Modélisation de la dégradation bactérienne de la matière organique. Application à la zone de turbidité maximale de I'estuaire de la Loire.

Modelling of degradation of organic matter by bacterial populations. Application to the zone of maximum turbidity of the Loire estuary

lnstitut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer, Direction de l'Environnement Littoral, B.P 330, 83507 La Seyne/Mer, France

Résumé

La zone de turbidité maximale de l'estuaire de la Loire est sujette, en période estivale, à un important déficit en oxygène dissous qui peut atteindre l'anoxie en marée de vives eaux. Des campagnes de mesures ont été réalisées en septembre des années 1990 et 1991 sur toute la verticale dans cette zone, afin d'estimer la biodégradabilité de la matière organique et d'identifier les processus de biodégradation prenant part à I'anoxie. Un modèle numérique a ensuite été mis en œuvre pour estimer la demande en oxygène dissous induite par les processus d'oxydation de la matière organique et par la nitrification. Appliqué à la zone de turbidité maximale de l'estuaire de la Loire, les simulations ont été réalisées en prenant en compte les apports fluviaux en matière organique et en sels nutritifs. Les résultats permettent de comprendre et de quantifier le rôle de la crème de vase dans la demande en oxygène dissous du bouchon vaseux. En effet, la crème de vase est le siège de processus fermentatifs et d'hydrolyses. La formation de carbone organique dissous dans cette couche, estimée par le modèle en débit d'étiage, s'élève à un taux de 3 g C.m^-3.jour^-1, identique au taux évalué à partir des mesures réalisées en septembre 1990 et 1991. La correspondance entre les résultats du modèle et des mesures est également vérifiée au niveau du taux de formation d'ammonium dans la crème de vase, soit en moyenne 6 nmol.g^-1.h^-1 N-NH₄, en période d'étiage estival. En débit d'étiage, il apparaît qu'à chaque période de vives eaux, soit en 7 jours, le substrat assimilé dans le bouchon vaseux provient pour 15% des produits organiques formés dans la crème de vase.

Abstract

During the summer, the Loire estuary is subject to a very high deficit in dissolved oxygen, which may reach anoxia during the September spring tides. Measurement surveys were carried out in September 1990 and September 1991 throughout the maximum turbidity zone, in order to estimate the biodegradability of the organic matter and identify the processes of biodegradation involved in the anoxia. A mathematical model was then developed to estimate the dissolved-oxygen demand resulting from degradation of the organic matter and nitrification of ammonia. The two layer model represents the water column and the fluid mud. Applying this model to the maximum turbidity zone in the Loire estuary, simulations were performed taking into account the inflow from the river in terms of organic matter and nutrient salts. The results obtained help in understanding and quantifying the influence of fluid mud on oxygen demand in the zone of maximum turbidity. Fluid mud is the center of processes of fermentation and hydrolysis. The model estimates formation of DOC (dissolved organic carbon) in this layer at 3 g C-m ^-3.day ^-1 during neap tide low-flow periods, which corresponds to the rate estimated on the basis of measurements in September 1990 and 1991. The correlation between theoretical results and measurements has also been confirmed in terms of the rate of ammonia formation in the fluid mud: 6 nmol.g^-1.h^-1N-NH₄ on average during summer low-flow periods. When particles are suspended in the water column, the organic products formed by fermentation and anaerobic hydrolysis integrate into the aerobic metabolic cycle. The model shows that, at each 7-day spring tide during low-flow periods, 15% of the substrate assimilated in the zone of maximum turbidity is provided by fermentative organic products formed in the fluid mud.