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Presentation Transcript

    2. Plan du cours Quelques notions sur les équilibres acide-base Définition d’un acide La force d’un acide pH de “l’eau de pluie pure” Capacité de neutralisation des acides Origine des dépôts acides Définition d’un dépôt acide Formation des acides dans l’atmosphère Émissions naturelles vs émissions anthropiques: cas du S Répartition des émissions anthropiques de SO2 et NOx par secteur d’activité, historique des émissions (É.U., Canada, R.U.) et tendances actuelles

    3. Plan du cours (suite) Répartition géographique des dépôts acides/zones sensibles à l’acidification Amérique du Nord Province du Québec Europe Impacts sur les milieux récepteurs Écosystèmes aquatiques Chimie de l’eau (pH, métaux traces) Effets sur les producteurs primaires Effets sur les invertébrés Effets sur les poissons Écosystèmes terrestres Sols Végétation

    7. Problème des dépôts acides Le terme pluie acide, “acid rain” a émergé à la fin du 19ème siècle (Angus Smith) et désigne les effets des émissions industrielles sur les précipitations dans les midlands (G.B.) L’impact global (à l’échelle d’un continent) des pluies acides sur l’environnement n’a pas été reconnu avant la moitié du 20ème siècle Ce n’est pas avant la fin des années 70 que les gouvernements ont subventionné des études à grande échelle sur le problème des dépôts acides Mise en évidence des sources industrielles des dépôts acides par les études paléolimnologiques faites par les chercheurs canadiens (J. Smol, Univ. Queens) et de l’est des États-Unis (G. Likens, New Hampshire).

    8. Reconstruction paléolimnologique Fossiles: Algues diatomées ou chrysophytes Sédiments superficiels Diatomés vs pH Datation au Pb 210 Reconstruction historique Diatomés acidophiles Diatomés alcalinophiles Modèle empirique d’inférence du pH

    9. Problème qui n’est pas nouveau: l’acidification des lacs débute dès la moitié du 19ème siècle (Europe) Problème qui s’est intensifié dans les années 70 Reconstitution historique du pH en utilisant les assemblages de diatomées dans les sédiments lacustres (paléolimnologie)

    11. 1. Quelques notions sur les réactions acides-bases

    12. Théorie acide-base Conformément à la théorie de Brønsted, les acides sont considérés comme des donneurs de protons (H+) et les bases comme des accepteurs de protons: Acide1 ? Base1 + Proton Proton + Base2 ? Acide2 Acide1 + Base2 ? Base1 + Acide2 Le proton H+ en milieu aqueux existe toujours sous sa forme hydratée H3O+

    13. Échelle de pH pH = –log10([H3O+]) = –log10([H+]) [H+] = 10–pH Une solution de pH 4 est 10 ? plus acide qu’une solution de pH 5 et 100 ? plus acide qu’une solution de pH 6

    14. Quel est le pH d’une “eau de pluie pure”?

    15. pH d’une eau de pluie En réalité, le pH de l’eau de pluie pure n’est pas seulement controlé par la dissociation du CO2 dissous mais également par la présence d’acides d’origine naturelle En absence de bases (NH3, CaCO3), le pH de l’eau de pluie naturelle varie entre 5,3 (exceptionnellement 4,6) et 5,6 dans les régions éloignées de toute source anthropique de pollution . Charlson, R. J. et Rodhe, H. Nature 295, 683-685 (1982) Les acides naturels dans les milieux aquatiques sont les acides humiques et fulviques provenant de la décomposition de l’humus végétal D’autre part, la présence d’aérosols marins ou de poussières terrestres alcalines peut faire monter le pH de l’eau de pluie jusqu’à 6,0 Les dépôts acides de sources industrielles (SO2) ou dues au transport automobile (NO3) peuvent faire baiser le pH de l’eau de pluie jusqu’à 4,0

    16. Capacité de neutralisation des acides sols-roches mères La sensibilité d’une région ou d’un écosystème aux dépôts acides dépend de sa capacité à neutraliser l’excès d’acidité, elle-même déterminée par les caractéristiques des sols et de la roche mère: Les sols développés sur une roche mère carbonatée (calcaires, dolomies) contiennent une plus grande réserve de cations échangeables (Ca, Mg)CO3 + H+ ? Ca2+ + HCO3– Les roches granitiques peu altérables et les podzols sont caractérisés par une faible réserve de cations échangeables: Roches du Bouclier précambrien en Ontario et au Québec

    17. Capacité de neutralisation des acides milieux aquatiques La sensibilité des eaux de surface aux dépôts acides dépend de leur capacité à neutraliser les ions H+ = alcalinité pour les eaux naturelles alcalinité = [HCO3–] + 2[CO32–] + [OH–] – [H+] Dans un environnement calcaire, plus de 80% des éléments dissous de l’eau d’un lac sont déterminés par les équilibres calco-carboniques, i.e. les équilibres des carbonates et la dissolution du calcaire (CaCO3, calcite)

    18. 2. Origine des dépôts acides

    19. Définition des dépôts atmosphériques acides Le terme pluie acide est communément utilisé pour désigner toute précipitation rendue acide par la présence d’acides forts; il s’applique aux précipitations acides aqueuses (brouillard, neige, rosée, verglas) Dans un sens plus général, le terme dépôt acide fait référence à tout dépôt sur la surface terrestre d’acides sous forme aqueuse, gazeuse (SO2) ou de sels les dépôts en solution sont des précipitations acides les dépôts sous forme de gaz ou de particules sont des dépôts secs

    21. Formation des acides au niveau de l’atmosphère

    22. Sources L’historique des pluies acides est reliée à l’évolution des émissions atmosphériques d’oxydes de soufre et d’azote L’utilisation du charbon et le smeltage des minerais sulfurés constituent aujourd’hui la principale source de SO2 atmosphérique Le transport automobile est la principale source de NO3 atmosphérique Dans les milieux éloignés des centres industriels et urbains, on estime qu’environ 5 à 20 % des retombées d’acide sulfurique proviennent d’émissions naturelles (biogènes), surtout le H2S (acide sulfhydrique) et le CH3SCH3 (DMS) issu de la décomposition des cellules du phytoplancton

    23. Émissions naturelles vs. émissions anthropiques: exemple du soufre (S)

    24. Émissions de SO2 par secteurs d’activité, aux États-Unis et au Canada (1998)

    25. Émissions des NOx par secteurs d’activité, aux États-Unis et au Canada (1998)

    28. Évolution des émissions anthropiques de NOx en Amérique du N.

    29. Objectif d’émissions pour le Canada et les États-Unis

    30. 3. Répartition géographique des dépôts acides/zones sensibles à l’acidification

    32. Répartition des zones sensibles à l’acidification (Canada)

    33. Dépôts de substances acides au Québec méridional

    34. Sensibilité à l’acidification des eaux de surface du Québec méridional

    35. Acidité des lacs du Québec méridional

    36. Origine de l’acidité des lacs du Québec méridional

    37. Sensibilité à l’acidification/cas de l’Europe

    38. 4. Impacts sur les milieux récepteurs

    39. Impacts sur les écosystèmes aquatiques L’apport d’acides aux eaux continentales peut se faire selon trois modes: directement à partir de l’atmosphère indirectement à partir de l’atmosphère via l’écoulement dans le bassin versant par création de sols acides à l’intérieur du bassin versant (acidification des sols)

    40. Environnements aquatiques /chimie des eaux Processus d’acidification d’un lac: 3 stades selon Henriksen (1989): les bicarbonates (HCO3–) neutralisent les acides forts H+ + HCO3– ? H2O + CO2 forte variabilité du pH (pouvoir tampon des bicarbonates faisant défaut à certaines périodes) perte totale d’alcalinité, les lacs restent à un pH stable < 5 unités de pH, [M] élevées

    41. Impacts sur les écosystèmes aquatiques/solubilisation de l’aluminium toxique (Al3+) Al: élément abondant dans la nature Rendu non-toxique pour des pH > 6 par la formation de composés insolubles En milieu acide: Al(OH)3 +3 H+ = Al3+ + 3 H2O

    42. Impacts sur les écosystèmes aquatiques/importance du couvert forestier L’utilisation des sols influence également l’acidification des eaux douces: Sous un couvert forestier les précipitations arrivant au sol sont plus acides car elles contiennent à la fois les polluants retenus par la végétation et les produits de lessivage des plantes (ex: conifères)

    43. Choc acide printanier Les lacs sensibles à l’acidification montrent une baisse de pH de 1 à 2 unités pendant la fonte des neiges: lessivage d’acides forts (acides sulfurique et nitrique) de la neige pendant la fonte lessivage d’acides organiques naturels (acides faibles) présents dans les sols augmentation de la pression partielle en CO2 sous la glace et dans les eaux de ruissellement s’écoulant sous la neige

    44. Impacts de l’acidification sur les organismes aquatiques L’acidification des écosystèmes aquatiques affecte les organismes de différentes manières directe: stress physiologique (régulation Ca, Na, balance acide/base sanguine) indirecte: augmentation des concentrations en métaux traces qui peuvent être toxiques pour de nombreuses espèces indirecte: changements au niveau des réseaux trophiques, i.e. réduction de la production primaire et/ou réduction de la décomposition de la MO par les bactéries, changements dans les régimes de prédation et de compétition

    45. Effets sur les producteurs primaires Diminution générale de la diversité spécifique du phytoplancton % d’algues vertes diminue, % dinoflagellés et Cryptomonas augmente Réponse différente pour le périphyton diminution de la diversité en général mais plus forte croissance (causée de la diminution du broutage et l’augmentation de la clarté de l’eau en milieu acide) ? pH ? 5,5 Diminution de la richesse spécifique des macrophytes à des pH peu élevés

    46. Effets sur les producteurs primaires

    47. Effet protecteur de la MOD (matière organique dissoute) sur la toxicité de l’Al

    48. Effets de l’acidification sur les invertébrés

    49. Communauté zooplanctonique: espèces tolérantes à l’acidification

    50. Effets de l’acidification sur les poissons Impacts directs sur les branchies: régulation ionique osmorégulation équilibres acido-basiques excrétion de N respiration

    51. Effets de l’acidification sur les poissons Les œufs de poissons sont particulièrement sensibles à l’acidification rôle protecteur du Ca dissous qui peut réduire l’effet toxique du pH

    52. Tableau récapitulatif: baisse de la diversité des espèces avec l’acidification

    53. Effets de l’acidification au niveau de l’écosystème

    54. Tendances actuelles de l ’acidification des lacs au Québec

    55. Séquences de récupération des lacs acides

    56. Facteurs influençant la recupération de la chimie de l’eau Effets positifs Réduction des dépôts de SO2 Pouvoir tampon du lac Capacité de neutralisation des dépôts acides dans le bassin versant Temps de renouvellement des eaux Effets négatifs Dépôts accrus en acide nitrique Sécheresse et remobilisation du soufre accumulé dans le bassin versant Baisse des réserves en bases et cations dans le bassin versant Faible pouvoir tampon des eaux lacustres

    57. Facteurs influençant la recupération de la biologie des lacs Effets positifs Invasion et colonisation par de nouvelles espèces Réapparition d’espèces à partir des oeufs et spores de durée conservés dans les sédiments Meilleure survie et reproduction à pH plus élevés Effets négatifs Isolation physique limitant la dispersion des espèces Effets de compétition entre les espèces colonisatrices et les espèces indigènes Autres stresseurs physico-chimiques: métaux, pesticides, etc.

    58. Récupération de la biologie des lacs acides

    59. Comparaison aux conditions de référence

    60. Impacts des précipitations acides en milieu terrestre

    61. Impact des dépôts acides sur les forêts

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