Impacts de métaux et métalloïdes sur la santé humaine

La principale voie d’exposition aux métaux chez l’homme est l’inhalation (Braakhuis

et al., 2014 ; Diaz et Dominguez, 2009 ; Goix et al., 2011 ; Sun et al., 2014 ; Uzu et al.,

2011b). Cependant, les métaux peuvent aussi bien contaminer les sols, les eaux, et les aliments, et être ainsi ingérés par l’homme en entrant dans la chaîne alimentaire (Bermudez

2012 ; Liu et al., 2010a et b ; McBride et al., 2014 ; Nabulo et al., 2010). Une fois inhalés ou ingérés, les métaux s’accumulent dans les organismes vivants et peuvent avoir des effets toxiques à court et à long terme. Chez l’homme, ils peuvent affecter le système nerveux, les fonctions rénales, hépatiques, respiratoires, ou autres. Certains, comme le cadmium, l’arsenic, le nickel et le chrome hexavalent (Cr(VI)) sont cancérigènes. Les effets toxiques des principaux métaux émis dans l’environnement sont présentés dans le Tableau 1.

1.3.1.

Importance des paramètres physico-chimiques des

particules pour l’évaluation des risques sanitaires

Chez l’homme, la taille des particules va influencer leur degré de pénétration dans les poumons (Braakhuis et al., 2014 et références incluses ; Steenhof et al., 2011 ; Strak et al., 2012 ; Valavanidis et al., 2008). Les particules les plus grosses (> 10 µm) sont retenues par les voies aériennes supérieures (nez, gorge), elles ne pénètrent pas dans l'appareil respiratoire et peuvent donc être facilement évacuées. Les particules de diamètre compris entre 2,5 et 10 µm atteignent les parties supérieures du système respiratoire et peuvent être éliminées par filtration des cils de l'arbre respiratoire et la toux. Les particules les plus fines (< 2,5 µm) sont capables de pénétrer au plus profond de l'appareil respiratoire, elles atteignent les voies aériennes terminales, voire le système alvéolaire lorsque leur diamètre est inférieur à 1 µm et peuvent passer dans le système sanguin pour les particules qualifiées d’ultrafines (< 0,1 µm). Elles sont en grande partie responsables de l’irritation des voies respiratoires, de l’altération de la fonction respiratoire surtout chez l’enfant et les personnes âgées, de l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des crises d’asthmes chez des sujets asthmatiques, de problèmes cardio-vasculaires, d’une augmentation de décès prématurés, d’une diminution de l’espérance de vie (Braakhuis et al., 2014 et références incluses). Ainsi, plus une particule est fine, plus elle va pénétrer profondément dans les voies respiratoires (Zhang et al., 2005) et donc avoir un impact important sur la santé. De plus, la surface spécifique des particules est accrue lorsque leur taille diminue et elles présentent alors une réactivité plus importante (Cassee et al., 2013 ; Goix et al., 2014 à titre d’exemples).

La granulométrie des particules est donc une des caractéristiques majeures régissant leur toxicité potentielle. C’est pourquoi, les techniques de réduction des émissions pouvant être mises en œuvre sont majoritairement basées sur la granulométrie des particules. Ainsi, les particules de taille importante (PM10 et PM2.5) peuvent être éliminées par des techniques utilisant des principes mécaniques (filtres en sortie de cheminées, cyclones, chambres de décantation, séparateurs mécaniques...). En revanche, afin de réduire les émissions liées

aux particules les plus fines (PM1 principalement), des techniques plus poussées, telles que les électrofiltres et les filtres à manches, doivent être mises en place.

Seulement, la mise en place et l’entretien de ces dispositifs sont très coûteux et leur efficacité n’est pas toujours optimale. Par exemple, l’efficacité des électrofiltres et donc le pouvoir de captage des particules dépend en partie de la résistivité des particules et donc de leur nature chimique. Cependant, la spéciation des métaux et métalloïdes composants les particules est également un paramètre important à prendre en compte dans le cadre de l'évaluation des risques. En effet, la forme chimique d'un élément va conditionner son pouvoir toxique, sa disponibilité et son accessibilité dans l'organisme. L'étude complète et détaillée de la composition physico-chimique des particules est donc nécessaire afin de prédire les risques associés à leur inhalation ou ingestion.

La détermination des paramètres physico-chimiques des PM ainsi que leur variabilité temporelle et spatiale nécessite des campagnes de mesure qui font appel à des méthodes de prélèvement dites actives (Geng et al., 2010 et 2011 ; Hu et al., 2015 ; Jung et al., 2014 ; Maskey et Ro, 2011 ; Riffault et al., 2015 ; Sanderson et al., 2014 et références incluses ; Sobanska et al., 2006 et 2014 ; Sun et al., 2014 ; Uzu et al., 2011a ; Worobiec et al., 2010 ; Zhou et al., 2014).

33

Tableau 1. Toxicité des principaux métaux (Sirven, 2007).

1.3.2.

Méthodes de prélèvement et de caractérisation des particules

et évaluation des risques sanitaires

Le prélèvement des particules en suspension s’effectue soit par filtration, soit par impaction.

Les prélèvements par filtration font appel à la combinaison de plusieurs dispositifs :

 une tête de prélèvement (permettant ou non de sélectionner en taille les particules entrantes) ;

 un support de collecte (filtre ou membrane) ;

 un système de pompage à haut débit (typiquement de l’ordre de quelques dizaines de m3_{/h ou plus) ou bas débit (de l’ordre du m}3_{/h), généralement couplé à un système de} régulation (débitmètre massique ou volumétrique).

Le choix de chacune des parties qui composent le préleveur est lié aux objectifs fixés pour les campagnes.

Les impacteurs en cascade permettent de sélectionner les particules en fonction de leur diamètre aérodynamique. L’efficacité d’impaction est de 50 % par plateau et dépend du nombre de Stokes (voir chapitre 2) en faisant varier la vitesse du flux d’air et/ou la taille des orifices d’introduction des plaques successives. Ces impacteurs sont capables de séparer des gammes granulométriques spécifiques (particules grossières, fines, ultrafines voire nanométriques), particulièrement intéressantes dans le cadre d’études d’impact des particules sur la santé. Le choix judicieux du support (filtres en fibre de verre ou de quartz, membranes en nitrate ou acétate de cellulose, en téflon ou en polycarbonate, lames de verre ou de silice amorphe pure, lames de silicium ou d’argent…) permet de s’affranchir des problèmes de contamination et d’éviter les possibles interférences liées aux éléments composant les supports lors des analyses.

Ainsi prélevées, le nombre, la taille, la forme ainsi que les compositions élémentaire et moléculaire des particules et de leur surface peuvent être déterminées a posteriori par l'utilisation de nombreuses techniques d'analyses (MEB-EDX, microspectrométrie Raman, ToF-SIMS…) qui ont été récemment décrites dans la littérature (Riffault et al., 2015). Un exemple de caractérisation de particules métalliques est présenté Figure 4.

Figure 4. Caractérisation des espèces métalliques contenues dans les aérosols atmosphériques prélevés en été 2012 à Pékin par TEM et analyses d’image (Hu et al., 2015).

L'évaluation des risques peut être effectuée par l'utilisation de modèles mathématiques de calculs (par exemple le Risk Assessment Information System RAIS développé par l'Agence américaine de protection de l'environnement US EPA) permettant d'estimer les doses inhalées ainsi que les quantités de particules pouvant se déposer dans les divers compartiments (trachée, bronches, alvéolaires pulmonaires, organes…) (Buonnano et al., 2013 ; Diaz et Dominguez, 2009; Goix et al., 2014 ; Kim, 2009 ; Sun et al., 2014). La mise en place de tests biologiques permettant de mesurer la bioaccessibilité gastrique in vitro des particules (protocole BARGE), leur cytotoxicité pulmonaire in

vitro ainsi que leur potentiel oxydatif en fonction de la concentration en métaux ou métalloïdes et de

leur spéciation (Cave et al., 2006 ; Goix et al., 2014 ; Hsieh et Liao, 2014 ; Janssen et al., 2014 ; Perrone et al., 2010 ; Schwarze et al., 2007 ; Steenhof et al., 2011 ; Uzu et al., 2011b ; Yang et al., 2014) sont des outils appropriés pour appuyer et/ou renforcer ces modèles.

Outre l'inhalation, la consommation de végétaux contaminés par des particules riches en métaux et métalloïdes peut également représenter un risque significatif pour la santé humaine.