De l'exploitation de la biomasse végétale aquatique aux nouveaux systèmes

LA SITUATION ACTUELLE

° En matière d'utilisationde la biomasse macrophytique

On connaît l'intérêt des diverses plantes aquatiques et surtout des algues marines ou saumâtres pour les divers sous-produits, en particulier sur le plan pharmacologique et ses diverses applications sur le plan médical, (thalassothérapie, diététique...), en cosmétologie, sur le plan énergétique (méthane), comme engrais...

En effet, de composition variable selon les groupes et les genres, certaines algues ou phanérogames marines sont recherchées pour leur composition protéique élevée, et on peut alors en extraire, par des méthodes simples, des acides aminés dits essentiels (leucine, lysine, arginine, valine...) ou non essentiels (acides aspartique, glutamique, glycine...) dont la synthèse peut s’accentuer selon la richesse croissante en azote du milieu environnant (algues rouges ou vertes...) ; d'autres espèces présentent, au contraire, un fort pourcentage en polysaccharides ou en lipides (algues vertes ou brunes...) ; outre la présence de certaines vitamines, on peut rechercher chez elles des alginates, ou l'agar... Mais la plupart d'entre elles ont le pouvoir de concentrer certains éléments minéraux ou organiques (C, N, P, K, Zn...) ; cette faculté schématise assez bien les deux pôles d'intérêt qu’elles présentent : vis-à-vis du milieu à épurer et à dépolluer d'une part, qu'il soit naturel ou artificiel (lagunage) et vis-à-vis de ce que l’on peut extraire de leur biomasse d'autre part...

Or, quand on se tourne vers les modes d’exploitation de cette biomasse, on s'aperçoit que les diverses filières sont souvent difficilement soutenables dans des systèmes de cueillette aléatoire actuels, en milieux naturels peu contrôlés ou difficilement contrôlables...

° En matière d’exploitation

Si les potentialités du milieu naturel sont énormes : zones littorales, marines et surtout étangs lagunaires peu profonds, on se trouve en présence de milieux non véritablement gérés et à très forte variabilité sur le plan de la biomasse végétale...

* Travaux effectués dans le cadre du Groupement d’Intérêt Scientifique « Systèmes énergétiques et utilisation de l’espace » de l’Université des Sciences et Techniques du Languedoc.

Le milieu littoral, et surtout les étangs, sont moins bien gérés sur la côte que dans les systèmes traditionnels anciens (tels qu’on les retrouve encore parfois en Corse ou en Italie) qui contrôlaient pour la pêche les échanges mer-étangs, assurant du même coup une maîtrise de la variabilité du milieu et du matériel organique détritique, et, par suite, une meilleure reproductibilité annuelle des diverses populations et un meilleur équilibre de l’eutrophisation en général, génératrice de cette production.

Paradoxalement, l’augmentation des déchets organiques résultant d’un mauvais contrôle des échanges mer-étangs et de l’augmentation de la pollution ne fait qu’augmenter la production primaire, mais aussi son accumulation et sa stagnation dans les zones peu profondes et mal aérées des étangs.

Si l’épuration par les macrophytes doit normalement fonctionner dans une gestion traditionnelle du milieu lagunaire, ce n’est pas toujours le cas en Languedoc-Roussillon, où, après épuration estivale, les algues libèrent sur place la pollution au moment de leur mortalité, aggravant les risques de dystrophie.

Paradoxalement aussi, la gestion du milieu aquatique est orientée plus que jamais vers une utilisation des niveaux trophiques tertiaires et quaternaires ou secondaires (pêche de poissons prédateurs, conchyliculture…) et non vers le niveau primaire de captage de l’énergie que constitue la production des algues ou plantes aquatiques (productions naturelles de macrophytes non exploitées).

De plus, dans les systèmes naturels aquatiques européens, la production primaire macrophytique n’est pas utilisée directement dans l’écosystème (il n’y a pas ou peu d’espèces herbivores en milieu naturel…).

En matière d'épuration

Même sur eaux résiduaires, l'indispensable mise en place de systèmes épurateurs classiques, sophistiqués et dispendieux en énergie, ne donne pas toujours satisfaction sur le plan des rejets en eaux épurées dans le milieu naturel : c'est le cas surtout sur la côte, en période estivale, avec l'augmentation des risques de dystrophie dans les étangs littoraux.

Le lagunage à microphytes est en principe satisfaisant pour l'esprit dans sa première phase de stockage de la matière organique, mais ces microphytes sont difficilement récoltables, ne sont généralement pas utilisés ou recyclés et ceci aboutit le plus souvent à un système de dépollution momentané et incomplet.

Cette situation nous conduit à envisager des systèmes de production de biomasse intégrés dans une série d'opérations.

LES SYSTÈMES DE PRODUCTION COUPLÉS : LES DIVERS SCHÉMAS D'EXPLOITATION : LA BIOMASSE

Le principe de base consiste à concevoir un ou plusieurs systèmes susceptibles de produire de la biomasse végétale macrophytique flottante (facilement récoltable), utilisable à diverses fins (énergétiques, chimiques, sous-produits divers...) d'une part, susceptible d'effectuer en même temps une opération d'épuration de haut niveau, dans l'optique de systèmes peu dispendieux en énergie. Ceci peut se schématiser de façon très simple :

Schéma 1.

Plante ou algue flottante + soleil + eau chargée en matériel organique (eaux résiduaires urbaines ou industrielles) → énergie et résidus (CH₄) ou sous-produits + épuration et dépollution

Ce principe est donc basé sur deux ou plusieurs opérations d'intérêt divers, dont l'association assure l'efficacité du système dans son ensemble. Le schéma ci-dessus permet l'obtention de biomasse, sans autre énergie que l'énergie solaire, sans utiliser d'autres engrais que ceux contenus dans des eaux eutrophisées ou résiduaires.

De façon générale, la rétention de la pollution et de l'épuration des eaux par les macrophytes ne saurait présenter une opération totalement satisfaisante que si cette biomasse est réellement récoltée et utilisée, et non vouée à une décomposition, en milieu aquatique ou terrestre, où elle restituerait à sa mort une grande part de la pollution accumulée.

On peut envisager plusieurs schémas d'exploitation possibles de la biomasse dans des systèmes de plus en plus contrôlés (voir schéma 2).

L'exploitation en milieu naturel est intéressante et se justifie dans le cadre d'une gestion des ressources naturelles de l'ensemble de l'écosystème (mer, étang) et de l'épuration du milieu. Elle nécessite des connaissances précises sur la composition et la dynamique des populations, les niveaux trophiques, les transferts d'énergie… Cette exploitation, comme l'introduction des cultures, demande une certaine prudence, comme je l'ai exposé au Congrès CENECA, 1979.

Quant à la production de biomasse en milieu totalement artificiel, elle est très onéreuse pour ne se justifier que dans des cas très précis.

L'aquaculture en milieu semi-artificiel (bassins…) est la forme d'exploitation que nous envisageons ici, dans le cadre de systèmes couplés et plus particulièrement dans le cas de l'utilisation d'eaux résiduaires. Elle demande la mise en place de cultures d'espèces facilement récoltables, à haut pouvoir de production et d'épuration.

LES SYSTÈMES DE PRODUCTION À MACROPHYTES SUR EAUX RÉSIDUAIRES OU EUTROPHISÉES

Les premiers résultats de production de macrophytes saumâtres sur eaux résiduaires ont été présentés par l'auteur au congrès de Brighton en 1980, parallèlement aux résultats de méthanation obtenus par l'INRA de Narbonne, les objectifs des recherches étant les suivants :

1. — Adaptabilité des espèces marines ou saumâtres sur eaux résiduaires.

Il s'agit de prévoir quel type d'algues marines ou plantes aquatiques peut s'adapter sur ces eaux, et d'en vérifier l'adaptabilité.

L'analyse des divers types d'écosystèmes lagunaires, de la composition des biocénoses algales et de leur évolution en fonction de la variabilité du

Schéma 2.

L'exploitation en milieu naturel (mer et étangs) — cueillette rationnelle — cultures

L'aquaculture en milieu semi-artificiel : bassins semi-contrôlés

Les cultures en milieu artificiel clos

Le milieu et la pollution permettent de dégager quelques points essentiels quant à l'adaptabilité de certaines espèces sur eaux résiduaires urbaines, points exposés par l'auteur au Congrès CIESM 1979 :

a) Les espèces caractérisant les milieux les plus saumâtres (présentant de forts écarts de salinité entre l'été et l'hiver) sont soumises à de fortes variations du matériel organique détritique : elles sont à la fois caractérisées par une forte production, une adaptabilité aux fortes concentrations organiques (qu'elles sont susceptibles de concentrer) et par une grande souplesse vis-à-vis de la salinité ; elles sont donc susceptibles de s'adapter aux eaux résiduaires très chargées.

b) Dans le cas de pollution organique, en milieu marin, les espèces qui disparaissent les premières sont les espèces de milieu pur. Les espèces de remplacement sont également adaptées à une forte pollution organique, mais aussi à une certaine souplesse vis-à-vis de la salinité, et leur production est généralement très élevée ; elles sont aussi très intéressantes à tester sur eaux résiduaires.

Les premiers essais ont donc été réalisés avec succès sur deux espèces connues : Enteromorpha intestinalis, algue verte saumâtre, qui présenterait les caractéristiques écologiques citées, qui est flottante pendant la majorité de son cycle, et Lemna minor, lentille adaptée à ces eaux.

2. — Détermination de la production optimale et son activation

a) Il s'agit de préciser, pour les espèces choisies, les conditions de production maximale et donc parallèlement d'épuration optimale, et de chiffrer les besoins en matériel organique correspondant à ces conditions optimales.

La qualité optimale des eaux, correspondant à la production optimale des espèces (tableau 1), est mise en évidence par des séries de petits tests où les espèces sont mises en présence d'eaux résiduaires de type divers (brutes, lagunées, diversement complétées...). La production est alors calculée, les besoins en matériel organique pour les calculs de bilans énergétiques et l'épuration de certains éléments sont déterminés.

Tableau 1. — Tests sur LEMNA MINOR et ENTEROMORPHA INTESTINALIS.

Eau brute testée  
NH₃ : 7,6 mg/l  
NO₃ : 0,01 mg/l  
C/N : 3,2 mg/l

Eau lagunée testée  
NH₃ : 4,3 mg/l  
NO₃ : 5,15 mg/l  
C/N : 7,1 mg/l

Complétée à l'eau  
Complétée à eau lagunée

Lemna  
Milieu naturel  
NH₄ : 0,45 mg/l  
NO₃ : 5,95 mg/l  
C/N : 1,1 mg/l  

Production :

Enteromorpha  
Milieu naturel  
NH₄ : 0,42 mg/l  
NO₃ : 3,72 mg/l  
C/N : 1,1 mg/l  

Production :

Sur eaux résiduaires brutes ou lagunées (avec phytoplancton) diversement complétées. Bac 1/5 de m², 13 jours, alimentation compensant l'évaporation. Ensoleillement : 80-100 %. Mois d'expérimentation : octobre, 20 °C pour Lemna ; juillet, 25 °C pour Enteromorpha. Biomasse initiale : 89 g PS/m² pour Lemna ; 220 g PS/m² pour Enteromorpha. Production exprimée en PS/m²/jour : en blanc de 3 à 8, en hachuré de 8 à 10, en quadrillé de 10 à 15, en noir de 15 à 20.

— pour Enteromorpha, la production est plus forte sur eau lagunée que sur eau brute où une biomasse de mortalité apparaît. La meilleure production obtenue est de 17 g PS·m²/jour, ce qui est énorme, avec une biomasse initiale de 220 PS/m², en juillet.

— les besoins en éléments nutritifs et en matériel organique sont définis permettant de calculer l'épuration correspondant à cette production optimale, soit 5,76 mg PO/m²/jour. On arrive donc par la suite à définir les durées de séjour applicables en bassins ou en pilote pour la réalisation d'un tel système, pour une profondeur et une qualité donnée des eaux.

b) On tente de :

— voir jusqu’à quelles limites extrêmes on peut pousser la production et donc l'épuration par la récolte de biomasse dans un milieu sans facteurs limitants sur le plan des nutriments, sur eaux résiduaires,

— dégager quels sont les inconvénients des cultures en milieu très chargé en matière organique, dans les conditions les plus défavorables de cultures (ceci pour préciser les limites extrêmes d’action),

— recueillir les premiers éléments permettant de prévoir l'étalement et l'intensité de cette production dans l'année, pour les diverses cultures.

L'augmentation de la production de la récolte apparaît, dans la figure 1 en phase III, où le taux de récolte moyen passe de 1 à 8-16 quand la fréquence de récolte passe de tous les 20 jours à tous les 3 jours sur un milieu fortement eutrophisé, ou en eutrophisation croissante.

L'effet d'un milieu très fortement chargé en éléments nutritifs est mis en évidence en milieu ouvert, sur eau lagunée et soumis à eutrophisation croissante en complétant l'évaporation par eau lagunée pendant 3 mois (figure 1 dernière phase). Le rapport N/P est alors généralement inverse à celui trouvé en milieu naturel, par excès de phosphates, jusqu’à 8 ppm de PO4. Dans ce cas, en présence de biomasse trop faible, le système est plus sensible à la compétition phytoplanctonique.

La biomasse en place est déterminée par rapport à la composition de l'eau et sa profondeur.

CONCLUSION

Dans le cadre des travaux sur la valorisation de la biomasse macrophytique, soit en milieu naturel, soit en milieu artificiel, nous sommes conduits à envisager des systèmes de production de biomasse couplés « production-épuration-sous-produits ». En milieu semi-artificiel en particulier, l’utilisation d’eaux résiduaires peut déboucher sur des applications intéressantes. Dans cette optique les premiers résultats de production de cette aquaculture qui en France n’en est qu’à ses débuts (ici sur l’algue verte saumâtre Enteromorpha intestinalis, parallèlement à Lemna minor), s’inscrivent néanmoins dans la gamme des valeurs susceptibles d’être prises en considération (tableau III).

Ces premiers résultats mettent en relief, pour les diverses cultures envisageables, l’importance des essais de production saisonnière de biomasse sur divers types d’eaux résiduaires diversement coupées ; parallèlement les calculs des besoins en nutriments/m²/jour obtenus correspondant à la production optimale sont des éléments indispensables à la mise en place de pilotes de cultures, dans un système où la récolte se trouve ajustée aux nutriments et à la croissance du système dans son ensemble.

Tableau III. — Productions comparées de diverses espèces.

Pour une optimisation de la culture, il est nécessaire de préciser la densité maximale de biomasse que l’on peut maintenir par m² dans des conditions de rendement optimal ; dans une même optique l’analyse de la compétition avec le phytoplancton est intéressante à maîtriser, pour son élimination, en jouant sur les divers paramètres ; il en est de même de la définition des modalités d’activation du taux de croissance lui-même (que ce soit par la récolte ou par d’autres artifices).

Tous les phénomènes susceptibles d’une façon ou d’une autre d’activer la production intervenant de façon simultanée sur l’accélération de l’épuration sont à considérer dans leurs mécanismes et leurs conséquences à plus ou moins long terme pour le maintien de l’équilibre et la pérennité du système en place.

Note de l'auteur. — La bibliographie concernant cet article sera adressée aux lecteurs, sur leur demande.