Etude de la qualité des sols et productions potagères dans le cadre des évaluations quantitatives des risques sanitaires liés aux sites et sols pollués. PR Camille Dumat, INP-ENSAT Sols et Risques [email protected] Dr Eva Schreck, post-doc sur projet Dimension [email protected] DIMENSION Eva Schreck Post-doc BIOTUBA Thibaut Leveque Thèse Ademe Influence des vers de terre sur la bioaccessibilité des métaux dans les sols et végétaux CLEANSITE Yann Foucault Thèse ANRT Remédiation des sols pollués : tests écotox en relation avec des concentrations résiduelles admissibles? Les projets abordent les transferts des métaux présents dans des particules ultrafines ou nano vers les écosystèmes terrestres (plantes potagères, vers de terre) et l'homme (bioaccessibilité et toxicité). Les techniques de décontamination des sols et études pour réduire les risques environnementaux et sanitaires sont également abordées. Contexte général des projets en cours PM process riches en métaux Phytoremédiation 1) Impact PM / plantes et vers de terre ? - Mécanismes de transferts et Ecotoxicité? - Taille, métal, spéciation, voie de transfert et influence des microorganismes. 4) Engrais verts / phyto-remédiation ? - Impact sur le devenir des métaux ? - et la qualité des sols ? 3) Impact sanitaire? Inhalation et toxicité respiratoire? PHYLOSPHERE RHIZOSPHERE DRILOSPHERE 3) Impact sanitaire ? Bio-accessibilité humaine par ingestion des plantes, PM, sols pollués (divers scénarios) ? 2) Influence bioturbation vers de terre ? - Phyto-disponibilité ? - Bioaccessibilité ? 2006-2009: Thèse Gaelle Uzu Transfert foliaire couple Pb-Laitue Objectifs du projet Dimension : Enviro-Santé-Société Etudier le transfert atmosphère-plante de métaux issus de PM Mieux comprendre le transfert sol-plante / PM influence des amendements, de la stabilisation par les constituants du sol et de la spéciation chimique des métaux. Déterminer le devenir des métaux dans la plante concentrations totales en métaux, localisation dans la plante, mécanismes de transfert… Etudier la bioaccessibilité gastro-intestinale des métaux pour diverses matrices Etudier la toxicité pulmonaire cytotoxicité et réponse pro-inflammatoire des PM et NP modèles Présentation de quelques points 1 - Transfert atmosphère-plante / mécanismes Foliar uptake of metals and metalloids by various plants in the context of sanitary risk assessment under urban atmospheric pollution. STOTEN (under review) 2 - Transfert sol-plante : Impact du vieillissement des sols Influence of soil ageing on bioavailability and ecotoxicity of lead carried by process waste metallic ultrafine particles. Chemosphere, 2011. 3 - Modélisation de l’interception foliaire DECA: a new model for assessing the foliar uptake of atmospheric lead by vegetation, using Lactuca sativa as an example. J. of Environmental management (under review) 4 - Impact sanitaire : toxicité vis-à-vis de l’Homme Bioaccessibilité gastro-intestinale des métaux en lien avec la voie de transfert Toxicité pulmonaire des PM Aspect ENVIRONNEMENT Mécanismes du transfert foliaire Phytotoxicité des PM dans les sols Pollution atmosphérique diffuse Usine de recyclage de batteries au Pb : STCM, Toulouse 328 kg of particules en suspensions incluant 31 kg de plomb sont émises chaque année (d’après les autorités) Autres métaux (activités d’affinage): Cd, Cu, As, Sb, Sn… Emissions de PM ultra-fines (continuum avec nanoparticules) Conséquences pour l’environnement et la santé humaine Evaluation des risques et des mécanismes de transfert vers différentes matrices Transfert Atmosphère- Plante & Mécanismes Schreck et al., STOTEN under review Mise à exposition dans enceinte de l’usine Salades, Ray-grass, Persils déjà exposés en 2010 + nouvelles plantes: choux, radis, carottes, vignes Sol non contaminé Voile géotextile pour s’affranchir du transfert sol-plante Temps d’exposition variable selon temps de culture Détermination des concentrations en métaux Les parties aériennes des végétaux sont récoltées, séchées et lavées selon les scénarios de consommation des humains ou animaux lavage global pour les laitues, carottes, choux et radis simple rinçage pour le persil absence de lavage pour ray-grass ou vignes Séchage Minéralisation acide Digestion au DigiPREP HNO3/H2O2 Analyse par ICP-OES ou ICP-MS [Pb] dans feuilles (mg kg-1 de matière sèche) Concentrations en Pb : quelques résultats 800 Laitue 700 Persil 600 500 Vigne Ray-grass 400 300 200 100 0 Témoins 2 semaines d'exposition 4 semaines d'exposition Absorption du Pb par voie foliaire et accumulation dans tissus [Pb] dépendent des techniques de désorption et de l’espèce végétale (morphologie) Cf. observations Mêmes résultats avec autres métaux (ICP-MS) Effet racines: translocation Effet lavage : -25% Metal concentrations in roots (mg kg-1 DW) Translocation feuilles-racines des métaux 25 roots of exposed lettuces roots of controls 20 15 10 Pool de 5 racines 5 (45 jours d’exposition) 0 Cu Zn Se Pb Metal concentrations in roots (mg kg-1 DW) Mobiles ISOTOPIE 0,7 roots of exposed lettuces 0,6 roots of controls 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Cd Sn Sb As Observations microscopiques Macroscopic scale Whole plant Lead-enriched PM deposition Centimetric zones of leaves • Distribution élémentaire µXRF µXRF and ESEM-EDX • Morphologie et composition élémentaire des PM SEM-EDX Molecular surface & depth ToF-SIMS : depth profiling Microscopic scale • Images de la surface et pénétration des particules dans la feuille ToF-SIMS Observations comparatives en µFX 500 µm RAY-GRASS LAITUE PbSiL Cartes de µXRF 500 µm Particules accumulées Distribution du Pb plus diffuse K Pb L au niveau de la veine centrale SEM-EDX 1 Pb métallique 1600 1400 Laitues: Mêmes observations en SEM Fe et Pb 2 S 1200 Alumino silicate 1000 1 1 800 Cts 600 2 3 400 200 0 Al Na Observations du ray-grass en µFX Si S Al K Ca Fe 500 µm Pb L 1600 Si 1400 Pb Fe 1200 Particle 1 1000 Particle 2 800 Cts 1 2 3 Particle 3 Al 600 Na 400 200 P K Ca 2 4 Fe Pb Pb 0 0 1 2 6 E (kV) 8 3 Présence de particules riches en Pb 10 12 14 Observations en SEM Sur feuilles de persil: Pb métallique: 10 µm de diamètre Particle enrichie en Ca et K, + petite quantité de Pb. Certaines particules sont présentes au niveau des stomates potentiel mécanisme de pénétration? Observations en SEM Sur feuilles de persil: Présence de composés en aiguilles: formations secondaires Pénétration via la surface cuticulaire? Etude en ToF-SIMS Internalisation via la surface foliaire? Décapage de la surface et analyses ToF-SIMS Profil de profondeur réalisé sur une zone nécrotique enrichie en Pb par ToF-SIMS Abrasion des composés organiques et apparition de composés riches en Pb Formations secondaires juste sous la membrane organique puis formes primaires étude spéciation au SYNCHROTRON (en cours) Mécanismes envisagés Lead enriched PM-deposition Voies de transfert ? 1 Ostioles des stomates Diffusion via les pores de la 2 cuticule µXRF, ESEM-EDX, Tof-SIMS 3 Pénétration par pores puis entrée dans la cellule (endocytose)? 2 1 Cuticle 3 Epidermis Mesophyll Guard cells and ostiole Uptaken metal Mesures des échanges gazeux: Licor 6400 Variation de CO2 (µmol.m-².s-1) 14 12 Témoins 10 Exposés 8 6 4 2 0 15 30 45 Temps d'exposition (jours) Pas de variations des échanges gazeux (ΔCO2) enregistrés sur des choux exposés aux retombées atmosphériques en comparaison à des choux témoins pas d’obstruction des stomates Effet du vieillissement des sols pollués (pollution historique et dopage) Schreck et al., Chemosphere 2011 Process PM emissions AIR Pollution SOIL Atmospheric fallouts ENVIRONMENT POLLUTION Uzu et al., EP 2009 and EST 2010 Surface Water Contamination Lead-recycling facility Lactuca sativa Vibrio fisheri Normalized tests STANDARDISED TESTS (AFNOR, REACH…) - sols dopés Microtox test - sols dopés vieillis 3 mois - sols pollution historique Germination tests and growth assays Germination Index, root and shoot elongation, fresh an dried biomass Bioluminescence inhibition (%) Doshi et al., 2008 ; Barrena et al., 2009 C1 C2 120 120 Relative root elongation (%) A α 100 80 a C C3 α 100 C1 80 β a C2 ab B C3 60 C β 20 b 0 40 b γ Influence de la concentration en PM et des propriétés des sols sur la croissance racinaire 40 ab B 60 Relative root elongation (%) Résultats de phytotoxicité A γ Soil-1 Soil-2 Soil-3 20 0 Soil-1 Soil-2 Soil-3 20 a 18 C ontrol Concentrations en PM dans les sols: C1 (825 Pb mg kg-1) < C2 (1650) < C3 (2475) R oot leng th (c m ) 20 a 18 R oot leng th (c m ) 16 14 16 α A 14 α A ged C 2 12 b 10 C ontrol B b 8 C2 A ged C 2 6 B Pollution historique γ c 4 β B β B 12 10 C2 A 2 8 6 c γ 0 S oil-1 4 Effet du vieillissement sur l’élongation racinaire 2 comme biomarqueur de phytotoxicité 0 S oil-2 S oil-3 S oil-4 Lien ENVIRO – SANTE Modélisation de l’interception foliaire et évaluation des risques sanitaires Implications sur la bioaccessibilité des métaux Toxicité respiratoire Modélisation du transfert foliaire Schreck et al., J. Environ. Mangement, under review Modèle HHRAP (US EPA): Interception foliaire (prédiction des risques) pour grandes cultures Modèle DECA: Paramètres mesurés individuellement toutes les semaines PARAMETRES D’ENTREE Retombées atmosphériques Facteur de lavage Surface d’occupation Rayon salade Poids salade Coefficient d’atténuation Modèle INERIS DECA (Dynamic Estimation of Contaminant concentration using Attenuation factors) - Évaluation de paramètres de perte - Influence du lavage SORTIE CPb : Concentrations totales en plomb dans les feuilles de laitues, prédites par le modèle Résultats du modèle DECA (Ineris) Ratio moyen : valeur modélisée / valeur mesurée DECA 1.1 ± 0.3 HHRAP 1.7 ± 0.4 mgPb.kg-1 MS Feuilles laitue - Modèle H2RAP paramètres globaux - Mesures - Modèle SAG paramètres individuels Bonne corrélation avec les valeurs mesurées: amélioration des prédictions dans le cas de cultures en jardins ou biotests près de sources de Pb HHRAP : plus grande surestimation des quantités de Pb accumulées Importance du lavage des végétaux avant consommation et des facteurs d’atténuation à prendre en compte dans l’évaluation des risques Bioaccessibilité gastrique - Travaux sur PM process (Uzu et al. EST 2011) - 2 matrices: sols pollués et végétaux exposés (différentes voies) ● Bioaccessibilité gastrique et intestinale in vitro : simuler la digestion → Biodisponibilité calculée (Denys- etTest al., 2007) humaine fraction capable de passer dans la circulation sanguine ● Test chimique DTT : Estimation du potentiel pro-oxydant des PM Lausanne Protocole « BARGE » Bioaccessibility Research Group Europe Digestions successives par fluides (salivaire, stomacal, duodénal, biliaire), contrôles pH, 37°C (partie consommée) Dosage des métaux en ICP-OES ou ICP-MS Bioaccessibilité (%) = ([métal] mesurée après extraction par fluides digestifs / [métal] totale mesurée dans la matrice) X 100 Bioaccessibilité du Pb dans les végétaux (%) Bioaccessibilité gastrique du Pb dans les plantes Persils 60 Laitues 50 40 Teneur en Pb dans les feuilles : - laitues : 62 ppm en moyenne - persils : 89 ppm en moyenne 30 20 10 Environ 30 ppm bioaccessible 0 4 semaines d'exposition Différences de bioaccessibilité du Pb selon les végétaux Quantités bioaccessibles proches selon les végétaux : 30 mg.kg-1 MS A confirmer en étudiant ces fractions sur autres végétaux du projet Bioaccessibilité dans feuilles de laitue (%) Bioaccessibilité d’autres métaux dans la laitue 40% 4S 6S 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Cu Zn As Cd Pb Globalement: fraction bioaccessible au niveau gastrique = autour de 20-25 % de la teneur totale Difficile de déterminer une tendance d’évolution dans le temps de la bioaccessibilité Influence du lombric sur la phytodisponibilité et la bioaccessibilité des métaux Premiers tests : 2 espèces de vers, 2 types de sols pollués, [métaux] croissantes Mesures de la biomasse: perte de poids (arrêt nutrition et locomotion) Production de turricules : diminution activité du ver Forte absorption et bioaccumulation de métaux Objectifs: [Pb] in earthworms (mg kg-1 DW) Lead bioaccumulation in Lumbricus terrestris 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Controls 100 ppm 825 ppm 1650 ppm Lead concentration in contaminated soil 28 Bioturbation 4000 ppm Étudier l’influence du lombric sur la bioaccess et la phytodisponibilité des métaux (activités de creusage, rôle MO…) Lien entre bioaccessibilité humaine et toxicité chez le lombric??? Toxicité pulmonaire In vitro: cultures de cellules épithéliales humaines Voies aériennes supérieures (extra-thoraciques) Pharynx Larynx Trachée Lignée bronchique: 16 HBE NCI-292 Lignée alvéolaire A549 Cultures primaires bronche bronchiole bronchiole Voies aériennes inférieures (intra-thoraciques) Bronchiole Bronchiole respiratoire respiratoire Alvéoles Alvéole Alvéole Effet biologique des particules Effets court terme Inflammation Macrophages (GM-CSF, IL8…) Inflammation Effets cardiovasculaires EGFR airway epithelium effet autocrine Amphiréguline fibroblasts smooth muscle cells (EGFR ligands) Effet paracrine Endothelium Remodelage cancer Effets long terme Toxicité pulmonaire Culture cellulaire et études réalisées sur : PM process (différentes tailles, émission diffuse enceinte et sortie four)PM1 et PM0.1 (impaction) effet vieillissement mis en évidence Particules du commerce sous forme ultra-fine: CuO, ZnO, CdO, Sb2O3 Test de cytotoxicité : test colorimétrique WSR induction de la mort cellulaire à des concentrations élevées Evaluation des sécrétions de cytokines et de facteurs de croissance par la méthode ELISA à des concentrations non cytotoxiques Cytotoxicité des particules Test WST 450 400 Viabilité (%) 350 300 250 200 150 100 50 25 5 50 Sb 2O 3 5 Sb 2O 3 25 Sb 2O 3 50 Cd O Cd O Cd O 50 Zn O H2 O 2 PM 1 5 PM 1 25 PM 1 50 PM to t5 PM to t2 5 PM to t5 0 Cu O 5 Cu O 25 Cu O 50 Zn O 5 Zn O 25 T 0 Traitement Cytotoxicité des particules du commerce: CdO et CuO (nano), ZnO (dissolution rapide, effet dose) Pour les PM et Sb2O3: problème d’interférence PM-réactif la cytotoxicité est masquée Tests ELISA: IL-8 et AR Induction de l’inflammation et des facteurs de croissance: sécrétion de IL- 8 et AR Pas d’effet dose Augmentation des sécrétions avec la finesse des particules Problème: pour les PM, est-on vraiment en dessous de la dose de cytotoxicité? Poursuivre des tests pour diminuer ces phénomènes d’interférence Lien avec tests DTT Axe ENVIRO – SANTE – SOCIETE de l’OMP Améliorer la compréhension des mécanismes de phyto-disponibilité des éléments inorganiques pour différents scénarios (mécanismes biogéochimiques aux interfaces). PM PM PM Faire progresser les outils d’évaluation des risques environnementaux et sanitaires : Colloque Environnement Santé Paris Nov 2011 Proposer des préconisations pour réduire les risques : Environnement Risques et Santé, V1, 2012 pour les populations et les travailleurs Aspects sociétaux: travail participatif, consignes pour réduire les risques, acceptabilité des risques Développer les techniques de restauration des propriétés multifonctionnelles des sols (ingénierie écologique). 34 Compétences mobilisées sur les projets Aérologie Microbiologie Sciences du Sol Biologie Risque (Eco)toxicologique = f (PM - Transfert - Cible) Biogéochimie Ecotoxicologie Toxicologie SHS International Lausanne University of Castilla La Mancha Spain. Bioaccessibility Research Group Europe National INRA-PSH ISTerre Ecseco Biogeochim Dynabio AGIR Région INP Plateforme d’outils « Environnement-Santé » OMP ● Bioaccessibilité gastrique et intestinale → Biodisponibilité calculée (Denys et al., 2007) pH~1.9 ● Test chimique DTT : Estimation du potentiel pro-oxydant des PM pH~7 Lausanne Bioaccessibility Research Group Europe EQRS : Identification des Dangers + Détermination des Doses d’Exposition + Etude des Effets Collaborations : Pôle de recherche ToxAlim SHS, Epidémiologistes… ● Ingestion et Inhalation - Différents contaminants (pesticides, mycotoxines..) 36 Quelques publications et communications : ● E.Schreck, Y.Foucault, F.Geret, P.Pradere, C.Dumat. Influence of soil ageing on bioavailability and ecotoxicity of lead carried by process waste metallic ultrafine particles. Chemosphere, 2011. ● G. Uzu, J.J. Sauvain... and Camille Dumat. In vitro assessment of the pulmonary toxicity and gastric availability of lead-rich particles from a recycling plant. Environmental Science & Technology, 2011. ● Y. Foucault, K. Tack, E. Schreck, T. Levêque, P. Pradere & C. Dumat. Environmental and sanitary risks assessment for lead-battery recycling activities, SUITMA 2011. ● T. Leveque, Y. Capowiez, E. Schreck, Y. Foucault, C. Grand & C. Dumat. Earthworm influence on metals bioavaibility in relation with metal speciation and ecotoxicity, SETAC 2012. Merci de votre attention!!!