22/10/2021 Chimie de l’Environnement: Introduction aux différentes classes de polluants Eric VILLENAVE Laboratoire EPOC UMR 5805 CNRS Bat B18N – 1°étage Nord – porte 141 Tel: 05 4000 6350 [email protected] OBJECTIF DU COURS : Introduire la Chimie Environnementale, Consolider les connaissances des étudiants sur les problèmes actuels de pollution environnementale, avec une description des principales classes de polluants OBJECTIF PEDAGOGIQUE: Etre capable de 1) juger objectivement les problèmes actuels face au catastrophisme médiatique. 2) conduire des projets en lien avec la pollution environnementale. Référence conseillée: « Chimie de l’Environnement » de Bliefert et Perraud chez De Boeck Université 1 22/10/2021 I - La chimie de l‘Environnement Qu'est ce que l‘Environnement? L‘Environnement désigne tout ce qui entoure une unité spatiale ou vivante … Dans notre cas, nous nous limiterons à une définition restreinte à la Biosphère (= région terrestre qui renferme tous les êtres vivants). Air Hommes Animaux Plantes Sol Eau Les 4 composants majeurs de l'environnement I - La chimie de l'environnement I.1 - Systèmes et écosystèmes a) Les Systèmes sont des groupements comportant des parties qui sont en interactions les unes avec les autres. Système ouvert Système dynamique Types de système Système statique Système fermé Ex : La biosphère est un système extrêmement complexe : un lac, un organe, une cellule, une nappe souterraine … b) Les écosystèmes sont des systèmes biologiques. Un écosystème = Biotope (environnement physico-chimique non vivant) + biocénose (communauté vivante) 2 22/10/2021 I - La chimie de l'environnement I.2 - Les compartiments et les flux Tous les compartiments sont en interactions les uns avec les autres : Présence de flux de matière d'un compartiment vers un autre Atmosphère Aérosols Eau de Biomasse surface Particules Sols Sédiments Eaux Souterraines Les compartiments et flux dans l‘Environnement I - La chimie de l'environnement I.2 - Les compartiments et les flux Notion de puits et de sources Source : processus ou organisme qui émet/produit un type de composé dans un compartiment (atmosphère, océan, rivière …) donné Puits : processus ou organisme qui consomme un type de composé dans un compartiment (atmosphère, océan, rivière …) donné Exemple : La photosynthèse et la matière organique (MO) On considère l'atmosphère Biomasse Atmosphère Biomasse O2 Photosynthèse Respiration Autotrophes: Hétérotrophes: Consomment de la MO (Animaux, Bactéries, Champignons) Produisent de la MO (Algues, Végétaux) CO2 3 22/10/2021 I - La chimie de l'environnement I.3 - L'homme et l'environnement L'homme est une partie de l'écosystème terrestre > Qu’est ce que la Chimie de l’Environnement ? I - La chimie de l'environnement I.3 - La chimie de l'environnement Appliquer les principes de la chimie aux différentes sphères environnementales Atmosphère Eaux naturelles Sols Biosphère But de la chimie de l’environnement ? 4 22/10/2021 I - La chimie de l'environnement I.3 - La chimie de l'environnement Appliquer les principes de la chimie aux différentes sphères environnementales Atmosphère Eaux naturelles Sols Biosphère But de la chimie de l’environnement: Compréhension des Compréhension des Compréhension des Compréhension des processus naturels sources de pollution chimique réactions environnementales modes de distribution des substances chimiques I - La chimie de l'environnement I.4 – Définition de polluant Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : une altération biologique, physique ou chimique, qui au delà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions, développe des impacts négatifs sur tout ou partie d'un écosystème ou de l'environnement en général. Ceci revient à définir le polluant comme un contaminant d'un ou plusieurs compartiments des écosystèmes (air, eau, sol) et/ou d'un organisme (qui peut être l'Homme) ou ayant une incidence sur l'écosystème, au delà d'un seuil ou d’une norme. - Seuil : « C'est la dose qui fait la pollution » Exemple des nitrates : Nutriments à faible dose – Eutrophisation si en quantité trop importante - Certaines conditions : Exemple des nitrates : Polluant dans l'eau mais pas dans les sols Tout est donc potentiellement un polluant… 5 22/10/2021 II - Historique des pollutions II.1) La démographie et l'augmentation des sources de pollution 2020 = 7,8 milliards.. II - Historique des pollutions II.2) Les pollutions de l'air 0 au II° siècle - 1ère trace écrite de pollution : Rome est une capitale de plus d'un million d'habitants … et les Romains se plaignaient de la saleté de l'air de leur ville, essentiellement dues aux fumées : du dioxyde de soufre et des poussières. 1952 : 3000 décès en 3 jours à Londres (pollution de l’air par le smog) XXème : développement des industries polluantes et prise de conscience de la pollution avancée de l'air (réchauffement planétaire …) Depuis 1980 : Observation des effets de la pollution de l'air en France par les pluies acides dans les Vosges, le Jura et les Alpes du Nord (dépôts acides sur un sol déjà très pauvre, aggravant les problèmes nutritionnels des végétaux) 6 22/10/2021 II - Historique des pollutions II.3) Les pollutions de l'eau Dès le VIIe siècle, le (bon) roi Dagobert 1er condamne à une amende les personnes salissant les fontaines. La plupart des villes françaises rejetait leurs déchets sans traitement dans les fleuves et lacs jusqu'au milieu du 19ème siècle. Apparition des premiers systèmes de traitement 1847 (épandage), suite à : - la grande épidémie de peste et de choléra en 1832 à Paris - l'émanation d'odeurs provenant de la Seine (Paris) et de la Tamise (Londres) (dans lesquelles les eaux usées étaient directement rejetées) En Allemagne, les unités d'alimentation d'eau centralisées datent du 15ème siècle Début XXème : Début de l'industrialisation et de la diversification des pollutions … La prise de conscience est relativement récente (50 ans). II - Historique des pollutions II.4) Les pollutions des sols L'origine des pollutions des sols peut-être très variée : - Retombées des panaches des cheminées d’usines - Accident de transport de matières polluantes, - Mauvais confinement de produits toxiques sur des sites industriels actuels ou anciens, etc. Certaines de ces pollutions peuvent être piégées par les sols puis, sous certaines conditions, redevenir mobiles et présenter un danger pour la santé humaine 7 22/10/2021 II - Historique des pollutions II.5) Les pollutions liées à l'agriculture Pollutions liées à l'agriculture = d'abord sol puis eau Les pesticides sont utilisés depuis plus de 8000 ans .. Utilisation de la fumée de soufre contre les rats en Chine 4000 avant JC, en 77, Pline l‘Ancien combat les organismes nuisible avec de l'oxyde d'Arsenic (As2O3) Depuis 1900, on a un développement des pesticides organiques et diversification extrême des molécules utilisées … ceci pose des problèmes importants de contamination des eaux et des récoltes. La pollution par l'agriculture est tout particulièrement liée à celle des eaux souterraines. Un délai plus ou moins long peut s'écouler entre les deux pollutions : les engrais, les herbicides et les insecticides traversent plus ou moins vite les sols avant de s'infiltrer dans les nappes phréatiques. Par ailleurs, l'élevage produit une quantité de déchets organiques très supérieure à celle produite par les hommes. II - Historique des pollutions Chronologie des principales sources de pollution des eaux continentales dans les pays industrialisés 8 22/10/2021 II - Les sources de pollution II.6) Les différents types de pollution Classification des pollutions dans l'environnement Dans ce cours: nous étudierons presque exclusivement les nuisances dues aux substances chimiques Quelle est la différence entre un polluant / une substance chimique dangereuse / un xénobiotique? III - Les polluants dans l'environnement 9 22/10/2021 III - Les polluants dans l'environnement III.1 - de la production à la pollution … Grand nombre de moyens pour un composé pour parvenir dans l‘Environnement Dans le secteur de l'industrie, on peut en dénombrer plusieurs : Lors de la production, directement à travers l'air ou les eaux usées, ou indirectement lors du traitement des déchets liés au procédé, Lors de la défaillance des installation de sécurité pendant la production, le stockage ou le transport des substances Lors d'acte de déversement illégaux, Lors de l'utilisation finale (peintures, pesticides, engrais, solvants …) Grande influence des quantités liées à l'utilisation et à la production des composés (industrie, agriculture …) a) Production, transit et transfert vers l‘Environnement des substances polluantes Matières premières Transport Production POLLUTION Stockage Déchets par fuites Transport Utilisation 10 22/10/2021 III - Les polluants dans l'environnement III.1 - de la production à la pollution … b) Importance des pollutions Pollution directe Pollution globale (le monde entier) Pollution régionale (1000 km) Pollution locale (100 km) Pollution ponctuelle (0.1 km) Pollution diffuse (lessivages atmosphériques, infiltrations des sols …) > Migration indirecte des polluants d'un compartiment vers un autre. III - Les polluants dans l'environnement III.1 - de la production à la pollution … c) Exemples de pollutions majeures de la biosphère SMOG (londres, 1952) Pluies acides Continent de plastique dans les océans 11 22/10/2021 III - Les polluants dans l'environnement III.2 - devenir d'un polluant dans l'environnement Adsorption = phénomène physique par lequel des molécules se fixent sur les surfaces solides des adsorbants III - Les polluants dans l'environnement III.2 - devenir d'un polluant dans l'environnement 3 points essentiels en Chimie de l‘Environnement: la TOXICITE du polluant la DISTRIBUTION du polluant dans les différents milieux (sol/eau/atmosphère). la PERSISTANCE de ce composé dans un milieu BIEN PRECIS = Connaissance de l'impact d'un polluant sur la biosphère 12 22/10/2021 III - Les polluants dans l'environnement III.2 - devenir d'un polluant dans l'environnement la DISTRIBUTION du polluant dans les différents milieux (sol/eau/atmosphère). Celle-ci dépend de différents paramètres : des paramètres dépendant du composé (solubilité dans l'eau …) des paramètres dépendant des milieux (température de l'air et de l'eau, structure du sol …) Propriétés physico-chimiques des molécules IV - Propriétés physico-chimiques des polluants Nécessité de grandeurs chiffrées pour pouvoir comparer les comportements environnementaux de chaque composé Notion importantes pour appréhender le comportement d'un composé dans l'environnement : a) Quantité d’un composé sous forme de gaz = pression partielle b) Affinité d'un composé pour l'eau ou les lipides : Solubilité dans l'eau ou les lipides c) Solubilité du produit en phase gaz dans l'eau = constante de Henry Ces grandeurs sont reliés aux paramètres physico-chimique du milieu : Température, pression, composition du milieu, environnement chimique … 13 22/10/2021 IV - Propriétés physico-chimiques IV.1) Température et pression de vapeur Diagramme de phase de l'eau •Température de fusion = température à laquelle se produit le changement d’état solide-liquide •Autres valeurs importantes : Température d'ébullition, température de sublimation.. Pression de vapeur p en fonction de la température T pour la vapeur d'eau Pression de vapeur saturante = pression qui règne, à l'équilibre, dans la phase gazeuse au dessus d'une substance solide ou liquide = Mesure la tendance d'un composé à s'évaporer IV - Propriétés physico-chimiques IV.2) La solubilité Solubilité « s » : Capacité d’un polluant à se dissoudre dans l’eau (certains processus prennent en compte la solubilité dans les graisses) - de l’ordre du μg / L (10-6 g/L): solubilité faible - de l’ordre du mg / L (10-3 g/L): solubilité moyenne - de l’ordre du g / L : solubilité importante Définition générale = Aptitude d’une substance à se dissoudre dans un solvant. Elle est définie comme la quantité de matière maximale d’un élément pouvant être dissoute par litre d’un solvant donné à une température et une pression constantes Equilibre de solubilité d’une phase solide AnBm (s) : AnBm (s) A B A B m n K s0 n A (aq) + m B (aq) ( aq ) ( aq ) n m (s) 14 22/10/2021 IV - Propriétés physico-chimiques IV.3) La constante de Henry H Loi de Henry : La solubilité d’un gaz dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en contact avec ce liquide + Ne tient pas compte des réactions chimiques et biologiques pression partielle du gaz Ex: l’oxygène dissous KH = PO2 / [O2]aq atm L mol-1) Concentration en oxygène (mol L-1) Pression partielle de l’oxygène (atm) IV - Propriétés physico-chimiques IV.4) Structure moléculaire et environnement chimique Pour le polluant : Chaque assemblage d'atome ou motif moléculaire va réagir différemment dans l'environnement …. Leur caractère polaire va avoir un rôle important dans leur fixation sur les particules solides présentes dans l‘Environnement δ+ Importance : Dans l'eau : particules et matière organique dissoutes (=matière issue de la décomposition des êtres vivants) présentes dans l'eau Dans l'atmosphère : sur particules en suspension (= aérosols) Ex : l'eau les δ- Dans les sols δ+ δ- 15 22/10/2021 V - Transport des polluants dans la biosphère Transport = changement de lieu ou de compartiment. Le polluant va être transporté dans l'environnement sur des distances variables dépendant des propriétés physiques du composé et de sa stabilité chimique Atmosphère Eau de surface Aérosols Biomasse Particules Sédiments Sols Eaux Souterraines V- Transport des polluants V.1 - Paramètres et réactions clefs a) Solubilité Solubilité importante : Transport du polluant se fera essentiellement dissous dans l'eau. b) Adsorption (et désorption) = phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon différents processus - Chimisorption (forte) - Physisorption (faible) > Étroitement liées au paramètres physico-chimiques c) Volatilisation - Dépend étroitement du type de composé, de sa constante de Henry et des conditions de pression et de température du milieu 16 22/10/2021 V- Transport des polluants V.2 -Notion de coefficients de partage Nécessité de données chiffrées pour caractériser le comportement d'un polluant Le coefficient de partage Solide-Eau, Kd : définit l'affinité d'un composé pour l'eau par rapport aux solides. C solide C eau Kd Csolide : concentration sur les particules (μg/g), Ceau : concentration dans l’eau (μg/mL = mg/L). V- Transport des polluants V.2 -Notion de coefficient de partage Le coefficient de partage Octanol-eau, Kow : Donne une mesure de la distribution à l’équilibre d’une molécule organique entre une phase apolaire et l’eau. K ow C Octanol C eau Coctanol : concentration dans l'Octanol (M), Ceau : concentration dans l’eau (M). Il est utilisé pour évaluer le caractère lipophile d'une molécule et donc sa capacité à se bioaccumuler. log Kow < 1,5 : substances non bioaccumulables log Kow > 3 : substances bioaccumulables 17 22/10/2021 V- Transport des polluants V.3 - Les processus de transport Cycle de l'eau Composé fortement soluble dans l'eau Forte influence du Cycle de l'eau : Transport et transfert des polluants solubles dans l'eau V- Transport des polluants Composé peu soluble V.3 - Les processus de transport Transport en phase gazeuse après évaporation du composé (pression de vapeur saturante, constante de Henry) Dépôt Transport sur les particules (Kd, processus d'adsorption) Dépôt Contamination de milieux naturels éloignés Transports fortement lié aux mouvements atmosphériques et aux conditions climatiques (températures, pression …) Ex : Mercure et Arctique 18 22/10/2021 VI - Persistance et dégradation des polluants TRANSPORT Polluant Polluant Produit de dégradation (réaction chimique) Métabolites (dégradation par les êtres vivants) Minéralisation Décomposition en CO2, H2O, NH4+, NO3-, H2S, PO42- … - Meilleure surveillance des milieux naturels - Limiter les risques - Connaître l'évolution de sa toxicité Pourquoi connaître le devenir chimique d'un polluant ? VI - Persistance et dégradation des polluants VI.1 - Persistance Propriétés de certains polluants de pouvoir rester dans l'environnement sans être altérés par des processus physiques, chimiques ou biologiques. Persistance Voulue Ex : laques, peintures, revêtements anti-UV … Non désirée Ex : pesticides (Ex du DDT), Hydrocarbures, métaux lourds … Pas de mesure absolue de la persistance d'un composé. On peut néanmoins affirmer que : - Les alcanes (-CH2-CH2-) sont moins persistants que les aromatiques - La persistance des composés aromatiques augmente avec le nombre de substituant - Les atomes d'halogènes (fluor, chlore, brome, etc.) en tant que substituants augmentent plus la persistance des composés que des groupements alkyles (méthyle, éthyle …) 19 22/10/2021 VI - Persistance et dégradation des polluants VI.2 - Dégradations non-biologiques Devenir d'un polluant Altération chimique / Adsorption / Volatilisation des polluants… Transfert vers d'autres compartiments environnementaux (sols, eau, atmosphère) Formation de nouveaux composés plus/moins mobiles que le composé initial dans un milieu donné Formation de nouveaux composés plus/moins toxiques que le composé initial Microorganismes, animaux et végétaux (réaction avec enzymes …) Polluant Réactions chimiques avec composant du milieu naturel Métabolites Produits de dégradation Soleil (réaction molécule / photon) VI - Persistance et dégradation des polluants VI.2 - Dégradations non-biologiques a) Hydrolyse Réaction du polluant avec l'eau R1-R2 + H2O R1-H + HO-R2 b) Oxydation chimique Rôle très important de l'oxygène (oxydant fort) : formation d'espèces réactives comme l'oxygène singulet, le peroxyde d'hydrogène H2O2, différents radicaux (hydroxyle OH•)… c) Réactions Photochimiques Le soleil (les photons) joue ici le rôle de réactif. Ces réactions sont réparties en 2 catégories : - Les réactions de photodégradation directe : ici, la molécule polluante doit absorber la lumière solaire et elle est dégradée. - Les réactions de photodégradation indirecte : une molécule présente dans le milieu va absorber un photon et générer des espèces réactives qui vont ensuite dégrader le polluant 20 22/10/2021 VI - Persistance et dégradation des polluants VI.2 - Dégradations biologiques a) Biodégradation Dégradation d'une substance organique par un microorganisme (bactérie, algue, champignon …) en une molécule plus ou moins complexe Diatomées (Algue) Trichoderma harzianum (Champignon) Helicobacter pylori (Bactérie) Cyanobactéries (Algue) VI - Persistance et dégradation des polluants VI.2 - Dégradations biologiques b) Métabolisation Métabolisme = Toutes les réactions chimiques ayant lieu dans l'organisme, nécessaires au maintien des processus de la vie Deux possibilités : ► Incorporation des éléments composant la molécule à la biomasse 21 22/10/2021 VI - Persistance et dégradation des polluants VI.2 - Dégradations biologiques b) Métabolisation Métabolisme = Toutes les réactions chimiques ayant lieu dans l'organisme, nécessaires au maintien des processus de la vie Deux possibilités : ► Incorporation des éléments composant la molécule à la biomasse ► Transformation biochimique conduisant à la formation d'un nouvelle molécule Métabolites primaires Polluant Métabolites secondaires … Animaux / végétaux / microorganismes Rq : les enzymes, processus et métabolites formés sont différents d'un organisme à un autre VI - Persistance et dégradation des polluants VI.3 - Le temps de demi-vie Le temps de demi-vie, t1/2 : Temps nécessaire à la dégradation de 50% du produit initial Réactions : réaction chimiques (hydrolyse, oxydation, …), photodégradation, biodégradation, réactions du métabolisme des organismes vivant. Produits de dégradation et métabolites : peuvent être plus ou moins compliqués et/ou toxiques et/ou mobiles que l'élément chimique initial. Schéma récapitulatif : Hydrolyse / Oxydation / Photodégradation P Réaction microbiologique / Réaction du métabolisme de la faune et flore vtot vi Ptransf. 22 22/10/2021 VII - Accumulation dans les êtres vivants Notion de chaîne alimentaire et de niveau trophique : Mort BIOMASSE II - Les polluants dans l'environnement II.2 - Propriétés physico-chimiques Le facteur de bioconcentration BCF : Décrit les processus de bioconcentration pour un organisme donné (poisson, …). Ex pour le poisson : BCFpoisson C poisson C eau Corganisme : concentration dans l'organisme (mg/Kg), Ceau : concentration dans l’eau (mg/L). Les valeurs de BCF sont généralement déterminées en laboratoire à l’aide de tests normalisés. 23 22/10/2021 VII - Accumulation dans les êtres vivants Exemples de biomagnification : un pesticide persistant, le DDT Cl Cl Cl Cl Cl Formule du DDT ou DichloroDiphénylTrichloroéthane log Kow = 6 BCF = 18700 Législation actuelle : tests de bioconcentration précédant la mise sur le Marché sont obligatoires si Kow > 3 VII - Accumulation dans les êtres vivants Attention : Bioaccumulation ≠ Biomagnification Bioaccumulation : Phénomène par lequel une substance pénètre dans un organisme et s'accumule dans ses tissus. Ex : Eau Phytoplancton Bioamplification ou biomagnification : Phénomène par lequel une substance naturelle ou un contaminant présent dans le biotope connaît un accroissement au fur et à mesure qu'il circule vers les maillons supérieurs d'un réseau trophique (= chaîne alimentaire) 24 22/10/2021 Schéma récapitulatif ATMOSPHERE Produits de dégradation Hydrolyse, Photolyse, biodégradation (?) Polluants Application du polluant Polluant EAUX DE SURFACE Polluant Organismes Aquatiques Hydrolyse Photolyse Biodégradation Adsorption Désorption Biomasse terrestre Adsorption Désorption MES Métabolites Hydrolyse Photolyse Biodégradation SOL Produits de dégradation Produits de dégradation Métabolites Enfouissement / Remise en suspension Infiltration VIII - Les différents composés polluants La production d'énergie - Hydrocarbures Les industries et les déchets - Métaux lourds, ETM (Hg, Pb, …) - Eléments radioactifs Centrale offshore - HAP, dioxines, - Gaz (CO2, SO2, …) - Molécules organiques (plus de 120 000 espèces différentes) Déchets de l'homme - Déchets et déchetteries … - Autres (liés à l'extraction, etc…) Métallurgie nucléaire Pétrole - Transport Industrie Chimique Marée noire L'agriculture - Pesticides (+ de 1200 molécules Incinérateur Engrais différentes) - Engrais chimiques - Autres (CO2, …) Agriculture intensive 25 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants Introduction : les principaux polluants 1) Les éléments minéraux (eau + sol) 2) Les métaux (eau + sol + air) 3) Les gaz (eau + air) 4) Les particules (eau + air) 5) Les micropolluants organiques (eau + sol + air) • Pesticides • PCB : polychlorobiphényles • HAP : hydrocarbures aromatiques polycycliques • Dioxines • Produits pharmaceutiques • Hydrocarbures, Produits de synthèse, Détergents ... VIII - Les différents composés polluants VIII.1) Les éléments minéraux Les différentes formes d'azote Formes : Ammonium NH4+, Ammoniac NH3, Nitrate NO3-, Nitrite NO2-, … Sources : Engrais, … Effets : Eutrophisation Les différentes formes de phosphore Formes : Phosphate PO43-, polyphosphates, etc... Sources : Engrais, additifs alimentaires, traitements anti-corrosion, … Effets : Eutrophisation 26 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.1) Les éléments minéraux Chlorure, ClSources : Synthèses organiques, papeteries (agent blanchissant), traitement eaux de consommation, Liquide nettoyage domestique (eau de Javel = NaClO dans NaCl)… Effets : Toxicité à forte dose Soufre et Sulfate (SO42-) Sources : Usage combustible fossile (115 millions de tonnes de SO2 / an dans l'air), extraction de métaux non ferreux … Effets : Toxicité à forte dose Sodium, Na+ Sources : Mines de sels Potassium K+ Sources : Potasse, engrais (nitrate, chlorure et sulfate de potassium) VIII - Les différents composés polluants VIII.2) Les métaux Dans l'eau : on parle alors d'éléments traces métalliques (ETM) Dans le sol : sites et sols pollués (mines d'extraction, sites industriels) Dans l'air : émissions industrielles (industrie chimique, métallurgie, usure, etc...) Mercure, Hg Sources : Pesticide, combustion charbon et pétrole, Exploitation sites aurifères. Effets : n'est pas un oligo-élément : toxique et écotoxique sous toutes ses formes et pour toutes les espèces vivantes connues Se solubilise dans le sang pour attaquer reins, cerveau et système nerveux Plomb, Pb Sources : Autrefois additif dans les essences, Tuyaux en plomb (eaux de consommation). Effets : Saturnisme (intoxication), anémies, troubles digestifs, atteinte du système nerveux, se fixe dans les os où il remplace le calcium, demi-vie de 20 à 25 ans. 27 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.2) Les métaux Le Mercure • Métal liquide, de couleur argent brillant • Utilisé dans de nombreuses activités industrielles : • Extraction de l'or et de l'argent, • Électrochimie • Pharmacie • Produits d'utilisation courante : autrefois les thermomètres, les ampoules, les tubes luminescents, certains amalgames dentaires, les piles... Mais aujourd’hui remplacé dans ces applications • Le mercure contamine les poissons et les crustacés : 50 millions de personnes dans le monde sont intoxiquées par le mercure qui s'accumule dans la chair des poissons comme la truite, le thon, l'espadon ou le requin, et dans les fruits de mer VIII - Les différents composés polluants VIII.2) Les métaux Autres métaux lourds : - Baryum Ba (autrefois Photographie, Imagerie, peintures, vernis..), - Antimoine Sb (Batteries, colorants), - Cadmium Cd (métallurgie, combustion charbon et pétrole, batteries), - Argent Ag (métallurgie, électrotechniques, électronique, nano-chimie) - Sélénium (Métallurgie, électronique …) - Arsenic (pesticides…) - Zinc (métallurgie, engrais et pesticides, corrosion des canalisations et toitures) - Cuivre, Nickel, Chrome, Aluminium, … 28 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.2 - Les éléments traces métalliques p Définition de la Spéciation : Distinction entre les différentes formes chimiques possibles d'un élément Ex : Espèces dissoutes et solides, entre complexes formés avec différents ligands présents en solution. Pour le mercure : Hg0 (aq), Hg0 (g), CH3Hg, Hg(OH)2, HgCl2, HgCl42-, HgOHCl Hydrolyse et formation d'oxydes et hydroxydes solubles - En solution aqueuse, les cations métalliques sont hydratés par un cortège de molécules d'eau (nombre de molécule d'eau = nombre de coordination) - Les cations métalliques se comportent comme des acides faibles : formation d'hydroxydes métalliques Ex du Zinc : Zn(H2O)62+ (écrit Zn2+) ↔ Zn(H2O)5OH+ ↔ Zn(H2O)4(OH)2 ↔ .. etc … VIII - Les différents composés polluants VIII.3) Les gaz > Dans l'air : émissions naturelles, transport, émissions industrielles (industrie chimique, métallurgie, etc...), chauffage, etc. > Dans l'eau : gaz dissous provenant de l'atmosphère (constante de Henry) 29 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.3) Les gaz Les précurseurs de l'ozone troposphérique L'ozone est un polluant secondaire : résulte d'une réaction photochimique impliquant des précurseurs. Sa formation est favorisée par un temps ensoleillé. > Polluant majeur, provoquant notamment des problèmes respiratoires. Oxydes d'azote : NO et NO2 : Sources : Combustions à hautes T et P , principalement transport (moteur diesel > moteur essence car plus haute P) Effets : troubles respiratoires, inflammation et obstruction des voies aériennes et augmentation de la sensibilité aux attaques microbiennes Composés organiques volatils (COV) Sources : Hydrocarbures volatils d'origines anthropique et naturelle. Ex : Carburant, peinture, colle, solvant, insecticide, parfum d'intérieur, produits de nettoyages Effets : Cancérigènes, nombreuses maladies respiratoires et de peau VIII - Les différents composés polluants VIII.3) Les gaz La pollution atmosphérique Source : Picquet-Varrault 30 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.3) Les gaz Les gaz à effet de serre Dioxyde de carbone Méthane Ozone Protoxyde d'azote CFC et assimilés Et la vapeur d’eau ! VIII - Les différents composés polluants VIII.3) Les gaz Les autres gaz Monoxyde de carbone CO : Sources : Combustions incomplètes Effets : Se fixe sur l'hémoglobine du sang, empêchant le transport de l'oxygène Le dioxyde de soufre : Sources : Combustion d'origine fossile Effets : Agent irritant du système respiratoire, formation de pluies acides Les hydrocarbures aromatiques polycycliques : Voir VIII 5) Les micropolluants BTX : Benzène, toluène et xylène : Voir VIII 5) Les micropolluants 31 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.4) Les particules > Dans l'air : aérosols > Dans l'eau : matières en suspension (MES) Aérosols • Définition : particules solides ou liquides qui sont en suspension dans une masse d’air, à l’exclusion donc des gouttelettes (ou des cristaux) de nuage et de pluie, plus généralement définies sous le terme d'« hydrométéores » VIII - Les différents composés polluants VIII.4) Les particules Aérosols • Ordres de grandeurs : – Flux total annuel entre 3 et 10 milliards de tonnes – Taille : entre quelques nanomètres et une centaine de micromètres : * PM10 : diamètre < 10 µm * PM2.5 : diamètre < 2,5 µm, appelées « particules fines » * PM1 : diamètre < 1 µm, appelées « particules très fines » * PM0,1 : diamètre < 0,1 µm, appelées « particules ultrafines » ou nanoparticules (si manufacturées) – Temps de vie : entre quelques minutes et plusieurs semaines (dépend de leur taille mais aussi de leur composition) – Concentrations : < 1 µm : une dizaine à quelques milliers par cm3 32 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.4) Les particules Aérosols • Sources : Océans, Sols, Matières vivantes (pollens, débris…), activités humaines… > suies : particules cancérigènes riches en carbone, résidus de combustion incomplète (dues aux moteurs Diesel, à l'activité industrielle, au chauffage au bois résidentiel, ...) > poussières (provenant de l'érosion des sols ou d'activité volcanique) > particules d'origine biologique : pollen, virus, bactéries, spores, excréments d'acariens.. (tout ou partie de l'année). Les pollens peuvent être rendus allergènes par contact avec les polluants oxydants (ozone en particulier) ou suite à un long séjour dans l'air ou exposé aux UV > procédés industriels, comme le sciage du bois d'œuvre Fines particules = peuvent atteindre les poumons (alvéoles) VIII - Les différents composés polluants VIII.4) Les particules Matières en suspension (dans l’eau) Terme employé pour désigner l'ensemble des matières solides insolubles présentes dans un liquide Matières en suspension : taille comprise entre 1 µm et 1 cm Colloïdes : taille comprise entre 10 nm et 1 µm Matières solubles : taille inférieure à 10 nm Sources : origine naturelle (précipitation, érosion des sols), rejets eaux usées, aérosols se déposant à la surface de l’eau Effet mécanique : écran empêchant la bonne pénétration de la lumière (réduction de la photosynthèse), colmatage des branchies des poissons Effet chimique : adsorption des polluants 33 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5) Les Micropolluants organiques Pesticides Le terme anglais « pest » inclut les insectes, les plantes pathogènes, les mauvaises herbes, les mollusques, les oiseaux, les mammifères, les poissons, les nématodes et les microbes qui entre en compétition avec les humains pour la nourriture ou qui sont vecteurs de maladies ou une nuisance (US Environmental Protection Agency EPA). Exemples historiques : - 2500 avant JC : les sumériens utilisaient de la poussière de soufre -1550 avant JC : plus de 800 recettes dans le Papyrus Ebers (le plus vieux traité médical connu) Production massive et application des pesticides à partir de la 2ème guerre mondiale VIII - Les différents composés polluants VIII.5) Les Micropolluants organiques Pesticides Substances chimiques minérales, organiques, ou de synthèse, utilisées à vaste échelle contre les ravageurs des cultures, les animaux nuisibles et les agents vecteurs d'affections parasitaires ou microbiologiques de l'homme et des animaux Grandes familles chimiques de pesticides : Organochlorés Pyréthrinoïdes Organophosphorés Carbamates Triazines glyphosate 34 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5) Les Micropolluants organiques Pesticides En 2019, la France était le 2eme consommateur européen (après l’Espagne) • Environ 44 000 tonnes de matières actives utilisées en France par an (2020) En France : de 30 à 90 % des eaux de surface et 60% des eaux souterraines sont contaminées par des produits phytosanitaires Des quantités de pesticides ont également été détectées dans l'atmosphère et les sols VIII - Les différents composés polluants VIII.5) Les Micropolluants organiques AMPA=acide aminométhylphosphonique N-(phosphonométhyl)glycine 35 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - PCB = PolyChloroBiphényles 209 composés aromatiques organochlorés Liquides plus ou moins visqueux voire résineux, insolubles dans l'eau, incolores ou jaunâtres, à forte odeur aromatique. Thermodynamiquement très stables, ils ne se décomposent qu'à des températures dépassant 1 000 °C. Grâce à leur inertie chimique, ils sont peu sensibles aux acides, bases et oxydants. Ils peuvent dissoudre ou ramollir certains caoutchoucs et matières plastiques. Ubiquitaires et persistants : temps de demi-vie de 94 jours à 2700 ans selon les molécules Toxicité réputée Bioaccumulables (hydrophobe donc s'accumule dans les graisses et notamment le lait humain) > Polluant organique persistant ou « POP » - Interdits depuis 1987 Sources : Fluide protecteur en électronique et électrotechnique (transformateurs, condensateurs), isolant et ignifugeant dans les peintures, etc … VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - HAP = Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques • Produits de sources naturelles et anthropiques Ex du Naphtalène • Légers = moins de 3 cycles ; lourds = plus de 3 cycles • Coefficients de partage octanol/eau (Kow) élevés : important potentiel d’adsorption sur les matières organiques particulaires en suspension dans l’air ou dans l’eau + fort potentiel de bioconcentration dans les organismes • Forte toxicité : se lie sur les molécules biologiques fondamentales (ADN, ARN, protéines, etc...), provoquent des dysfonctionnements cellulaires Sources : Combustion incomplète = origine pyrolytique Naturelles : feux de forêts et de prairies Anthropiques : fuel, charbon, transports, déchets : >> Sources anthropiques largement majoritaires aujourd'hui Benzo(a)pyrène 36 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - Dioxines (polychlorodibenzodioxines) • Molécules hétérocyliques et aromatiques avec deux atomes d'oxygène dans un cycle aromatique • Large famille mais on associe généralement le nom dioxines aux polychlorodibenzop-dioxines ou PCDD – Elargissement vers les polychlorodibenzofuranes PCDF • Plus de 200 molécules différentes • 17 ont une toxicité reconnue • Bioaccumulables Sources : 3 conditions requises : températures > 350°C, présence d'acide sulfurique et de chlore ; favorisé par milieu alcalin, rayons UV et présence de radicaux 3 principales sources : - Industrie chimique utilisant ou produisant des dérivés chlorés - Procédés thermiques et de combustion (incinération, traitements thermiques, combustion, etc...) - processus anarchiques (compost) VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - BTEX : Benzène, Toluène, Ethylbenzène et Xylènes Caractéristiques d'une pollution d'origine industrielle ou du trafic - Retardateurs de flammes bromés Matières synthétiques utilisés comme ignifugeants en replacement des PCB. Matériaux synthétiques, matériaux de construction, meubles, vêtements ou appareils électriques 209 composés Toxicité > perturbateurs endocriniens - Hydrocarbures chlorés (HCC) Ex : dichloroéthane : CCl2H-CH3 Caractéristiques d'une pollution d'origine industrielle. Détergents, solvants, fabrication de plastiques. Toxiques : dommages aux reins et au foie 37 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques -Produits pharmaceutiques • Analgésiques et anti-inflammatoires (acide salicylique, paracétamol, ibuprofène, ...) • Anti-épileptique (carbamazépine) • Régulateurs lipidiques • Béta-bloquants (utilisés en cardiologie pour diminuer le rythme cardiaque en bloquant l'action de l'adrénaline) • Anti-cancéreux • Agents de contraste iodés (utilisés en imagerie médicale) • ... •Perturbateurs endocriniens •Hormones •Les plus communs : Alkylphénols, bisphénol A et dérivés hormonaux •Effets néfastes sur la santé d'un organisme •Potentiel oestrogénique différent selon les molécules = capacité à agir comme l'oestrogène (hormone) dans un organisme VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - Produits pharmaceutiques 38 22/10/2021 VIII - Les différents composés polluants VIII.5 - Les Micropolluants organiques - Hydrocarbures, Produits de synthèse, Détergents • Agents complexants •Complexants des métaux, traitements des surfaces de métaux, remplacent les phosphates dans les lessives FIN DE l’INTRODUCTION 39