Begrepet metalliske sporstoffer , eller ETM, har en tendens til å erstatte det for tungmetaller som er dårlig definert fordi det inkluderer mindre giftige metaller som er veldig tunge for andre (metalloider). Alle minibanker er giftige eller giftige utover en viss terskel, og noen er radioaktive ( radionuklider ). Deres miljøkonsentrasjoner (vann, luft, jord, organismer) skyldes menneskeskapte (industri, transport, etc.) og naturlige tilførsler (vulkanisme og endring av primære mineraler); slippes ut i miljøet, fordeles de der i jordprofiler via pedogenese og bioturbasjon , og i økosystemer via fenomenene bioassimilering og biokonsentrasjon. De teoretiske antatte naturlige konsentrasjonene av ETM kalles “ geokjemisk bakgrunn ”.
Avhengig av vær og vind og rammen ( surhet av miljøet, synergieffekter mellom ETM eller mellom ETM og andre forurensende stoffer, kjemisk arts , etc. ), de er mer eller mindre bioassimilable og kan bioconcentrated av næringskjeden. Dette er grunnen til at noen er underlagt overvåking (regulatorisk eller frivillig) i vann, luft (forbundet med aerosoler eller støv), jord, mat, kloakkslam etc. Nye problemer utgjøres av metalliske nanopartikler på grunn av deres nye egenskaper (og mens noen nylig har blitt mye brukt, for eksempel nanosølv ).
Noen metaller er essensielle i lave doser ( sporstoffer ) og andre er svært giftige; det ble derfor nylig (2010) foreslått å supplere blodprøver og klassiske helsekontroller med en metallprofil .
Den midlere globalt normaliserte overflod av elementet i den bergart av den skorpe kalles "verdi Clarke" ( Clarke verdi for engelsk), som for en gitt metall i jordsmonnet eller i sediment eller i et geologisk materiale betyr at dets gjennomsnittlige innhold i hele verden i dette underlaget.
Noen ganger refererer vi til denne gjennomsnittsverdien, via anrikningsfaktoren (EF) for et gitt kjemisk element i et miljørom for å estimere at et nivå av et slikt eller slikt element er unormalt høyt i dette rommet, noe som kan være en indikasjon på forurensning .
Begrepet " tungmetall " er et saklig, industrielt begrep , fremfor alt empirisk , uten en presis vitenskapelig definisjon eller en enstemmig anerkjent teknikk.
For eksempel angav en informasjonsrapport til det franske senatet Effektene av tungmetaller på miljø og helse : "Navnet tungmetaller er imidlertid et vanlig navn som verken har vitenskapelig grunnlag eller juridisk anvendelse. "
Europa kom til en beslutning ved i 2000 å foreslå en definisjon som er gyldig for europeisk lovgivning og for medlemsstatene, særlig innen avfall: "tungmetall" betyr "enhver forbindelse av antimon , arsen , kadmium , sekskant krom , kobber , bly , kvikksølv , nikkel , selen , tellur , tallium og tinn så vel som disse materialene i metallisk form , forutsatt at de er klassifisert som farlige stoffer " , og på en måte mer generelt er et" farlig stoff " " et stoff som er blitt eller vil bli klassifisert som farlig direktiv 67/548 / EEC eller ved senere endringer" .
Mange minibanker har nytte i den biologiske prosessen: for eksempel er jern en viktig komponent i hemoglobin , sink , kobber og selen er viktige sporstoffer .
Alle metalliske sporstoffer er naturlig til stede i spormengder i jorden. Menneskelig aktivitet kan ha forsterket denne tilstedeværelsen; Faktisk spiller mange minibanker en viktig rolle i det daglige:
Forbrenningen av faste eller flytende fossile brensler (kull, petroleumsprodukter) vil sannsynligvis også frigjøre metaller i asken (hydrobinat), damp og røyk. Av alt drivstoff er treenergi i hovedstaden Frankrike den viktigste utslipp av tungmetaller i atmosfæren (unntatt kvikksølv og nikkel).
Tilgjengeligheten og biotilgjengeligheten til en ETM introdusert i miljøet avhenger av mange faktorer, og først og fremst av følgende prosesser:
... og for det andre er andre tilgjengelighetsfaktorer:
MTEene som utgjør de mest direkte og umiddelbare problemene for miljø og helse, er de som er mest giftige og som slippes ut i form av ioner eller nanopartikler , eller assosiert med små aerosoler .
Når de er til stede i luften ( veiforurensning , industriell forurensning , forbrenning osv.), Evakueres de hovedsakelig fra luftrommet ved våt avsetning. De finnes da i jord, sedimenter og porevann, deretter i organismer og økosystemer som de kan utgjøre et problem for. Enkelte virvelløse dyr (for eksempel ormer) kan fikse dem takket være chelaterende molekyler ( metalloproteiner generelt) og skille ut en del av dem via slim eller ekskrementer ; de kan da føre dem opp til jordoverflaten eller sedimentene; disse metaller eller metalloider er da igjen biotilgjengelige for bakterier, planter eller andre arter som igjen kan bioakkumulere dem .
Som organochlorines til som de kan legge sine negative effekter, ETMS massivt utgitt av mennesker i vann, luft og jord er viktige forurensninger av økosystemer og næringskjeden . I motsetning til de fleste andre forurensende stoffer er de ikke biologisk nedbrytbare eller nedbrytbare.
De finnes spesielt veldig konsentrert av dyr som ligger i toppen av næringskjeden; rov sjøfugl og superpredatory hvaler i særdeleshet) og derfor noen ganger i den menneskelige næringskjeden .
Metallsporelementer kan også bioakkumuleres i plantevev og indusere forstyrrelser i stoffskiftet . Som et resultat av biokonsentrasjonsfenomenet , kan TME faktisk finnes i planter i konsentrasjoner som er større enn konsentrasjonene i miljøet. Vær oppmerksom på at en akkumulering av ETM i en plante ikke nødvendigvis vil føre til en endring i helsen til planten eller i synlige forurensningssymptomer. Den toksiske effekten av disse elementene varierer primært avhengig av hvilken type metall som er tilstede, dens konsentrasjon i planten, eksponeringstiden og i henhold til de berørte planteartene.
Metallsporelementer kan indusere negative effekter på den generelle helsen til plantearter ved å forstyrre flere mekanismer: absorpsjon av næringsstoffer i jorden, fotosyntese , spiring , celledeling , vekst .
ETM-er som er tilstede i jorda i form av kationer ( f.eks. Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) kan konkurrere med andre kationer i jorden som normalt tjener som essensielle næringsstoffer for planten. ( F.eks: Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). Absorpsjonen av ETM av individets rotkompleks resulterer således i inhibering eller stimulering av absorpsjonen av kationer fra jorden, noe som modifiserer metabolismen til planten. For eksempel kan absorpsjon av kadmium føre til en mindre assimilering av kalium (som et resultat av den konkurrerende effekten) og forårsake mangel på dette næringsstoffet.
Disse metallene også føre til en reduksjon i klorofyllkonsentrasjonen i anlegget, en reduksjon i fotosyntesen å følge en forandring i transporten av elektroner og en ødeleggelse av enzymer i den Calvin syklusen ( f.eks. Forstyrrelser av Rubisco , et enzym som løser CO 2atmosfærisk nødvendig for fotosyntese). Nedgangen i klorofyllinnhold kan forklares ved det faktum at Tmes har effekten av å nedbryte thylakoid membranen .
På spiringsnivå induserer de metalliske sporelementene en reduksjon i spirehastigheten til plantefrø. Det ble faktisk vist at nikkel, for eksempel, påvirket aktiviteten til flere enzymer ( amylase , protease og ribonuklease ), noe som forsinket spiring og vekst i de forskjellige studiene. Kadmium, på sin side, induserer skade på membranene i frø i tillegg til å redusere næringsreservene til planteembryoet som finnes i kimbladene .
Disse minibankene forårsaker også forstyrrelser i celledelingen av planter. Faktisk har kadmium, kvikksølv og bly (blant andre) vist seg å ha evnen til å skade cellens kjerne og hemme enzymatiske DNase- og RNase- aktiviteter , og til slutt forårsake forstyrrelse av DNA-syntese .
Planten, avhengig av stressnivået forårsaket av TME, kan se veksten reduseres og vise tegn på sykdom (flekker) på overflaten av bladene. Disse tegn på klorose skyldes både tap av klorofyll og jernmangel i planteorganismen. Av nekrose er også observerbar under alvorlig rus.
Noen planter har i løpet av evolusjonen utviklet mekanismer for motstand mot tilstedeværelsen av metalliske sporstoffer i miljøet. En første plantestrategi består i å bare forsinke absorpsjonen av metaller og dermed redusere konsentrasjonen av giftige elementer i kroppen så mye som mulig. Andre planter binder metaller i bladvakuolene, mens andre akkumulerer dem i trikomer (plantevekster) som er tilstede i epidermis . I begge tilfeller forhindrer plantene således at de toksiske elementene kommer i kontakt med mesofyllen (indre del av bladet) og virker på stoffskiftet. En annen strategi er å felle ut ETM eller å danne et kompleks mellom en ligand og metallkationen ( chelering ), som avgifter planten.
Ekstraksjonen ved utvasking (deretter vannbehandling) består i å oversvømme bakken med vann eller kjemiske midler, deretter i utvinningen av vannet, vanligvis etterfulgt av behandling. Forurensende stoffer kan også gjenvinnes i skum dannet som et resultat av lufting og egnede kjemikalier.
Biologisk behandling UrteutbedringUrteutbedring ( phytoremediering ) er bruk av planter for chelat av metaller. Det er allerede flere bruksområder for planter som biomidler.
AlgereduksjonAlgereduksjon, eller phycoremediering, er bruken av alger for å rense et miljø. Alger utgjør et interessant felt; spesielt for deres kjente toleranse overfor TME og vedvarende organiske forurensninger, deres raske vekst, deres høye overflate / volumforhold (og dermed tillate en større absorberende overflate), fytokelatiner (proteiner som chelaterer metaller og hindrer dem i å være giftige), og deres potensial for genetisk manipulasjon.
Alge motstandTallrike studier viser at alger er effektive bioindikatorer . For eksempel øker konsentrasjonen av kadmium, bly, sink i algevevet av Enteromorpha og Cladophora proporsjonalt med konsentrasjonen av metaller i vannet. Chlorophyta og Cyanophyta har høye biokonsentrasjons- og bioakkumuleringsfaktorer sammenlignet med andre arter. Phacophyta (brune alger) har sterk affinitet med tungmetaller takket være sulfat- og alginatpolysakkarider.
Tabellen nedenfor representerer flere arter av alger og metallene de er resistente mot.
Arter | Akkumulert metall |
---|---|
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 | (Som) |
Studier viser at lagringseffektiviteten til ETM i plantevev er bedre enn organismer som overuttrykker tungmetallchelaterende proteiner (fytokelatiner, nikotianamin og metallotionin spesielt).
Metall | Mekanisme for avgiftning av alger |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metallotioniner (MT), fytokelatiner
(PC) |
Eller | Histidin |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Celleveggforbindelser (alginater, guluronsyre, sulfaterte polysakkarider) |
Flere prosjekter for dekontaminering av ETM med alger er implementert.
Element | Milligram | |
---|---|---|
Jern | 4000 | |
Sink | 2500 | |
Lede | 120 | |
Kobber | 70 | |
Tinn | 30 | |
Vanadium | 20 | |
Kadmium | 20 | |
Nikkel | 15 | |
Selen | 14 | |
Mangan | 12 | |
Annen | 200 | |
Total | 7.000 |
Noen minibanker (hovedsakelig klassifisert i periode 4 ) er nødvendige - i spormengder - for visse vitale biologiske prosesser.
Disse inkluderer jern , sink og kobber .
Jern og kobber er henholdsvis nødvendige for transport av oksygen og elektroner, mens sink deltar i hydroksylering og spermatogenese .
Kvikksølv og bly har ingen kjent bruk. Giftige for cellen uansett dose, de er rene forurensninger i organismen. Bly forstyrrer kalsiummetabolismen negativt.
Den kobolt (via Vitamin B12 er involvert i syntesen av visse komplekse og cellulær metabolisme den. Vanadium og mangan er utenfor styre enzymatisk kofaktorer; en liten dose av krom er nødvendig for bruk av glukose og nikkel er involvert i vekst celle ) ; den arsen fremmer meget lav dose metabolsk vekst hos noen dyr og eventuelt mennesker. Den selen er en antioksidant funksjonell og viser vesentlig for produksjonen av visse hormoner .
Den periode 5 og den perioden 6. Mendeleev-tabellen inneholder mindre enn sporstoffer av tungmetaller. Dette stemmer overens med antagelsen om at tyngre metaller har en tendens til å være mindre rikelig på jordoverflaten og derfor er mindre sannsynlig å være viktig for metabolsim.
I perioden 5 finner vi molybden som katalyserer Redox reaksjoner . Den kadmium (meget giftig for mennesker) synes nødvendig i enkelte kiselalger ] sjøen for det samme formål, Den tinn er nødvendig for veksten av en rekke arter.
Innen periode 6 krever metabolismen av noen arkeaer og bakterier wolfram .
Mangel på essensielle metaller i perioder 4 til 6 kan forverre følsomheten for forgiftning av tungmetaller ( blyforgiftning , hydrargyrism , Itai-itai sykdom ). Men omvendt kan overskudd av disse metallene ha svært skadelige effekter på helsen.
I gjennomsnitt inneholder en moderne kropp på 70 kg 0,01% tungmetaller, eller ca. 7 g (mindre enn vekten av to firkanter sukker). Det meste er jern (~ 4 g), sink (~ 2,5 g) og er forurenset med bly (~ 0,12 g), 2% lette metaller (~ 1,4 kg) og nesten 98% ikke-metaller ( hovedsakelig vann ) (Blant elementene som vanligvis ble gjenkjent som metalloider, B og Si ble regnet som ikke-metaller; Ge, As, Sb og Te som tungmetaller).
Noen minibanker eller ikke-essensielle tungmetaller har biologiske effekter. Dermed er gallium , germanium ( metalloid ), indium og de fleste av lanthanidene i stand til å stimulere stoffskiftet, mens titan vil fremme plantevekst.
Mange skadelige fysiologiske effekter har blitt demonstrert for TMEer utover visse terskler som noen ganger er veldig lave (i tilfelle bly eller metylkviksølv for eksempel), hos mennesker og i dyremodellen, for et stort antall arter (pattedyr, fugler, reptiler, amfibier, fisk, etc. ).
Den toksikologiske effekten av ETM avhenger imidlertid mye av deres kjemiske form (kalt "kjemiske arter"), konsentrasjonen, miljøkonteksten (det er grunnen til at vi prøver å kartlegge forurensning, og spesielt i tidligere industriregioner), deres biotilgjengelighet. og muligheten for passering i kjeden av levende ting (det trofiske nettverket ). Det er også en viss genetisk komponent som gjør kroppen mer eller mindre i stand til å skille ut visse giftige metaller (bly for eksempel). Til slutt kan skjerpende synergistiske effekter eksistere mellom forskjellige minibanker.
Man skiller spesielt ut de tre metallene kvikksølv , bly , kadmium , som man på den ene siden ikke kunne vise til en positiv rolle for den biologiske aktiviteten, og som på den annen side kan være opprinnelsen til alvorlig forgiftning eller kronisk sykdom, til og med ved lave doser; for eksempel fører absorpsjon av bly til blyforgiftning , spesielt alvorlig hos barn, kadmium ødelegger nyrene og nedbryter leveren, og kvikksølv er et kraftig nevrotoksikum. Den aluminium kan utgjøre neurotoksisitet hos mennesker, men grenseverdiene og omfanget av disse effekter blir fortsatt undersøkt.
Motsatt er andre metaller nødvendige ( sporstoffer ), og igjen virker andre, i det minste i metallisk form (dette er ikke tilfelle i ionisk form) uten effekter på organismen; sistnevnte regnes som "biokompatible" og brukes i kirurgi eller tannbehandling, slik som titan og gull , eller vanlige metaller som jern , kan ikke settes på samme nivå som kvikksølv, bly og kadmium. Andre metaller kan være svært giftige i visse former ( krom VI, oksidert kobber ( verdigris ) ...).
Bruk av visse minibanker er derfor strengt regulert, eller til og med forbudt i visse applikasjoner. Utslipp i miljøet etter endt bruk må unngås, og disse metallene resirkuleres.
I studiet av helse , i tillegg til den tradisjonelle blodprøven eller urinanalysen, er det nylig blitt foreslått av sykehusutøvere å vurdere metallprofilen til enkeltpersoner.
De amalgamfyllinger (kalt "fyllinger"), og som er mye brukt i fransktalende land og Anglo-Saxon er nå gjenstand for uenighet, fordi de inneholder noen giftige tungmetaller: kvikksølv , men også sølv og tinn . Noen land som Sverige, Tyskland, Danmark, Japan, Russland og Norge begrenser bruken av dem, og de tre siste har ganske enkelt forbudt dem. I Frankrike og Belgia ble det ansett at bevisene for deres toksisitet var utilstrekkelig til å utlede en skadelighet som ikke oppveies av fordelene med kvikksølv.
Den termometre kvikksølv har blitt utestengt fra salg i EU .
De kvikksølv batterier er forbudt i Europa (direktiv 98/101 / EF) sidendesember 1998 for miljøspørsmål.
I 2021 ble 97 til 100% av franskmennene (voksne og barn) smittet med ETM med satser større enn eller lik de som ble registrert i 2006-2007. Den mat og tobakk er de hovedkildene til forurensning. Public Health France anbefaler å spise fisk to ganger i uken, inkludert fet fisk (for deres ernæringsmessige fordeler ), men ved å diversifisere arten og fiskeplassene (for å begrense forurensningskonsentrasjonen).
Bortsett fra sykdommer som blyforgiftning , makrofag myofasciitt , hydrargyria eller Itai-itai sykdom direkte indusert av et enkelt metall, er patologiene indusert av metaller sannsynligvis oftest multifaktorielle, flere metaller kan handle i synergi (positive eller negative) og samhandler også med andre giftstoffer eller naturlig chelaterende eller beskyttende stoffer .
Miljøfaktorer ser ut til å være involvert i en rekke tilfeller av nevrodegenerative sykdommer. Noen giftige og nevrotoksiske tungmetaller er blant de første mistenkte.
Spesielt kvikksølv og bly kan virke synergistisk for å hemme eller drepe nerveceller. Visse plantevernmidler mistenkes også for å kunne handle i synergi med metaller.
Monnet-Tschudi og hans team i 2006 publiserte en lang liste med bevis for ansvar for tungmetaller, som initiativtakere til nevrodegenerative sykdommer eller som forverrer dem.
I mange land analyseres regelmessig tilstedeværelsen av TME (spesielt bly, kvikksølv og kadmium) i vann, luft, jordbruksjord og visse matvarer, materialer (f.eks. Maling) og gjenstander (f.eks. Barneleker).
I Frankrike overvåkes jordbruksjord som kan forurenses av forskjellige kilder til ETM (våte eller tørre avsetninger fra luftforurensning , gjødsel, spredning av slam, forurenset gjødsel eller kompost, bly fra jakt, følgevirkninger osv. ) Av jord kvalitet observatorium og en Jordkvalitetsmåling Network (RMQS) på grunnlag av regelmessig sampling utført av et nettverk av eksperimentelle plott områder og antas å være representative. Den vertikale sirkulasjonen av minibanker er et viktig element i deres kunnskap. For eksempel har det blitt studert i Midi-Pyrénées og i et eksperimentelt vannskille ( Auradé , Gers), som bekrefter forskjeller i oppførsel avhengig av grunnstoff og jordtype i forbindelse med hydrologi og visse pedogenetiske prosesser. I disse regionene er den geokjemiske bakgrunnen lokalt beriket med unormal ETM (a priori av antropisk opprinnelse). 2 til 5% av lokalitetene er således beriket med kadmium (finnes i visse gjødsel) og 5 til 8% i kobber (til stede i visse plantevernmidler, oppslemming og spredning av kloakkslam). Der bioakkumulerer organismer som springtails dem (for den labile delen av ETM og hovedsakelig i jord med lav pH, det vil si sure). I disse områdene var den kritiske belastningen (dosen utover hvilken det ikke forventes uopprettelige skadelige effekter (kritisk belastning) sterkt avhengig av jordbrukstypen, men studien konkluderte med at den "kritiske strømmen" ble overskredet av den nåværende strømmen for 34% av RMQS-områdene for kadmium og for 80% av nettsteder for bly.