publie dans la revue de la SECF Ann. Fals. Exp. Chim. — Avril-Mai-Juin 2001 — 94 — N° 955 — pp. 171-179
Cet article, pour le moins difficile pour les non-spécialistes, a le mérite de porter à la connaissance des lecteurs l'existence d'une prise en compte des effets possibles des polluants sur la santé. Dans cette optique, de nouveaux outils ont été créés pour mieux caractériser et quantifier les polluants à la source, mieux mesurer leur incidence sur les organismes vivants (bio essais, tests normalisés), mieux connaître leur rémanence et leur persistance (dégradation biotique ou abiotique) et enfin mieux appréhender leur devenir dans la chaîne alimentaire, ce qui a pour finalité de tendre vers une approche plus cohérente de la surveillance environnementale vue sous l’angle de la santé publique.
Mots clés : environnement, spectrométrie de masse, écotoxicologie, biodégradation, analyses des polluants, outils analytiques, spéciation, laboratoire BPL, chaîne alimentaire.
Pour une meilleure connaissance des impacts environnement / santé, des nouveaux outils d'analyse et de contrôle en laboratoire ont été créés à deux fins :
La caractérisation des flux d'une installation : effluents liquides ou gazeux, déchets issus d’un site industriel jusqu’au diagnostic des sols pollués.
L'identification du comportement des produits chimiques : devenir et comportement dans l’environnement dans le sol, dans l'eau et l'atmosphère jusque dans la chaîne alimentaire.
1. QUELLES CONSIDÉRATIONS, QUELLES TECHNIQUES D’ANALYSES POUR MIEUX APPRÉHENDER LA RELATION SANTÉ / ENVIRONNEMENT ?
La prise en compte globale du lien santé / environnement (volet sanitaire) à travers la relation des 4 termes suivants : (sources de polluants, transferts, exposition, cible)
s’avère plus claire à la lumière de nouveaux outils et nouvelles méthodologies mises en place. Déjà la modélisation et l'appréhension d’une pollution nécessitent le choix de différentes techniques analytiques qui ont dû être complétées par le choix d’une batterie importante de bio essais, représentatifs de différents niveaux trophiques dans différents écosystèmes. Nous verrons quelles considérations, méthodologies, techniques d’analyses environnementales, permettent aujourd'hui la prise en compte du polluant de sa source d'émission à la cible de réception en intégrant les différents processus de transfert dans la chaîne alimentaire et d'exposition des êtres vivants.
2. UN ARSENAL ANALYTIQUE POUR CARACTÉRISER ET QUANTIFIER LA POLLUTION À LA SOURCE
Les techniques analytiques chromatographie liquide, gazeuse, spectrométrie de masse, absorption atomique, chromatographie ionique, employées aujourd’hui par certains laboratoires permettent : |
° l'évaluation nécessaire pour la réhabilitation des sites pollués
° la mesure d'autocontrôle des effluents industriels pour répondre aux exigences gouvernementales (économiques et réglementaires) ;
° la caractérisation et les analyses sur brut ou lixiviat pour l’organisation de la filière de retraitement appropriée des déchets.
° la fourniture d'analyses primordiales de boue de station d'épuration avant l'épandage agricole
3. L'ÉCOTOXICOLOGIE OU LA MESURE DE L'IMPACT DES POLLUANTS SUR LES ORGANISMES VIVANTS
L'examen du devenir et de l'incidence des polluants recensés sur l’environnement et la santé nécessite le recours à des tests écotoxicologiques puisque les risques liés à une substance sont fonction de son occurrence dans l’environnement, de sa toxicité et du temps d'exposition de l'organisme vivant. Il est alors pratiqué des tests
écotoxicologiques normalisés qui prennent en compte les réponses d'organismes vivants ; ces réponses sont révélatrices des perturbations éventuelles de fonctions biologiques spécifiques enregistrées qu'ils ont subi.
3.1. Une batterie de bioessais
Ces bioessais constituent un lot sélectionné d’une espèce vivante (animale ou végétale) et soumis dans des conditions expérimentales définies à l'influence de la substance polluante.
Il existe deux grands types de bioessais :
° Evaluation de la toxicité aiguë : mise en présence de concentrations élevées de polluant pendant une courte durée.
° Évaluation de la toxicité chronique : mise en présence de concentrations faibles de polluant pendant une durée d'essai plus longue.
Ces tests de laboratoire fournissent des données écotoxicologiques exploitables :
En matière de toxicité aiguë :
CE 50 (ou CI 50) Concentration effectrice 50 % ou concentration inhibitrice 50 %.
C'est la concentration responsable de l'inhibition d’une fonction ou de la létalité de 50 % des organismes testés.
En matière de toxicité chronique : NOEC (No observed effect concentration) — plus forte concentration testée n’entraînant pas d'effet statistiquement différent du témoin.
LOEC (Low observed effect concentration) — plus faible concentration testée entraînant un effet statistiquement différent du témoin.
Ces données sont obtenues à l'issue de protocoles rigoureux conduits sous BPL (Bonne pratique de laboratoire)
3.2. Des tests normalisés pour la fourniture de données écotoxicologiques exploitables
Une série de tests normalisés peuvent ainsi être réalisés. Citons à titre d'exemples les plus couramment pratiqués :
Test daphnies
— NF EN ISO 6341 : inhibition de mobilité de Daphnia magna / Toxicité aiguë
— OCDE 202 : inhibition de reproduction de Daphnia magna / Toxicité chronique
Test sur les vers de terre
— NFX 31251 : Toxicité vis-/-vis des lombriciens (Eïisenia foetida)
Test sur les algues
— NF EN 28962 : inhibition de croissance d’une algue unicellulaire (Selnastrum capricornutum)
Test sur les poissons
— NF EN ISO 7346-1 / T90-303 Toxicité vis-/-vis d’un poisson d’eau douce (Brachydanio rerio)
Test sur les végétaux
— NFX 31202 : inhibition de croissance parties aériennes des végétaux supérieurs.
— NFX 31203 partie 1 : inhibition de croissance des racines des végétaux supérieurs
4. DÉGRADATION BIOTIQUE ET ABIOTIQUE : PERSISTANCE ET RÉMANENCE DU POLLUANT DANS L'ENVIRONNEMENT
Si ces analyses permettent de mesurer l'influence des substances et polluants sur les organismes vivants de différents écosystèmes, il convient aussi de s'intéresser à leur rémanence et persistance dans le milieu.
La persistance d’une substance est fonction notamment de sa dégradation biotique et abiotique.
Nous examinerons successivement ces deux types de dégradation :
4.1. La dégradation biotique
Il s'agit de biodégradation.
La biodégradabilité d'une substance se définit comme le processus de transformation, voire de destruction partielle ou totale de celle-ci par des micro-organismes tels que des bactéries ou d'autres agents biologiques.
La biodégradabilité d'une substance se fait en deux étapes :
° Biodégradation partielle appelée aussi primaire entraîne la perte des propriétés fonctionnelles caractéristiques. ;
° Biodégradation totale ou ultime a pour conséquence la minéralisation totale de la molécule en eau, dioxyde de carbone et méthane.
4.1.1. Conduite en laboratoire sous BPL de tests de biodégradabilité et classement des substances
Ces analyses de biodégradabilité sont de complexité croissante : biodégradabilité immédiate, biodégradabilité intrinsèque, essais de simulation.
Les tests de biodégradation facile concernent des essais dans lesquels la possibilité de biodégradation est limitée dans le temps.
Le produit testé constitue la seule source de carbone organique pour les microorganismes. La biomasse utilisée pour ce test est assez faible (peu de micro-organismes). Classement « aisément biodégradable » si le test est positif.
Les tests de biodégradation intrinsèque concernent les essais qui permettent une exposition prolongée et optimisée de la substance étudiée aux micro-organismes.
Les essais de biodégradabilité intrinsèque (exposition prolongée aux micro-organismes) permettent le classement « intrinsèquement biodégradable ».
Si le résultat est négatif : absence de biodégradabilité donc persistance.
Si le résultat est positif : pas de persistance à long terme (classement intrinsèquement biodégradable).
Essais de simulation appropriée peuvent être nécessaires.
Pour ces tests de biodégradation, on mesure au cours du temps l'évolution des paramètres suivants :
— disparition du carbone organique dissous ;
— consommation d'oxygène ;
— dégagement de dioxyde de carbone ;
— dégagement de méthane.
4.1.2. Essais normalisés de biodégradabilité
On pourra citer comme exemple la norme française NFT73-265 biodégradabilité des agents de surface anioniques mais on notera que pour leur ensemble, les essais sont conduits en conformité avec les lignes directrices OCDE suivant les méthodes OCDE :
301 A : Biodégradabilité facile (immédiate) essai disparition COD
301 B : Biodégradabilité facile (immédiate) essai dégagement CO2
301 C : Biodégradabilité facile (immédiate) essais du MITI (Ministère japonais du commerce et de l'industrie)
301 D : biodégradabilité facile (immédiate) essai flacon fermé mesure DCO, DBO5
301 E : essai de screening modifié OCDE mesure du COD
301 F : essai de respirométrie manométrique
302 B : Biodégradabilité intrinsèque — essai de Zahn-Wellens — Mesure DCO et COD
306 / Biodégradabilité dans l'eau de mer
En fonction des caractéristiques des échantillons, on choisit le type de test.
Les résultats sont exprimés en pourcentage de dégradation.
4.2. La dégradation abiotique
La dégradation abiotique est non biologique.
C'est une des voies importantes d'élimination ou transformation des produits chimiques dans l’environnement en particulier dans les milieux air, eau, sol. Les facteurs qui permettent la transformation chimique : oxygène, eau, énergie solaire, rayonnement UV...
Ondes courtes de la lumière du soleil : 290 nm — énergie correspondante : 4,27 eV soit environ 10 fois l'énergie convertie au cours des processus biologiques (métabolisme, catabolisme).
Photo Dégradation très importante dans l'environnement au côté du processus biologique pour l'élimination des produits chimiques (essentiellement dégradation atmosphérique).
Dans le processus, c'est la réactivité moléculaire du polluant (photolyse, oxydation, hydrolyse, précipitation) qui détermine le devenir du polluant.
Les analyses par toutes les techniques analytiques (spectrométrie de masse, absorption atomique, chromatographie liquide et gazeuse) permettent d'identifier et quantifier les produits de réaction et ainsi de suivre le produit à la trace.
L'étude de la dégradation abiotique dans l'eau, dans les sols, dans l'air constitue un élément clé de la connaissance du devenir des produits dans l’environnement.
On notera qu'il est important d'identifier le produit de réaction parfois plus toxique que le composé initial.
5. BIOACCUMULATION DANS LA CHAÎNE ALIMENTAIRE
On doit aussi s'intéresser au devenir des polluants dans la chaîne alimentaire. Les analyses permettront d'évaluer l'impact sanitaire de la pollution.
En effet, la bioaccumulation est le processus de concentration directe d’une substance chez les organismes vivants à partir du milieu naturel.
De nombreux exemples ont illustré dans l'histoire l'impact de la bioaccumulation (accident Minamata au Japon, l'affaire du clear lake aux USA). Le polluant, en quantité dispersée dans le vecteur de contamination (eau, air, sol) peut se concentrer dans l'organisme sous sa forme originelle ou sous forme d’un métabolite, il devient alors un contaminant.
Ainsi, dans les rejets aqueux de l'usine de Minamata, il n’excédait pas initialement 0,1 ppb en mercure dans l’eau de mer alors que les poissons et crustacés renfermaient jusqu'/ 50 ppm de methyl mercure (forme organique du mercure très toxique) et chez certains pêcheurs, on a retrouvé jusqu'à 528 ppm dans les cheveux.
6. LA CONVERGENCE ENVIRONNEMENT CONSOMMATION / SANTÉ
Les deux histoires suivantes d'accidents écologiques illustrent parfaitement cette convergence.
Au Japon, le rejet de mercure (sous forme de méthyl mercure) dans l’environnement (dans la mer, baie de Minamata par une usine fabricant de l’acétaldéhyde se concentra dans le réseau trophique marin et atteignit des teneurs considérables dans les mollusques, les crustacés et les poissons dont se nourrissaient les pêcheurs. Ceux-ci furent atteints par des troubles nerveux variés (sensoriels moteurs, psychiques) qui provoquèrent dans la population la mort de plusieurs centaines de personnes et atteignirent surtout les pêcheurs gros consommateurs de poissons.
Aux USA, l'affaire de clear lake en Californie, le traitement d'un lac par un pesticide DD dans le but d'éliminer un petit moucheron gênant eut pour conséquence l’accumulation de DDD dans la chaîne trophique limmique. On releva une concentration de 2 500 ppm dans les graisses de grèbes dont il ne subsistait en fin des années 50 qu'une huitaine de couples de ces oiseaux pour la plupart stériles, sur une population initiale de 3 000.
7. COHÉRENCE, STRUCTURATION ET NOUVELLE APPROCHE ANALYTIQUE
L'intégration du lien santé / environnement, la nécessité de prendre en compte le suivi bioaccumulation puis l'évaluation des polluants et des risques pour la santé qui peuvent en découler, ont nécessité des développements analytiques et une approche environnementale nouvelle cohérente avec les phénomènes observés.
7.1. Choix pertinent de bio indicateurs pour un meilleur suivi environnemental
Tout polluant devenant un contaminant via sa possible bioaccumulation au travers de la chaîne alimentaire, certains organismes deviennent du fait de cette bio accumulation, d'excellents bio indicateurs (témoin permanent dans l'écosystème et pouvoir concentrateur de la pollution).
Quelques exemples peuvent être rappelés : suivi bio disponibilité, métaux lourd contenus dans boue d'épandage par analyse de végétaux cultivés sur ces baies, mise en place de bio indicateurs végétaux en complément d'évaluation des sols pollués.
Attardons-nous sur le suivi radio écologique de l’environnement marin d’une centrale nucléaire.
Un choix pertinent de bio indicateurs a été effectué pour caractériser les niveaux de radioactivité dans l’environnement marin proche des installations :
° algue brune (Fucus Spinalis) espèce végétale, excellent bio indicateur de la distribution de la radioactivité artificielle par sa capacité de fixation importante pour un maximum de radio nucléides ;
° moules et patèles bio indicateurs intégrant la chaîne alimentaire humaine, facilité de prélèvement et important pouvoir filtrant et donc, de concentration des polluants (40
litres pour certaines). Elles sont présentes naturellement sur le site et sont reconnues comme d'excellents indicateurs de contamination radioactive et constituent des éléments de notre chaîne alimentaire.
Les facteurs de concentrations en milieu marin des radio nucléides sont fonction de radio nucléides (54Mn, 60Co, 55Zn, 90Sr, 106Ru, 131I, 157Cs, 239Pu) du bio indicateur mollusques, sédiments, algues.
Pour les sédiments, la station de prélèvement est choisie en fonction de la sédimentologie propre à chaque site (sable ou vase).
Les algues sont prélevées de façon à intégrer les variations de concentrations des divers radio nucléides en fonction de l'étagement. Les mollusques sont prélevés sur l'estran.
Après préparation spécifique, on procède au dosage de la concentration en potassium dans les échantillons biologiques par spectrométrie par absorption atomique. Puis, on procède à la mesure et quantification radio nucléides naturels et artificiels émetteurs gamma sur installations spécifiques spectromètres gamma avec détecteur à jonction cristal de germanium.
On cherche à optimiser l'efficacité de détection du mouvement propre et de bruit de fond radioactif de l'installation.
Le strontium 90 est déterminé après extraction de sa matrice par comptage émission beta à l'aide d’un compteur proportionnel.
À titre d'exemple, la spectrométrie gamma en fonction des bio indicateurs permet le suivi des familles 22Th, 238U, ainsi que 60Co, 157Cs et 7Be pour les sédiments, 214Bi et 212pb pour les sédiments.
7.2. Techniques d'extraction, de purification, de minéralisation plus sophistiquées
En tenant compte de la corrélation entre la capacité de bio accumulation de l’organisme et la lipophilie des produits chimiques, les techniques analytiques ont dû avoir recours à des perfectionnements pour les étapes d'extraction et de purification pour détecter les micro traces dans des matrices plus complexes compte tenu de la teneur en matière grasse comparée aux matrices environnementales classiques.
Par exemple, pour le dosage des polluants organiques (HAP, hydrocarbures, PCB) on est passé des méthodes traditionnelles d'extraction aux soxhlets, bains à ultrasons aux extractions accélérées par système sous pression (type ASE de Dionex).
Pour la minéralisation des polluants (minéraux, métaux lourds) on a optimisé des méthodes de minéralisation par micro-onde en utilisant les plans d'expérience.
Ainsi, ces phases de préparation des échantillons ont été automatisées, plus rapides et de meilleure reproductibilité. L’optimisation au regard de la diversité et de la complexité des matrices soumises à analyse et des analytes recherchés (couple matrice / analyse).
Les phases de purification des extraits organiques sont cruciales et ont fait l’objet de nombreux développements optimisation de nouvelles phases absorbantes pour les nouvelles techniques (SPE : Solid phase extraction / purification sur phase solide / SPME : solid phase micro extraction / purification sur phase solide) d'extrait organique ou aqueux.
La SPME permet une extraction, désorption directe des composés recherchés sur les systèmes de couplages chromatographiques.
On assiste également au développement dans le cadre de la recherche de résidus de pesticides de technique de purification par immunoaffinité avant le dosage sur détecteur spécifique.
Les dosages de dioxines, PCBF, même procédé de purification polarité adaptée (Sélice, aluminium).
7.3. Le recours aux techniques de spéciation
On a parfois dû spécifier la forme de l’élément : spéciation par le mercure sous sa forme organique méthyl mercure, spéciation de l’étain dosage des organo stanneux. Certaines formes étant plus toxiques, des techniques analytiques, appelées « spéciation », ont permis de détecter spécifiquement ces formes organiques ou minérales.
La spéciation du mercure a été développée dans notre laboratoire pour le dosage du méthyl mercure par un couplage HPLC. Fluorescence atomique.
On donnera l'exemple du dosage des organo stanneux (dérivés organiques de l’étain) en regard de la directive européenne 76 / 464 ayant pour objectif « la protection du milieu aquatique contre la pollution par certaines substances persistantes, toxiques et bioaccumulables ».
Parmi les 132 substances figurent 8 organo étains molécules organométalliques ayant l'étain comme atome central ; on y distingue les dibutyl étain, tributyl étain, tetrabutyl étain, triphenyl étain.
La toxicité des différentes formes rencontrées va dépendre de la nature et du nombre de coordinats liés à l’étain. Ainsi, les composés tri substitués que sont les sels de triphenyl étain et tributyl étain sont de loin les formes les plus toxiques et les plus fréquemment rencontrées dans l’environnement.
Ils ont été en effet utilisés comme biocides dans les peintures antisalissures des navires, en agriculture le triphenyl étain est entré dans la composition de fongicides. Les formes mono et disubstituées de l’étain se rencontrent aussi comme stabilisant de matière plastique PVC.
Enfin, la méthylation naturelle de l’étain inorganique contribue à diversifier les formes organiques présentes dans l'environnement. Comme les organo étains présentent des toxicités très variées, il convient de spécifier les différentes formes présentes dans le milieu.
Une nouvelle technique de spéciation a été développée ; elle consiste à extraire des composés de la matrice puis à la dériver selon une réaction de grignard de façon à générer des composés neutres tetrasubstitués et colatils avant de les chromatographier en phase gazeuse, de les quantifier et identifier en spectrométrie de masse sous leurs différentes formes.
8. LA MAÎTRISE DE L'OUTIL ANALYTIQUE DÉTERMINANT DE L'INVESTIGATION ENVIRONNEMENTALE
La science a l’âge de ses instruments. La qualité de l'investigation analytique en environnement va reposer sur la sensibilité et la spécificité du système de détection analytique.
Sur des matrices complexes, la quantification d’un polluant à l’état de trace peut se révéler difficile même avec des techniques GC/MS/Ci plus performantes utilisant l'ionisation chimique pour améliorer la spécificité et souvent la sensibilité de détection de nombreux composés.
Ainsi, la recherche et la quantification d’un gerbicide 2,4 D dans une pollution de sol en GC/MS ionisation chimique négative mode CI/NH3.
Par ailleurs, la détection en GC / MS (nouvelle configuration : spectrométrie de masse en tandem) nous permet d'améliorer la spécificité en diminuant le bruit de fond et permet d'optimiser la caractérisation des types de pollution rencontrée et d’en quantifier les composés traceurs. Pour le dosage de polluant comme les hydrocarbures polyaromatiques, on aura recours à la spécificité détection fluorimétrie par un couplage HPLC / Fluorimétrie.
Le dosage des métaux trace se fera par des méthodes d'absorption atomique pour graphite et également en ICP (spectrométrie d'émission atomique par plasma à couplage inductif) équipé d’un nébulisateur ultrasonique).
Le dosage de molécules organiques fait l'objet de multiples systèmes de couplage de détection ECD, TSD, FID, MS, MS /MS en phase gazeuse et liquide où l’on barrette de diode et la fluorimétrie.
Quand les molécules sont volatiles, sont adjoints des systèmes d'espace de tête statique ou dynamique (dosage de COV composés organiques volatils).
CONCLUSION
Si ces aspects de la surveillance environnementale concernent les installations classées et l'agriculture, les contraintes environnementales se rapportent aussi directement au produit par l'exigence d’un rapport d'essai physico-chimique, toxicologique et écotoxicologique pour l’homologation avant AMM (Autorisation de mise sur le marché) des nouveaux produits.
Ces études doivent être conduites par un laboratoire reconnu PBL (Bonne pratique de laboratoire) qui met à disposition cet ensemble d'outils pour établir un dossier de notification d’une nouvelle substance chimique : exemple de la directive 92 / 32EEC
articles 6, 7, 8, 9 et 12. Des directives plus spécifiques définissent aussi ces exigences phytosanitaires 91 /414, biocide 98/08/CE...
L'ensemble des approches et méthodologies aujourd'hui développées constituent un outil pertinent pour optimiser les investigations et apporter un éclairage nouveau au lien Santé / Environnement.
Les techniques permettent de mieux suivre le polluant à la trace, son acheminement, sa caractérisation et sa source environnementale.
On analyse donc son transfert, sa rémanence et sa persistance, sa bioaccumulation jusqu’à la cible finale.
On peut ainsi mieux apprécier les expositions directes et indirectes et les risques éventuellement induits pour la santé.