Noțiunea de oligoelemente metalice sau ETM tinde să o înlocuiască pe cea a metalelor grele slab definite deoarece includerea metalelor toxice care sunt cu adevărat grele pentru alții (metaloizi) fiind mai puțin. Toate ETM-urile sunt toxice sau toxice dincolo de un anumit prag, iar unele sunt radioactive ( radionuclizi ). Concentrațiile lor de mediu (apă, aer, sol, organisme) rezultă din aporturi antropice (industrie, transport etc.) și naturale (vulcanism și alterarea mineralelor primare); emise în mediu, acestea sunt redistribuite acolo în profilurile solului prin pedogeneză și bioturbare , și în ecosisteme prin fenomenele de bioasimilare și bioconcentrare. Concentrațiile teoretice presupuse naturale ale ETM sunt numite „ fond geochimic ”.
În funcție de elementele și contextul ( aciditatea mediului, sinergiile între ETM sau între ETM și alți poluanți, speciația chimice , etc. ), acestea sunt mai mult sau mai puțin bioasimilabilă și pot fi bioconcentrated de lanțul alimentar. Acesta este motivul pentru care unele sunt supuse monitorizării (de reglementare sau voluntare) în apă, aer (asociat cu aerosoli sau praf), sol, alimente, nămoluri de canalizare etc. Noile probleme sunt ridicate de nanoparticulele metalice datorită noilor lor proprietăți (și în timp ce unele au fost recent utilizate pe scară largă; de exemplu , nanosilver ).
Unele metale sunt esențiale în doze mici ( oligoelemente ), iar altele sunt extrem de toxice; prin urmare, a fost propus recent (2010) suplimentarea analizelor de sânge și a controalelor de sănătate clasice cu un profil metalic .
Medie abundența normalizat la nivel mondial a elementului în roca din crusta se numește „valoare Clarke“ ( valoare Clarke pentru limba engleză), care pentru o anumită de metal în sol sau în sedimente sau într - un material geologic înseamnă conținutul mediu din lume în acest substrat.
Uneori ne referim la această valoare medie, prin intermediul factorului de îmbogățire (EF) pentru un anumit element chimic dintr-un compartiment de mediu pentru a estima că un nivel al unui astfel de element este anormal de ridicat în acest compartiment, ceea ce poate fi o indicație a poluării .
Noțiunea de „ metal greu ” este un concept industrial , mai ales empiric , fără o definiție științifică precisă sau o tehnică unanim recunoscută.
De exemplu, un raport de informații adresat Senatului francez Efectele metalelor grele asupra mediului și sănătății , a indicat: „Denumirea de metale grele este totuși un nume comun care nu are nici bază științifică, nici aplicare legală. "
Europa a luat o decizie propunând în 2000 o definiție care este valabilă pentru legislația europeană și cea a statelor membre, în special în domeniul deșeurilor: „metal greu” înseamnă „orice compus de antimoniu , arsenic , cadmiu , crom hexavalent , cupru , plumb , mercur , nichel , seleniu , telur , taliu și staniu, precum și aceste materiale sub formă metalică , cu condiția ca acestea să fie clasificate ca substanțe periculoase " și într-un mod mai general, o„ substanță periculoasă "este „ o substanță care a fost sau va fi clasificat drept periculos prin Directiva 67/548 / CEE sau prin modificările sale ulterioare " .
Multe ETM-uri au utilitate în procesul biologic: de exemplu, fierul este o componentă esențială a hemoglobinei , zincul , cuprul și seleniul sunt oligoelemente esențiale.
Toate oligoelementele metalice sunt prezente în mod natural în urme în sol. Activitatea umană ar fi putut întări această prezență; într-adevăr, multe ETM-uri joacă un rol important în viața de zi cu zi:
Arderea combustibililor fosili solizi sau lichizi (cărbune, produse petroliere) este de asemenea susceptibilă să elibereze metale în cenușă (hidrobinat), vapori și vapori. Dintre toți combustibilii, energia lemnului este, în Franța metropolitană, principalul emitent de metale grele în atmosferă (cu excepția mercurului și nichelului).
Disponibilitatea și biodisponibilitatea unui ETM introdus în mediu depinde de mulți factori și, în primul rând, de următoarele procese:
... și în al doilea rând, alți factori de disponibilitate sunt:
MTE-urile care prezintă cele mai directe și imediate probleme pentru mediu și sănătate sunt cele care sunt cele mai toxice și care sunt emise sub formă de ioni sau nanoparticule sau asociate cu aerosoli mici.
Când sunt prezente în aer ( poluarea rutieră , poluarea industrială, arderea etc.), acestea sunt evacuate în principal din compartimentul atmosferic prin depunere umedă. Se găsesc apoi în soluri, sedimente și apă poroasă, apoi în organisme și ecosisteme, pentru care pot pune o problemă. Anumite nevertebrate (viermi, de exemplu) le pot fixa datorită moleculelor de chelare ( metaloproteine în general) și pot excreta o parte din ele prin mucus sau excremente ; le pot aduce apoi la suprafața solului sau a sedimentelor; aceste metale sau metaloizi sunt apoi din nou biodisponibile pentru bacterii, plante sau alte specii care le pot bioacumula din nou .
La fel ca organoclorurile la care își pot adăuga efectele negative, ETM-urile eliberate masiv de oameni în apă, aer și soluri sunt contaminanți importanți ai ecosistemelor și ale rețelei alimentare . Spre deosebire de majoritatea celorlalți poluanți, aceștia nu sunt biodegradabili sau degradabili.
Acestea se găsesc în special foarte concentrate de animale situate în capul lanțului alimentar; păsări marine rapitoare și cetacee superpredatoare în special) și, prin urmare, uneori în lanțul alimentar uman.
Oligoelementele metalice pot fi, de asemenea, bioacumulate în țesuturile plantelor și pot provoca tulburări ale metabolismului lor . Ca urmare a fenomenului de bioconcentrare , TME-urile pot fi de fapt găsite în plante la concentrații mai mari decât concentrațiile prezente în mediu. Rețineți că o acumulare de ETM într-o plantă nu va duce neapărat la o modificare a stării de sănătate a plantei sau la apariția simptomelor vizibile de contaminare. Efectul toxic al acestor elemente variază în primul rând în funcție de tipul de metal prezent, de concentrația sa în plantă, de timpul de expunere și de speciile de plante afectate.
Oligoelementele metalice pot induce efecte negative asupra sănătății generale a speciilor de plante prin interferența cu mai multe mecanisme: absorbția nutrienților solului, fotosinteza , germinarea , diviziunea celulară , creșterea .
ETM-urile prezente în sol sub formă de cationi (de exemplu, Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) pot concura cu alți cationi din sol care servesc în mod normal ca substanțe nutritive esențiale pentru plantă (de exemplu: Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). Absorbția ETM de către complexul rădăcinii individului duce astfel la inhibarea sau stimularea absorbției cationilor din sol, ceea ce modifică metabolismul plantei. De exemplu, absorbția cadmiului ar putea duce la o asimilare mai mică a potasiului (ca urmare a efectului competitiv) și poate provoca o deficiență a acestui nutrient.
Aceste metale cauzează de asemenea o scădere a clorofilei concentrației în plantă, o scădere a fotosintezei ca urmare a unei modificări în transportul de electroni și o perturbare a enzimelor din ciclul Calvin ( de exemplu:. Perturbarea Rubisco , o enzima care fixează CO 2atmosferică necesară fotosintezei). Scăderea conținutului de clorofilă se explică prin faptul că TME-urile au ca efect degradarea membranei tilacoide .
La nivel de germinare, oligoelementele metalice induc o scădere a ratei de germinare a semințelor de plante. Într-adevăr, s-a arătat că nichelul, de exemplu, a afectat activitatea mai multor enzime ( amilază , protează și ribonuclează ), care au întârziat germinarea și creșterea în diferitele plante studiate. Cadmiul, la rândul său, induce deteriorarea membranelor semințelor, pe lângă reducerea rezervelor de nutrienți ai embrionului vegetal conținut în cotiledonate .
Aceste ETM provoacă, de asemenea, tulburări în diviziunea celulară a plantelor. Într-adevăr, s-a demonstrat că cadmiul, mercurul și plumbul (printre altele) au capacitatea de a deteriora nucleolul celulelor și de a inhiba activitățile enzimatice ale DNazei și RNazei , provocând în cele din urmă întreruperea sintezei ADN-ului .
Planta, în funcție de nivelul de stres cauzat de TME, poate vedea creșterea sa redusă și poate prezenta semne de boală (pete) pe suprafața frunzelor. Aceste semne de cloroză rezultă atât din pierderea clorofilei, cât și din deficiența de fier în organismul plantei. De necroză sunt, de asemenea, observabile în timpul intoxicației severe.
Anumite plante au dezvoltat, pe parcursul evoluției, mecanisme de rezistență la prezența oligoelementelor metalice în mediu. O primă strategie a plantelor constă în simpla întârziere a absorbției metalelor și, astfel, reducerea concentrației de elemente toxice din organism cât mai mult posibil. Alte plante sechestrează metale în vacuolele frunzelor, în timp ce altele le acumulează în trichomi (creșteri de plante) prezente în epidermă . În ambele cazuri, plantele împiedică astfel elementele toxice să intre în contact cu mezofila (partea interioară a frunzei) și să acționeze asupra metabolismului. O altă strategie este precipitarea ETM-urilor sau formarea unui complex între un ligand și cationul metalic ( chelație ), care detoxifică planta.
Extracția prin levigare (apoi tratarea apei) constă în inundarea solului cu apă sau agenți chimici, apoi, în recuperarea apei, urmată în general de tratare. Poluanții pot fi recuperați și în spume formate ca urmare a aerării și a substanțelor chimice adecvate.
Tratamentul biologic Remediere pe bază de planteRemedierea pe bază de plante ( Phytoremediation ) este utilizarea plantei pentru chelatul metalelor. Există deja mai multe utilizări ale plantelor ca bio-remedii.
Remediere a algelorRemedierea algelor, sau fico-remedierea, este utilizarea algelor pentru a curăța un mediu. Algele constituie un domeniu interesant; în special pentru toleranța lor cunoscută la TME și poluanții organici persistenți, creșterea rapidă, raportul mare suprafață / volum (permițând astfel o suprafață absorbantă mai mare), fitochelatine (proteine care chelează metalele și le împiedică să fie toxice) și potențialul lor pentru manipulare genetică.
Rezistența algelorNumeroase studii arată că algele sunt bioindicatori eficienți . De exemplu, concentrația de cadmiu, plumb, zinc în țesutul algal al Enteromorpha și Cladophora crește proporțional cu concentrația metalelor din apă. Chlorophyta și Cyanophyta au factori mari de bioconcentrare și bioacumulare în comparație cu alte specii. Phacophyta (alge brune) are o afinitate puternică cu metalele grele datorită polizaharidelor sulfat și alginat.
Tabelul de mai jos reprezintă mai multe specii de alge și metalele la care sunt rezistente.
Specii | Metal acumulat |
---|---|
Ascophyllum nodosum | (Au), (Co), (Ni), (Pb) |
Caulerpa racemosa | (B) |
Cladophora glomerata | (Zn), (Cu) |
Fucus vesiculosus | (Ni), (Zn) |
Laminaria japonica | (Zn) |
Micrasterias denticulata | (CD) |
Oscillatoria sp. | (Cd), (Ni), (Zn) |
Phormedium bohner | (Cr) |
Phormedium ambiguum | (Hg), (Cd), (Pb) |
Phormedium corium | (Cd), (Ni), (Zn) |
Platymonas subcordiformis | (Sr) |
Sargassum filipendula | (Cu) |
Sargassum fluitans | (Cu), (Fe), (Zn), (Ni) |
Sargassum natans | (Pb) |
Sargassum vulgare | (Pb) |
Scenedesmus sp. | (Cd), (Zn) |
Spirogyra hyalina | (Cd), (Hg), (Pb), (As), (Co) |
Spirogyra halliensis | (Co) |
Tetraselmis chuil | (La fel de) |
Studiile arată că eficiența stocării ETM în țesuturile plantelor este superioară cu organismele care supraexprimă proteinele chelatoare ale metalelor grele (fitochelatine, nicotianamină și metalotionină în special).
Metal | Mecanismul de detoxifiere de către alge |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metalotionine (MT), Fitochelatine
(PC) |
Sau | Histidină |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Compuși ai pereților celulari (alginate, acid guluronic, polizaharide sulfatate) |
Au fost implementate mai multe proiecte pentru decontaminarea ETM de către alge.
Element | Miligrame | |
---|---|---|
Fier | 4000 | |
Zinc | 2.500 | |
Conduce | 120 | |
Cupru | 70 | |
Staniu | 30 | |
Vanadiu | 20 | |
Cadmiu | 20 | |
Nichel | 15 | |
Seleniu | 14 | |
Mangan | 12 | |
Alte | 200 | |
Total | 7.000 |
Unele ETM (clasificate în principal în perioada 4 ) sunt necesare - în urme - pentru anumite procese biologice vitale.
Acestea includ fierul , zincul și cuprul .
Fierul și cuprul sunt necesare pentru transportul oxigenului și electronilor, în timp ce zincul participă la hidroxilare și spermatogeneză .
Mercurul și plumbul nu au o utilizare cunoscută. Toxici pentru celulă, indiferent de doza lor, sunt pur contaminanți ai organismului. Plumbul interferează negativ cu metabolismul calciului.
Cobalt (prin Vitamina B12 este implicată sinteza anumitor complexe și metabolismul celular . Vanadiul și mangan sunt dincolo de controlul cofactori enzimatici, o mică doză de crom este necesară pentru utilizarea glucozei și nichel este implicată în celula de creștere ) ; arsenicul promovează creșterea metabolică doză foarte scăzută în unele animale și , eventual , oameni. Seleniul este un antioxidant esențial funcțional și spectacole pentru producerea anumitor hormoni .
Tabelul Mendeleev din perioada 5 și perioada 6 conține mai puțin de oligoelemente de metale grele. Acest lucru este în concordanță cu presupunerea că metalele mai grele tind să fie mai puțin abundente la suprafața pământului și, prin urmare, sunt mai puțin probabil să fie esențiale pentru metabolsim.
În perioada 5 găsim molibden care catalizează reacțiile redox . Cadmiu (foarte toxic pentru oameni) pare necesară în unele diatomee ] mare în același scop; Staniului este necesară pentru creșterea mai multor specii.
În perioada 6 , metabolismul unor arhee și bacterii necesită tungsten .
O deficiență în metale esențiale ale oricărei perioade de 4 până la 6 se poate exacerba sensibilitatea la otrăvire cu metale grele ( intoxicație cu plumb , hydrargyrism , boala Itai-Itai ). Dar, invers, orice exces al acestor metale poate avea efecte foarte dăunătoare asupra sănătății.
În medie, un corp uman contemporan de 70 kg conține 0,01% metale grele, sau aproximativ 7 g (mai puțin decât greutatea a două pătrate de zahăr). Cea mai mare parte este fier (~ 4g), zinc (~ 2,5g) și este contaminat cu plumb (~ 0,12g), 2% metale ușoare (~ 1,4 kg) și aproape 98% nemetale ( în principal apă ) (printre elementele recunoscute în mod obișnuit ca metaloizi, B și Si au fost numărate ca nemetale; Ge, As, Sb și Te ca metale grele).
Unele ETM-uri sau metale grele neesențiale au efecte biologice. Astfel , galiu , germaniu ( metaloid ), indiu și majoritatea lantanidelor se arată capabile să stimuleze metabolismul, în timp ce titanul favorizează creșterea plantelor.
Au fost demonstrate numeroase efecte fiziologice dăunătoare pentru TME dincolo de anumite praguri care sunt uneori foarte scăzute (în cazul plumbului sau metilmercurului de exemplu), la om și la modelul animal, pentru un număr mare de specii (mamifere, păsări, reptile amfibieni, pești etc. ).
Impactul toxicologic al ETM-urilor depinde însă foarte mult de forma lor chimică (denumită „specie chimică”), de concentrația lor, de contextul de mediu (motiv pentru care încercăm să cartografiez poluarea, și în special în fostele regiuni industriale), biodisponibilitatea.și posibilitatea trecerii în lanțul de viețuitoare ( rețeaua trofică ). Există, de asemenea, o anumită componentă genetică care face ca organismul să fie mai mult sau mai puțin capabil să excrete anumite metale toxice (plumbul, de exemplu). În cele din urmă, pot exista efecte sinergice agravante între diferite ETM-uri.
Se disting în special cele trei metale mercur , plumb , cadmiu , pentru care, pe de o parte, nu s-ar putea demonstra un rol pozitiv pentru activitatea biologică și care, pe de altă parte, pot fi la originea otrăvirii severe sau a bolilor cronice, chiar la doze mici; de exemplu, absorbția plumbului provoacă otrăvirea plumbului , deosebit de gravă la copii, cadmiul distruge rinichii și degradează ficatul, iar mercurul este un neurotoxicant puternic. Aluminiu ar putea prezenta neurotoxicitatea la om, cu toate acestea, limitele de expunere și amploarea acestor efecte sunt încă investigate.
În schimb, sunt necesare alte metale ( oligoelemente ), iar altele par, cel puțin sub formă metalică (nu este cazul în formă ionică) fără efecte asupra organismului; acestea din urmă sunt considerate „bio-compatibile” și utilizate în chirurgie sau stomatologie, precum titanul și aurul , sau metalele obișnuite precum fierul , nu pot fi puse la același nivel cu mercurul, plumbul și cadmiul. Alte metale pot fi foarte toxice în anumite forme ( crom VI, cupru oxidat ( verdigris ) ...).
Prin urmare, utilizarea anumitor ETM-uri este strict reglementată sau chiar interzisă în anumite aplicații. Eliberarea în mediu la sfârșitul utilizării trebuie evitată, iar aceste metale trebuie reciclate.
În studiul sănătății , pe lângă testul tradițional de sânge sau analiza urinei, a fost propus recent de către practicienii din spitale să ia în considerare profilul metalic al persoanelor.
Cele plombelor de amalgam (numite „umpluturi“) și care sunt utilizate pe scară largă în țările francofone și anglo-saxon sunt acum obiectul unor controverse , deoarece acestea conțin unele metale grele toxice: mercur , dar , de asemenea , de argint și staniu . Unele țări precum Suedia, Germania, Danemarca, Japonia, Rusia și Norvegia își restricționează utilizarea, iar ultimele trei le-au interzis pur și simplu. În Franța și Belgia, s-a considerat că dovezile toxicității lor erau insuficiente pentru a deduce o nocivitate care nu era mai mare decât beneficiile mercurului.
Termometre mercur au fost interzise de la vânzare în UE .
Cele Bateriile de mercur sunt interzise în Europa (Directiva 98/101 / CE) , întrucâtdecembrie 1998 pentru probleme de mediu.
În 2021 , 97-100% dintre francezi (adulți și copii) sunt infectați cu ETM cu rate mai mari sau egale cu cele înregistrate în 2006-2007. Alimentele și tutunul sunt principalele surse de contaminare. Public Health France recomandă consumul de pește de două ori pe săptămână, inclusiv pește gras (pentru beneficiile lor nutriționale ), dar prin diversificarea speciilor și a zonelor de pescuit (pentru a limita concentrațiile de poluanți).
În afară de boli precum otrăvirea cu plumb , miofasciita macrofagelor , hidrargiria sau boala Itai-itai indusă direct de un singur metal, patologiile induse de metale sunt probabil cel mai adesea multifactoriale, mai multe metale putând acționa în sinergie (pozitive sau negative) și pot interacționează, de asemenea, cu alte substanțe toxice sau substanțe de chelare sau de protecție naturale .
Factorii de mediu par a fi implicați într-o serie de cazuri de boli neurodegenerative. Unele metale grele toxice și neurotoxice sunt printre primii suspecți.
Mercur și plumb , în special, ar putea acționa în mod sinergie pentru a celulelor nervoase inhiba sau ucide. Anumite pesticide sunt, de asemenea, suspectate că pot acționa în sinergie cu metalele.
Monnet-Tschudi și echipa sa în 2006 au publicat o lungă listă de dovezi ale responsabilității pentru metalele grele, ca inițiatori ai bolilor neurodegenerative sau ca agravante a acestora.
În multe țări, prezența TME-urilor (în special plumb, mercur și cadmiu) în apă, aer, soluri agricole și anumite alimente, materiale (de exemplu vopsele) și obiecte (de exemplu jucării pentru copii). Exemplu) este analizată în mod regulat.
În Franța, solurile agricole care pot fi poluate de diverse surse de ETM (depozite umede sau uscate din poluarea aerului , îngrășăminte, împrăștiere de nămol, gunoi de grajd contaminat sau compost, plumb de la vânătoare, sechele de război etc. ) sunt monitorizate de un sol observator al calității și o rețea de măsurare a calității solului (RMQS) pe baza eșantionării periodice efectuate de o rețea de situri experimentale și parcele presupuse a fi reprezentative. Circulația verticală a ETM-urilor este un element important al cunoștințelor lor. De exemplu, a fost studiat în Midi-Pirinei și într-un bazin experimental ( Auradé , Gers), confirmând diferențe de comportament în funcție de element și tipul de sol în legătură cu hidrologia și anumite procese pedogenetice. În aceste regiuni, fundalul geochimic este îmbogățit local cu ETM-uri anormale (de origine antropogenă a priori). 2 până la 5% din situri sunt astfel îmbogățite în cadmiu (prezent în anumite îngrășăminte) și 5 până la 8% în cupru (prezent în anumite pesticide, nămoluri și nămoluri de epurare). Acolo, organisme, cum ar fi cozile de primăvară, le bioacumulează (pentru partea labilă a ETM-urilor și în principal în soluri cu pH scăzut, adică acid). În aceste teritorii, sarcina critică (doza dincolo de care sunt așteptate efecte dăunătoare iremediabile (sarcina critică) depindea puternic de tipul de agricultură, dar studiul a concluzionat că „debitul critic” a fost depășit de debitul curent pentru 34% din siturile RMQS pentru cadmiu și pentru 80% din siturile referitoare la plumb.