Begrebet metalliske sporelementer eller ETM har en tendens til at erstatte det for tungmetaller, der er dårligt defineret, fordi inkludering af giftige metaller, der virkelig er tunge for andre (metalloider), er mindre. Alle ETM'er er giftige eller giftige ud over en bestemt tærskel, og nogle er radioaktive ( radionuklider ). Deres miljøkoncentrationer (vand, luft, jord, organismer) skyldes menneskeskabte (industri, transport osv.) Og naturlige input (vulkanisme og ændring af primære mineraler); udsendes i miljøet, fordeles de der i jordprofiler via pedogenese og bioturbation og i økosystemer via fænomenerne bioassimilation og biokoncentration. De teoretiske formodede naturlige koncentrationer af ETM kaldes " geokemisk baggrund ".
Afhængigt af elementerne og forbindelse ( surhed af miljøet, synergier mellem ETM eller mellem ETM og andre forurenende stoffer, kemisk artsdannelse , etc. ), er de mere eller mindre bioassimilable og kan biokoncentreres af fødekæden. Dette er grunden til, at nogle er underlagt overvågning (regulerende eller frivillig) i vand, luft (forbundet med aerosoler eller støv), jord, mad, spildevandsslam osv. Nye problemer udgøres af metalliske nanopartikler på grund af deres nye egenskaber (og mens nogle for nylig er blevet meget udbredt, for eksempel nanosølv ).
Nogle metaller er essentielle i lave doser ( sporstoffer ), og andre er meget giftige; det blev derfor for nylig (2010) foreslået at supplere blodprøver og klassiske sundhedstjek med en metalprofil .
Den gennemsnitlige globale normaliserede overflod af elementet i klippen af skorpen kaldes "value Clarke" ( Clarke værdi for engelsk), der for en given metal i jorden eller i sediment eller i et geologisk materiale betyder dens gennemsnitlige indhold i verden i dette substrat.
Vi henviser undertiden til denne gennemsnitlige værdi via berigelsesfaktoren (EF) for et givet kemisk element i et miljøområde for at estimere, at et niveau af et sådant eller sådant element er unormalt højt i dette rum, hvilket kan være en indikation af forurening .
Begrebet " tungmetal " er et faktisk, industrielt begreb , frem for alt empirisk , uden en præcis videnskabelig definition eller en enstemmigt anerkendt teknik.
For eksempel angav en informationsrapport til det franske senat Effekter af tungmetaller på miljø og sundhed : "Navnet tungmetaller er dog et almindeligt navn, som hverken har videnskabeligt grundlag eller juridisk anvendelse. "
Europa kom til en beslutning ved i 2000 at foreslå en definition, der gælder for europæisk og medlemsstaternes lovgivning, især inden for affald: "tungmetal" betyder "enhver forbindelse af antimon , arsen , cadmium , hexavalent krom , kobber , bly , kviksølv , nikkel , selen , tellur , thallium og tin samt disse materialer i metallisk form , forudsat at de er klassificeret som farlige stoffer " , og på en måde mere generelt er et" farligt stof "et stof som er blevet eller vil blive klassificeret som farlig ved direktiv 67/548 / EØF eller ved dets efterfølgende ændringer " .
Mange ETM'er er anvendelige i den biologiske proces: for eksempel er jern en vigtig komponent i hæmoglobin , zink , kobber og selen er væsentlige sporstoffer .
Alle metalliske sporelementer er naturligt til stede i spormængder i jorden. Menneskelig aktivitet kan have forstærket denne tilstedeværelse; Faktisk spiller mange pengeautomater en vigtig rolle i det daglige liv:
Forbrænding af faste eller flydende fossile brændstoffer (kul, olieprodukter) frigiver sandsynligvis også metaller i asken (hydrobinat), dampe og dampe. Af alle brændstoffer er træenergi i hovedstadsområdet Frankrig den største udleder af tungmetaller i atmosfæren (undtagen kviksølv og nikkel).
Tilgængeligheden og biotilgængeligheden af en ETM, der introduceres i miljøet, afhænger af mange faktorer og først og fremmest af følgende processer:
... og for det andet er andre tilgængelighedsfaktorer:
De MTE'er, der udgør de mest direkte og umiddelbare problemer for miljøet og sundheden, er dem, der er mest giftige, og som udsendes i form af ioner eller nanopartikler eller er forbundet med små aerosoler .
Når de er til stede i luften ( vejforurening , industriel forurening , forbrænding osv.), Evakueres de hovedsageligt fra det atmosfæriske rum ved vådaflejring. De findes derefter i jord, sedimenter og porevand og derefter i organismer og økosystemer, som de kan udgøre et problem for. Visse hvirvelløse dyr (f.eks. Orme) kan fikse dem takket være chelaterende molekyler ( metalloproteiner generelt) og udskiller en del af dem via deres slim eller ekskrementer ; de kan derefter bringe dem op til jordoverfladen eller sedimenterne; disse metaller eller metalloider er derefter igen biotilgængelige for bakterier, planter eller andre arter, som igen kan bioakkumulere dem .
Ligesom organiske klorier, hvortil de kan tilføje deres negative virkninger, er ETM'er, der massivt frigives af mennesker i vand, luft og jord, vigtige forurenende stoffer i økosystemer og madnettet . I modsætning til de fleste andre forurenende stoffer er de ikke biologisk nedbrydelige eller nedbrydelige.
De findes især meget koncentreret af dyr placeret i spidsen for fødekæden; aggressiv havfugle og superpredatory hvaler i særdeleshed) og følgelig undertiden i humane fødekæde .
Metalsporelementer kan også bioakkumuleres i plantevæv og inducere forstyrrelser i deres stofskifte . Som et resultat af biokoncentrationsfænomenet kan TME'er faktisk findes i planter i koncentrationer, der er større end koncentrationerne i miljøet. Bemærk, at en ophobning af ETM i en plante ikke nødvendigvis vil resultere i en ændring i plantens sundhed eller i synlige forureningssymptomer. Den toksiske virkning af disse grundstoffer varierer primært alt efter typen af metal, dets koncentration i planten, eksponeringstiden og i henhold til de berørte plantearter.
Metalsporelementer kan inducere negative effekter på plantearternes generelle sundhed ved at forstyrre flere mekanismer: absorption af jordens næringsstoffer, fotosyntese , spiring , celledeling , vækst .
ETM'er til stede i jorden i form af kationer ( fx Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) kan konkurrere med andre kationer i jorden, som normalt tjener som essentielle næringsstoffer til planten. ( F.eks: Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). Absorptionen af ETM af individets rodkompleks resulterer således i inhibering eller stimulering af absorptionen af kationer fra jorden, hvilket ændrer plantens stofskifte. For eksempel kan absorptionen af cadmium føre til en mindre assimilering af kalium (som et resultat af den konkurrencemæssige virkning) og forårsage en mangel på dette næringsstof.
Disse metaller forårsager også et fald i klorofylkoncentrationen i planten, et fald i fotosyntese efter en ændring i transporten af elektroner og en afbrydelse af enzymerne i Calvin-cyklussen ( f.eks. Afbrydelse af Rubisco , et enzym, der fikserer CO 2atmosfærisk nødvendigt for fotosyntese). Faldet i klorofylindholdet forklares med det faktum, at TME'er har den virkning at nedbryde thylakoidmembranen .
På spiringsniveau inducerer de metalliske sporstoffer et fald i spirehastigheden for plantefrø. Det blev faktisk vist, at for eksempel nikkel påvirkede aktiviteten af flere enzymer ( amylase , protease og ribonuklease ), hvilket forsinkede spiring og vækst i de forskellige undersøgte planter. Cadmium fremkalder på sin side skader på membranerne af frø ud over at reducere næringsstofreserverne i planteembryoet indeholdt i kimbladene .
Disse ETM'er forårsager også forstyrrelser i celledeling af planter. Faktisk har cadmium, kviksølv og bly (blandt andre) vist sig at have evnen til at beskadige cellekernen og hæmme DNase og RNase enzymatiske aktiviteter , hvilket i sidste ende forårsager forstyrrelse af DNA-syntese .
Afhængigt af stressniveauet forårsaget af TME kan planten muligvis se sin vækst reduceret og vise tegn på sygdom (pletter) på overfladen af bladene. Disse tegn på klorose skyldes både tab af klorofyl og jernmangel i planteorganismen. Af nekrose er også observerbar under svær beruselse.
Nogle planter har i løbet af udviklingen udviklet mekanismer for modstandsdygtighed over for tilstedeværelsen af metalliske sporstoffer i miljøet. En første plantestrategi består i simpelthen at forsinke absorptionen af metaller og derved reducere koncentrationen af giftige grundstoffer i kroppen så meget som muligt. Andre planter binder metaller i deres bladvakuoler, mens andre akkumulerer dem i trichomer (plantevækst), der er til stede i epidermis . I begge tilfælde forhindrer planterne således, at de toksiske elementer kommer i kontakt med mesofylen (indre del af bladet) og virker på stofskiftet. En anden strategi er at udfælde ETM'er eller at danne et kompleks mellem en ligand og metalkationen ( chelering ), som afgifter planten.
Ekstraktionen ved udvaskning (derefter vandbehandling) består i at oversvømme jorden med vand eller kemiske stoffer og derefter i genindvindingen af vandet, generelt efterfulgt af behandling. Forurenende stoffer kan også genvindes i skum dannet som et resultat af beluftning og egnede kemikalier.
Biologisk behandling UrteoprydningUrteoprydning ( phytoremediering ) er brugen af planter til chelater af metaller. Der er allerede flere anvendelser af planter som bio-midler.
AlgereduktionAlgerensning eller phycoremediering er brugen af alger til at rense et miljø. Alger udgør et interessant felt; især for deres kendte tolerance over for TME'er og vedvarende organiske forurenende stoffer, deres hurtige vækst, deres høje overflade / volumenforhold (hvilket muliggør en større absorberende overflade), phytochelatiner (proteiner, der chelaterer metaller og forhindrer dem i at være giftige) og deres potentiale for genetisk manipulation.
AlgeresistensTalrige undersøgelser viser, at alger er effektive bioindikatorer . For eksempel øges koncentrationen af cadmium, bly, zink i algevævet af Enteromorpha og Cladophora proportionalt med koncentrationen af metaller i vandet. Chlorophyta og Cyanophyta har høje biokoncentrations- og bioakkumuleringsfaktorer sammenlignet med andre arter. Phacophyta (brunalger) har en stærk affinitet med tungmetaller takket være sulfat- og alginatpolysacchariderne.
Nedenstående tabel repræsenterer flere alger og de metaller, som de er resistente over for.
Arter | Akkumuleret metal |
---|---|
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) |
Undersøgelser viser, at ETM's opbevaringseffektivitet i plantevæv er bedre end organismer, der overudtrykker chelaterende proteiner til tungmetaller (især phytochelatiner, nikotianamin og metallothionin).
Metal | Mekanisme til afgiftning med alger |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metallothioniner (MT), phytochelatiner
(PC) |
Eller | Histidin |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Cellevægsforbindelser (Alginater, guluronsyre, sulfaterede polysaccharider) |
Flere projekter til dekontaminering af ETM med alger er blevet gennemført.
Element | Milligram | |
---|---|---|
Jern | 4000 | |
Zink | 2.500 | |
At føre | 120 | |
Kobber | 70 | |
Tin | 30 | |
Vanadium | 20 | |
Cadmium | 20 | |
Nikkel | 15 | |
Selen | 14 | |
Mangan | 12 | |
Andet | 200 | |
Total | 7.000 |
Nogle ETM'er (hovedsageligt klassificeret i periode 4 ) er nødvendige - i spormængder - til visse vitale biologiske processer.
Disse inkluderer jern , zink og kobber .
Jern og kobber er henholdsvis nødvendige til transport af ilt og elektroner, mens zink deltager i hydroxylering og spermatogenese .
Kviksølv og bly har ingen kendt anvendelse. Giftige for cellen uanset deres dosis, de er rene forurenende stoffer i organismen. Bly påvirker calciummetabolismen negativt.
Den cobalt (via B12-vitamin er involveret syntesen af bestemte komplekse og cellulær metabolisme den. Vanadium og mangan er uden kontrol enzymatiske cofaktorer, en lille dosis af chrom er nødvendigt for anvendelsen af glucose og nikkel er involveret i cellevækst ) ; den arsen fremmer meget lav dosis metabolisk vækst hos nogle dyr og muligvis mennesker. Den selen er en antioxidant funktionel og viser afgørende for produktionen af visse hormoner .
Den periode 5 og perioden 6. Mendelejev tabel indeholder mindre end sporstoffer af tungmetaller. Dette er i overensstemmelse med antagelsen om, at tungere metaller har en tendens til at være mindre rigelige på jordens overflade og derfor er mindre tilbøjelige til at være vigtige for metabolsim.
I perioden 5 finder vi molybdæn , som katalyserer redox reaktioner . Den cadmium (stærkt giftige for mennesker) synes nødvendig i nogle kiselalger ] havet til samme formål; Den tin er nødvendig for væksten af flere arter.
Inden for periode 6 kræver metabolisme af nogle arkæer og bakterier wolfram .
En mangel på essentielle metaller i perioderne 4 til 6 kan forværre følsomheden over for forgiftning af tungmetaller ( blyforgiftning , hydrargyrisme , Itai-itai sygdom ). Men omvendt kan overskud af disse metaller have meget skadelige virkninger på helbredet.
I gennemsnit indeholder en moderne 70 kg menneskelig krop 0,01% tungmetaller eller ca. 7 g (mindre end vægten af to kvadrater sukker). Det meste af det er jern (~ 4 g), zink (~ 2,5 g) og er forurenet med bly (~ 0,12 g), 2% lette metaller (~ 1,4 kg) og næsten 98% ikke-metaller ( hovedsagelig vand ) (blandt de grundstoffer, der almindeligvis anerkendes som metalloider, B og Si blev talt som ikke-metaller; Ge, As, Sb og Te som tungmetaller).
Nogle ETM'er eller ikke-essentielle tungmetaller har biologiske virkninger. Således er gallium , germanium ( metalloid ), indium og de fleste af lanthaniderne i stand til at stimulere stofskiftet, mens titanium vil fremme plantevækst.
Der er påvist mange skadelige fysiologiske virkninger for TME'er ud over visse tærskler, der undertiden er meget lave (f.eks. I tilfælde af bly eller methylkviksølv) hos mennesker og i dyremodellen for et stort antal arter (pattedyr, fugle, krybdyr, padder, fisk osv. ).
Den toksikologiske virkning af ETM afhænger imidlertid meget af deres kemiske form (kaldet "kemiske arter"), deres koncentration, miljømæssige sammenhæng (det er grunden til, at vi prøver at kortlægge forurening og især i tidligere industrielle regioner), deres biotilgængelighed. og muligheden for passage i kæden af levende ting (det trofiske netværk ). Der er også en bestemt genetisk komponent, der gør kroppen mere eller mindre i stand til at udskille visse giftige metaller (f.eks. Bly). Endelig kan der forekomme skærpende synergistiske virkninger mellem forskellige ETM'er.
Man skelner især mellem de tre metaller kviksølv , bly , cadmium , for hvilke man på den ene side ikke kunne udvise en positiv rolle for den biologiske aktivitet, og som på den anden side kan være oprindelsen til alvorlig forgiftning eller kronisk sygdom, selv ved lave doser for eksempel absorberer bly blyforgiftning , især alvorlig hos børn, cadmium ødelægger nyrerne og nedbryder leveren, og kviksølv er et stærkt neurotoksisk middel. Den aluminium kunne præsentere neurotoksicitet hos mennesker, men de begrænsninger og omfanget af disse virkninger eksponering stadig bliver undersøgt.
Omvendt er andre metaller nødvendige ( sporstoffer ), og stadig andre synes, i det mindste i metallisk form (dette er ikke tilfældet i ionform) uden virkninger på organismen; sidstnævnte betragtes som "biokompatible" og anvendes i kirurgi eller tandpleje, såsom titanium og guld , eller almindelige metaller såsom jern , kan ikke anbringes på samme niveau som kviksølv, bly og cadmium. Andre metaller kan være meget giftige i visse former ( chrom VI, oxideret kobber ( verdigris ) ...).
Brug af visse ETM'er er derfor strengt reguleret eller endog forbudt i visse applikationer. Udslip i miljøet ved slutningen af brugen skal undgås, og disse metaller genbruges.
I sundhedsundersøgelsen er det foruden den traditionelle blodprøve eller urinanalyse for nylig blevet foreslået af hospitalspraktikere at overveje individets metalprofil .
De amalgamfyldninger (kaldet "fyld"), og som er meget udbredt i fransktalende lande og angelsaksisk er nu genstand for kontrovers, fordi de indeholder nogle giftige tungmetaller: kviksølv , men også sølv og tin . Nogle lande som Sverige, Tyskland, Danmark, Japan, Rusland og Norge begrænser deres brug, og de sidste tre har simpelthen forbudt dem. I Frankrig og Belgien blev det anset, at beviset for deres toksicitet var utilstrækkelig til at udlede en skadelighed, der ikke opvejes af fordelene ved kviksølv.
Den termometre kviksølv er blevet forbudt at sælge i EU .
De kviksølv batterier er forbudt i Europa (direktiv 98/101 / EF), idetdecember 1998 til miljøspørgsmål.
I 2021 er 97 til 100% af franskmændene (voksne og børn) inficeret med ETM med satser større end eller lig med dem, der blev registreret i 2006-2007. Den mad og tobak er de vigtigste kilder til forurening. Public Health France anbefaler at spise fisk to gange om ugen, inklusive fed fisk (for deres ernæringsmæssige fordele ), men ved at diversificere arten og fiskepladserne (for at begrænse koncentrationen af forurenende stoffer).
Bortset fra sygdomme som blyforgiftning , makrofag myofasciitis , hydrargyria eller Itai-itai sygdom direkte induceret af et enkelt metal, er patologier induceret af metaller sandsynligvis oftest multifaktorielle, idet flere metaller er i stand til at handle synergi (positive eller negative) og kan interagerer også med andre toksiske stoffer eller naturligt chelaterende eller beskyttende stoffer .
Miljøfaktorer ser ud til at være involveret i en række tilfælde af neurodegenerative sygdomme. Nogle giftige og neurotoksiske tungmetaller er blandt de første mistænkte.
Især kviksølv og bly kunne virke synergistisk for at hæmme eller dræbe nerveceller. Visse pesticider mistænkes også for at være i stand til at virke synergi med metaller.
Monnet-Tschudi og hans team i 2006 offentliggjorde en lang liste med bevis for ansvar for tungmetaller, som initiativer til neurodegenerative sygdomme eller forværrende.
I mange lande analyseres regelmæssigt tilstedeværelsen af TME'er (især bly, kviksølv og cadmium) i vand, luft, landbrugsjord og visse fødevarer, materialer (f.eks. Maling) og genstande (f.eks. Legetøj til børn).
I Frankrig overvåges landbrugsjord, der kan forurenes af forskellige kilder til ETM (våde eller tørre aflejringer fra luftforurening , gødning, spredning af gylle, forurenet gødning eller kompost, bly fra jagt, følgevirkninger osv. ) Af en jord kvalitet observatorium og en Jord kvalitet Måling netværk (RMQS) på grundlag af regelmæssig prøveudtagning foretaget af et netværk af eksperimentelle steder og grunde antages at være repræsentativ. Den vertikale cirkulation af ETM'er er et vigtigt element i deres viden. For eksempel er det blevet undersøgt i Midi-Pyrénées og i en eksperimentel vandskel ( Auradé , Gers), hvilket bekræfter forskelle i adfærd afhængigt af grundstof og jordtype i forbindelse med hydrologi og visse pedogenetiske processer. I disse regioner er den geokemiske baggrund lokalt beriget med anomal ETM (a priori af antropisk oprindelse). 2 til 5% af lokaliteterne er således beriget med cadmium (findes i visse gødninger) og 5 til 8% i kobber (til stede i visse pesticider, opslæmning og spredning af spildevandsslam). Der bioakkumulerer organismer som springhaler dem (for den labile del af ETM og hovedsageligt i jord med lav pH, det vil sige sure). I disse territorier var den kritiske belastning (dosis ud over hvilken der forventes uoprettelige skadelige virkninger (kritisk belastning) stærkt afhængig af landbrugstypen, men undersøgelsen konkluderede, at den "kritiske strøm" blev overskredet af den nuværende strøm for 34% af RMQS-lokaliteterne for cadmium og for 80% af blystederne.