparition des protéines du lait, transformées partiellement en ions ammonium.

 

On devrait et pourrait aussi démontrer l’absence d’acides aminés détectables, mais il n’est pas question de rallonger la séance au-delà de ce qui est raisonnable en 1°ES.

 

Les bactéries responsables, visibles sur la micrographie ci-dessous, sont observées à l’objectif à immersion (grossissement 1000) dans une goutte du mélange eau + 4 % lait à j = 14, coloré au bleu de méthylène :

 

Ci-dessous à droite le développement algal dans le flacon de lait à 4 % âgé de 6 semaines (notre labo ne recevant pas directement la lumière solaire, un éclairage d’appoint aurait donné un résultat plus rapide et plus net) :

 

Le témoin éclairé mais sans lait, non photographié ici, est évidemment resté incolore.

L’horaire en 1°ES ne laisse pas le temps de vérifier au microscope la présence d’algues. Le film sur la pollution des eaux de la série télévisée « C’est pas sorcier », projeté la semaine suivant cette séance, en constitue un bon complément.

 

Il est également possible d‘analyser (en évaluation sommative par exemple) l’effet de l’eutrophisation de l’eau sur des plantes vertes macroscopiques : lentilles d’eau placées à j = 4 semaines dans le mélange eau + lait à 4 % ou  boutures de Misère (Tradescantia sp) dont la base trempe dans ce liquide, mis à l’abri de la lumière par du papier aluminium  ( témoins dans de l’eau sans lait) : on concrétise ainsi le sujet du baccalauréat de septembre 2004, Polynésie Française, qui porte sur l’alimentation de tomates hors-sol par de l’eau d’un bassin de pisciculture ; cette eau est enrichie en nutriments minéraux grâce à la décomposition bactérienne des déjections des poissons et des aliments non consommés. Puis, une fois que les racines ont absorbé la majeure partie de ses ions minéraux biogènes, par mesure d’économie cette eau d’arrosage est renvoyée au bassin piscicole :