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courriel: courriel: sebastien.sauve@umontreal.casebastien.sauve@umontreal.ca

Chimie de Chimie de l’environnementl’environnement

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AperçuAperçu Pluridisciplinarité Multimédia

• Sols, eaux de surfaces, eaux souterraines, air

Biodisponibilité

• Spéciation chimique, exposition

Évaluation environnementale Réhabilitation de sites

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PluridisciplinaritéPluridisciplinarité Combinaison de plusieurs disciplines

permettent l’analyse environnementale

Toxicologie

Biologie

Chimie

Hydrologie

Médicine

Droit – aspects légaux

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Problèmes de santé humaineProblèmes de santé humaine(dans (dans Erin BrockovichErin Brockovich))

Migraines chroniques

Saignements de nez

Maladies respiratoires

Déficiences cardiaques

Atteintes au foie

Détérioration des os et des organes

Maladie de Crohns

Maladie d’Hodgkin

Altération d’ADN

Kystes aux seins

Déficiences immunitaires

Détérioration de la colonne vertébrale

Cancers et leucémie

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Critères de qualité Critères de qualité environnementaleenvironnementale

Pourquoi?

Pour protéger:

• Santé humaine

• Qualité de l’environnement

• Pérennité de l’agriculture

• Diversité biologique

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Critères de qualitéCritères de qualité Éléments traces habituellement mesurés

sous leur concentration environnementale totale (digestion dans l’acide ou extraction avec un solvant pour les produits organiques)

Habituellement rapportés en ppm (parties par million). Unités plus significative sous leur forme SI: mg métal / kg de sol sec, ou mg métal / L (pour les solutions).

Une comparaison avec les niveaux dits normaux permet d’identifier les sites contaminés.

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Métaux/OrganiquesMétaux/Organiques

Contaminants organiques anthropiques

• Aucun dans les environnements vierges

• Biodégradabilité variable

• La majorité sont hydrophobe et lipophile

• Volatilité variable

• Aucuns ne sont des éléments nutritifs essentiels

Éléments traces

• Concentrations naturelles varient énormément

• Jamais biodégradé

• Rarement lipophile (sauf le méthyle mercure)

• Rarement volatil (Sauf encore MeHg)

• Certains sont des éléments nutritifs essentiels

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Éléments essentielsÉléments essentiels

Lee and Allen. 1998. Hum. Ecol. Risk Asess. 4:605-617.

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Teneurs de fondTeneurs de fond

Les teneurs de fond varient énormément

Dépendent de la géochimie et de la minéralogie des matériaux d’origine

Histoire du site et de l’environnement autour

Par exemple: Californie, plaines, Royaume-Uni, formation géologique particulière

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ToxicitéToxicité Indépendante des teneurs de fond Si une concentration “naturelle” est

élevée, cette concentration au bruit de fond pourrait s’avérer toxique

Des concentrations de sources anthropiques qui dépassent les niveaux usuels pourraient ne pas représenter de risque environnemental

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Toxicité Toxicité

Chaudri et al. 1999. Environmental Science and Technology 33:1180.

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Accumulation par les plantesAccumulation par les plantes

y = 0.2296x - 0.0094R2 = 0.8165

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Soil Cd (mg/kg)

Rad

ish

Tu

be

r (m

g C

d/k

g)

Lorenz et al. 1997. Plant and Soil 1997 189:21.

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0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Cu Ni Pb Zn

Con

cent

ratio

n (m

g/kg

dry

soil)

Teneur de fondAgricoleRésidentielIndustriel

Critères (CCME)Critères (CCME)

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0

10

20

30

40

50

60

As Cd Hg Se

Con

cent

ratio

n (m

g/kg

dry

soi

l)

Teneur de fondAgricoleRésidentielIndustriel

Critères (CCME)Critères (CCME)

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Boues d’épurationBoues d’épuration

Biosolides

Marge étroite

Soucis:

• Santé humaine (qualité des produits alimentaires)

• Pérennité agricole

Éléments Traces

Critères de qualité des

sols

Concentrations maximales

permises dans les biosolides (Québec)

As 20 75

Cd 3 10

Co 40 150

Cr 750 1060

Cu 150 757

Hg 0.8 5

Mo 5 20

Ni 150 180

Pb 375 500

Se 2 14

Zn 600 1850

(mg/kg matériau sec)

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BiodisponibilitéBiodisponibilité

biodisponibilité: étymologie provient de disponibilité biologique

Signifie simplement disponible pour les organismes biologiques

Peut faire référence à une ingestion ou une prise en charge d’une substance

Peut aussi faire référence à des effets biologiques avec ou sans prise en charge par l’organisme

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Routes d’expositionRoutes d’exposition

Suter 1993. Ecological Risk Assessment, Lewis Pub. Chelsea, MI, USA.

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Modèle d’exposition Modèle d’exposition multimédiamultimédia

CalTOX, User’s Guide. 1994. University of California, Davis, CA.

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PhytodisponibilitéPhytodisponibilitéDéposition Atmosphérique

Diffusion Gazeuse

Captation racinaire

AdsorptionDéplacement

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FractionnementFractionnement

TotalLié à la matière organiqueMétal libre

Complexes Cl

Complexes SO4

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Spéciation et FractionnementSpéciation et Fractionnement

 

Adsorption en surface/

Solubilité

Oxydes (Fe, Mn)

Matière organique

Sulfures

Argiles

Surfaces mixtes

Fractionnement de la phase solide

Carbonates

Ligands Inorganiques

Spéciation chimique en solution

Activité du metal libre en

solution

Complexation

Métaux associés aux ions

inorganiques

Métaux associés à la matière organique

dissoute

Matière organique dissoute

Matière organique solide

pH

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7.58.08.59.09.5

Free Metal (pCu 2+)

0

20

40

60

80

100

% S

urv

iva

l

B0 1 2 3 4 5

Total Dissolved Cu (µM)

0

20

40

60

80

100

% S

urv

iva

l

A

Spéciation chimiqueSpéciation chimique

Adapté de: Ma et al. 1999. Environ. Toxicol. Chem. 18, 828-837.

Survie de Ceriodaphnia dubia

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Le pH des solsLe pH des sols Mesuré dans une boue (0.01 M CaCl2)

Facteur déterminant pour:

• Solubilité de divers contaminants

• Solubilité de la matière organique (solide et dissoute)

• Sorption sur diverses surfaces des sols

• Spéciation chimique et la biodisponibilité

Chaque espèce biologique est habituée à son propre éventail de pH

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pHpH

From: Brady N.C. et Weil R.R., «The Nature and

Properties of Soils» 1999, Prentice Hall, New Jersey,

Figure 9.1 page 345

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Le pH et la solubilité des Le pH et la solubilité des métauxmétaux

From: McBride M.B., «Environmental Chemistry of Soils» 1994, Oxford University Press, New York, Figure 4.14 page

159

40 mg/L

0.02 mg/L

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Fractionnement solide-liquideFractionnement solide-liquide

• Présume un ratio unique et constant entre la phase solide et liquide:

• Métal total est en mg/kg sol sec dry et le métal dissout est enin mg/L, donc les Kd sont habituellement rapportés an L/kg

• Sensible à la méthode de détermination, au ratio solide:liquide, à la méthode d’extraction, à la durée de l’extraction et à la filtration

dissoutMétaltotalMétal

Kd

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Effets du pHEffets du pH Pour une compilation de données

publiées, de 29 à 58 % de la variance dépend du pH

Soil Solution pH

2 4 6 8 10

Soil Solution pH

2 4 6 8 10

Soil Solution pH

2 4 6 8 10

Soil Solution pH

2 4 6 8 10

Soil Solution pH

2 4 6 8 10

Kd(L

kg-1

)

10-1100101102103104105106107

Cd Cu Ni

Pb

Zn

Sauvé et al. 2000. Environ. Sci. Technol. 34:1125-1131.

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Chrome (Cr)Chrome (Cr) Le métabolisme du glucose et de l’insuline requiert du Cr

La diète Nord américaine déborde d’hydrates de carbone ce qui surcharge le système d’insuline et vide les réserves corporelles de Cr

Adulte humain a besoin de 200 µg Cr/jour

En Amérique du Nord, 90% de la population en est déficiente et des suppléments vitaminiques de Cr seraient bénéfiques

Le chrome aide à augmenter la masse musculaire et interagit avec le système thyroïdien pour brûler les graisses

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Espèces chimiques du Espèces chimiques du ChromeChrome

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ChromeChrome

Cr(III) trivalent

Forme réduite

(Cr3+, CrO2-)

Vert

Élément nutritif essentiel

Cr(VI) hexavalent

Forme oxydée (chromate)

(Cr2O72-, CrO4

2-)

Orangé

Très toxique

Cancérogène

Tératogène

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Emplois en environnementEmplois en environnement

Services d’analyses chimiques Consultants en environnement

Analyse d’impact

Analyse de risque

Ministères et organismes gouvernementaux

Grandes compagnies Gestion des déchets

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Réhabilitation de sitesRéhabilitation de sites

Excavation - enfouissement Méthode concrète : réduire le niveau

“total” de contaminants sous le critère de qualité

Rendre les contaminants non-réactifs e non-biodisponible (stabilisation in situ)

Mesures de mitigation (revégétation de sites)

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Réhabilitation de sites Réhabilitation de sites contaminéscontaminés

Contaminants organiques

“Vieillissement” de la contamination

• Spéciation/fractionnement

Biodégradabilité variable

Aide la biodégradation

Ils sont transformés en produits de toxicité variable (e.g. BPC)

Contaminants métalliques

“Vieillissement” de la contamination

• Spéciation/fractionnement

Non-biodégradable

• Enlèvement ou dispersement

• Lixiviation

Biodisponibilité post-traitement

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BiorémédiationBiorémédiation

Biodégradation

Introduire des super-microbes pour décontaminer certains polluants organiques (pas nécessairement OGM)

Favoriser les conditions pour les microbes indigènes

• Aération, pompage d’air et d’eau

• Fertilisation

• Modifications chimiques

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RémédiationRémédiation

In situ Excavation – Traitement en pile In situ Excavation – Traitement en usine

Traitement continu

Par lot

Stabilisation, vitrification, capsulage

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Réduction de masseRéduction de masse

Boue Séparation magnétique (recyclage de

métaux) Fractionnement particulaire

Sable, gravelle, matière organique

Fractions fines sont traitées pour extraction et recouvrement

L’eau est enlevé et les sols sont traités et analysés

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RémédiationRémédiation

Organiques

Traitement thermique

Bio-ventilation

Lavage

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Contaminants métalliquesContaminants métalliques

Extraction/ recouvrement Lavement de sols

Acides

Agents chélateurs (e.g. EDTA)

Récupérer les métaux et l’agent extractif Reconstruction du sol et réutilisation,

i.e., vérifier la capacité à supporter les organismes biologiques

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PhytorémédiationPhytorémédiation

Organiques

Améliorer les conditions physicochimiques pour la biodégradation par les microbes

Récolte et élimination

Hyperaccumulateurs vs espèces à hauts rendements

Chélateurs/traitement à l’EDTA (lixiviation)