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Chaque année, des millions de tonnes d’engrais azotés et de déjections animales s’infiltrent dans les sols agricoles. Ce que l’on savait depuis longtemps, c’est que les nitrates — principal composé azoté de ces apports — contaminent les nappes phréatiques. Ce que l’on ignorait, c’est qu’ils se comportent en quelque sorte comme des complices : une fois dans le sous-sol, ils réveillent un contaminant bien plus discret, l’uranium naturel, et l’entraînent dans leur sillage jusque dans l’eau potable
C’est précisément ce que vient de confirmer une équipe de l’université du Nebraska-Lincoln, dirigée par Karrie Weber. Et les implications sont loin d’être anodines.
De l’uranium sous nos pieds — mais à quelle dose ?
Avant d’alarmer qui que ce soit, une précision s’impose : l’uranium naturel est présent à l’état de traces dans la quasi-totalité des sols et des roches sédimentaires de la planète. Ce n’est pas un résidu industriel ou nucléaire — c’est un élément chimique naturellement répandu, que l’on trouve dans les granites, les argiles, les sédiments. Dans ces conditions, il reste en grande partie solide, piégé dans les minéraux, et ne représente pas de danger.
Le problème survient lorsqu’il se dissout dans l’eau. Au-delà du seuil fixé par l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) — soit 30 microgrammes par litre —, l’uranium dissous devient toxique, non pas par radioactivité (sa radioactivité est très faible), mais par sa chimie : il s’attaque aux reins. Une exposition prolongée via l’eau potable peut provoquer des lésions rénales irréversibles.
Or, une étude de 2015 menée par Weber avait déjà mis en évidence quelque chose d’inquiétant : dans l’aquifère des Hautes Plaines, immense réservoir souterrain qui s’étend sous huit États du centre des États-Unis, certaines zones affichaient des concentrations d’uranium allant jusqu’à 89 fois le seuil réglementaire. Et ces zones coïncidaient systématiquement avec des teneurs élevées en nitrates.
La corrélation était frappante. Mais une corrélation n’est pas une cause. Il fallait démontrer expérimentalement que les nitrates provoquaient bel et bien la mobilisation de l’uranium.
Une expérience millimétrée pour reproduire le sous-sol
Pour tester cette hypothèse, l’équipe a commencé par extraire deux carottes de sédiments sur un site près d’Alda, dans le Nebraska — un endroit où l’on savait que les eaux souterraines s’écoulent naturellement vers la rivière Platte. Ces carottes, d’environ 5 centimètres de diamètre et prélevées à 18 mètres de profondeur, contenaient à la fois des traces naturelles d’uranium et des micro-organismes vivants.
Le défi était de taille : il fallait ramener ces échantillons au laboratoire sans en modifier les conditions. Le moindre contact avec l’oxygène de l’air aurait modifié la chimie des sédiments et faussé les résultats. L’équipe a donc immédiatement bouché les carottes à la cire, les a placées dans des tubes hermétiques rincés à l’argon (un gaz inerte), puis les a mises sous glace.
Au laboratoire, des segments de 38 centimètres de chaque carotte ont été placés dans des colonnes de verre. L’équipe y a ensuite fait circuler de l’eau souterraine simulée, à la même vitesse que celle que l’on mesure in situ. Trois conditions ont été testées en parallèle : eau sans additif, eau enrichie en nitrates, eau enrichie en nitrates et en un inhibiteur bloquant l’activité des micro-organismes.
Les résultats ont été sans ambiguïté : l’eau sans nitrates entraîne environ 55 % de l’uranium présent dans les sédiments. Avec des nitrates mais en bloquant l’activité microbienne, on monte à 60 %. Mais avec des nitrates et des microbes libres d’agir, la proportion saute à 85 %. La différence entre ces trois situations pointe vers deux coupables : les nitrates eux-mêmes, et surtout les micro-organismes qui les métabolisent.
Un mécanisme biochimique en trois temps
Comment expliquer ce bond ? La recherche décrit une cascade de réactions qui commence dans l’obscurité du sous-sol.
Tout part des bactéries naturellement présentes dans les sédiments. Ces micro-organismes utilisent les nitrates comme accepteurs d’électrons dans leur respiration — un peu comme nous utilisons l’oxygène. Ce faisant, ils transforment le nitrate (NO₃⁻) en nitrite (NO₂⁻), un composé intermédiaire beaucoup plus réactif.
C’est là qu’intervient l’uranium. Le nitrite est un puissant oxydant : il arrache des électrons à l’uranium solide environnant. Or, c’est précisément ce changement de valence qui transforme l’uranium. Sous sa forme réduite (U⁴⁺), il est insoluble dans l’eau et reste piégé dans le minéral. Sous sa forme oxydée (U⁶⁺), il devient soluble et peut être emporté par le courant d’eau souterraine.
Autrement dit : les bactéries activent les nitrates, les nitrates oxydent l’uranium, l’uranium se dissout, l’eau l’emporte. Un contaminant primaire entraîne un contaminant secondaire.
L’analyse des séquences d’ADN prélevées dans les sédiments a permis d’identifier plusieurs espèces bactériennes capables de réaliser cette conversion. Ce qui est frappant, c’est que ce mécanisme était déjà connu — mais uniquement dans des contextes extrêmes, comme des mines d’uranium ou des sites de traitement de déchets nucléaires. C’est la première fois qu’il est formellement documenté dans des sédiments naturels, dans des conditions de terrain ordinaires.
L’uranium : un problème bien au-delà du Nebraska
L’aquifère des Hautes Plaines est l’un des plus grands réservoirs d’eau douce souterraine du monde, alimentant l’irrigation de millions d’hectares de terres agricoles et l’eau potable de nombreuses communautés rurales. Le Nebraska, état fortement agricole, en dépend massivement — y compris la ville de Lincoln, qui compte près de 300 000 habitants.
Or, cet aquifère est précisément soumis à des apports chroniques de nitrates, issus des engrais azotés et des élevages intensifs qui caractérisent la région. La coïncidence géographique entre zones à nitrates élevés et zones à uranium élevé n’est donc pas un hasard : elle reflète une dynamique chimique souterraine que cette étude vient d’élucider.
Weber précise cependant un point important : les nitrates ne semblent mobiliser l’uranium de façon significative qu’à partir d’un certain seuil de concentration, proche de la limite réglementaire fixée par l’EPA à 10 milligrammes par litre. En dessous, l’effet est limité. Ce qui signifie que surveiller et réduire la teneur en nitrates reste la première ligne de défense — non seulement pour les nitrates eux-mêmes, mais maintenant pour l’uranium qu’ils risquent de libérer.
Cette recherche illustre un phénomène que les hydrogéologues connaissent bien en théorie mais peinent à documenter en pratique : la contamination en cascade. Un polluant introduit dans un écosystème ne reste pas isolé. Il interagit avec les minéraux, les micro-organismes, les autres composés chimiques présents, et peut déstabiliser des équilibres qui s’étaient établis sur des millénaires.
Ici, l’uranium n’a pas été introduit par l’activité humaine. Il était là bien avant. Ce sont les pratiques agricoles modernes — via les nitrates — qui ont perturbé la chimie du sous-sol au point de le rendre mobile et potentiellement dangereux.
La leçon à retenir est peut-être celle-là : dans les milieux souterrains, la toxicologie ne peut plus se permettre de regarder les contaminants un par un. Il faut les envisager dans leurs interactions, leurs dynamiques, leurs effets cumulés. Ce que cette étude apporte, c’est un mécanisme précis, démontré en laboratoire, qui ouvre la voie à de nouveaux modèles de risque pour les nappes phréatiques agricoles, bien au-delà du Nebraska.
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