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Corrosion d’origine microbienne sous les sols du karst du Nord-Est de la Hongrie. Étude expérimentale

Microbial corrosion under the karstic soils of North-East Hungary. Experimental study
Korrosion Mikrobischen Ursprungs unter den Karstböden im Nordöstlichen Ungarn. Experimentelle Studie
László Zámbó

Résumés

Les acides qui contrôlent la dissolution des carbonates sous les sols sont les produits de la respiration par les racines des végétaux supérieurs, des processus de décomposition organique par les microorganismes, et d’autres processus d’altération chimique non microbienne. Pour une connaissance plus précise de la part respective de ces phénomènes, des expériences de corrosion en milieu contrôlé ont été réalisées. 96 exemplaires d’un montage expérimental ont été construits pour mesurer la corrosion sous les sols. Les 4 types les plus caractéristiques de sols karstiques de la zone tempérée et subtropicale (différentes rendzines et terres rouges argileuses) ont été placés dans les appareils. Pour chaque type de sol, 4 appareils contenaient des échantillons à microorganismes originels pour mesurer la capacité de dissolution naturelle tandis que 4 autres appareils à échantillons stérilisés mesuraient la capacité de dissolution non-microbienne. 16 autres appareils étaient dévolus à l’étude de l’action de bactéries spécifiques. La capacité de dissolution (= quantité totale de carbonates dissous) montre des valeurs différentes selon les types de sols. Pour l’ensemble des sols, la dissolution d’origine microbienne est beaucoup plus importante que celle des autres processus, mais ses proportions diminuent des rendzines aux sols argileux, ce qui montre l’importance de la matière organique. Pourtant, la corrosion est plus forte sous les sols argileux, où toute la capacité de dissolution est utilisée, alors que dans les rendzines une part de cette capacité s’évapore (sols aérés) ou est utilisée à dissoudre les carbonates encore présents dans le sol.

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Texte intégral

Introduction

1D’après les recherches des dernières décennies, il est généralement admis que les processus de dissolution karstique sont générés par différents acides qui accèdent à la circulation de l’eau dans les karsts. Ces acides sont les agents principaux des réactions chimiques. Il est aussi admis que la source de ces acides se trouve dans le sol couvrant le karst, entretenant ainsi ce que l’on peut appeler l’«effet de sol sur la karstification ».

2Toujours d’après la bibliographie spécialisée, dans la composition des acides provenant du sol, l’importance du CO2 est décisive pour les processus de dissolution. L’accord est général pour estimer que les acides qui contrôlent la dissolution des carbonates dans les sols, et en particulier l’acide carbonique, sont les produits de trois groupes de processus :

  • la respiration par les racines des végétaux supérieurs,

  • les processus de décomposition organique par les microorganismes ou microbiotes,

  • d’autres processus d’altération chimique, d’origine non-microbienne.

3Cependant, en ce qui concerne les parts respectives de ces processus dans le mécanisme de corrosion, il n’existe que des estimations sporadiques, indiquant notamment que ces trois processus sont sensiblement de même importance pour la production de C02. Le but de nos recherches est d’essayer de fournir une évaluation quantitative de ces phénomènes et de mesurer leurs parts respectives dans la corrosion karstique sous couvert pédologique.

I. Méthodologie

4Pour obtenir des connaissances plus précises sur les processus de dissolution des carbonates sous les sols, on a choisi une méthode expérimentale. 96 petits appareils de simulation en grandeur réelle ont été construits à cet effet.

A. L’appareillage

Figure 1 : L’appareillage employé

Figure 1 : L’appareillage employé

1,10 bouchons de caoutchouc ; 2 recharge de l’eau ; 3 filtre de bactéries ; 4 tube de verre ; 5 échantillon de sol ; 6,8,9 filtre plastique ; 7 cubes de calcaire de 1cm3 de volume ; 11 solution infiltrée (dimensions en mm)

5Il se compose d’un tube de verre de 40 mm de diamètre dans lequel on place un échantillon de sol d’une épaisseur de 9 cm. Le tube est fermé par un bouchon filtrant les bactéries mais n’empêchant pas la circulation de l’air, et à travers lequel on verse de l’eau filtrée pour simuler les précipitations. Sous le sol, on place 7cubes de 1 cm3 d’un calcaire bien soluble, entre deux filtres plastiques chimiquement inactifs, pour observer l’effet de la corrosion. La solution traverse donc successivement le sol, puis les cubes calcaires. Elle est recueillie dans un sac plastique stérile à la base de l’appareil.

6La capacité de dissolution du calcaire est exprimée par la concentration en carbonates dissous (en milligrammes) trouvée dans la solution recueillie, ou par la quantité équivalente de CO2.

B. Les conditions expérimentales

7Les échantillons ont été recueillis dans le karst d’Aggtelek, dans la région nord-orientale de la Hongrie.

8Le fonctionnement des appareils a été étudié en se plaçant dans les conditions climatiques moyennes de la région : neuf mois sans gel, 600 mm de précipitations annuelles.

9Quatre types de sols karstiques parmi les plus caractéristiques de la zone tempérée et subtropicale ont été choisis :

  • une rendzine noire avec 95 à 98 % de matière organique et 2 à 5 % d’argile,

  • une rendzine brune avec 50 à 80 % de matière organique, 20 à 52 % de débris calcaires, un peu d’argile,

  • une terre humifère brun-rouge avec 2 à 5 % de matière organique, 95 à 98 % d’argile,

  • une terra rossa relictuelle avec 0,5 à 2 % de matière organique, 98 à 99,5 % d’argile.

10Chaque type de sol est soumis aux expérimentations suivantes :

  • dans 4 appareils, on place le sol originel avec ses microorganismes, de manière à mesurer la capacité de dissolution naturelle ;

  • dans 4 autres appareils, on place un échantillon de sol préalablement stérilisé, de manière à mesurer la capacité de dissolution en dehors de l’action micro­bienne ;

  • dans 8 autres appareils à échantillon de sol stérile, on ré-inocule séparément les 8 types de bactéries les plus communes ;

  • dans 8 autres appareils à échantillon de sol stérile, on ré-inocule séparément 8 types de Streptomycetes, de manière à étudier l’effet spécifique de ces microorganismes sur la capacité de dissolution des carbonates. Ces 8 espèces les plus communes de bactéries et de Streptomycetes avaient été choisies parmi 160 espèces déterminées lors de recherches précédentes.

11L’effet de la corrosion est mesuré par trois méthodes, de manière à pouvoir comparer les résultats :

  • analyse de l’eau infiltrée: mesure de la quantité totale de carbonates, de la quantité de CaCO3 et de MgCO3, en milligrammes ;

  • perte de poids des cubes de calcaire, en milligrammes ;

  • mesure de la rugosité de la surface des cubes de calcaire par microscopie couplée à un ordinateur.

C. Discussion sur les modalités d’expérimentation

1. Epaisseur de l’échantillon et horizon pédologique concerné

12Nos études précédentes (Zámbó, 1986, 1992; Zámbó, Darabos, 1993) avaient montré que l’épaisseur des sols joue un rôle important dans la capacité de dissolution des carbonates. En étudiant l’activité microbienne des sols, Bárány-Kevei (1992) a fait la même constatation. D’après White (1988), la production de CO2 est maximale dans les horizons 0 et A des sols, c’est-à-dire à leur partie supérieure. Mais inversement, Crowther (1983, 1984) a mesuré le contenu moyen de CO2 dans les sols et a constaté que la concentration totale de CO2 augmente vers le bas. En effet, si la quantité de matière organique, le nombre et l’activité des microbes diminuent vers le bas, donc si la production biogénique de CO2 augmente vers la surface, la perte en CO2 qui se diffuse dans l’air s’élève aussi avec la porosité et affaiblit cette teneur. En conséquence, la circulation de l’air au sein du sol est un facteur déterminant pour l’explication de la variation de la concentration en CO2.

13La concentration réelle en CO2 dans le sol dépend donc de l’équilibre entre le CO2 dissous dans l’eau infiltrée et celui qui se trouve dans l’air du sol. Selon les expériences de Reardon, Allison et Fritz (1979), la production et le transport de CO2 sont surtout effectués dans la zone des racines et en-dessous de celle-ci, cette zone étant considérée comme la partie non-saturée du système eau-gaz. La plus grande partie du CO2 produit dans le sol se diffuse dans l’air : la perte en CO2 est donc fonction des propriétés physiques des sols. Ainsi, la diffusion du gaz est plus facile au sein des sols meubles, mais les sols argileux conservent mieux le CO2 (White, 1988). Ces différences de comportement des différents types de sols (humifères ou argileux) apparaissent nettement dans nos résultats.

14Pour avoir des résultats comparables entre eux, nous avons donc prélevé les échantillons toujours de la même manière, à la partie supérieure des sols, qui est la plus riche en humus. Nos résultats se rapportent donc aux horizons pédologiques les plus riches en CO2 produit au sein du sol et susceptible de se diffuser plus ou moins en fonction des propriétés physiques du sol considéré.

15Dans nos expérimentations, le système de filtration est un système ouvert dans lequel les concentrations en CO2 dissous dans l’eau infiltrée et en CO2 gazeux du sol sont en équilibre. La concentration supplémentaire en CO2 qui va provoquer la corrosion des cubes de calcaire est donc bien le résultat de l’action des microorga­nismes décomposant la matière organique du sol.

2. Conditions de température et humidité

16On sait que la production de CO2 dans le sol dépend des conditions d’humidité et de température (Gerstenhauer, 1972 ; White, 1988). Miotke (1974) et Atkinson (1977) ont déterminé une relation directe entre la température du sol et la concentration en CO2. Anderson (1973), Garett et Cox (1973), Edwards (1975), Jakucs (1977) ont recherché la relation entre l’humidité du sol et la production de CO2 ; enfin Gunn et Trudgill (1982) ont établi que température et humidité du sol sont des facteurs déterminants de la production de CO2 durant la période végétative, mais que la relation entre la concentration en CO2 et les conditions météorologiques ne pouvait se résoudre à une équation simple. De même, on peut lire dans Gewelt et Ek (1986) : « la relation entre l’évolution des teneurs en CO2 et la source de CO2 (le sol) est nette au niveau des variations annuelles qui paraissent bien refléter le rythme saisonnier de la biomasse, avec son minimum d’activité en hiver ».

17Ainsi, pendant la durée des mesures considérées (du 16/12/95 au 12/06/96), sur l’ensemble des échantillons, les températures ont varié de manière identique entre 7 et 20°, excluant le gel (Fig. 2a). La recharge en eau étant effectuée en même temps, les variations d’humidité ont également été identiques pour tous les échantillons (Fig. 2b), les valeurs réelles de l’humidité étant bien sûr différentes d’un échantillon à l’autre.

Figure 2a : Variations de la température au cours de l’expérimentation

Figure 2a : Variations de la température au cours de l’expérimentation

Figure 2b : Variations de l’humidité au cours de l’expérimentation

Figure 2b : Variations de l’humidité au cours de l’expérimentation

II. Principaux résultats

A. Résultats généraux : la corrosion microbienne

18Le Tableau 1 montre que dans tous les cas, la concentration en carbonates dans la solution infiltrée, c’est-à-dire la dissolution des carbonates qui mesure la corrosion, est toujours plus importante en présence des microorganismes (les moyennes des séries « stériles » sont toujours les plus faibles). Les expériences confirment donc d’abord que l’action microbienne est primordiale. Les moyennes des séries B (action de 8 bactéries) et S (action de 8 Streptomycetes) sont à peu près identiques ; l’action conjuguée de l’ensemble des microorganismes n’est cependant guère plus élevée que l’effet d’un seul type de bactérie ou de Streptomycète. Cela signifie que la diversité des microorganismes n’influence pas tellement la capacité de corrosion. Une application très importante de cette observation est qu’une modification accidentelle du milieu par une pollution détruisant certaines bactéries n’entraîne pas nécessairement une baisse de l’intensité de la corrosion.

Tableau 1 : Concentration en carbonates dans la solution infiltrée (en mg/l)

Tableau 1 : Concentration en carbonates dans la solution infiltrée (en mg/l)

B1 à B10 : bactéries ré-inoculées ; S1 à S10 : streptomycètes ré-inoculés

Tableau 2 : Carbonate de magnésium dissous (en mg)

Tableau 2 : Carbonate de magnésium dissous (en mg)

B1 à B10 : bactéries ré-inoculées ; S1 à S10 : streptomycètes ré-inoculés

B. Influence du type de sol sur la corrosion

1. Type de sol et dissolution totale

19La capacité de dissolution mesurée par la quantité totale de carbonates dissous varie selon les types de sols. Sous les rendzines, la capacité de dissolution ­d’origine microbienne naturelle (Tableau 1, moyennes « orig. ») est de 6,5 à 9 fois supérieure à celle des dispositifs stériles. Sous les sols argileux, cette proportion tombe à 5, voire à 2,5. La corrosion globale serait donc plus importante au sein des rendzines qu’au sein des sols argileux.

2. Type de sol et mécanismes de corrosion

20Le Tableau 1 montre que dans tous les cas, la concentration en carbonates dans l’eau infiltrée est nettement plus forte sous les rendzines que sous les sols argileux. Pourtant, la quantité d’eau recueillie sous les rendzines est plus faible (170 à 350 ml/mn) que sous les sols argileux (250 à 420 ml/mn). Dans les rendzines à structure aérée, les échanges gazeux, la diffusion du CO2 et l’évaporation sont plus intenses, ce qui explique cette contradiction apparente. Grossièrement, on peut établir que dans le cas des échantillons originels, la quantité totale de carbonates dissous est proportionnelle au contenu du sol en matières organiques.

21Mais les observations de la diminution de la masse des cubes de calcaire (comme d’ailleurs les observations in situ) montrent que sous les rendzines, la karstification de la roche saine est beaucoup moins intense que sous les sols argileux : la corrosion des cubes de calcaire est plus forte sous les sols argileux que sous les rendzines (Fig. 3). C’est donc que la capacité de dissolution pourtant nettement supérieure au sein des rendzines est utilisée durant l’infiltration à dissoudre les débris calcaires encore présents dans ce type de sol, ce qui n’est pas le cas dans les sols argileux, où l’ensemble des acides produits dans le sol contribue à la corrosion des calcaires sous-jacents. D’ailleurs les sols argileux peuvent même subir une recalcification par remontée capillaire et reprécipitation des carbonates dissous dans l’eau qui avait atteint le substratum (Fig. 4). Cette observation fournit sans doute une explication à la transformation de sols argileux en rendzines.

Figure 3 : La perte de poids des cubes de pierre calcaire

Figure 3 : La perte de poids des cubes de pierre calcaire

Figure 4 : Le changement de contenu en carbonates dans les sols

Figure 4 : Le changement de contenu en carbonates dans les sols

C. Dissolution et nature des carbonates

22Les teneurs en carbonate de magnésium dissous (Tableau 2) sont toujours beaucoup plus faibles que celles en carbonates de calcium. La différence de comportement entre les rendzines et les sols argileux y est cependant beaucoup moins marquée. Comme de plus, on voit que pour le carbonate de magnésium la part des processus non-microbiens est proportionnellement beaucoup plus forte que pour le carbonate de calcium, cette moindre dépendance vis-à-vis de la dissolution microbienne s’explique.

23Pour la dissolution d’origine microbienne, on peut cependant remarquer quelques différences de comportement selon les types de sols : pour les rendzines noires, l’effet de certaines souches de bactéries (B2 et B3) est plus important ; pour les rendzines brunes, ce sont les Streptomycetes S3 et S5 qui se montrent les plus actifs. Des investigations complémentaires seraient cependant ici souhaitables avant de conclure à la nécessité de la présence de telle ou telle espèce pour la dissolution en milieu dolomitique.

Conclusion

24Le résultat le plus important de ces expérimentations est que la corrosion des calcaires sous les sols dépend essentiellement du type de sol. Les expériences ont montré que les processus de dissolution varient selon les différents types de sols : la capacité de dissolution est déterminée par le contenu et les apports éventuels en matière organique. Le processus dépend aussi de l’épaisseur du sol et surtout de sa structure qui détermine la circulation de l’air et donc la diffusion du CO2 ainsi que l’évaporation. Si le potentiel de dissolution des rendzines, sols aérés, est supérieur à celui des sols argileux compacts, on constate cependant que la corrosion est plus active sous ces derniers, d’abord parce qu’il y parvient plus d’eau et parce que cette eau est encore active (dans les rendzines aérées, elle s’évapore en partie et elle dissout les particules carbonatées encore présentes dans le sol).

25Le second résultat majeur est que dans tous les cas, le processus de dissolution d’origine microbienne est en moyenne de l’ordre de 4 fois plus important que les autres mécanismes.

26Nous envisageons à la fois maintenant des recherches complémentaires et des adaptations du modèle expérimental à d’autres conditions climatiques pour affiner nos méthodes et conclusions.

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Bibliographie

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : L’appareillage employé
Légende 1,10 bouchons de caoutchouc ; 2 recharge de l’eau ; 3 filtre de bactéries ; 4 tube de verre ; 5 échantillon de sol ; 6,8,9 filtre plastique ; 7 cubes de calcaire de 1 cm3 de volume ; 11 solution infiltrée (dimensions en mm)
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Titre Figure 2b : Variations de l’humidité au cours de l’expérimentation
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Titre Tableau 1 : Concentration en carbonates dans la solution infiltrée (en mg/l)
Légende B1 à B10 : bactéries ré-inoculées ; S1 à S10 : streptomycètes ré-inoculés
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Titre Tableau 2 : Carbonate de magnésium dissous (en mg)
Légende B1 à B10 : bactéries ré-inoculées ; S1 à S10 : streptomycètes ré-inoculés
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Titre Figure 3 : La perte de poids des cubes de pierre calcaire
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Titre Figure 4 : Le changement de contenu en carbonates dans les sols
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Pour citer cet article

Référence électronique

László Zámbó, « Corrosion d’origine microbienne sous les sols du karst du Nord-Est de la Hongrie. Étude expérimentale », Revue Géographique de l'Est [En ligne], vol. 41 / 4 | 2001, mis en ligne le 22 juillet 2013, consulté le 25 juillet 2017. URL : http://rge.revues.org/3913

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Auteur

László Zámbó

Université Eötvös Loránd, Département de Géographie physique, 2, Ludovika tér, 1083 Budapest, Hongrie

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