Les champs, les forêts, l’eau et la biodiversité sont les éléments fondamentaux du paysage rural. Ils font l’objet de nombreuses études agraires, écologiques, biologiques et hydrologiques. La plus grande partie du paysage rural est constituée de cultures arables, soumises à de nombreux traitements techniques agricoles et agrochimiques, qui forment la couche supérieure du sol. Des quantités importantes d’éléments chimiques s’infiltrent dans l’eau qui s’écoule des terres cultivées, particulièrement des sols légers caractérisés par une composition mécanique faible, un pH acide ainsi qu’une faible composition en humus,

Les métaux lourds font partie des éléments toxiques pour la santé qui passent des champs vers les eaux des écosystèmes. On les retrouve principalement dans les eaux usées industrielles et municipales (Cd, Cu, Pb, Zn), les précipitations atmosphériques, et les eaux provenant de l’activité agricole (Hg, Cu, Pb). On pensait jusqu’alors que les engrais minéraux et les composés chimiques utilisés pour la protection des plantes étaient source d’oligo-éléments de corps simples dans les terres, particulièrement à la surface des sols. Des doses élevées d’engrais au phosphore ont enrichi le sol en cadmium. L’utilisation à long terme de certains composés chimiques pour la protection des plantes a mené à l’augmentation des quantités de cuivre, de mercure, de cadmium et de plomb dans les sols. [1]

Les activités agricoles ainsi que l’industrie et les transports influencent la contamination de l’eau, de l’air et du sol. Dans les terres situées près de l’usine de cuivre de Glogow, il a été établi que le plomb s’accumule dans les minéraux argileux et qu’il est absorbé par les plantes en quantités de 4000 g de Pb/ha, alors que le cuivre apparaît en fraction organique et les plantes absorbent 200 g de Cu/ha. L’eau et l’air peuvent être considérés comme des ressources renouvelables, mais dans les sols l’effet des activités humaines est plus persistant et souvent irréversible. [2]

Il faut souligner que l’utilisation à long terme de certains engrais minéraux, particulièrement les sels et les acides puissants, associée à de nombreux autres facteurs a causé une importante acidification des champs. Dans les sols acides, les métaux lourds sont plus mobiles et se retrouvent plus facilement dans la chaîne alimentaire. Par conséquent, on prévoit que dans les terres où l’acidité va augmenter les plantes absorberont une quantité plus importante de métaux lourds (par ex. du cadmium).

Il est difficile d’analyser et d’anticiper les effets sur l’écologie résultant de l’augmentation de la présence des métaux lourds dans l’environnement, particulièrement dans les sédiments qui s’accumulent dans les réservoirs d’eau. La connaissance des menaces résultant de l’accumulation excessive des sédiments dans l’eau n’est pas suffisante[3]. Nous ne pouvons pas prévoir si de grandes quantités de sédiments accumulées au fond des réservoirs naturels et artificiels peuvent, par exemple, durant le changement de réaction de l’eau (pluie acide) relâcher des éléments toxiques et devenir une source secondaire de contamination, créant un nouvel effet nommé "bombe à retardement chimique." [4]

Les métaux présents dans l’eau et l’environnement terrestre sont des éléments nécessaires au fonctionnement normal des plantes et des animaux. Ils jouent un rôle important dans la transformation de la matière, principalement dans les mécanismes enzymatiques. Une faible concentration de ces éléments dans l’environnement a généralement un effet positif et stimule l’activité des organismes vivants. Au-delà du seuil maximum, ils inhibent la croissance et le développement et peuvent même être toxiques [5]. Par conséquent, des quantités de plus en plus importantes de métaux lourds se retrouvent dans la chaîne alimentaire, dont les plantes sont l’un des maillons. Des quantités excessives de métaux lourds dans les plantes affaiblissent non seulement leurs propriétés alimentaires, mais nuisent aussi à la production. Par exemple, la vente des graines tournesol peut annuellement chuter d’environ 10 millions de USD à cause d’une concentration excessive de cadmium, malgré le fait que ces plantes soient cultivées dans des terres relativement non contaminées [6]. L’absorption de métaux par les plantes peut être influencée par les mécanismes de synergie et d’antagonisme des éléments. Par exemple, la présence élevée de zinc peut limiter l’accumulation du cadmium dans les plantes [7]. Selon certains auteurs [8], l’application de Zn sous forme de ZnSO4 réduit généralement l’accumulation de cadmium dans les graines.

Pour nettoyer les eaux et les terres contaminées, on entreprend actuellement de recultiver et de régénérer de différentes manières agrochimiques et biologiques. Les activités écologiques ont un rôle important à jouer dans l’élimination des effets négatifs des activités de l’industrie et de l’agriculture sur l’environnement. L’une des premières activités pour assainir l’environnement contaminé principalement par l’industrie consiste à chauler et à utiliser plus d’engrais biologiques. Dans les années 90, l’Institut des Fibres Naturelles a mené un projet de recherche à long terme concernant l’utilisation de terres contaminées par l’industrie métallurgique pour cultiver des plantes telles que : lin, chanvre, gazon, céréales, pomme de terre, ainsi que l’utilisation de certaines de ces cultures pour la cellulose, le textile et l’industrie chimique. On a découvert que la concentration dans le sol des métaux lourds tels que Zn, Cd, Cu, Pb, était plus faible après la récolte qu’avant les semis. Par exemple, le chanvre, qui a une biomasse annuelle élevée, a présenté un important effet de phytoremédiation [2, 9, 10].

La phytoréaction - méthode pour améliorer la qualité du sol contaminé qui consiste à nettoyer la terre en éliminant les métaux lourds en même temps qu’on récolte -utilise non seulement des plantes à fibres, mais également des plantes ayant des capacités importantes d’accumulation des métaux lourds et une augmentation importante de biomasse.

En utilisant Salix sp en phytoremédiation, on a calculé que la culture du saule dans les terres contaminées réduisait de 20% les quantités de cadmium disponible [11]. Pendant la culture du lin, dont la récolte moyenne de paille équivalait à 4,8 t/ha, l’extraction moyenne de Cu était de 38,2 g, alors que pour le plomb elle était de 23,2 g/ha. L’augmentation de la production de paille de lin d’une tonne par hectare a entraîné une absorption de cuivre plus élevée de 7,9 g/ha et de 4,8 g/ha pour le plomb. Avec une production de chanvre de 9,9 t/ha, la paille de chanvre accumule environ 169 g de Cu/ha et 90,5 g de Pb/ha.

La recherche de nouvelles méthodes d’élimination des métaux lourds dans les terres a mené à s’intéresser aux substances actives qui se lient aux métaux lourds. La diminution des métaux lourds présents dans le système de racines des plantes a été obtenue en appliquant à la surface du sol des dérivés naturels et synthétiques ayant des capacités importantes d’absorption des métaux lourds. En étudiant l’influence de ces dérivés dans la prévention de l’accumulation des métaux lourds dans les plantes, les auteurs ont montré qu’il est possible de réduire considérablement la présence de métaux lourds dans les cultures. Ces études indiquent que dans certains des légumes cultivés, par exemple la laitue, la présence de Zn, Cd, Pb et Cu a été réduite respectivement de 48%, 61%, 30% et 57%. Dans des betteraves cultivées avec ces dérivés, il y avait une réduction de Zn, Cd, Pb, Cu respectivement de 48%, 35%, 60% et 37% en comparaison avec des plantes cultivées sans ajout de ces dérivés [12].

C’est non seulement les concentrations de métaux lourds, mais principalement leur forme qui affecte leur bio-disponibilité et leur toxicité. On sait que les métaux lourds existent dans l’environnement sous différentes formes chimiques : ions libres, liés avec des substances organiques instables, ou complexes stables avec de l’humus [13]. Les formes les plus toxiques sont les formes ioniques, les moins toxiques sont les métaux liés aux substances organiques, par exemple avec de l’humus (HS) et les polysaccharides et les polypeptides (PP). La concentration excessive d’ions libres mène à des dérèglements du métabolisme cellulaire [14].

L’étude des méthodes qui limitent la migration libre des métaux provenant des champs montre que pour l’auto-assainissement de l’environnement les plantes des bassins sont très importantes, ainsi que les plantes ayant d’importantes propriétés de phytoremédiation comme le lin et le chanvre, qui gagnent de l’importance comme plantes non alimentaires.

L’analyse des concentrations de métaux lourds dans les formes liées aux HS et aux PP dans l’eau arrivant dans les réservoirs situés dans les champs en culture et qui s’écoule des bassins a montré des quantités plus importantes de formes liées dans l’eau de sortie. Parmi les métaux liés à la matière organique dissoute et analysés, de grandes différences ont été observées pour le cadmium et le plomb, des éléments très toxiques. Le pourcentage plus élevé de métaux liés dans l’eau de sortie peut résulter de l’absorption de métaux ioniques par les racines et les bulbes des plantes présentes dans le réservoir, de même que des différentes caractéristiques de la matière organique dissoute. L’analyse de la capacité d’absorption de métaux par les plantes, ce qui crée une barrière bio-géochimique sous la forme d’une ceinture de plantes de 2 m de largeur, a révélé une importante réduction de la concentration (40%) dans le cas du Cd, et de 20% dans le cas du Pb [15].

On prévoit l’augmentation des surfaces cultivées en Pologne dans un futur proche. La culture de plantes à fibres, en particulier le chanvre, pourrait diminuer les menaces causées par des concentrations excessives de métaux lourds. Les études qui tentent non seulement d’expliquer les mécanismes, mais qui déterminent aussi les formes chimiques des métaux lourds sont très importantes dans ce processus. La forme des métaux lourds présents dans l’environnement dépend non seulement des espèces de plantes, mais aussi de la qualité et de la quantité de matière organique dissoute, particulièrement l’humus. L’humus joue un rôle vital dans les écosystèmes aquatiques et terrestres grâce à leur capacité à transformer les métaux lourds et à stimuler leur migration, c’est pourquoi il y a eu récemment de nouvelles études sur ces substances. Quand le chanvre est récolté, il laisse beaucoup de racines et de tiges sur le sol, ce qui peut augmenter la concentration d’humus. La connaissance de ces processus est importante non seulement pour l’étude de l’absorption de métaux lourds mais aussi pour évaluer la qualité de l’eau, particulièrement dans les réservoirs de stockage dont l’eau est souvent utilisée à des fins alimentaires.