Des tuyaux d’irrigation recouverts de rouille suggèrent un manque de nitrate dans les eaux souterraines

« Oh, nous n’avons pas à nous soucier de cette zone. Ils ont des pivots rouges. »

À première vue, l’anecdote était assez claire. Le « rouge » en question, Troy Gilmore le savait, était de la rouille. Les pivots, quant à eux, étaient des pivots centraux : des tuyaux d’irrigation surélevés qui tournent autour d’un point central pour distribuer l’eau selon des schémas circulaires plus évidents à partir de 30 000 pieds, où les cultures irriguées ressemblent à d’énormes damiers verts qui encombrent le damier pastoral de la ceinture de maïs.

Quant au souci ? Il s’agirait de nitrate, un composé dérivé d’engrais qui peut s’infiltrer dans les eaux souterraines et, s’il est consommé au-dessus de certaines concentrations via l’eau potable, constituer une menace pour la santé humaine.

Pourtant, le professeur agrégé de l’Université du Nebraska-Lincoln a trouvé le commentaire désinvolte un peu surprenant. Même avec sa vaste expérience en hydrologie, Gilmore n’avait jamais entendu parler d’un lien entre les pivots rouillés et le nitrate des eaux souterraines. Mais Marty Stange, le superviseur de l’environnement chez Hastings Utilities, était en train d’expliquer une installation de traitement de l’eau par osmose inverse qui venait d’être mise en service.

Alors Gilmore continua à écouter, vidant la curiosité de sa tête. Finalement, il en parlera à sa conseillère doctorale de l’époque, Mikaela Cherry, qui préparait son doctorat à l’École des ressources naturelles.

« Nous sommes comme, ‘Vous savez quoi? Nous devrions vraiment examiner cela' », se souvient Cherry, qui a obtenu son doctorat de Nebraska U en décembre 2021. « ‘Est-ce une chose? Là où il y a des pivots rouges, il n’y a pas de nitrate ?' »

Maintenant, après des dizaines d’heures à scruter des images satellite, à compiler des feuilles de calcul de données et à parcourir les routes de campagne du centre-sud du Nebraska, Cherry et ses collègues ont de bonnes raisons de soupçonner que Stange avait raison. Selon leurs recherches, les pivots centraux rouges – en particulier ceux entièrement recouverts de fer brun rougeâtre pompé à partir des aquifères en dessous – semblent signifier une absence de nitrate dans toutes les eaux souterraines qui traversent ses tuyaux.

Ce qui ne veut pas dire que l’absence de patine de fer signifie que la nappe phréatique voisine est nécessairement riche en nitrates.

« Un pivot non rouillé ne vous dit vraiment rien », a déclaré Cherry, maintenant physicien au Nebraska Water Science Center de l’US Geological Survey. « Mais la présence de ces pivots rouillés est une indication qu’il n’y a pas (beaucoup) de nitrate dans les eaux souterraines. »

« Ils ne sont pas aléatoires »

Lorsque Gilmore a partagé l’anecdote de Stange avec Cherry, son premier instinct a été de sortir et de la tester via un bon travail de terrain à l’ancienne. Malheureusement, les premiers stades de la pandémie de COVID-19 en avaient temporairement interrompu la majeure partie. Mais Cherry a eu une idée : peut-être pourrait-elle au moins identifier les pivots centraux, et même discerner la proportion de leur surface couverte de rouille, en fouillant dans Google Earth. Avec un peu de pratique, elle a réalisé que c’était faisable, classant finalement 700 des pivots dans l’une des trois catégories : entièrement rouillé, partiellement rouillé ou non rouillé.

« J’ai passé beaucoup de temps à regarder les pivots sur Google Earth », a-t-elle déclaré en riant. « Et puis, une fois que nous avons pu recommencer à faire un peu plus de travail sur le terrain, sortir et revérifier que les pivots que j’ai vus comme rouillés sur Google Earth étaient en fait rouillés dans la vraie vie. »

Cherry s’est installée dans trois comtés de l’État de Cornhusker à forte irrigation, situés au sommet de l’énorme aquifère d’Ogallala – Adams, Kearney et Phelps – où elle avait déjà mené des recherches depuis son arrivée au Nebraska en 2018. Avant de prendre la route, Cherry a sélectionné 277 pivots à inspecter.

Elle ne serait pas seule. La pandémie avait également perturbé le tourisme dans le Grand Canyon, où la sœur de Mikaela, Bethany, travaillait comme garde-parc. Avec un nouveau temps libre, Bethany a décidé de monter un fusil de chasse pour le voyage de recherche de trois jours. Ensemble, les sœurs ont retrouvé les pivots, photographié et classé avec succès environ 250 d’entre eux.

« C’était très amusant », a déclaré Mikaela. « Vous entrez en quelque sorte dans un rythme. »

Il s’est avéré que sa reconnaissance Google Earth en valait la peine : dans 83 % des cas, les classifications au sol des pivots des sœurs correspondaient aux classifications satellitaires de Mikaela. Elle a ensuite entrepris de comparer la rouille de chaque pivot avec la lecture de nitrate la plus récente de l’eau souterraine qui l’alimentait, en s’appuyant sur une base de données sur les eaux souterraines co-développée par le Département de l’agriculture du Nebraska et l’Université du Nebraska-Lincoln.

Cherry était particulièrement intéressée à savoir si les concentrations respectives de nitrates étaient supérieures ou inférieures à 10 milligrammes par litre, ce que l’Environmental Protection Agency a établi en 1991 comme la concentration maximale sans danger pour la consommation humaine. Cette norme est née de l’émergence du syndrome du bébé bleu, dans lequel la peau d’un nourrisson devient bleue, souvent une conséquence de la consommation de préparations préparées à partir d’eau de puits riche en nitrates, ce qui peut réduire les niveaux d’oxygène dans le sang. Plusieurs études ont également établi un lien entre le nitrate et une incidence plus élevée de malformations congénitales et de plusieurs cancers.

Après avoir croisé les emplacements des pivots avec leurs concentrations de nitrate dans les eaux souterraines, Cherry a découvert qu’aucun des 76 puits d’eau souterraine alimentant les pivots entièrement rouillés ne contenait de nitrate au-dessus du seuil de 10 mg/L. En fait, la concentration moyenne de nitrate de ces sources n’était que de 2,4 mg/L. La plupart, mais pas la totalité, des eaux souterraines fournies aux pivots partiellement rouillés se situaient également en dessous du seuil de nitrate, avec une concentration moyenne de 4,5 mg/L mais un maximum de près de 23 mg/L.

Bien qu’une majorité des pivots sans rouille aient puisé dans des puits d’eau souterraine en dessous du seuil de l’EPA, avec une moyenne de 7,8 mg/L, beaucoup d’autres ne l’ont pas fait. Un des puits alimentant un pivot antirouille mesurait près de 44 mg/L, soit plus de quatre fois la limite EPA. Et les analyses statistiques ont confirmé une nette différence – très peu susceptible d’être due au hasard – entre les concentrations de nitrates associées aux pivots entièrement rouillés et non rouillés.

« Il semble donc y avoir une corrélation assez forte entre la rouille et le nitrate », a déclaré Cherry, qui a noté que des échantillons de plus grande taille pourraient apporter un soutien supplémentaire à la conclusion de l’équipe.

Au cours de l’expédition sur le terrain de trois jours dans le centre-sud du Nebraska, Cherry a également commencé à remarquer une tendance qui s’est confirmée lorsqu’elle a ensuite cartographié les pivots en fonction de leurs classifications au sol.

« Les pivots rouillés ont tendance à se produire par plaques », a-t-elle déclaré. « Ils ne sont pas aléatoires. Vous en voyez des groupes dans toute la zone d’étude. »

Microbes, Snickers et l’almanach du fermier

Naturellement, Cherry, Gilmore et leurs collègues chercheurs Jeffrey Westrop, Yusong Li et Tiffany Messer étaient curieux de savoir exactement ce qui était responsable du lien nitrate-rouille. Ils ne sont toujours pas sûrs, mais ils ont une hypothèse, celle impliquant les innombrables micro-organismes, en particulier les bactéries, qui vivent dans le sol et les eaux souterraines.

Les microbes vivant dans les aquifères doivent souvent leur survie au carbone organique, qui leur prête des électrons qui alimentent leur métabolisme. Cependant, certaines des réactions chimiques essentielles à leur survie dépendent également du don d’électrons à des éléments ou des composés à proximité. Plusieurs éléments et composés sont disposés à accepter des électrons microbiens, mais les microbes ne donneront ces électrons que de la manière la plus économe en énergie possible.

« Ce qu’ils ‘mangent’ est basé sur ce qui est là et ce qui est énergétiquement le plus facile », a déclaré Cherry. « C’est comme si un humain décidait de manger un Snickers contre de la laitue. Le Snickers va leur donner l’énergie la plus simple. »

Ainsi, les microbes donnent la priorité aux récepteurs de leurs électrons : l’oxygène dissous d’abord, suivi du nitrate, du manganèse puis du fer. En prêtant un électron au fer présent dans les eaux souterraines, les microbes le convertissent en une forme qui s’oxyde ou rouille s’il est pompé à la surface et exposé à l’oxygène, ce qui explique pourquoi certains pivots centraux sont recouverts de la teinte brun rougeâtre même lorsque ils ne se corrodent pas.

Mais le fait que les microbes n’aient recours au fer qu’après avoir épuisé le nitrate, a déclaré Cherry, suggère que la plupart ou la totalité du nitrate disponible dans cette même eau souterraine a déjà été consommée. Et cela pourrait potentiellement expliquer pourquoi un pivot rouge semble indiquer l’absence de nitrate dans l’aquifère en dessous.

« Ce n’est que le mécanisme que nous proposons », a déclaré Cherry. « C’est, logiquement, ce que nous pensons qui pourrait se produire. »

Bien sûr, un aquifère doit contenir du fer pour que les pivots au-dessus de lui deviennent rouges en premier lieu. Parce que tous les aquifères ne le font pas, Cherry a déclaré que le système de code couleur proposé n’est applicable que dans les zones qui présentent leur juste part de l’élément. En règle générale, il s’agit de zones adjacentes à des ruisseaux ou à des rivières, y compris la Platte, dans le cas du centre-sud du Nebraska.

Outre son abondance de terres agricoles irriguées par un aquifère, le centre-sud du Nebraska était un emplacement de choix pour l’étude de Cherry, en partie parce que les districts de ressources naturelles de la région, ou NRD, surveillaient depuis longtemps les eaux souterraines à la recherche de nitrates et d’autres contaminants. Alors qu’Omaha, Lincoln et d’autres régions métropolitaines disposent de l’infrastructure nécessaire pour surveiller en permanence l’ensemble de leur eau potable, les NRD des zones rurales échantillonnent à tour de rôle des sous-ensembles de leurs emplacements d’eaux souterraines. Dans le centre-sud du Nebraska, les NRD Tri-Basin et Little Blue consacrent environ un mois par an à l’échantillonnage des puits, a déclaré Cherry. Et bien que le processus soit bien établi, il n’est pas bon marché.

Une nouvelle enquête menée auprès des habitants des régions rurales du Nebraska a révélé qu’environ 25 % d’entre eux tirent leur eau de puits privés. De ce sous-ensemble, seulement 55 % ont déclaré que leur eau était testée spécifiquement pour le nitrate. Cherry a déclaré qu’elle pouvait imaginer un avenir dans lequel les résidents ruraux et même les centres de consultation NRD pivoteraient comme une sorte de raccourci de l’almanach de l’agriculteur permettant de filtrer les zones pour l’absence potentielle de nitrate.

« Si vous êtes dans une région où vous savez que ce canton a à peu près exclusivement des pivots rouillés, vous n’allez peut-être échantillonner qu’un ou deux puits. Alors que cet (autre) canton n’a pas de pivots rouillés. Peut-être que vous échantillonnez plus de puits là-bas, de sorte que vous ayez une meilleure idée de l’endroit où se trouve le nitrate », a-t-elle déclaré. « Ainsi, vous pouvez échantillonner stratégiquement en fonction de l’endroit où vous pensez que le nitrate pourrait être un problème. »

La méthode pourrait s’avérer particulièrement pertinente dans des pays, comme le Brésil, qui étendent largement leur utilisation de l’irrigation, a déclaré Cherry. Les pays en développement qui manquent actuellement de ressources pour échantillonner régulièrement leurs eaux souterraines pourraient également trouver utile de se tourner vers leurs pivots pour obtenir des conseils.

« Dans un monde idéal », a-t-elle déclaré, « cela pourrait être une application qui pourrait être utilisée pour s’approvisionner dans des zones à risque plus ou moins élevé de contamination par les nitrates, avant même que cela ne se produise. »

Le travail est publié dans la revue ACS ES&T Eau.