La caractérisation des riques liés aux sols contaminés pour la ressource en eau et les écosystèmes peut s'appréhender à travers l'utilisation d'une batterie de tests biologiques de toxicité (aigus, chroniques et de génotoxicité) réalisés sur des extraits obtenus par lixiviation et/ou percolation. Le couplage des tests de comportement (lixiviation, percolation) avec les tests biologiques permet de définir la mobilité et la toxicité des polluants contenus dans les échantillons de sol contaminés. Cette démarche qualitative et quantitative rend compte de la migration spatiale et temporelle des flux polluants.
Il est nécessaire de disposer d'outils permettant d’apprécier les dangers et les risques liés aux sites contaminés pour, d'une part, aider à la décision en matière de gestion des sites et, d'autre part, éviter les nouvelles contaminations. La mobilité et la toxicité des polluants sont des composantes essentielles pour l’estimation des dangers et risques. En effet, la mobilité des polluants gouverne leur migration vers la nappe et l'exposition des organismes vivants et, la toxicité précise leur danger potentiel. La connaissance de ces deux paramètres permet la caractérisation préliminaire des risques pour la santé, la nappe et les écosystèmes. L’écotoxicologie contribue à cette caractérisation.
Problématique
Le sol a longtemps été considéré comme un “système épurateur” sans faille. La prise de conscience, relativement récente, de sa capacité limitée à accumuler, transformer et dégrader les substances polluantes a été accélérée par la mise en évidence de contaminations naissantes de la ressource en eau. Non seulement le sol n’épure pas les pollutions mais il les libère, constituant une menace à long terme pour la santé, l'alimentation en eau potable et les écosystèmes.
[Encart : Écotoxicologie – Définition et Approches L'écotoxicologie est une discipline relativement récente [Ramade, 1979]. Au sens large, elle regroupe l'étude de la distribution des polluants dans l'environnement et de leur impact physique et biologique sur les êtres vivants : organismes, populations, communautés et écosystèmes [Ramade, 1992]. L'évaluation au laboratoire de la toxicité des polluants utilise des tests mono-spécifiques (sur une seule espèce) et consiste à mesurer la réponse d'organismes sélectionnés et homogènes lors de leur exposition à des polluants (substances pures, effluents, sols contaminés…). Une courbe concentration-réponse est ainsi établie par exposition des organismes à des quantités croissantes de polluants. Pour les échantillons solides comme ceux issus de sols contaminés, deux approches sont possibles : l'approche directe lorsque l'organisme test est mis en contact directement avec l'échantillon contaminé (tests sur plantes terrestres, sur vers de terre, sur collemboles…) ou l'approche indirecte qui consiste à extraire les polluants de la phase solide en utilisant de l'eau ou un extractant chimique, puis à exposer des organismes à ces extraits (tests sur daphnies, sur algues vertes, sur bactéries…) [Bispo et Jourdain, 1998 ; Bispo et al., 1997]. Les tests biologiques classiquement utilisés au laboratoire ont été normalisés et des protocoles sont disponibles pour assurer la répétabilité des résultats.]Classiquement, l’étude des échantillons de sols contaminés est envisagée au travers d'une démarche analytique chimique qui consiste à identifier et mesurer la concentration totale (caractérisation analytique) ou d'une fraction lixiviable des composés incriminés (caractérisation comportementale) et à comparer les concentrations détectées à des seuils réglementaires. Cette approche, basée en grande partie sur l’extraction des polluants puis leur quantification, présente des limites. En effet, la caractérisation analytique totale (minéralisation ou extraction par solvant organique) libère des fractions non accessibles aux êtres vivants et ne rend pas compte de l’état réel des molécules dans l’échantillon de sol. De même, la caractérisation comportementale (lixiviation à l’eau) mobilise une partie des fractions directement disponibles aux êtres vivants, mais certains organismes peuvent être exposés à des fractions polluantes peu solubles (ingestion de particules terreuses). Les analyses chimiques des fractions polluantes sont généralement spécifiques des polluants recherchés (on trouve ce que l'on cherche…) et fournissent une liste de substances polluantes, en précisant leurs concentrations totales ou lixiviables, mais ne renseignent en aucun cas sur les effets toxiques des composés seuls ou en combinaison avec d'autres (synergie, antagonisme, potentialisation). Elles sont donc relativement inadaptées pour la caractérisation des effets. Ces données restent néanmoins nécessaires car elles constituent la base réglementaire actuelle de caractérisation, et utiles car elles constituent des informations fondamentales en termes de danger potentiel.
Il est nécessaire de compléter ces données analytiques par des informations sur les effets des polluants contenus dans les échantillons de sol pollué : pour qualifier et quantifier leurs impacts sur les organismes vivants. L’écotoxicologie a pour but d’évaluer cet impact (voir encadré 1).
Cet article présente une approche pour caractériser le danger toxique lié aux échantillons de sol contaminé. Cette approche a été élaborée dans le cadre des programmes ADEME « Écotoxicité des sols et des déchets » et « Étude du relargage des polluants toxiques et génotoxiques par percolation de sols contaminés » (Savanne, 1998). Le but de ces programmes était de caractériser la mobilité et la toxicité des polluants issus d’échantillons de sol contaminé en vue de déterminer le potentiel polluant et définir sa disponibilité pour les organismes vivants et la nappe.
Matériel et méthodes
Échantillons de sol
Deux échantillons de sol contaminé E1 et E2 ont été prélevés sur sites industriels, contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques. Les analyses chimiques de ces échantillons après séchage et tamisage à 2 mm sont présentées dans le tableau 1. Deux niveaux de contamination ont été sélectionnés afin de comparer la réponse des essais biologiques.
Définition des dispositifs de mobilisation des polluants
La mise en évidence de la mobilité des polluants au sein des matrices solides peut être établie au laboratoire par des essais de lixiviation ou de percolation (Jauzein et al., à paraître en 1999).
Les essais de lixiviation sont des tests statiques pour lesquels la matrice à évaluer est placée dans un système fermé en contact avec un solvant et agitée le plus souvent faiblement par des mouvements horizontaux ou par rotation du flacon sur lui-même. Dans le cadre de cette étude, la lixiviation des échantillons a été réalisée suivant la norme NF X31-210 (1994) avec de l’eau osmosée mais la filtration du lixiviat à 0,45 μm a été remplacée par une centrifugation à 6000 tours min-1. La filtration à 0,45 μm, nécessaire aux analyses chimiques, est trop draconienne et ne permet pas le passage des polluants liés aux colloïdes ou aux matières en suspension. En parallèle, une lixiviation avec du méthanol a été réalisée sur les deux échantillons. L'utilisation d’un solvant peu agressif comme le méthanol permet d’estimer les fractions polluantes organiques échangeables.
Les essais de percolation utilisent un système ouvert, où la matrice solide est placée dans une colonne verticale, parcourue par de l'eau. Deux types d’alimentation en eau des colonnes peuvent être employés : colonnes alimentées par le haut (migration gravitaire, souvent non saturée) ou colonnes alimentées par le bas (migration sous pression, saturée). Ces méthodes sont en cours de normalisation pour l’étude du comportement à la percolation d’un horizon de sol ou de déchet traversé par l’eau de pluie, elle permet d’estimer le relargage des polluants.
Tableau 1 : Analyse sommaire des échantillons de E1 et E2
| E1 | E2 | |
|---|---|---|
| Somme HAP (mg/kg) | 46 268,5 | 13 743 |
| Somme Chlorobenzènes (µg/kg) | 7,91 | 175 |
| Indice phénol (mg/kg) | 5,22 | 4,74 |
Tableau 2 : Batterie de tests utilisée pour évaluer la toxicité des matériaux sélectionnés
| Organisme | Bactérie | Microcrustacé | Algue unicellulaire |
|---|---|---|---|
| Niveau trophique | Décomposeur | Consommateur | Producteur primaire |
| Test | Microtox®Mutatox® | Daphnie | Algue |
| Norme AFNOR | T90-320- | T90-301 | T90-304 |
| Espèce testée | Vibrio fischeriVibrio fischeri M169 | Daphnia magna | Pseudokirchneriella subcapitata |
| Effet mesuré | Inhibition de la luminescenceRé-émission de la lumière | Immobilisation et mortalité | Inhibition de la croissance |
| Information | Test de toxicité aiguë (informations sur le court terme)Test de génotoxicité (informations sur le long terme) | Test de toxicité aiguë (informations sur le court terme) | Test de toxicité chronique (informations sur le long terme) |
en fonction du temps (Masfaraud et Perrodin, 1998). Elles sont intégrées dans la réglementation, notamment pour la mise en décharge des déchets dans les centres de stockage de classe 3. Dans le cadre de cette étude, la percolation a été réalisée par alimentation gravitaire des colonnes, l’apport d’eau simule la pluviométrie annuelle du site en quantité et en fréquence. Le sol (10 kg) est introduit dans la colonne (diamètre 15 cm, hauteur 60 cm) par petites quantités. Chaque disque est ensuite compacté avant nouveau remplissage ce qui permet d’obtenir une porosité homogène sur toute la colonne. Les volumes sont collectés en sortie de colonne et conservés à 4 °C avant toute analyse chimique et/ou écotoxique.
Analyse de la toxicité des échantillons
Pour cette étude, l’approche indirecte a été uniquement retenue pour caractériser rapidement et avec de faibles volumes les différentes formes de la toxicité des polluants (Encadré 2). Le tableau 2 explicite le choix des tests de toxicité sélectionnés, en particulier, l’organisme utilisé, l’espèce, l’effet mesuré et l’information apportée par le test quant à l’impact sur le court et le long terme. Cette batterie de tests est complémentaire tant du point de vue des organismes exposés (différents niveaux trophiques), que des niveaux d’organisation évalués : niveau moléculaire (inhibition et ré-émission de la luminescence de Vibrio fischeri), niveau individuel (immobilisation et mortalité de Daphnia magna) et niveau d’une population (effets sur la croissance de Pseudokirchneriella subcapitata). Elle permet d’appréhender également les effets à court et long terme.
Résultats
Résultats des essais de toxicité sur les lixiviats
La toxicité des lixiviats des échantillons E1 et E2, réalisés à l’eau osmosée ou avec du méthanol est présentée respectivement, dans les figures 1 et 2.
La toxicité exprimée dans les lixiviats réalisés à l’eau met en évidence, pour ces échantillons la sensibilité des tests Microtox® et Algue. L’utilisation des 3 tests biologiques (Daphnie, Algue et Microtox®) permet de confirmer les niveaux de contamination des deux échantillons (déterminés lors de l’analyse chimique) : la toxicité de l’échantillon E1 est plus importante que celle constatée sur E2.
Le test Mutatox®, réalisé sur les lixiviats des
Toxicité en unités toxiques
Échantillon E1Échantillon E2
Microtox
Daphnie
Algue
deux échantillons met en évidence une forte génotoxicité des deux échantillons.
Les tests Microtox® et Daphnie, effectués sur l’extrait obtenu après lixiviation au méthanol apportent des indications sur la présence de polluants organiques peu solubles dans l'eau. Les toxicités mesurées dans les extraits au méthanol de l’échantillon E1 sont plus de 100 fois plus importantes que celles rencontrées dans les lixiviats réalisés avec de l'eau osmosée. Le méthanol a permis de solubiliser une quantité plus importante de polluants organiques, augmentant leur concentration dans les extraits testés. Cette extraction au méthanol, non réaliste du point de vue environnemental, peut être interprétée comme l'existence d'une réserve toxique potentielle, dans l’échantillon. La solubilisation des polluants de cette réserve peut s’effectuer graduellement au cours de lixiviations successives. Cette dernière hypothèse a été vérifiée par l’utilisation d’essais de percolation.
Résultats des essais de toxicité sur les percolats
La composition chimique (concentration en HAP) et la toxicité des différents percolats obtenus en sortie de colonne de percolation ont été suivis à l'aide du test Microtox®. Les résultats sont présentés dans la figure 3.
La toxicité des percolats de l’échantillon de sol E1, collectés pendant les 40 jours, est du même ordre de grandeur (entre 5 et 7 unités toxiques). Elle diminue fortement après 40 jours mais une réponse toxique est toujours détectée après 113 jours. La toxicité la plus importante est constatée au début de la percolation et correspond au relargage maximal des HAP (figure 3). Pour l’échantillon de sol E2, la toxicité des percolats est mise en évidence tout au long du suivi. Cette réponse toxique est en accord avec la concentration chimique des percolats.
Les polluants faiblement solubles (mis en évidence lors de la lixiviation au méthanol) sont libérés graduellement générant une toxicité tout au long du suivi de percolation. Ces essais sont en accord avec de précédents résultats, obtenus sur d'autres échantillons contaminés (Bispo, 1998, Vasseur et al., 1998).
Conclusion
La mobilité et la toxicité des polluants des différentes matrices sont le plus souvent appréhendées à travers les essais de lixiviation à l'eau. Cette technique a des limites, les polluants migrent en fonction de leur solubilité : leur mobilité et leur toxicité peuvent être sous-estimées. La lixiviation au méthanol permet de compléter l'information sur les polluants du sol, potentiellement toxiques, peu solubles dans l'eau. La toxicité observée sur les lixiviats réalisés avec du méthanol peut être interprétée comme l'existence d'une menace à long terme pour les écosystèmes, la matrice présentant une charge toxique mobilisable au cours de lixiviations successives ou lors de modifications des conditions de milieu. Si les essais statiques présentent l’avantage d’être rapides et simples d’application, ils restent
peu représentatifs des conditions naturelles de lixiviation sur le terrain où les phénomènes rencontrés in situ sont de nature dynamique (le fluide percolant est renouvelé à chaque nouvelle pluie). L'essai de percolation gravitaire se rapproche des conditions de migration des polluants dans un profil de sol et permet l'estimation de la mobilité et la toxicité des polluants. Il modélise le relargage des polluants en conditions dynamiques.
Ainsi, les essais de lixiviation pourraient, dans un premier temps, être utilisés pour caractériser le danger des matériaux solides contaminés mais sans aucune indication temporelle. Les protocoles de percolation précisant la cinétique de migration des polluants pourraient être utilisés en complément, si d'autres informations sont nécessaires.
Les essais de toxicité ont montré leur pertinence en fournissant une réponse globale sur le danger environnemental des polluants présents. L'expression du danger, pour être complète, doit comprendre plusieurs types de test biologiques intégrant les effets toxiques aigus, chroniques et génotoxiques.
Les auteurs remercient le LECES (Maizière les Metz) pour le prélèvement et l'analyse des échantillons de sol. Cette étude est co-financée par l'ADEME dans le cadre du programme « Étude du relargage des polluants toxiques et génotoxiques par percolation de sols contaminés » et par la Communauté européenne dans le cadre du programme « Environnement et Climat ».
Références bibliographiques
© AFNOR T90-301. (1996). Détermination de l'inhibition de la mobilité de Daphnia magna.
© AFNOR T90-304. (1993). Essai d’inhibition de la croissance des algues d'eau douce avec Scenedesmus subcapitatus et Selenastrum capricornutum.
© AFNOR T90-320. (1994). Détermination de l’inhibition de la luminescence de P. phosphoreum.
© AFNOR X31-210. (1994). Essai de lixiviation.
© Bispo, A. (1998). Contribution à l'élaboration d'une méthodologie pour évaluer les dangers et les risques liés aux matériaux solides contaminés. Thèse de doctorat. INPL. 142 p.
© Bispo, A. et Jourdain, M.J. (1998). Méthodes d'évaluation du danger écotoxique, dans Ecotoxicologie des sols et des déchets : enjeux réglementaires, normes et recherches., Séminaire ADEME du 4 décembre 1998. Paris, ADEME éditions.
© Bispo, A., Jourdain, M.J. et Jauzein, M. (1997). Les apports des tests d’écotoxicité à l’analyse d'une terre contaminée. Analusis Magazine. 25 (9-10) : M66-M69.
© Jauzein, M., Jourdain, M.J., Bispo, A. et Savanne, D. (1999). Ecotoxicité des sols et des déchets : protocoles d'extraction des polluants. À paraître. ADEME éditions.
© Masfaraud, J-F. et Perrodin, Y. (1998). Ecotoxicité des percolats de sol, dans Ecotoxicologie des sols et des déchets : enjeux réglementaires, normes et recherches., Séminaire ADEME du 4 décembre 1998. Paris, ADEME éditions.
© Microbics. (1993). Mutatox® manual.
© Ramade, F. (1979). Ecotoxicology, 2nd edn, John Wiley, New York.
© Ramade, F. (1992). Précis d'écotoxicologie, Masson, Paris.
© Savanne, D. (1998). Le programme écotoxicologie des sols et des déchets de l'ADEME, dans Ecotoxicologie des sols et des déchets : enjeux réglementaires, normes et recherches., Séminaire ADEME du 4 décembre 1998. Paris, ADEME éditions.
© Vasseur, P., Rast, C., Bekaert, C., Ferrier, V., Bispo, A. et Jourdain, M.J. (1998). Étude du relargage des polluants toxiques et génotoxiques par percolation de sols contaminés. Rapport ADEME. 200 p.
