Assessment of heavy metal bioaccumulation capacities of some lowland plants in Yaounde (Cameroon)

Abstract

Les bas-fonds sont des écosystèmes très importants, qui fournissent des biens et services louables à l'homme et à l'environnement. Pourtant, ils peuvent être très fragiles. Les bas-fonds de Yaoundé sont soumis à la pollution due aux déchets de toutes sortes, notamment les métaux lourds provenant des activités anthropiques. L’objectif de cette étude était d'évaluer les capacités bioaccumulatrices des métaux lourds chez quelques plantes se developpant dans les bas-fonds de Yaoundé au Cameroun. Au cours de cette étude, l’identification des macrophytes capables de se développer dans les bas-fonds pollués par des métaux lourds est restée une étape essentielle dans le processus de phytoremédiation. L’inventaire floristique a été réalisée grâce à la méthode de quadrats afin d'identifier les espèces de plantes ayant des capacités phytoremédiatrices. Pour cela, 12 bas-fonds ont été sélectionnés dont 11 contaminés et 01 témoin (non pollué). Des échantillons de sols, d’eaux et de plantes ont été prélevés pendant les saisons sèche et pluvieuse dans trois bas-fonds sélectionnés potentiellement pollués: Mokolo-elobi (site 4), Mvan (site 9) et Etang Atemengue Obili (site 11), et les paramètres physico-chimiques des échantillons de sols et d’eaux ont été déterminés. Les concentrations de Pb, Cd, Cu, Ni, Zn, Cr, As et Co ont été déterminées dans 30 échantillons pour évaluer le niveau de pollution des métaux dans le sol, l’eau et les plantes. Les indices de pollution (PI), de géoaccumulation (Igeo), ainsi que le risque écologique (Eir) ont été utilisés pour évaluer le niveau de contamination des sols. De même, dans l’eau, le niveau de toxicité, la charge polluante et le risque écologique des métaux ont été évalués en utilisant les indices de pollution, d’évaluation des métaux et de charge de toxicité. Les analyses en composantes principales (PCA) et clusters (HA) ont permis de déterminer les sources des métaux dans le sol et l’eau. Les capacités phytoremédiatrices des plantes ont été déterminées en utilisant le ratio de mobilité, les facteurs de translocation (racines - parties aériennes) et de bioaccumulation. Les indices d’accumulation et de bioconcentration des métaux dans les plantes ont été analysés. Pendant la saison des pluies, 189 espèces appartenant à 138 genres et réparties dans 63 familles ont été identifiées sur les sites contaminés, tandis que 139 espèces appartenant à 103 genres et réparties dans 39 familles ont été identifiées en saison sèche. La diversité des macrophytes était plus élevée dans chaque site pollué comparé au témoin. Les familles des Poaceae, Asteraceae, Fabaceae, Malvaceae, et Solanaceae ont montré une plus grande richesse taxonomique sur les sites pollués en saison des pluies (23, 20, 14, 12 et 12 taxons respectivement), comparé aux familles des Poaceae, Asteraceae, Cyperaceae, Convolvulaceae et Fabaceae (respectivement 19, 17, 9, 8 et 8 espèces) pendant la saison sèche. Les résultats ont révelé une grande diversité des espèces présentes dans les bas-fonds pollués avec les indices de diversité de Shannon (H’=2,63) et d’équitabilité de Pielou (J’= 0,459-0,847), comparés au temoin (H’=2.34 et J’=0.747) en saison des pluies. Les valeurs respectives étaient H’=2,61 et J’=0,692-0,819 comparés au temoin (H’=2.45 et J’=0.866) pendant la saison sèche. Sur la base des critères caractéristiques des espèces accumulatrices et leurs capacités d'accumulation des métaux, les résultats ont permis de classer les plantes en catégories majeures, fréquence et abondance relatives (Fri et A)> 10% et intermédiaires (Fri > 10% et 2%≤ A< 10). Ainsi, 15 espèces assorties ont présenté des caractéristiques intéressantes pouvant faire l’objet d’essais préliminaires pour étudier leurs capacités de phytoremédiation, parmi lesquelles Echinochloa pyramidalis, Pennisetum purpureum et Commelina benghalensis ont été retenues. Concernant les sols, les concentrations moyennes (n=3) de Cr (202,01±83,81 μg/g) dans les 3 sites, de Ni (80,29±24,88 μg/g) dans le site 11 et de Co (8,17±0,6; 20,23±1,7 μg/g) dans les sites 11 et 4 des bas-fonds étudiés étaient élevées comparées aux seuils admissibles pour les sols utilisés pour l’agriculture. Les valeurs de l’indice de géoaccumulation (Igeo) ont indiqué que les sols étaient fortement contaminés par le Cr et modérément par le Cu provenant des sources anthropiques. L’indice de pollution intégré (IPI) de Nemerow a revélé la pollution des sols dans les 3 sites par les métaux lourds et les a classés comme suit: site 11 (8,06)>site 9 (5,79)>site 4 (3,41). Le risque écologique potentiel (Eir) des métaux toxiques suivait l’ordre de Cr>Cu>Co>Pb>Ni>As>Zn>Cd et indiquait un léger niveau de risque écologique, le Cr et le Cu contribuaient le plus à l’augmentation du niveau de risque écologique dans les bas-fonds. Pendant la saison sèche, les concentrations moyennes (n=3) de Cd (0,336±0,235 mg/L), As (0,335±0,236 mg/L) et Co (0,34±0,235 mg/L) dans l’eau étaient supérieures aux normes de rejet dans l’environnement. La charge totale de toxicité et les valeurs de l’indice d’évaluation des métaux lourds se sont avérées inférieures aux valeurs acceptables. Selon la classification de l’indice de risque écologique, 100 % des échantillons totaux se sont avérés présenter un faible risque écologique pendant les deux saisons. Les concentrations moyennes (n=8) des métaux lourds dans les plantes Pb (9,67±6,05 μg/g), Cd (0,41±0,38 μg/g), Cr (22,36±17,09 μg/g), Ni (7,63±5.88 μg/g), Zn (252,62±65,71 μg/g), Cu (25,92±1,82 μg/g), As (0,00±0,00 μg/g) et Co (4,69±4,23 μg/g) étaient tous au dessus des normes, sauf pour l’arsenic. C. benghalensis a présenté la plus forte accumulation de Zn. Le gradient d'accumulation des métaux dans les organes de la plante a suivi un ordre décroissant, de racines>feuilles>tiges, à l'exception du Cd (tiges>racines>feuilles) et du Zn (racines>tiges>feuilles), montrant un antagonisme dans l'absorption de ces 2 métaux par les plantes. C. benghalenis a montré son potentiel pour être utilisé comme phytoextracteur de Zn, Cu et Cd (facteur de translocation (TF) et de bioaccumulation (BAF)>1) tandis que E. pyramidalis pour Cd et Ni, et P. purpureum pour Cd, mais elles sont toutes des phytostabilisateurs de Co et As. Ainsi, la translocation des métaux du sol vers les plantes, les caractérises comme indicateurs de pollution métallique. La présente étude a révélé une forte accumulation des métaux dans la famille des Poaceae dues à leurs systèmes racinaires très développés, fibreux, étendus et diversifiés comparé aux Commelinaceae, expliquant leur développement rapide dans les zones contaminées des bas-fonds.