Élément-trace métallique

Pour les articles homonymes, voir ETM.

La notion d’éléments-traces métalliques, ou ETM tend à remplacer celle de métaux lourds qui a été et qui reste un concept mal défini car associant des métaux toxiques réellement lourds à d'autres l'étant moins. Une partie des ETM est toxique, ou toxique au-delà d'un certain seuil ou radioactive (radionucléides).

Selon les éléments et le contexte (acidité du milieu, synergies entre ETM ou entre ETM et d'autres polluants, spéciation…), ils sont plus ou moins bioassimilables et pouvant être bioconcentrés par la chaine alimentaire. C'est pourquoi certains font l'objet d'un suivi (réglementaire ou volontaire) dans l'eau, l'air (associés aux aérosols ou poussières), les sols, l'alimentation, les boues d'épuration, etc. De nouveaux problèmes sont posés par les nanoparticules métalliques en raison de leurs propriétés nouvelles (et alors que certains sont depuis peu déjà largement utilisées ; le nanoargent par exemple).

Parce que les métaux sont tantôt indispensables tantôt indésirables ou très toxiques, il été récemment (2010) proposé de compléter les bilans sanguins et bilans de santé classiques par un profil métallique^[1].

Dans les cycles biogéologiques

L'abondance moyenne globale normalisée de l'élément dans la roche de la croûte est dite « valeur de Clarke » (Clarke value pour les anglophones), qui représente pour un métal donné dans le sol ou dans le sédiment ou dans un matériau géologique désigne sa teneur moyenne dans le monde dans ce substrat^[2].

On se réfère parfois à cette valeur moyenne, via le facteur d'enrichissement (EF) pour un élément chimique donné dans un compartiment de l'environnement pour estimer qu'un taux de tel ou tel élément est anormalement élevé dans ce compartiment, ce qui peut être un indice de pollution.

Problèmes de définition

La notion de « métal lourd » est un concept factuel, industriel, avant tout empirique, sans définition scientifique précise, ni technique unanimement reconnue.

À titre d’exemple, un rapport d’information au Sénat français « Les effets des métaux lourds sur l’environnement et la santé »^[3], indiquait : « L’appellation métaux lourds est cependant une appellation courante qui n'a ni fondement scientifique ni application juridique ».

• Certains auteurs définissent les métaux lourds comme les éléments métalliques ayant une masse volumique supérieure à une certaine valeur (cette valeur minimale variant entre 4 000 kg/m³ et 5 000 kg/m³ selon les auteurs).
• D’autres définissent comme métaux lourds les éléments métalliques compris entre le cuivre et le plomb dans le tableau périodique des éléments (excluant donc le fer, le chrome).
• Pour d’autres il s’agit de tous les éléments métalliques à partir de la quatrième période du tableau périodique des éléments.
• Par confusion, compte tenu du caractère potentiellement toxique de composés de certains des métaux lourds (mercure, plomb, cadmium en particulier) et parce qu'ils leur sont géologiquement souvent associés, on inclut parfois dans la catégorie des métaux lourds certains éléments toxiques comme l’arsenic (métalloïde), et certains composés organométalliques (ex : méthylmercure).
  Certains préfèrent alors parler d’« éléments-traces », bien que le mot "trace" soit également connoté et sans définition scientifique, voire trompeur dans les contextes de forte contamination et pollution (dans divers cas étudiés en France, par exemple près de l'ancienne fonderie Métaleurop-Nord la teneur du sol ou de sédiments en métaux toxique tels que le plomb peut largement dépasser 10 % (en poids), sur un site de démantèlement d'armes chimiques de l'est de la France récemment redécouvert, le sol contient encore en 2007 jusqu'à 150 000 mg/kg^[4] d'arsenic selon Tobias Bausinger et Johannes Preuß, scientifiques de l'université Gutenberg de Mayence qui ont étudié^[5] ce site (ainsi que d'autres séquelles de guerre similaires en Allemagne ou Belgique), ce qui ne permet plus de parler de traces (nanogrammes à microgrammes par kg).

Définitions européennes

L'Europe a tranché en proposant en 2000 une définition qui vaut pour le droit européen et celui des États-membres, notamment dans le domaine des déchets : « Métal lourd » désigne « tout composé d'antimoine, d'arsenic, de cadmium, de chrome (VI), de cuivre, de plomb, de mercure, de nickel, de sélénium, de tellure, de thallium et d'étain ainsi que ces matériaux sous forme métallique, pour autant qu'ils soient classés comme substances dangereuses »^[6], et de manière plus générale, une « substance dangereuse » est « une substance qui a été ou sera classée comme dangereuse par la directive 67/548/CEE ou par ses modifications ultérieures »^[6] ; .

Utilisations

Beaucoup d'ETM ont une utilité dans le processus biologique : par exemple le fer est un composant essentiel de l’hémoglobine, le zinc, le cuivre et le sélénium sont des oligo-éléments indispensables.

Tous les éléments-traces métalliques sont présents naturellement à l’état de traces dans le sol. L’activité humaine peut avoir renforcé cette présence ; en effet, nombre d'ETM jouent un rôle important dans la vie quotidienne :

• le fer (Fe) et ses alliages, aciers, aciers inoxydables ;
• le plomb (Pb) pour les batteries d'accumulateurs (en particulier pour les automobiles), les tuyauteries, les soudures, les peintures anti-corrosion (minium) et les munitions. Les grenailles de plomb des munitions de chasse et de ball-trap, perdues dans l'environnement, représentaient environ 8 000 tonnes de plomb par an rien que pour la France vers l'an 2000 ; ces munitions toxiques sont source de saturnisme aviaire chez l'homme… ;
• le mercure (Hg) pour de très nombreux usages dont les amalgames dentaires et les piles électriques ;
• l'uranium (U) pour les quilles de certains bateaux, les munitions anti-blindage (uranium appauvri) ;
• le chrome (Cr), comme pigment rouge et pour le chromage de pièces ;
• le cuivre (Cu), dans le domaine de l'électronique ainsi que comme fongicide (sulfate de cuivre, notamment utilisé lors du traitement des vignes) ;
• le cadmium (Cd) utilisé entre autres pour les accumulateurs électriques (« piles » rechargeables) Ni-Cd ainsi qu'en tant que cadmiage anti corrosion dans aéronautique ;
• l'argent (Ag) pour la bijouterie et l'argenterie, la photographie argentique, les miroirs, de nombreux usages industriels (en particulier électriques et électroniques), les monnaies et médailles ;
• l'or (Au) pour la bijouterie, les objets précieux, les contacts électriques, en dentisterie ;
• le zinc (Zn) pour la galvanisation de l'acier, et pour des pièces moulées utilisées dans l'automobile ;
• le titane (Ti) en raison de son inertie chimique pour la construction de réacteurs chimiques, ou pour la confection de prothèses (prothèse de hanche par exemple) ;
• le nickel (Ni) pour les aciers inoxydables.

La combustion de combustibles fossiles solides ou liquides (charbon, produits d'origine pétrolière) est également susceptible de rejeter des métaux dans les cendres (hydrobinate), vapeurs et fumées. De tous les combustibles, le bois-énergie est, en France métropolitaine, le principal émetteur de métaux lourds dans l'atmosphère (excepté le mercure et le nickel).

Cinétique environnementale

Les ETM posant problème pour l'environnement et la santé sont des nanoparticules ou sont généralement associés aux aérosols de petite taille. Quand ils sont présents dans l'air (pollution routière, industrielle, combustion, etc.)^[7], ils sont principalement évacués du compartiment atmosphérique par dépôt humide. Ils se retrouvent alors dans les sols, les sédiments et l'eau interstitielle^[8] puis dans les organismes et les écosystèmes, auxquels ils peuvent poser problème. Certains invertébrés (vers par exemple) peuvent les fixer grâce à des molécules chélatrices (métalloprotéines en général) et en excréter une partie via leur mucus ou excréments ; ils peuvent alors les remonter en surface du sol ou des sédiments ; ces métaux ou métalloïdes sont alors à nouveau biodisponibles pour les bactéries, les plantes ou d'autres espèces qui peuvent à nouveau les bioaccumuler^[9]…

Impacts écotoxicologiques

Comme les organochlorés^[10] auxquels ils peuvent ajouter leurs effets négatifs, Les ETM massivement rejetés par l'Homme dans l'eau, l'air, et sols sont d’importants contaminants des écosystèmes, du réseau trophique. À la différence de la plupart des autres polluants, ils ne sont pas biodégradables ni dégradables.

On les retrouve en particulier très concentrés par les animaux situés en tête de chaine alimentaire ; oiseaux marins prédateurs et cétacés superprédateurs notamment)^[11] et de là parfois de la chaine alimentaire humaine.

Impacts sur les végétaux

Les éléments-traces métalliques peuvent être également bioaccumulés dans les tissus des plantes et induire des perturbations au niveau de leur métabolisme^[12]. Suite au phénomène de bioconcentration, les ETM peuvent, en effet, se retrouver dans les végétaux à des concentrations supérieures aux concentrations présentes dans le milieu^[13]. Il est à noter qu’une accumulation d’ETM dans une plante ne se traduira pas nécessairement pas une altération de la santé de la plante ou par l’apparition de symptômes visibles de contamination. ^[13] L’effet toxique de ces éléments varie avant tout selon le type de métal présent, sa concentration dans la plante, le temps d’exposition et selon l’espèce végétale affectée^[14],[15].

Les éléments-traces métalliques peuvent induire des effets négatifs sur la santé générale des espèces végétales en interférant avec plusieurs mécanismes : absorption des nutriments du sol, photosynthèse, germination, division cellulaire, croissance^[12].

Les ETM présents dans le sol sous forme de cations (ex : Cd⁺², Cr⁺⁶, Cu⁺², Ni⁺², etc.) peuvent entrer en compétition avec d’autres cations du sol qui servent normalement de nutriments essentiels pour la plante (ex : Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, etc.)^[16]. L’absorption des ETM par le complexe racinaire de l’individu entraîne ainsi l’inhibition ou la stimulation de l’absorption des cations du sol, ce qui modifie le métabolisme de la plante^[16]. Par exemple, l’absorption de Cadmium pourrait engendrer une moins grande assimilation de Potassium (suite à l’effet de compétition) et provoquer une carence de ce nutriment. ^[12]

Les éléments-traces métalliques peuvent perturber l'activité de l'enzyme Rubisco dans le cycle de Calvin, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité de la photosynthèse chez la plante^[17].

Ces métaux provoquent également la diminution de la concentration en chlorophylle dans la plante, une baisse de photosynthèse suite à une altération du transport des électrons et  une perturbation des enzymes du cycle de Calvin (ex : perturbation de la Rubisco, une enzyme fixant le CO₂ atmosphérique nécessaire à la photosynthèse)^[16].  La diminution de la teneur en chlorophylle s’explique par le fait que les ETM ont pour effet de dégrader la membrane des thylakoïdes^[12].

Au niveau de la germination, les éléments-traces métalliques induisent une diminution du taux de germination des semences végétales^[14].  En effet, il a été démontré que le Nickel, par exemple, affectait l’activité de plusieurs enzymes (amylase, protéase et ribonucléase), ce qui retardait la germination et la croissance chez les différentes plantes étudiés^[18].  Le cadmium, pour sa part, induit des dommages aux membranes des graines en plus de diminuer les réserves de nutriment de l’embryon végétal contenues dans les cotylédons. ^[18]

Ces ETM entraînent aussi des perturbations dans la division cellulaire des végétaux. ^[12] En effet, il a été démontré que le cadmium, le mercure et le plomb (entre autres) ont la capacité d’endommager le nucléole des cellules et d’inhiber les activités enzymatiques DNase et RNase, ce qui provoque en bout de ligne une interruption de la synthèse de l’ADN^[12].  

La plante, tout dépendamment du niveau de stress causé par les ETM, peut voir sa croissance réduite et afficher des signes de maladies (tâches) à la surface des feuilles. ^[16]Ces signes de chloroses résultent à la fois d’une perte de chlorophylle et d’une carence en fer dans l’organisme végétal^[16]. Des nécroses sont également observables lors d’intoxication plus graves^[16].

Tolérances des végétaux

Certaines plantes ont développées, au fil de l’évolution, des mécanismes de résistance face à la présence d’éléments-traces métalliques dans le milieu. ^{[12] [16]} Une première stratégie végétale consiste à simplement retarder l’absorption des métaux et ainsi diminuer au maximum la concentration en élément toxique dans l’organisme^[12]. D’autres plantes séquestres les métaux dans leurs vacuoles foliaires tandis que d’autres les accumulent dans des trichomes (excroissance végétale) présents au niveau de l’épiderme^[12],[16]. Dans les deux cas, les végétaux évitent ainsi que les éléments toxiques entrent en contact avec le mésophylle (partie intérieure de la feuille) et viennent agir sur le métabolisme^[12],[16]. Une autre stratégie consiste à précipiter les ETM ou à former un complexe entre un ligand et le cation métallique (chélation), ce qui permet de détoxifier la plante^[12],[16].          

Impact toxicologique

L’impact toxicologique des ETM dépend de leur forme chimique (nommé « espèce chimique »), de leur concentration, du contexte environnemental (ce pourquoi on cherche à cartographier les pollutions, et notamment dans les anciennes régions industrielles^[19]), de leur biodisponibilité et de la possibilité de passage dans la chaîne du vivant (le réseau trophique). Il existe aussi une certaine composante génétique faisant que l'organisme est plus ou moins capable d'excréter certains métaux toxiques (plomb par exemple).

On distingue en particulier les trois métaux mercure, plomb, cadmium, pour lesquels d’une part on n’a pas pu mettre en évidence de rôle positif pour l’activité biologique, et qui d’autre part peuvent être à l’origine d'intoxications ou de maladies chroniques graves, même à faibles doses ; par exemple l’absorption de plomb provoque le saturnisme, particulièrement grave chez l’enfant, le cadmium détruit les reins et dégrade le foie, et le mercure est un puissant neurotoxique. L'aluminium, plus commun est considéré comme neuro-toxique^[20] ; il est cependant largement utilisé comme composant alimentaire, cosmétique, et comme adjuvant dans certains vaccins.

Inversement, d'autres métaux sont nécessaires (oligo-éléments), et d'autres encore semblent, au moins sous forme métallique (ce n'est pas le cas sous forme ionique) sans effets sur l'organisme ; ces derniers sont considérés comme « bio-compatibles » et utilisés en chirurgie ou dentisterie, comme le titane et l’or, ou des métaux communs comme le fer, ne peuvent être mis sur le même plan que le mercure, le plomb et le cadmium. D’autres métaux peuvent être très toxiques sous certaines formes (chrome VI, cuivre oxydé (vert de gris)…).

L’utilisation de certains ETM est donc strictement réglementée, voire interdite dans certaines applications. Le rejet dans l’environnement en fin d’utilisation doit être évité, et ces métaux recyclés.

Dans l'étude de la santé, en complément du tradditionnel bilan sanguin ou des analyses d'urine, il a été récemment proposé par des praticiens hospitaliers de considérer le profil métallique des individus^[21].

Les amalgames dentaires (dits « plombages ») et qui sont fortement utilisés dans les pays francophones et anglo-saxons font aujourd'hui l'objet d'une polémique car ils contiennent certains métaux lourds toxiques précités : mercure, mais aussi argent et étain. Certains pays comme la Suède, l'Allemagne, le Danemark, le Japon, la Russie et la Norvège en limitent l'utilisation et l'ont tout simplement interdit en ce qui concerne les trois derniers. En France et en Belgique, il a été considéré que les preuves de leur toxicité étaient trop peu nombreuses pour en déduire une nocivité non compensée par les avantages du mercure.

Les thermomètres au mercure ont été interdits à la vente dans l'Union européenne.

Les piles au mercure sont interdites en Europe (directive 98/101/CE) depuis décembre 1998 pour des problèmes environnementaux.

Inégalités génétiques et selon l'âge

Les jeunes enfants absorbent comparativement beaucoup plus les métaux lourds et les ETM ingérés que les adultes.

• De manière générale, le fœtus et l'embryon, puis les nourrissons, puis les enfants sont beaucoup plus sensibles et plus exposés aux ETM que les adultes. Ils les absorbent beaucoup plus que les adultes, tant par ingestion, que par inhalation ou passage percutané^[22].
• Une hypothèse de l'inégalité des personnes face aux intoxications par éléments-traces métalliques ou métaux lourds, à confirmer, serait que les individus y seraient naturellement plus ou moins vulnérables. Mais s'il semble que le mercure soit en cause dans de nombreux cas de maladie d'Alzheimer, ce n'est pas nécessairement parce que les prédispositions génétiques induisent directement la maladie, mais plutôt parce qu'elles la favorisent indirectement, par exemple chez ceux qui ne disposent pas des gènes permettant à l'organisme de détoxiquer au mieux le cerveau du mercure et du plomb qui ont pu le contaminer de manière chronique au cours de la vie, ou à l'occasion d'une exposition accidentelle à ces toxiques^[23].

Étiologie

Hormis des maladies telles que le saturnisme, la myofasciite à macrophages, l'hydrargyrie ou maladie Itai-itai directement induites par un seul métal, les pathologies induites par les métaux sont probablement le plus souvent multifactorielles, plusieurs métaux pouvant agir en synergie (positive ou négative) et pouvant aussi interagir avec d'autres toxiques ou substances naturellement chélatrices ou protectrices.

Des facteurs environnementaux semblent en cause dans un certain nombre de cas de maladies neurodégénératives. Certains métaux lourds toxiques et neurotoxiques, comptent parmi les premiers suspects.

Le mercure et le plomb, en particulier, pourraient agir en synergie pour inhiber ou tuer des cellules nerveuses. Certains pesticides sont également suspectés de pouvoir aussi agir en synergie avec des métaux.

Monnet-Tschudi et son équipe ont en 2006 publié une longue liste de preuves de responsabilité des métaux lourds, en tant qu'initiateurs de maladies neurodégénératives ou en tant que les aggravant^[24].

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

• (en) Du Laing, G., Rinklebe, J., Vandecasteele, B., Meers, E., Tack, F.M.G., 2009. Trace metal behaviour in estuarine and riverine floodplain soils and sediments: a review. Sci. Total Environ. 407, 3972–3985
• (en) García-Sánchez, A., Alastuey, A., Querol, X., (1999) Heavy metal adsorption by different minerals: application to the remediation of polluted soils. Science of the total environment, 242, 179-188
• (fr) Imyim A. (2000) Méthodologie d’évaluation environmentale des déchets stabilise par liants hydrauliques. Thèse de doctorat de l’Université de Lyon, 181 pages
• Nriagu, J. O. (1979). Global inventory of natural and anthropogenic emissions of trace metals to the atmosphere (résumé)

Liens externes

• Exposition de la population française aux substances chimiques de l’environnement sur le site de l’Institut de veille sanitaire (InVS) :
  • Tome 1 - Présentation générale de l'étude - Métaux et métalloïdes (14 mars 2011)
  • Tome 2 - Polychlorobiphényles (PCB-NDL) / Pesticides (29 avril 2013)

Notes et références

• Règlement(CE) N° 1881/2006 de la Commission européenne (19 décembre 2006) fixant les teneurs maximales pour certains contaminants dans les denrées alimentaires.

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