MOBILITÉ ET BIODISPONIBILITÉ DU CUIVRE ET DU COBALT DANS LES ÉCOSYSTÈMES MÉTALLIFÈRES DE L’ARC CUPRIFÈRE DU KATANGA

Французский. En Afrique centro-australe, des roches métallifères riches en éléments en traces tels que le cuivre, le cobalt, le nickel, le plomb ou le zinc affleurent, notamment dans l’Arc-cuprifère du Katanga en République Démocratique du Congo (RDC). Largement étudiées pour la biodiversité qu’elles portent depuis plus de 50 ans, les collines cuprifères de l’Arc katangais posent encore questions, notamment dans les perspectives appliquées de conservation et restauration des écosystèmes naturels ainsi que de transférabilité à la remédiation des sites dégradés. Parmi les questions non élucidées, celles relatives aux propriétés du sol qui conditionnent la structuration des unités paysagères dans les collines, la généricité des modèles de fonctionnement écosystémique, la variabilité des propriétés édaphiques dans les unités de végétation et en particulier leurs profils de distribution verticale, et enfin la disponibilité environnementale du cuivre (Cu) et du cobalt (Co) dans ces systèmes, ont été abordés au cours de nos recherches. Une étude pédopaysagère et édaphique, combinant relevés de terrain, caractérisations de laboratoire et expérimentations en conditions contrôlées a ainsi été menée afin de progresser dans la connaissance des facteurs de mobilité/biodisponibilité de Cu et Co dans les écosystèmes métallifères. Premièrement, l’approche pédopaysagère, basée sur l’étude de 41 fosses sur cinq collines du complexe Tenke-Fungurume, a permis de caractériser la distribution verticale des propriétés des sols dans les principales unités du paysage. Cette étude a montré l’importance du matériau parental comme facteur déterministe des relations sol-végétation en conditionnant à la fois la distribution des propriétés édaphiques verticalement et latéralement (topographie). L’étude des profils des collines a montré que les teneurs en Cu et Co mesurées en profondeur étaient largement plus élevées que dans les zones non métallifères et qu’elles constituaient donc des contraintes chimiques au développement de la végétation au même titre que les teneurs mesurées en surface. Deuxièmement, l’approche édaphique menée par une caractérisation des sols de quadrats de végétation et de transects directement ciblés à l’interface des principales unités de végétation avait pour objectif d’investiguer les échelles de variation (décamétrique et entre les collines) des relations sol-végétation. Les résultats confirment l’importance des teneurs solubles et/ou disponibles en métaux ainsi que le rôle possible d’autres facteurs (topographiques, physiques…) sur le déterminisme paysager. La lithologie semble être un facteur important en matière de relations édaphiques. Les différences entre sites sont significatives mais la variabilité des propriétés du sol au sein même des unités de végétation apparaît significative également et pas seulement due aux processus d’érosion et de transports de surface. Ensuite, deux expériences en conditions contrôlées ont été menées, en vue pour l’une de caractériser la phytodisponibilité du Cu et du Co par une culture en pots et pour l’autre d’évaluer la mobilité de ces éléments dans les eaux de percolation par l’emploi de mini-lysimètres. Concernant la première expérience, la réponse de plants d’Anisopappus davyi à différents sols contaminés des collines a montré que la phytodisponibilité en Cu et en Co est mieux exprimée par la partie racinaire que par la partie aérienne de la plante et plus particulièrement sur les sols des pelouses. Le sol non contaminé a présenté les biomasses les plus élévées. Au niveau des extractants testés en vue de prédire la phytodisponibilité du Cu et du Co, l’acétate d’ammonium avec ajout d’EDTA à pH 4,65 s’est avéré être le meilleur prédicteur. Cependant, la mortalité constatée pour certains plants d’A. davyi n’a pu être corrélée au Cu ou au Co car tous deux sont présents en fortes concentrations dans les sols et leurs effets sont confondus. La deuxième expérience menée en mini-lysimètres et en parallèle avec des tests de sorption en laboratoire a montré que le Cu et le Co étaient potentiellement mobiles verticalement ou latéralement dans les écosystèmes, à travers leura migration au sein de la solution du sol. La composition chimique des roches porteuses des métaux est le facteur principal de la libération de ceux-ci dans la solution du sol mais les propriétés physico-chimiques du sol conditionnent leur devenir, notamment à travers les processus de sorption. Le Cu s’est montré plus affecté par ces conditions que le Co. Le pH et le contenu en matières organiques sont les facteurs-clés de ces processus. Finalement, d’un point de vue pratique, les teneurs extractibles par des sels neutres faiblement concentrés, comme le CaCl2 0,01N, et le fractionnement par la modélisation géochimique semblent être les outils les plus adaptés à la prédiction de la mobilité environnementale du Cu et du Co.

Английский. Numerous metalliferous rocks outcrop in Southern-Central Africa. The Katanga province in RDCongo is rich in ore resources, among which copper, cobalt, nickel, lead or zinc. The copper hills have been studied for biodiversity issues for 50 years. However, questions are still remaining regarding the nature and feasibility of practices for ecosystem conservation, restoration, or reconstruction in other contaminated sites. Among questions we choose to investigate : which soil properties drive the organisation of landscape units in the copper hills ? Are the models of soil-vegetation functioning universal or site-specific ? What is the variability of edaphic properties within the vegetation units ? What are the vertical distribution of soil properties ? What is the environmental availability of copper (Cu) and cobalt (Co) in these ecosystems ? A study was conducted about soil-landscape, organisation and edaphic properties in order to improve knowledge in the factors that determine mobility of Cu and Co in metalliferous ecosystems. It included field observations, laboratory determinations and experiments in controlled conditions. First, in the lanscape approach, 41 soil profiles were studied in five hills of the Tenke-Fungurume complex in order to characterize the vertical distribution of soil properties in the main landscape units. Our results showed the importance of soil parent material as deterministic factor of soil-vegetation relationships as it drives vertically and laterally the distribution of edaphic properties. The Cu and Co content of subsoil were largely higher in metalliferous hills compared to normal soils. This shows that there is a strong potential chemical stress in metalliferous soils, not only at the surface but also in subsoil horizons. In a second time, the edaphic approach investigated the scales of variation (decametric and between sites) of the soil-vegetation relationships. Results confirm (i) the importance of soluble and bioavailable contents in metals and also (ii) the possible effect of other factors such as topography or soil physical properties on the landscape organisation. The lithology seemed as crucial driver of edaphic relationships. Differences between sites were significant but the variability of soil properties within one landscape unit of one given site was significant too. There are other processes than erosion and surface transport of soil partcles to explain the distribution of soil preoperties. Then, experiments were conducted in controlled conditions to evaluate the phyto-availability and potential mobility of Cu and Co. In the pot experiment, we followed the evolution of plants of Anisopappus davyi growing on various contaminated soils. Results showed that the effects of metals on plant content were best correlated to roots compared to aerial part. The plant biomass was higher on the non contaminated site and the soil Cu and Co extraction by acetate+EDTA was better correlated to plant content than the other tested parameters. However, high mortality of A. davyi was found on various soils, and plant content could therefore not be correlated to soil properties. We can not evaluate which of the two elements is the most limiting as their effects are confounded. The second experiment was conducted with small lysimeters and chemical batch sorption tests. They showed that Cu and Co were potentially mobile in the soil and susceptible to migrate vertically and laterally in soils of the hills. The chemical composition of the rocks is the main factor of the release of Cu and Co in the soil solution but the soil physico-chemical properties drive the fate of these elements through sorption processes. The Cu was apparently more affected by soil conditions than Co. Among soil properties, the pH and content in organic matter are the most important. Finally, from an applied perspective, the Cu and Co content as extracted by neutral salts at low concentration, such as CaCl2 0.01N, and geochemical modeling of soil fractions seem to be appropriate for the prediction of environmental mobility of these two elements.