Particules urbaines et céréalières, micro-organismes, mycotoxines et pesticides
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Particules urbaines et céréalières, micro-organismes, mycotoxines et pesticides Particles from food grain loading and of urban origin: analysis of microorganisms, mycotoxin and pesticide contents Jean-Paul Morin1, David Preterre2, Frantz Gouriou3, Véronique Delmas2, Anne François4, Nicole Orange2, Anne Grosboillot2, Cécile Duclairoir-Poc2, Maddalena Moretti2, Olivier Maillot2, Olivier Lesouhaitier5 Résumé Les envols de poussières lors des chargements des navires au niveau du terminal céréalier du Port de Rouen posent la question de l’exposition des riverains, en termes de nuisance visuelle (nuages de poussières, dépôts et salissures) mais aussi d’une nocivité éventuelle des particules. L’étude s’efforce d’apporter des éléments de réponse, d’une part sur les concentrations en nombre et en masse, d’autre part sur la granulométrie, et enfin sur le contenu éventuel en pesticides, mycotoxines, et en micro-organismes (bactéries, levures et moisissures) en allant jusqu’à aborder l’évaluation du danger associé à la population bactérienne en proximité des silos céréaliers. Mots-clés particules, silos céréaliers, granulométrie, pesticides, mycotoxines, micro-organismes Abstract Ship loading with food grains emits important amount of particulate matter in the close vicinity of Rouen harbor terminal. The question was to identify beside the visual aspect of emissions (particle wakes, deposits and dirtiness) a potential danger for the populations living in the close vicinity of the harbor terminals involved in food grain ship loading. The study brings information concerning size number and mass distribution of the particles, the particle content for pesticide, mycotoxins and micro-organism flora (bacteria, yeasts and fungi). Bacterial associated danger has been assessed using a dedicated virulence test. Keywords food grain silos, particulate matter size distribution, pesticides, mycotoxins, bacteria, yeasts, fungi (1) Coordinateur - EA4651 – Aliments, Bioprocédés, Toxicologie Environnements, Faculté de médecine-pharmacie, F76000 Rouen (2) Partenaire (3) Partenaire - CERTAM, Centre d’Étude et de Recherche Technologique en Aérothermodynamique et Moteurs, F 76800 – Saint-Étienne-du-Rouvray (4) Partenaire – Air Normand, F-76000 Rouen(5) Partenaire – LMSM (Laboratoire de Microbiologie Signaux et Microenvironnement), université de Rouen, F-27000 Évreux Synthèse de l’étude « Particules urbaines et céréalières, micro-organismes, mycotoxines et Pesticides (PUC2MP) ». (Rapport complet téléchargeable sur le site http://www.airnormand.fr) POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 https://doi.org/10.4267/pollution-atmospherique.759 1 ARTICLES - Recherches 1. Contexte Cette étude s’est intéressée d’un point de vue métrologique et analytique à la qualité des aérosols de poussières émis lors du chargement de navires vraquiers avec des céréales au niveau du terminal céréalier du port de Rouen. Cette activité portuaire conduit à des nuisances visuelles (dépôts de poussières) qui préoccupent la population riveraine sur l’éventuelle nocivité de ces poussières, notamment en termes de contenu en pesticides, de qualité microbiologique et de présence de toxines potentiellement produites par certains micro-organismes. Pour cette étude, des prélèvements en toute proximité du panache de poussières ont été effectués sur trois sites avec l’autorisation des exploitants, de façon à échantillonner d’importantes quantités de poussières, à déterminer leur distribution en taille, en concentrations, en nombre et en masse. Une gamme importante de pesticides (insecticides, herbicides et antifongiques) a été recherchée dans ces prélèvements, ainsi qu’un certain nombre de mycotoxines. D’autre part, l’isolement des bactéries, levures et moisissures présentes dans l’air, a permis une description quantitative et qualitative de ces populations. Une étude de la résistance aux antibiotiques et de la virulence vis-à-vis de Caenorhabditis elegans, modèle toxicologique alternatif, pour les souches bactériennes représentatives de chacun des prélèvements, ont apporté des éléments pour aborder l’évaluation des dangers associés à ces bactéries aéroportées. Il est à noter que l’aspect allergène lié aux constituants des céréales n’a pas été étudié. L’étude n’a pas porté non plus sur les poussières déposées à distance des silos. 2. Typologie des sites de prélèvement et instrumentation Les mesures ont été réalisées sur deux types de sites : • des sites « urbains » de référence qui permettent le suivi de l’exposition moyenne de la population aux phénomènes de pollution atmosphérique dits « de fond » dans les centres urbains. Il s’agit, d’une part, de la station de mesure urbaine CHS d’Air Normand située dans le parc du centre hospitalier psychiatrique à Saint-Étienne-du-Rouvray dans l’agglomération rouennaise (nommé dans ce rapport St-Étienne CHS ou Rouen) et, d’autre part, de l’espace vert situé au sein de l’IUT d’Évreux (nommé dans ce rapport Évreux IUT ou Évreux). • des sites « silos céréaliers à l’émission », situés dans l’enceinte des établissements, dans la zone représentative du niveau maximum de poussières émis lors d’un chargement de navire céréalier. La population exposée est, dans ce cas, celle des travailleurs. Les sites sont nommés dans ce rapport : Silo 1, Silo 2 et Silo 3. 2 Le matériel et les méthodes utilisés tout au long de l’étude sont résumés dans le tableau 1. 3. Résultats 3.1. Granulométrie des particules 3.1.1. Répartition en nombre Les résultats globaux obtenus sur l’ensemble des campagnes sont synthétisés dans la figure 1. On retrouve ici une contribution maximale en nombre des particules dont la taille est comprise entre 2,5 et 10 µm. Cette répartition correspond aux conclusions d’une précédente étude réalisée chez des riverains d’un silo portuaire (Air Normand, rapport n° E, 04-07) 3.1.2. Répartition en masse Les résultats globaux obtenus sur l’ensemble des campagnes sont synthétisés dans la figure 2. Bien que les concentrations en nombre soient très faibles, les concentrations massiques atteignent des niveaux de l’ordre du mg/m3 (en PM40, équivalent TSP). Ceci est lié à la taille importante des particules. Il est intéressant de noter que dans l’environnement industriel céréalier, que ce soit en nombre ou en concentration massique, les fractions de grandes tailles PM10 et TSP représentent les fractions ayant la plus forte contribution par rapport aux PM1 et PM2.5. Ce phénomène est d’autant plus marqué pour la représentation en concentration massique. La fraction PM2.5-10 représente environ 10 % de la masse estimée, la fraction PM10-40 représente environ 90 % de la masse estimée en TSP. 3.2. Résultats des analyses de pesticides Les analyses de pesticides ont été réalisées par le laboratoire Micropolluants Technologies à Thionville selon la norme XP X43-059 (septembre 2007). (Sur 40 substances analysées en 2008, en rapport avec l’activité céréalière ; 42 substances analysées en 2009 en référence à la liste socle des pesticides couramment analysés au niveau national). Durant les campagnes, le classement des pesticides détectés dans les 3 familles (fongicides, herbicides et insecticides) indique une prédominance des insecticides lorsque l’on se trouve en proximité des silos (Figure 3). POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 ARTICLES - Recherches Tableau I. Matériel et méthodes. Equipment and methods. Granulomètre optique (PCS-Palas) Décrire en détail la fraction particulaire correspondant aux poussières céréalières (analyse par comptage) Granulomètre inertiel (ELPI-Dekati) Obtenir un complément d’informations sur la fraction fine et ultrafine des particules (analyse par comptage) Microbalance (TEOM-R&P) Évaluer les concentrations massiques et estimer les répartitions massiques des données PCS Volet pesticides Préleveur haut débit DA 80 Mégatec équipé d’une tête TSP Prélèvements sur filtres en fibre de quartz et mousses polyuréthane selon la norme XP X43-058 (septembre 2007) Volet mycotoxines Préleveur haut débit DA 80 Mégatec En 2008 : tête TSP et PM2.5 microns En 2009 : tête PM10 microns Prélèvements sur filtres en fibre de quartz Volet caractérisation des particules Aérobiocollecteurs à impaction AirTest Omega (LCB-France) Aspiration d’air et impaction des micro-organismes dans un milieu gélosé (OGA et PDA pour levures-moisissures et TSA pour bactéries) Incubation à 30 °C ou 15 °C Volet micro-organismes Isolement des souches numération, identification Recherche des résistances aux antibiotiques des bactéries Étude de cytoxicité des bactéries pour évaluer leur virulence modèle Caenorhabditis elegans Figure 1. Distribution numérique des concentrations particulaires de poussières céréalières en fonction de la taille des particules – résultats moyens campagne PUC2MP. Number distribution of particle concentrations from food grain loading according to the size of particles – campaign PUC2MP, results as means +- standard deviation. POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 Figure 2. Distribution massique des concentrations particulaires en fonction de la taille des particules – campagne PUC2MP, résultats moyens. Mass-distribution of total suspended particle concentrations from food grain loading according to the size of particles – campaign PUC2MP, results as means +- standard deviation. 3 ARTICLES - Recherches (10 prélèvements) (3 prélèvements) Figure 3. Familles de pesticides présentes par type de site (en nombre de détections). Presence of pesticide families by type of site (in number of detections). Figure 4. Concentrations de pesticides par type de site. Pesticide concentrations according to sampling sites. La gamme des concentrations est très nettement supérieure en proximité des silos qu’en milieu urbain (figure 4). 3.2.1. Résultats obtenus en milieu urbain Les mesures effectuées en milieu urbain indiquent nettement • la présence d’herbicides, en particulier la Trifluraline, l’Oxadiazon et la Pendiméthaline (mesurée seulement depuis 2009) ; 4 • la présence d’insecticides : lindane (Gamma HCH) et Chlopyrifosethyl ; • la présence de fongicides (mesurée seulement depuis 2009) : le Chlorothalonil. Tous ces composés sont présents à des concentrations couramment observées en air urbain selon les données de l’atlas des mesures hebdomadaires de pesticides en 2000-2006 réalisé par ATMO France. Et ils ne semblent donc pas être spécifiquement associés à l’activité de chargement de navires céréaliers. POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 ARTICLES - Recherches 3.2.2. Résultats obtenus autour des sites silos céréaliers à l’émission Les mesures effectuées sur les sites des silos dans le nuage de poussières lors du chargement d’un navire céréalier, indiquent nettement : • la présence d’insectides à des concentrations très largement au-dessus des limites de détection. Celui qu’on trouve en quantité la plus importante – à des concentrations comprises entre 18 et 80 ng/ m3 – et le plus fréquemment est le malathion (utilisé pour le stockage des céréales, interdit à la vente depuis 2008, mais autorisé jusqu’à écoulement des stocks), ensuite la deltamethrine sur l’un des sites (Silo 1) en 2008. À titre de référence, le malathion a été mesuré sur des sites de proximité des silos 1, 2 et 3 à Quenneport en mai 2004 et à Dieppedalle en août 2004, chez des riverains qui hébergeaient les appareils de prélèvements. Plusieurs prélèvements ont été faits sur chaque site d’une durée de 2 à 4 jours. Des concentrations de malathion de 1 à 35 ng/m3 ont été enregistrées à Quenneport. Des concentrations de malathion de 1 à 51 ng/m3 ont été enregistrées à Dieppedalle (cf. rapport d’étude numéro 04-07 d’Air Normand) ; • l’absence d’herbicide en grande quantité ; • la présence de fongicides (folpel et chlorothalonil). Les fongicides n’étaient pas analysés en 2008 (mis à part une substance). On dispose donc seulement des prélèvements sur les sites Silo 3 et Silo 2 en 2009. 3.3. Résultats des dosages de mycotoxines Les analyses de mycotoxines ont été réalisées par le laboratoire SGS (Saint-Étienne-du-Rouvray). Il n’a pas été détecté de concentrations de mycotoxines supérieures aux limites de détection analytiques dans les prélèvements effectués au cours de l’année 2008. Ce qui nous avait conduits à n’effectuer que des prélèvements en TSP au cours des campagnes de prélèvements en 2009. Dans le prélèvement réalisé au silo 3 le 24 juin 2009 pour une coupure granulométrique TSP, il a pu être détecté une concentration supérieure aux limites de quantification de la méthode de mesure pour l’Ochratoxine A, avec une concentration de 9 ng/filtre qui correspond à 0,09 ng/m3 d’air compte tenu du volume d’air filtré (99 m3). Cette concentration est nettement plus faible que celle rapportée par Selim et al. (1998) qui a mesuré lors de la récolte et le déchargement de grains de maïs des concentrations en mycotoxines dans l’air comprises entre 5 et 421 ng/m3. Les autres prélèvements n’ont pas permis de détecter des teneurs en mycotoxines supérieures aux seuils de détection ana- POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 lytique. Cette faible présence de mycotoxines dans le panache de poussières céréalières lors du chargement est sans doute le signe d’une bonne conservation des grains au cours du stockage, mais ceci devrait être plus directement confirmé par des analyses directes des mycotoxines d’échantillons de blés. Sur ce point, l’absence de mycotoxines au-dessus du seuil de détection analytique n’a pu être vérifiée que sur un unique échantillon de blé (le 24/06/2009 silo 3), le seul qui a été prélevé directement au cours des campagnes. Ces données pourront être rapprochées des résultats de la flore fongique. 3.4. Résultats pour les micro-organismes • Les analyses dans l’air des levures-moisissures et des bactéries ont été réalisées par le laboratoire LMSM (Laboratoire de Microbiologie Signaux et Microenvironnement) à Évreux. • La population bactérienne est équivalente en concentration à celle des levures-moisissures en hiver dans l’air urbain. Par contre, au niveau des nuages de poussières, la flore bactérienne est globalement plus importante que la flore fongique. Globalement, les concentrations en micro-organismes sont plus importantes dans l’air chargé de poussières céréalières, que dans l’air urbain (figures 5 et 6). De façon générale, il est connu que les moisissures peuvent poser problème à cause des mycotoxines, de leur pathogénie ou de leur pouvoir allergène. Globalement, les genres Penicillium et Cladosporium sont présents sur tous les sites et de façon majoritaire. Concernant les espèces potentiellement problématiques, il y a la présence dans l’air urbain ou au niveau des panaches de poussières d’Aspergillus flavus, et de quelques espèces préoccupantes de Penicillium. Fusarium section Discolor n’a été détecté qu’au niveau d’un silo. Tout d’abord, ces espèces sont capables de produire des mycotoxines à savoir des aflatoxines (Aspergillus flavus), du déoxynivalénol, de la zéaralénone (Fusarium section Discolor) et de l’ochratoxine A (Penicillium). Mais les résultats ont montré que la présence de ces souches n’est que rarement associée avec la présence de mycotoxines dans l’air. D’autre part, Aspergillus flavus est la cause de nombreuses maladies de type respiratoire chez les personnes immunodéprimées. De plus, parmi les genres de moisissures trouvées, Penicillium, Cladosporium, Alternaria et Aspergillus sont responsables d’allergies au niveau respiratoire, mais aucun dosage de molécules allergènes n’a été effectué dans le cadre de cette étude. Au final, pratiquement les mêmes espèces préoccupantes sont globalement présentes dans l’air urbain et en 5 ARTICLES - Recherches Figure 5. Concentration (échelle logarithmique) en levures-moisissures dans l’air urbain (Rouen et Évreux) et dans l’air au niveau des silos, pour les campagnes II et III. Concentration (logarithmic scale) yeasts-mildew in urban air (Rouen and Évreux) and in air at the level of silos, for campaigns II and III. Figure 6. Concentrations dans l’air (UFC/m3 en échelle logarithmique) de la flore bactérienne totale, des bactéries à Gram+ et des bactéries à Gram- en milieu urbain (Évreux et Rouen) ou au niveau des silos. Concentration in air (UFC/m3 in logarithmic scale) of the total bacterial flora, Gram+ and Gram- strains in urban air (Évreux and Rouen) or at the level of silos. 6 POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 ARTICLES - Recherches proximité des silos, mais elles se trouvent en concentrations plus élevées au niveau de ces derniers. La différence entre l’air urbain et l’air au niveau des panaches réside donc essentiellement dans une augmentation du risque causée par une concentration microbienne plus élevée, mais ce risque reste dans les deux cas difficile à quantifier. Pour les levures, aucune espèce pathogène stricte n’a été mise en évidence, ni aucune espèce opportuniste préoccupante. Pour la flore bactérienne, le groupe majoritaire est celui des bacilles à Gram + non sporulants et à catalase + sur tous les sites et quelle que soit la saison, à l’exception du silo 3. Pour ce dernier, les prélèvements ont été effectués plus au cœur du panache de poussières que pour les deux autres silos. De fait, la composition bactérienne de l’air est modifiée par la présence des nuages de poussières céréalières, d’où une augmentation de la proportion d’entérobactéries, quelle que soit la saison. Les entérobactéries sont associées aux céréales augmentant ainsi leur prépondérance au niveau des panaches de poussières à proximité des silos (Tableau II). Selon la température d’incubation utilisée pour la croissance des souches bactériennes prélevées dans l’air, une flore différente est sélectionnée, la température de 15 °C favorisant la présence des bactéries du genre Pseudomonas. L’utilisation de milieux sélectifs a permis de détecter la présence de certaines espèces potentiellement pathogènes comme Bacillus cereus et Staphylococcus aureus. La recherche des résistances aux antibiotiques a mis en évidence que la majorité des souches (85 %) possèdent moins de trois résistances, ce qui n’est pas alarmant. Toutefois, aussi bien au niveau urbain qu’au niveau des silos, quelques souches de Pseudomonas ou d’entérobactéries présentent des résistances acquises, de même il a été trouvé des souches multirésistantes de Staphylococcus aureus. Les tests de virulence sur C elegans ont mis en évidence que toutes les souches testées présentent une virulence intermédiaire, à l’exception de quelques souches qui sont moins virulentes qu’E. Coli OP50, le témoin de non-virulence (figure 7). De même, les souches les plus virulentes s’avèrent significativement moins virulentes que le témoin de virulence Pseudomonas aeruginosa PAO1, qui est un pathogène opportuniste de référence. Il a été également mis en évidence que ni l’origine des souches (Rouen, Évreux ou les silos), ni la saison de récolte, ni le groupe bactérien auquel elles appartiennent n’a d’impact sur la virulence. D’autre part, la virulence ne semble pas être corrélée à la résistance aux antibiotiques. Enfin, le test sur C. elegans d’une culture globale de la population bactérienne récoltée lors du prélèvement apparaît constituer un bon indicateur de la virulence de l’ensemble des souches prélevées. Et les plus fortes concentrations en pesticides observées dans les nuages de poussières céréalières ne semblent pas avoir d’impact sur la virulence bactérienne qui reste équivalente, quelle que soit l’origine des souches. Donc, nous pouvons émettre l’hypothèse d’après l’étude de virulence sur les souches représentatives, que les populations bactériennes prélevées au niveau des silos ne présentent pas un danger plus important que celui de l’air urbain. Toutefois, comme pour les moisissures, la concentration plus importante au niveau des silos augmente vraisemblablement le risque. Tableau II. Fréquence moyenne toutes saisons confondues des groupes bactériens les plus représentés dans les populations bactériennes urbaines ou des panaches (température d’incubation de 30 °C). Mean frequency of most represented bacteria groups in bacterial populations isolated from the urban air and the wakes of cereal loadings (temperature of incubation of 30 °C). Groupes majoritaires Bacilles à Gram + catalase + non sporulant Bacilles à Gram – non fermentaires oxydase – Bacilles à Gram – non fermentaire oxydase + (Pseudomonas) Bacilles à Gram + sporulant Entérobactéries Air urbain Air au niveau des panaches Fréquence moyenne Exemples de genres ou d’espèces Fréquence moyenne Exemples de genres ou d’espèces 42 % Leifsonia, Arthrobacter 27 % Leifsonia, Clavibacter 12 % Acinetobacter 17 % Pseudomonas syringae 9 % Pseudomonas fluorescens 10 % Pseudomonas fluorescens 9 % Bacillus licheniformis 3 % Bacillus thurengiensis 7 % Serratia odorifera 30 % Pantoea agglomerans POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013 7 ARTICLES - Recherches Figure 7. Cytotoxicité des bactéries les plus virulentes issues des prélèvements faits en zone urbaine (bleu) ou au niveau des silos (rose) ; E : été ; H : hiver. Standard virulent (PAO1) ; Leifsonia xyli subsp xyli ; Arthrobacter chlorophenol ; Serratia odorifera ; Herminiimonas arsenicoxydans ; standard avirulent ; Erwinia tasmaniensis ET1 ; Erwinia tasmaniensis ET1 ; Pseudomonas syringae. Bacterial cytotoxicity of the most virulent strains collected from urban samples (blue) or from silo samples (pink); E: summer; H: winter. 4. Conclusion Générale En conclusion de ces travaux, bien que les concentrations de particules céréalières puissent être très élevées en toute proximité du panache de poussières au cours du chargement de bateaux au niveau des silos céréaliers, il ne nous a pas été possible de mettre en évidence un danger spécifique lié à une présence préoccupante de mycotoxines, ou d’une flore bactérienne ou fongique particulière. La seule réserve concerne les concentrations microbiennes plus importantes au niveau des nuages de poussières, qui est susceptible d’augmenter le risque par rapport à l’air urbain. En ce qui concerne la présence de pesticides ajoutés par les exploitants en vue de la conservation des céréales, les données toxicologiques disponibles ne permettent pas de conclure sur les risques aigus ou chroniques associés à leur usage. Les résultats obtenus en granulométrie confirment que les particules céréalières se situent en nombre 8 très majoritairement dans la fraction supérieure à 2,5 µm et en masse dans la fraction supérieure à 10 µm. Ces fortes tailles confèrent à ces particules la propriété d’être assez faiblement inhalables et donc d’en limiter à ce titre l’impact sanitaire éventuel en tant que particules inhalées. Les phénomènes de dilution des panaches apparaissent assez rapides et comme l’ont montré les résultats des campagnes de mesures effectuées par le réseau Air Normand, en zones riveraines des silos, des dépassements occasionnels de la valeur limite journalière de 50 µg/m3 ont pu être observés en zone urbaine pour les PM10 en relation avec l’activité de chargement des céréales. La valeur limite de la directive européenne qui impose de ne pas dépasser ce seuil plus de 35 jours par an, bien qu’approchée, est à ce jour respectée selon les études effectuées par le réseau Air Normand. Toutefois un suivi régulier des PM10 semble devoir être recommandé sur les sites riverains pour vérifier régulièrement la conformité des résultats de mesures aux directives européennes. POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE N° 217 - JANVIER-MARS 2013
