Influence des mélanges complexes organiques sur le sort des dioxines et furanes : implications dans le développement de facteurs de caractérisation en analyse du cycle de vie

Les dioxines et furanes ou polychlorodibenzo-p-dioxines et -furanes (PCDD/Fs) s'échappant des poteaux en bois traités à l'huile au pentachlorophénol (PCP) ont un devenir environnemental modifié par l'huile. Les interactions entre co-contaminants, qui existent pour de multiples autres polluants contenus dans des mélanges, ont été montrées dans des contextes spécifiques d'analyse de risque mais n'ont jamais été intégrées pour des contextes plus génériques comme celui de l'Analyse du Cycle de Vie (ACV). Cet outil d'aide à la décision fait appel à des Facteurs de Caractérisation (FC) afin d'estimer les impacts potentiels d'une quantité émise d'un polluant dans diverses catégories d'impacts comme l'écotoxicité aquatique ou la toxicité humaine. Or pour ces deux catégories d'impact par exemple, les FC sont calculés à partir d'une chaine de cause à effet modélisant le devenir environnemental, l'exposition et les effets du polluant (chacune des étapes étant représentée respectivement par une matrice de devenir FF, d'exposition XF, et d'effet EF), ce qui veut dire qu'une modification du devenir des PCDD/Fs par l'huile au PCP engendre nécessairement une modification de leurs FC. Ainsi, la question de recherche est la suivante : « En Analyse du Cycle de Vie des Impacts (ACVI), dans quelles proportions les impacts potentiels des PCDD/Fs pour l'écotoxicité aquatique et pour la toxicité humaine changeront-ils lorsque l'influence d'un mélange complexe organique sur leur devenir est prise en compte? » L'objectif principal du projet est donc de développer des FC pour les PCDD/Fs quand leur devenir dans l'environnement est influencé par l'huile au PCP afin de les comparer avec les FC des PCDD/Fs sans huile au PCP pour les catégories d'impact écotoxicité aquatique et toxicité humaine. Pour ce faire, il s'agira tout d'abord de proposer une approche mathématique afin de représenter la nouvelle distribution environnementale des PCDD/Fs en présence de l'huile, puis à partir de cette nouvelle distribution, une nouvelle matrice FF' des PCDD/Fs est calculée pour obtenir ces nouveaux FC'. Les FF' et FC' sont alors comparés aux FF et FC des PCDD/Fs sans huile. Finalement, les impacts potentiels (éco)toxiques des émissions canadiennes de PCDD/Fs sont calculés avec l'utilisation des nouveaux FC' des PCDD/Fs en présence de l'huile au PCP. D'une part, le 2,3,7,8-TCDD a été choisi comme proxy pour représenter les PCDD/Fs contenus dans le PCP et d'autre part, 17 fractions organiques issues de la littérature ont été choisies pour représenter l'huile. La modélisation de la nouvelle répartition du 2,3,7,8-TCDD avec l'huile s'est basée sur les résultats de la littérature qui indiquent que les PCDD/Fs ont une très forte affinité pour l'huile de telle sorte qu'ils sont transportés dans son devenir jusqu'à sa dégradation quand ils se retrouvent ensemble dans le sol. Du fait de la très forte lipophilicité des PCDD/Fs, ce comportement de vecteur transport de l'huile a alors été extrapolé pour tous les compartiments environnementaux. L'approche se divise en deux étapes : à la première étape, le 2,3,7,8-TCDD suit exactement la distribution environnementale de l'huile, et une fraction de 2,3,7,8-TCDD s'élimine avec l'huile, tandis qu'à la deuxième étape, la fraction de 2,3,7,8-TCDD non éliminée se redistribue dans l'environnement sans la présence de l'huile avant de s'éliminer ultimement. Le modèle multimédia USEtox permet de savoir comment le 2,3,7,8-TCDD (sans huile) et chacune des fractions organiques se répartissent dans l'environnement. À chaque étape, il est possible de connaitre la fraction de 2,3,7,8-TCDD qui a été éliminée des compartiments environnementaux que ce soit par un mécanisme d'enlèvement (lixiviation, transfert vers la stratosphère, sédimentation) qui fait sortir le polluant du système ou par un mécanisme de dégradation. On définit alors D'TCDD,i,j la fraction totale d'élimination du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour une émission dans i et une réception et une élimination dans j, soit la somme des fractions de 2,3,7,8-TCDD éliminées aux deux étapes. En déterminant D'TCDD, il est possible d'en déduire la nouvelle matrice de devenir FF'TCDD du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile. Ce projet négligeant toute influence de l'huile sur l'exposition et les effets du 2,3,7,8-TCDD, la multiplication des matrices FF', XF et EF (ces deux dernières étant données par USEtox pour le 2,3,7,8-TCDD sans huile) permet de déterminer les FC' du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour les catégories d'impact écotoxicité aquatique et toxicité humaine. L'approche est appliquée au 2,3,7,8-TCDD pour chacune des 17 fractions organiques influentes en les considérant séparément les unes des autres. Une analyse de sensibilité sur la base de deux scénarios a ensuite été proposée afin de tester l'influence des hypothèses de modélisation les moins robustes en proposant des hypothèses possiblement plus proches de la réalité d'après la littérature. Le premier scénario concerne la cinétique de dégradation du 2,3,7,8-TCDD en présence d'huile puisque des études ont montré qu'elle pouvait changer lorsque les PCDD/Fs se retrouvaient dans des solvants organiques alors que le modèle de base ne tient pas compte de cette influence de l'huile sur la cinétique de biodégradation faute de données disponibles pour quantifier l'ampleur de cette influence. Les constantes de dégradation du 2,3,7,8-TCDD dans l'air et dans l'eau ont donc été augmentées de 50% tandis que celle dans le sol a été diminuée de 50%. Le deuxième scénario s'intéresse à l'entrainement du 2,3,7,8-TCDD vers l'air par l'huile car les résultats montrent que ce mécanisme est non négligeable selon le modèle, mais la littérature ne permet ni de confirmer ni d'infirmer que ce mécanisme a bel et bien lieu dans les faits. Les constantes de transfert des compartiments non-aériens vers les compartiments aériens des fractions organiques ont alors été divisées par deux afin de simuler un moindre entrainement des PCDD/Fs par les fractions organiques. Les FC engendrés par ces scénarios sont comparés à ceux du scénario avec les hypothèses par défaut. La démarche proposée avec les hypothèses par défaut a ensuite été réappliquée au 1,2,3,6,7,8-HexaCDD, une dioxine présente dans le PCP, afin de s'assurer de la cohérence du choix du 2,3,7,8-TCDD comme proxy. Finalement, ces nouveaux FC' du 2,3,7,8-TCDD tenant compte de l'influence de l'huile ont été appliqués à l'inventaire des émissions de PCDD/Fs du Canada en 2001 comme cas d'application. Ainsi, si on ne s'intéresse qu'à une émission dans l'air, l'eau douce et le sol naturel à l'échelle continentale, les fractions totales d'élimination du 2,3,7,8-TCDD change significativement. Dans les trois cas, on remarque une augmentation du pourcentage de 2,3,7,8-TCDD se transférant et s'éliminant dans l'air continental du fait de l'entrainement par les fractions organiques vers ce compartiment : pour une émission dans l'air continental, les fractions organiques augmentent la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'air continental de 29% à 49% au plus. Pour une émission dans l'eau douce continentale, le devenir du 2,3,7,8-TCDD est influencé par deux groupes de fractions organiques: les plus légères qui se volatilisent vers l'air continental – la fraction totale d'élimination du 2,3,7,8-TCDD dans le compartiment d'air continental passant de 2% à 35% –, et les plus lourdes qui dans le compartiment d'émission s'enlèvent principalement par sédimentation – augmentant la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'eau douce continentale de 87% à 96% au plus. Enfin pour une émission dans le sol naturel, seules les fractions aliphatiques et les oléfines augmentent la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'air continental (jusqu'à 28%) au détriment des 99% de 2,3,7,8-TCDD censés s'éliminer dans le sol naturel quand l'huile est absente. Pour une même fraction organique influençant le devenir du 2,3,7,8-TCDD, les FC'tox et FC'eco du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour une émission dans l'eau douce continentale sont les plus élevés (jusqu'à 1,2E+07 PAF.m3.j/kg et 227 cas/kg respectivement) alors que ceux pour une émission dans le sol naturel continental sont les moins élevés (respectivement 5,3E+04 PAF.m3.j/kg et 24,3 cas/kg). Les résultats du premier scénario indiquent une diminution de l'ordre de -20% des FC' du 2,3,7,8-TCDD en présence de l‘huile par rapport aux FC' du scénario par défaut pour toute émission. Le deuxième scénario engendre des changements non significatifs pour une émission dans l'air continental, mais une augmentation de 20% en moyenne de tous les FC' pour une émission dans l'eau douce continentale et une diminution de l'ordre de -25% pour une émission dans le sol naturel continental comparé aux FC' du scénario par défaut. L'application de la démarche sur le 1,2,3,6,7,8-HexaCDD donne des résultats similaires dans la variation des fractions totales d'élimination et des FC avec l'intégration de l'huile en comparaison avec les variations pour le 2,3,7,8-TCDD. Cela étant, si les variations des FC suivent les mêmes tendances (augmentation des FC pour une émission dans le sol naturel continental par exemple), la plus faible volatilité du 1,2,3,6,7,8-HexaCDD entraine des ratios plus élevés entre les FC' intégrant l'influence de l'huile et les FC sans huile. Enfin, la variation des impacts potentiels en écotoxicité aquatique et en toxicité humaine des émissions de PCDD/Fs au Canada en 2001 à l'aide des FC du 2,3,7,8-TCDD sans huile et des FC' du 2,3,7,8-TCDD avec huile est négligeable car la variation des FC ne vient pas contrebalancer la faible contribution des poteaux traités au PCP dans les émissions globaux de PCDD/Fs. Ainsi une approche a été proposée pour reproduire le comportement de vecteur transport de l'huile vis-à-vis des PCDD/Fs. Les impacts potentiels des PCDD/Fs en présence d'huile en écotoxicité aquatique et en toxicité humaine changent jusqu'à deux ordres de grandeur dépendamment du compartiment émetteur (excepté l'eau de mer et l'océan). Le 2,3,7,8-TCDD étant l'un des polluants les plus toxiques, ces changements sont significatifs en ACV. Pour analyser la validité des résultats du modèle, il est recommandé de mener des expériences en laboratoire sur la volatilisation des PCDD/Fs avec l'huile. Par ailleurs, il peut être intéressant d'intégrer l'influence du PCP sur le devenir des PCDD/Fs, mais aussi l'influence de tout contaminant sur l'exposition et ses effets. Afin de rendre les FC' utilisables, il faudrait alors pondérer d'un côté les 17 FC' pour l'écotoxicité aquatique et d'un autre côté les 17 FC' pour la toxicité humaine pour avoir un unique FC pour chacune des deux catégories d'impact, mais la méconnaissance et la variabilité de la composition de l‘huile rendent difficile cette pondération. Faute de mieux, il est suggéré de faire une moyenne arithmétique des FC'. Finalement, il est possible de refaire cette démarche pour d'autres polluants connus pour être transportés par un mélange complexe organique afin d'avoir une caractérisation plus juste de leurs impacts.