TOXICOLOGIE 6014

Cours métaux traces

Yves CouillardAutomne 2006

Définitions• Eléments ductiles, éclat lustré, conducteurs

d’électricité et de chaleur

• Métaux traces: 0.01% org. vivants: 100 ppm0.1% croûte terrestre: 1000 ppmAl, Fe, Mn, Na, Mg, Ca, K n’en sont pas

• ‘Métal lourd réfère à la densité: > 5 g/cm3.

• Autres catégories: précieux, de base, ferreux, non-ferreux, léger, (lourd), métalloïdes, Terres Rares

Concentrations des métaux dans la lithosphère> 1000 ppm:

10-1000 ppm:

1-10 ppm:

< 1 ppm: sans couleur

Métaux natifsCuivre

Or

Plomb

Platine

Argent

GISEMENTS de SULFURES MASSIFSChalcopyrite (CuFeS2)

Sphalerite (Zn,Fe)S

Galene(PbS)

MINERAUX de FER

Arsenopyrite(FeAsS)

Pyrite (FeS2)

Pyrrhotite (Fe1-xS)x = 0 à 0.2

Hématite (Fe2O3)

Métaux particuliers extraits au Québec

Pyrochlore(Ca, Na)2Nb2O6(O, OH, F)

Ilmenite FeTiO3

SpodumèneLiAlSi2 O6

Diamant (?)

Un retour sur les liaisons chimiquesélectrons de valence

Liaison covalentepolaire et non polaire

Liaison covalentepolaire

Liaison ionique

Le facteur-clé = électronégativitéGuide des valeurs = Tableau périodique

Valeur > 1.7: caractère ioniqueValeur < 0.7: caractère covalent non polaire

UN CONTINUUM ENTRE LIAISONS COVALENTE ET IONIQUELIAISON PUREMENT IONIQUE

LIAISON COVALENTE POLAIRE

LIAISON PUREMENT COVALENTE

Classification des ions métalliques

Classification Caractéristiques Type de liaison générale

Accepteurs e-

typiques Donneurs e-

typiques Accepteur ‘dur’ (groupe A)

• faible mobilité (polarisabilité) des e- dans la couche électronique externe

• faible capacité d’attraction des e- (électronégativité)

• densité de charge positive élevée (i.e., état d’oxydation élevée et faible rayon ionique)

Ionique i.e., partage très inégal des e- de liaison force de liaison ∝ charge ionique ∝ 1/rayon ionique

H+, Na+, K+ Mg2+, Ca2+, Li+ Be2+, Cr2+, Cr 3+

Al3+, Fe3+, SO3, BF3

F-, O2-, OH-, H2O, CO3

2-, SO4

2-, PO43-,

NO3-, ClO4

- NH3

Accepteur ‘mou’ (groupe B)

• haute polarisabilité des électrons-d • électronégativité plus élevée • densité de charge positive faible

Covalente 100% de covalence = partage égal des e- de liaison e.g., dans H2, F2, O2, C-C

Ag+, Au+, Tl+ Cu+, Hg+, Hg2+ Pd2+, Pt2+ CH3Hg+, BH3

SH-, S2-, S-, CN-, RS-, SCN- R2S,CO, C6H6 I-, H- R = radical aryl, alkyl ou phényl

Caractère intermédiaire

• Intermédiaires Caractère mixte ionique-covalent

Cu2+, Zn2+, Pb2+ Ni2+,Co2+, Mn2+

Fe2+, Cd2+ SO2, BBr3

Br-, NO2-, SO32-

Cl-, N3-, N2

C6H5N

Adapté de Ahrland (1968), Nieboer et Richardson (1980), Förstner et Wittman (1983) et Shriver et Atkins (2003)

Les métaux d’importance écotoxicologiquepeuvent être identifiés en tenant compte de 3 critères:

1. Métaux dont les concentrations sontinfluencées par les activitésanthropiques

2. La toxicité inhérente et le potentiel de bioaccumulation

3. La mobilité géochimique

Critère 1 Estimations des émissionsanthropogéniques globales de métaux traces et decelles de sources naturelles pour le milieu de ladécennie 1990 (adapté de Pacyna et Pacyna 2001)

Métal Emissionsanthropiques

EmissionsnaturellesValeurs médianes

Rapportsanthropique/naturelle

103 tonnes/annéeAs 5.0 12.0 0.42Cd 3.0 1.3 2.3Cr 14.7 44.0 0.33Cu 25.9 28.0 0.93Hg 2.2 2.5 0.88Mn 11.0 317.0 0.03Mo 2.6 3.0 0.87Ni 95.3 30.0 3.2Pb 119.3 12.0 9.9Sb 1.6 2.4 0.67Se 4.6 9.3 0.49V 240.0 28.0 8.6Zn 57.0 45.0 1.3

FuelsNon-FerrousSteelCementMunicipal Waste Cd emissions, tonnes/year

453

362482

172

52

1463

Critère 2: Toxicité inhérenteAccepteursd’e- durs(groupe A)

Macro-élémentsNa, K, Ca,Mg, Fe

Non toxiques à moins d’êtreconcentrés au point deperturber l’ionorégulation

Accepteursd’e- mous(groupe B)

ElémentsnonessentielsHg, Ag, Cu+,(Cd)

Très toxiques, formeront descomplexes stables avec lesgroupements -SH et -S-S-qui sont cruciaux pourl’intégrité des protéines,enzymes, etc.Peuvent déplacer desmétaux co-facteurs.

Métauxintermé-diaires

Micro-élémentsessentielsZn, Cu, Co,Ni

Toxicité intermédiaire;peuvent déplacer des co-facteurs appartenant augroupe A.

Critère 2 Toxicité inhérente

Métal Réf. Pb Cd Hg Ag Ni Cu Zn LC50 Biesinger et

Christensen (1972) -- 65 5 -- 510 9.8 100

(µg L-1) Borgmann et al. (2005)

116 7.64 10 1.18 79 139 407

Conditions de test Biesinger et Christensen (1972) Borgmann et al. (2005) Type d’organisme Microcrustacé Daphnia magna Crustacé Hyalella azteca Stade Juvéniles Juvéniles Type d’eau Lac Supérieur Lac Ontario Eau du robinet déchlorée Type et durée du test Statique; 48 h exposition Statique; 7 jours d’exposition Nourri Non Oui Réf. J. Fish. Res. Board Can. Environ. Toxicol. Chem. 29: 1691-1700 24(3)

Critère 3: Mobilité géochimique

Mobilité relative Milieu aqueux oxygéné (pH 5-8)

Très mobile S, Cl, Br, I, B, Mo, Se, Te, Cr(VI)

Modérément mobile

As, Ca, Mg, Na, Li, F, Sr, Zn, U, V, Re

Un peu mobile Si, K, Mn, P, Ba, Rb, Pb, Ni, Cu, Co, Cd, Tl, Ra, Be, Hg, Ag

Très peu mobile Fe, Al, Ga, Cr(III), Ti, Zr, Hf, Y, Nb, Ta, Th, Sn, Au, Pt, Bi, Cs, Terres rares

D’: Degré de facilité avec lequel un élément peutmigrer dans un environnement donné.

Déterminants clés: pH, Eh

Source: Rose, Hawkes et Webb, 1979; Nriagu et Nieboer, 1988

Métaux de plus grandeimportance écotoxicologique

Ag, As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, ZnCas de l’Al

Convention des Nations Unies ‘LRTAP’ (1973)‘Heavy Metals Protocol’ (entré récemment en application)

Cibles: Cd, Hg, Pb

Selon les critères précédents:

Question

Quels seraient les autres métaux qui vous semblent poser un risque pour

l’environnement?

Certains métaux à surveiller:Se, Tl, V, Pt, Pd, Rh

Spéciation des métaux dans l’environnement

Spéciation: Répartition d’un métal parmi sesdifférentes formes physiques et chimiques.

Réactions chimiques en milieu aqueux

a. Acide/base, ex. dissociation du carbonateHCO3

- ⇔ H+ + CO32-

b. Complexation, ex. réaction de Fe3+ avec OH-

Fe3+ + OH- ⇔ FeOH2+

c. Précipitation/dissolution, ex. dissolution de la calciteCaCO3 (s) ⇔ CO3

2- + Ca2+

d. Rédox, ex. réduction de l’oxygèneO2 + 4 e- + 4 H+ ⇔ 2 H2O

e. Adsorption, ex. adsorption de Pb2+ sur une surfacegénérique

≡S + Pb2+ ⇔ ≡S-Pb

Spéciation chimique des métaux en solution(H2O)n-1 M -OHhydroxo-complexes

B

M -Xcomplexes inorganiquesX = Cl -, F -, SO4

2-,

HCO3-, CO3

2-

C

M (H2O)z+

aquo ionA

D

M - Lcomplexes organiques(ligands monomères)L = acide aminé acide polycarboxylique

Esubstances humiques; acides fulviques ethumiques (hétéropolymères)

M

Schéma

général

Structure typique d’une substance humique naturelle

Schulten & Schnitzer (1997)

Exemples d’espèces métalliques en solutiona. Ion métallique libre Mz+(H2O)n

b. Hydroxo-complexes AlOH2+, Al(OH)2

+, Al(OH)4-

FeOH2+, Fe(OH)2+, Fe(OH)4

- Hg(OH)2

0, Cu(OH)20, Pb(OH)+

c. Oxo-anions AsO4

3-, CrO42-, MoO4

2-, SeO42-,

HVO42-

d. Complexes simples AlF2+, AlF2

+, inorganiques CdCl+, CdCl20 HgCl2, CuCO3

0, CdSO40

e. Complexes simples organiques CH3Hg+ f. Complexes polymères Al, Fe, Cu, Pb ou Hg - organiques acide fulvique ou humique

Formes de métaux dans les sédiments

• dissoutes dans les eaux interstitielles• adsorbées (argiles, acides humiques,

oxydes)• carbonates (minéraux et co-précipités)• adsorbées sur oxyhydroxydes de Fe et Mn

(complexation de surface)• associées avec matière organique

(vivante, détritique)• sulfures métalliques• dans des matrices cristallines

phases importantes

Eléments-clés - comportement dansl’environnement

Métaux d’importanceenvironnementale - 3 critères

1. Métaux dont les concentrations sontinfluencées par les activitésanthropiques2. La toxicité inhérente et le potentiel de bioaccumulation3. La mobilité géochimique

Spéciationenvironnementale - unecaractéristiqueimportante des métaux.

Spéciation: Répartition d’un métal parmi ses différentesformes physiques et chimiques.

Biodisponibilité

Fraction de la concentration totale d’un contaminant dans le milieu externe qui se trouve disponible pour la bioaccumulation.

Varie en fonction de l’environnement et de l’espèce considérée…

Voies d’entrée membranaires

Facilité

Passif

Facilité

Les imitateurs d’ions essentiels

L’ion arsénate imite parfaitement l’ion phosphate et inhibe la synthèse de l’ATP dans la phosphorylation oxydative.

Les anions

Les cations

Intéractions métal-organisme

Solution ambianteMembrane

plasmique

Intérieurde la

cellule

Couche demucus oumembranecellulaire

Couche dediffusion

MLML

KK11

MMZ+Z+

MLML

MMZ+Z+

MLML

KK11

MMZ+Z+

X-M

KK22

KK33

+

+

+

+

+

+

+

-

-

PS

PS

PE

PE

++

-

-

-

-

+

-

-

-

-

-

-

+

LLz-z-

Modèle du ligand biotiqueMembrane plasmique= site principal d’intéractions avec les métauxFormation d’un complexe de surface{M-X-membrane}Equilibre rapide entrela surface biologiqueet la solutionRéponse ∝{M-X-membrane}

Transport facilité de M (‘carrier-mediated)

M

Mz+ + L ↔ML

L

X-M ML

Etude en milieu naturel (BLM)

QUÉBEC

CANADA

QUÉBEC

CANADA

Destor L. (DE)Petit Dufresnoy L. (DF)

D’Alembert (DA)

Duprat L. (DP)

Flavrian L. (FL)

Savard L. (SA)

Cléricy L. (CL)

Héva L. (HE)

Bousquet L. (BO)

Joannès L. (JO)

Vaudray L. (VA)

Caron L. (CA)

Kinojévis R.

HornesmelterRouyn-

Noranda

Hélène L. (HL)

Adéline L. (AD)Waza L. (WA)

Dasserat L. (DS)

Renaud L.(RE)

Ollier L. (OL)

Evain L. (EV)

Baie del’Orignal

Opasatica L. (OP)

Dufay L. (DU)

Beauchastel L. (BC)

Bruyère L. (BR)Bouzan L (BZ)

Moore L (MO)

Km0 20

79 00’

79 00’

48 00’48 00’

48 30’QUÉBEC

CANADA

Destor L. (DE)Petit Dufresnoy L. (DF)

D’Alembert (DA)

Duprat L. (DP)

Flavrian L. (FL)

Savard L. (SA)

Cléricy L. (CL)

Héva L. (HE)

Bousquet L. (BO)

Joannès L. (JO)

Vaudray L. (VA)

Caron L. (CA)

Kinojévis R.

HornesmelterRouyn-

Noranda

Hélène L. (HL)

Adéline L. (AD)Waza L. (WA)

Dasserat L. (DS)

Renaud L.(RE)

Ollier L. (OL)

Evain L. (EV)

Baie del’Orignal

Opasatica L. (OP)

Dufay L. (DU)

Beauchastel L. (BC)

Bruyère L. (BR)Bouzan L (BZ)

Moore L (MO)

Km0 20

79 00’

79 00’

48 00’48 00’

48 30’QUÉBEC

CANADA

Eau au-dessus des sédiments

• Bioaccumulation (Cd)• Chaoborus (zooplancton) récoltés dans 21

lacs• Test du BLM en milieu naturel

Croteau et al. (1998), Environ. Sci. Technol. 32: 1348-53.

[Cd] sédiment (nmol/g)

0 40 80 120 160

0

4

8

12

16r2=0.04

[Cd]

Cha

obor

us

(ug/

g)

Cd total dans le sédiment - prédicteur médiocre

[Cd2+] (nM) 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0

4

8

12

16r2=0.13 pH>5

pH<5

[Cd]

Cha

obor

us

(µg

/g)

Cd2+ libre- bon prédicteur, excepté à bas pH

[Cd2+] / ([H+]+Ka)0.0000 0.0002 0.0004 0.0006

[Cd]

Cha

obor

us

(µg/g

)

0

4

8

12

16r2=0.86

pH>5pH<5

Meilleure prédiction: Cd2+ libre, plus compétition par H+

COMPETITION : H+ vs. Cd2+

Cd

X H+

Ca2+

Cd2+

Modèle du ligand biotique

Ca2+

H+

Cations compétiteurs

M-DOC

Complexation par laMOD

MZ+

Ion libre

M-LigandBiotique

Site d’action

MOH-

MHCO3-

MCl-

Voies possibles de prise en charge d’un métal par un organisme aquatique

Importance relative de l’eau et de la nourriture pour un insecte benthique

Larve prédatrice

Sialis velata

(mégaloptère)

(Roy and Hare 1999)

Cd accumulé>> rapidement à partir de la proie (larve de chironomide)

Taux d’accumulation directement proportionnel au Cd dans la proie

Eléments-clés - biodisponibilitéMODÈLE du LIGAND BIOTIQUE

• Membrane plasmique = site

principal d’intéractions entre les métaux et les organismes vivants.

• Réponse ∝ {M-Xcellule} • Variations de {M-Xcellule} ∝ [Mz+]

en solution. • Variations de {M-Xcellule} varient

aussi en fonction de [H+], [Ca2+] • Applicable pour expositions

chroniques ou aigüe • Testé au laboratoire et sur le terrain • Testé avec de nombreux métaux.

Biodisponibilité: notion difficile à définir

Nombreuses voies d’entréepeu étudiées.

D’: Fraction de la concentration totale d’un contaminant dans le milieu externe qui se trouvedisponible pour la bioaccumulation.

TOXICOLOGIE

Courbes dose-réponsetypiques pour

(i) un macro-élémenttypique (MA)

(ii) un micro-élémentnutritif (MI)

(iii) un élémenttoxique non-essentiel(NE)

Source: Wright et Welbourn (2002)

MA

MI

NE

Trois classes de ligands sur la base de leur action physiologique

• Type LE: effet bénéfique une fois le métal lié

• Type LT: effet négatif (liaison inappropriée)

• Type LI: ligand physiologiquementinerte

Source: Mason et Jenkins (1995)

Exemple de Type LE

La molécule de chlorophylle ‘a’et son atômede Mg

Exemple de Type LE

Le complexe(protéique) hémoglobine et son atôme de Fe(II)

Exemple de Type LE

La moléculed’hémocyanineet ses atômesde Cu

Questions

• Combien d’éléments entrent dans la composition du corps humain?

• De combien de métaux a-t-on besoin?

Types LT (liaison inappropriée)• bloquage de groupements fonctionnels de

biomolécules• déplacement des métaux essentiels de leurs sites

chez les biomolécules• modification de la conformation (et donc

l’activité) des biomolécules

Types LI• réservoirs d’entreposage ou de stockage du

métal (ex.: métallothionéine)

Métallothionéine (LI)

α domain

Cluster Aβ domain

Cluster B

M7-MTtetrahedralmetal

sulfur

Fonctions

• Régulation de la disponibilité des métaux essentiels Cu et Zn

• Détoxification des métaux traces non essentiels

Etude dans les lacs de Rouyn-Noranda

Bivalve P.grandis

Présence de Cd cellulaire lié non spécifiquement quelque soit l’expositionDétoxication imparfaite

Source: Giguère et al. (2003)

Phytochélatine (LI)

Peptide de détoxication des plantes

Granules et concrétions (LI)

Résumé - modèle écotoxicologique

Modèle écotoxicologique - explicationsSpéciation: La spéciation d'un métal dissous dépend de la composition de la solution aqueuse dans laquelle il se trouve (pH; potentiel rédox; concentrations des divers ligands) et de son affinité pour les ligands disponibles. A cause de la variabilité inévitable de la composition des eaux naturelles, la spéciation chimique d'un métal varie d'un milieu à un autre; cependant, malgré cette variabilité inhérente, les propriétés intrinsèques du cation métallique s'avèrent encore plus importantes dans la détermination de la spéciation d'un métal et les mêmes tendances générales se manifestent dans divers milieux (ex. : proportion du métal présente comme l'ion libre plus importante dans les cas de Cd et deZn que pour le Cu ou le Pb).

Surface cellulaire: A quelques exceptions près, les métaux cationiques et leur complexes ne peuvent traverser des membranes biologiques par simple diffusion; la prise en charge («uptake») des métaux fait plutôt appel au transport facilité, impliquant des transporteurs protéiques intégrés dans la membrane.

Transport membranaire; Les transporteurs impliqués dans le transfert trans-membranaire des cations répondent à la concentration de l'ion métallique libre dans la solution externe, [Mz+]. Le modèle du ligand biotique (BLM), qui tient compte de cette dépendance, a démontré une utilité indéniable dans la prédiction de la bioaccumulation de plusieurs métaux cationiques et de leurs effets associés (surtout pour les organismes aquatiques qui obtiennent leurs métaux principalement par la voie aqueuse). Il faut cependant noter que la grande majorité des expériences qui appuient le BLM ont étéréalisées au laboratoire, dans des milieux sans matière organique naturelle; l'applicabilitédu modèle gagnerait à être évaluée en milieu naturel et pour diverses combinaisons métal-organisme.

Modèle écotoxicologique - explicationsIntérieur de la cellule:

• Une fois accumulé, un métal donné peut normalement réagir avec une variété de ligands intracellulaires, et donc provoquer une diversité d'effets. De même, un ligand intracellulaire donné peut normalement accepter différents métaux (i.e., sélectivitéimparfaite) et donc un effet donné peut être induit par plus d'un métal. Il s'ensuit qu'aucune cible intracellulaire ne serait entièrement spécifique à un seul métal, et aucun métal ne s'avérerait entièrement spécifique à une seule cible.

• Plusieurs organismes ont développé des mécanismes efficaces pour contrôler leurs concentrations internes de métaux essentiels et pour maintenir celles-ci dans des gammes relativement restreintes (contrôle homéostatique). Ces mécanismes de contrôle homéostatique peuvent également jouer un rôle dans la détoxication de métaux non-essentiels (ex. : cadmium (Cd), plomb (Pb), ou mercure (Hg)).

• Dans certains cas l'organisme contrôle la concentration intracellulaire totale du métal, en empêchant son entrée dans la cellule ou en accélérant sa sortie (cas des organismes «régulateurs», qui contrôlent leurs teneurs intracellulaires du métal àl'intérieur d'une gamme étroite); dans d'autres cas, l'organisme synthétise des ligands d'affinité appropriée, qui permettent de séquestrer le métal dans le milieu intracellulaire et de le rendre non-disponible (cas des organismes «accumulateurs», dont les teneurs intracellulaires en métal sont généralement élevées et varient en fonction de l'exposition).

• Plusieurs organismes accroissent leurs concentrations internes de métallothionéinepour se protéger des métaux en excès dans leur milieu environnant. Ce faisant, ils

deviennent plus tolérants à des expositions métalliques subséquentes.