Phytoremédiation de Zn (II) par les racines de Calotropis Procera

Transcription

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senne:Vol
ume4,N °120304
I
SSN 21114706
Publ
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él
e:20120305
www.
sci
encel
i
b.
f
r
Zenasni Mohamed Amine
Phytoremédiation de Zn (II) par les racines de Calotropis
Procera (Bechar, Algérie)
Phytoremediation of Zn (II) by Calotropis Procera Roots (Bechar, Algeria)
Zenasni Mohamed Amine, Meroufel Bahia, Amrouche Abdel Illah,
Naâr Fatima Zohra, Merzouka Fatiha, Difallah Fatima Zohra
Laboratoire des Ressources Végétales et Sécurité Alimentaire des Zones Semi Arides
du Sud Ouest Algérien, Université de Bechar, BP 417, 08000 Bechar, Algérie
Résumé
Le but de la présente étude était d'utiliser les racines macérées de Calotropis
precera, localement disponible (Oued Ksiksou Bechar) pour la phytoremédiation des
eaux polluées en Zn (II), utilisant une méthode de dosage complexométrique par
l'EDTA. Cette étude a été effectuée afin de déterminer quelques paramètres
opérationnels de biosorption de Zn (II) telle que l'effet de variation de biomasse,
l'effet de temps de contact, l'effet de pH et l'effet de concentration Zn (II).
On a constaté que l'isotherme d'adsorption obéisse à l'isotherme de Langmuir
en multicouche. Et enfin, on a conclu que l'adsorbant préparé à partir des racines de
Calotropis procera peut être utilisé pour le traitement des métaux lourds dans les
eaux usées.
Mots Clés : Phytoremédiation, Calotropis procera, Eau, Zn (II)
ScienceLib Editions Mersenne : Volume 4 , N ° 120304
ISSN 2111-4706
1
Abstract
The
purpose of
this
study was
to
use
the macerated
Calotropis precera, locally provided (Bechar Oued Ksiksou) for
roots of
phytoremediation of
polluted water in Zn (II), using an assay method complexometric EDTA. This study
was conducted to determine some operational parameters of biosorption of Zn (II)
as the
effect of
variation
of biomass, the
effect
of contact
time,the
effect
of pH and the concentration effect of Zn (II ).
It
was
found
that the
adsorption
isotherm should
obey the
Langmuir
isotherm in multilayer. And finally it was concluded that adsorbent prepared from
the roots of Calotropis procera can be used for the treatment of heavy metals in
wastewater.
Keywords: Phytoremediation, Calotropis procera, Water, Zn (II)
ISSN 2111-4706
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INTRODUCTION
La qualité de la vie sur terre est intimement liée à la qualité de l'eau. L'eau, est un
élément essentiel au fonctionnement de la vie, mais elle peut constituer une source de
pollution.
La pollution permanente d'eau est liée aux rejets industriels, aux eaux usées
d'origine urbaine, à l'emploi dans l'agriculture des pesticides et des engrais, il s'y
ajoute la pollution exceptionnelle liée aux déversements intempestifs ou aux accidents
de transport [1].
Un des aspects de la sécurité alimentaire est le contrôle des teneures en éléments
traces des eaux de consommation humaine [2], ces éléments en particulier métalliques
posent effectivement des problèmes particulièrement préoccupant, ils présentent une
forte écotoxicité et pourraient être impliqués dans de nombreuses pathologie [3, 4]. Il
est donc aujourd'hui indispensable non seulement de mieux connaître les effets de ces
polluants sur les organismes vivants, mais aussi de mettre en œuvre des solutions
durables.
Les méthodes les plus employées actuellement pour remédier les sites contaminés
sont des techniques physico-chimiques souvent onéreuses, lourdes à mettre en place et
peu respectueuses de l'environnement, en effet les traitements par le procédé
biologique semblent être une solution peu coûteuse et plus écologique [5].
La bioremédiation consiste à utiliser des processus biologiques qui réduisent la
mobilité ou transforment les polluants en composés non toxiques. Ces processus
biologiques sont stimulés par des micro-organismes, des plantes et des enzymes [6].
La « phytoremédiation » est un cas particulier de la « bioremédiation » elle
regroupe toutes les méthodes basées sur l'utilisation des végétaux supérieures dont le
but est de remédier les milieux contaminés (sol, les eaux de surface et souterraines,
l'air) par les polluants organiques ou inorganiques [7, 8].
La phytoremédiation n'est pas un concept nouveau, au 16éme siècle, un savant
italien Andréa Cesalpino un botaniste de Florence découvre une plante poussant sur
des roches naturellement riches en métaux [9].
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L'idée est née au 19ème siècle, lorsque Baumann (1885) a identifié pour la première
fois deux espèces végétales Thlaspi caerulescens et Viola calaminaria, comme étant
capables d'accumuler de fortes quantités de zinc dans leurs feuilles [10]. Ensuite, en
1935, Byers étudia l'accumulation du sélénium chez Astragalus spp [11]. Dix ans plus
tard, Minguzzi et Vergnano (1948) identifièrent des plantes capables d'accumuler
jusqu'à 1 % de nickel dans leurs parties aériennes [12].
Aujourd'hui, plus de 400 plantes sont connues pour leurs capacités d'accumulation
des métaux [13].
Certaines espèces sahariennes possèdent des propriétés à dépolluer les sites
contaminés. En Algérie, des biologistes, des médecins et des chimistes cherchent à
mieux connaître le patrimoine de ces espèces spontanées et leurs modes d'utilisation.
Calotropis procera est une plante arbustive de la famille des Asclépiadaceae
caractérisée par la production d'un latex blanc [14], elle se développe en Asie et en
Afrique tropicale cette plante est largement utilisée en médecine traditionnelle et en
pharmacologie
elle
possède
de
nombreuses
propriétés
:
diaphorétiques,
anthelminthiques, antisyphilitiques et purgatives. Elle est connue pour son action
antibiotique, antifongique [15].
Notre travail a pour but d'étudier l'effet des racines de Calotropis procera plante
saharienne de (sud-ouest Algérie) sur la dépollution des eaux contaminées par le zinc
(II) et de décrire le type d'adsorption.
MATERIELS ET METHODES
Site de Prélèvement de Calotropis Procera
La zone d′étude est Bechar, elle est située dans le sud-ouest Algérien, près de
500km de la Méditerranée, elle a un climat particulièrement contrasté, l′aridité est
importante, elle s′exprime non seulement par des températures élevées en été et par la
faiblesse des précipitations, mais surtout par l′importance de l′évaporation due à la
sécheresse de l′air. Les racines de Calotropis procera (appelée kronka) (photo 1) sont
prélevées à partir d′oued de Ksiksou situé à Abadla (Carte 1).
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Carte 1 : Site de prélèvement.
Photo 1 : Calotropis procera
Calotropis procera
Calotropis procera est une plante communément appelée arbre à soie ou pommier
de Sodome ou plante à lait ou encore roustonnier, aussi connu sous des appellations
diverses, à savoir : bois pétrad, Mudar de grande taille [16]. Elle est répandue dans les
zones sèches sur sols sableux d'Afrique, d'Asie mineure, du Pakistan et d'Inde.
Calotropis procera présente des caractéristiques assez intéressantes, elle a une
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croissance rapide et pousse à toutes les saisons et qu'elle peut offrir une source de
biomasse végétale régulièrement disponible [17,18].
Règne : végétal, Embranchement : Magnoliophyta, Sous-embranchement :
Angiospermes,
Sous-classe
:
Asteridae,
Ordre
:
Gentianales,
Famille
:
Asclepiadaceae, Genre : Calotropis, Espèce : Procera [19].
C'est un arbuste à latex, à cime irrégulière de 3 à 5 m de haut, parfois sans branche
jusqu'à 2 m. L'écorce est épaisse, liégeuse, crevassée, grise à beige clair, avec la
tranche jaune.
•
Le latex est blanc.
•
Les rameaux sont finement pubescents et glauques.
•
Les feuilles sont opposées, sessiles, plus ou moins succulentes, vert glauque
sur le dessus et gris-vert en-dessous, largement ovales ou oblongues de (1530) × (15–70) cm, à sommet arrondi ou en coin court, à base cordée.
Le limbe comporte des nervures plus ou moins palmées à la base, une nervure
centrale épaisse et 8–10 paires de nervures secondaires peu saillantes se raccordant
vers le sommet [20, 21].
Les inflorescences sont à cyme ombelliforme de 10 cm de large, disposée à
l'aisselle des feuilles.
Les fleurs sont de couleurs blanc-vert et violettes, de 2 à 3 cm de diamètre, à 5
pétales. Les fruits se présentent sous forme de gros follicules renflés, ovoïdes, de la
taille d'une mangue, verts, mous et remplis d'air [20, 21].
La graine est aplatie, surmontée à un bout d'une touffe de soies blanches.
La floraison se fait toute l'année, aussi bien en saison sèche qu'en saison des pluies.
La reproduction se fait par les graines [22].
Les racines de Calotropis procera ont été lavées avec de l′eau déminéralisée pour
éliminer toute saleté. Elles ont été séchées à l′air libre et à l′abri de lumière pendant 1
mois, puis elles ont été séchées dans une étuve à 60 °C pendant deux jours. Les
racines séchées ont été broyées et tamisées par un tamis de 100 µm. En suite, 15 g de
poudre des racines séchées a été macérées dans 100 ml d′eau déminéralisée pendant
24 h. Cette poudre est ensuite lavée 3 fois à l′eau déminéralisée et elle a été séchée
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dans une étuve à 60 °C pendant deux jours, puis stockée dans une bouteille en verre
étanche à l′air et protégée de l′humidité [16].
Dosage
complexométrique
des
ions
Zn
(II)
par
acide
éthylène
diaminetétraacétique (E.D.T.A)
Notre étude consiste à doser le Zn (II) contenant dans l′eau par une méthode
complexométrique en utilisant l′EDTA (10-3 mol/L), un indicateur coloré noir
érichrome T et une solution tampon NH4Cl/NH4OH (pH = 10). Ce dosage nécessite
une macération des racines de Calotropis procera.
Effet de temps de contacte
On introduit dans un flacon 50 ml de la solution de zinc de concentration 0.1 g/l et
1 g de racine macérée de Calotropis procera à pH égale à 5.93. Un agitateurincubateur (Stuart orbital incubator S1500) à une vitesse de 125 tours par minute est
utilisé pour les expériences à une température de 30 °C. La variation de temps de
contacte se fait dans un intervalle de 5 à 350 mn. Les solutions de zinc (II) obtenues
sont centrifugées a une vitesse de 13000 tpm pendant 12 mn. On réalise le titrage des
solutions après la centrifugation dans la gamme choisi de temps comprise entre 5mn
et 350mn.
Effet de pH
On introduit dans un flacon 50 ml de la solution de zinc (II) de concentration 0.1
g/l et 1 g de racine macérée de Calotropis procera à une température de 30 °C et un
temps de contacte optimisé à t = 250 mn. La variation de pH se fait dans un intervalle
de 2 à 7. Les solutions de zinc obtenues sont centrifugées à une vitesse de 13000 tpm
pendant 12 mn. L′ajustement de pH se fait par HCl et NaOH (0.1 M). Le titrage des
solutions de zinc (II) est effectué après la centrifugation.
Effet de la masse des racines
On introduit dans un flacon 50 ml de la solution de zinc (II) de concentration 0.1
g/l et une masse m comprise entre 0,1g et 3 g des racines macérées de Calotropis
procera à une température de 30 °C, un temps de contacte t = 250 mn et un pH égale
a 5.93. Les solutions de zinc (II) obtenues sont centrifugées à une vitesse de 13000
tpm pendant 12 mn, les solutions centrifugées sont titrées par l′EDTA (10-3 mol/L).
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Effet de la concentration des solutions de zinc
On introduit dans des flacons 50 ml des solutions de zinc de concentration bien
déterminée (10-100 mg/L) et 2 g de racine macérée de Calotropis procera à une
température de 30 °C, un temps de contacte t = 250 mn et un pH égale a 5.93. Les
solutions de zinc (II) obtenues sont centrifugées à 13000 tpm pendant 12 mn. Les
solutions centrifugées sont titrées par l′EDTA (10-3 mol/L).
RESULTATS ET DISCUSSION
Effet de temps de contacte
D′après nos résultats dans la figure 1, on a observés que le temps est très important
dans la sorption de Zn2+ par la biomasse des racines macérées de Calotropis procera.
Une diminution de concentration de Zn2+ est observés dans l′intervalle de temps [15200 mn], qui peut être expliqué par le phénomène de l′adsorption (la fixation de Zn2+
sur la surface de la racine) suivit par une absorption (la fixation de Zn2+ à l′intérieure
de la racine). Une diminution maximale de concentration de Zn2+ dans la solution est
observée à t = 250 mn ce qui peut indiquer que l′absorption est atteinte (temps
d′équilibre).
Au delà de t = 250 mn une augmentation de concentration de Zn2+ dans la solution
est observée, qui peut être due à la désorption de ce dernier.
100
Ce (mg.L-1)
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
t (min)
Figure 1: La variation de temps en fonction de concentration de Zn2+ (mg/l).
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Effet de pH
D′après la figure 2, on a observé qu′il y a une différence entre le pH initiale et le
pH finale des solutions de Zn2+ sauf à pH = 6 qu’il n’y a pas une grande différence,
une augmentation de pH des solutions dans la gamme 2-5 est observée après l′ajout
des racines macérées de Calotropis procera et une diminution de pH dans la gamme
6-7. Cette différence est due à l′effet des sécrétions de racine (les exsudats).
En comparant avec Skiredj. A, Giasson. Ph et Jaouich. A (2007), on trouve que le
meilleur pH d′adsorption de Zn2+ est compris entre 5 et 7.
Et selon Antoine. J et Skiredj. A (2008), on trouve que le Zn2+ a été précipité à pH
>7, afin d′éviter cette précipitation, le pH doit être ajusté a une valeur inférieur à 7
[23-25].
Figure 2: L′effet des racines sur le pH des solutions de Zn2+.
Effet de la masse des racines
D′après la figure 3, on a observé une diminution de concentration de Zn2+ avec
l′augmentation de masse de la racine macérée dans l′intervalle 0.1-2 g. Une légère
stabilité de concentration est observée entre 2g et 2.5g.
Une augmentation de la concentration de Zn2+ de la solution est observée à m = 3
g. On a constaté que le minimum de masse (2 g) absorbe le maximum de Zn2+.
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Figure 3: L′effet de masse des racines sur la concentration de Zn2+ de la solution.
Isotherme d′adsorption
Les isothermes adsorptions jouent un rôle important dans la détermination des
capacités maximales et l′identification du type d′adsorption. Elles sont obtenues par la
représentation graphique de qe = f (Ce) (Figure 4).
La quantité qe du Zn (II) adsorbée à l'équilibre est donnée par la relation suivante:
qe =
(C0 − Ce ).V
m
(2)
[26]
qe : quantité du Zn (II) par gramme d'adsorbant (mg/g)
C0 : concentration initiale du Zn (II) (mg/L)
Ce : concentration résiduelle à l'équilibre (mg/L)
V : volume de la solution de Zn (II) (L)
m : masse de l'adsorbant (racine de Calotropis Procera) (g)
Les résultats expérimentaux obtenus montrent que l'isotherme est de type II.
La figure 4 et le tableau 1 montrent une croissance d′adsorption de Zn2+ avec
l′augmentation des concentrations des solutions de Zn2+ jusqu′à la concentration
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25.35mg/L. Un palier apparaît à partir de cette concentration. Ceci signifie la
formation de la monocouche. Une augmentation brusque est observée à une
concentration de 46.28 mg/l, ceci signifie la formation de la multicouche où qm est
compris entre 0.4-0.6 mg/g.
Tableau 1: Effet de la concentration des solutions Zn 2+ sur l′adsorption.
Ci (mg/l)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ce (mg/l)
9.62
9.75
23.4
25.35
36.92
46.28
50.44
50.7
47.45
62.79
qe(mg/g)
0.009
0.256
0.165
0.366
0.327
0.343
0.489
0.732
1.063
0.930
20
30
40
1,2
1,0
qe (mg.g-1)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
10
50
60
-1
Ce (mg.L )
Figure 4: Représentation d′isotherme d′adsorption.
La quantité de Zn2+ adsorbée par la racine macérée à l′équilibre qe (mg/g) a été
calculée par l'équation de Langmuir en multicouche :
Ce / Co A / Co 1 Ce
=
+
qe
qm
qm Co
On trace la courbe
Ce / Co
Ce
= f( )
qe
Co
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(3)
(4)
[27,28]
La transformation linéaire de l′équation de Langmuir permet de calculer qm dans la
figure 5.
Ordonné à l′origine 1/qm = 1.43 g/mg ⇒ qm = 0.6 mg/g.
On compare qm= 0.6 mg/g avec l′isotherme d′adsorption qm [0.4-0.6 mg/g] on
constate que l′isotherme obéisse à l′isotherme de Langmuir en multicouche [27,28].
8
(Ce/Co)/qe
6
4
2
0
-2
-4
0,4
0,5
0,6
Ce/Co
0,7
0,8
Figure 5 : Isotherme d′adsorption de Langmuir à la multicouche
CONCLUSION
Le travail décrit dans cette étude apporte une nouvelle contribution à la recherche
menée au laboratoire concernant l′étude de Phytoremédiation des eaux polluées en
zinc (II) par les racines macérées de Calotropis procera en combinant les approches
théoriques et expérimentales.
D'après les résultats de notre étude nous pouvons conclure que les racines
macérées de Calotropis procera peuvent être employées pour le traitement des eaux
polluées en Zn (II).
Les 250 mn sont suffisantes pour atteindre l′équilibre. Une masse de 2 g de racine
macérée est suffisante pour absorber le maximum de Zn (II) présents dans l′eau à
traiter. Ainsi, nous avons confirmé que les racines ont bien réglé le pH de la solution
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de Zn (II) pour leur absorption. L’absorption du Zn (II) par les racines qui se fait en
multicouches obéit à la loi de Langmuir.
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ISSN 2111-4706
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Phytoremédiation de Zn (II) par les racines de Calotropis Procera

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