Intégrer la spéciation des métaux en écotoxicité terrestre pour l'analyse du cycle de vie : le cas du zinc

L'analyse du cycle de vie (ACV) est une méthode comparative globale qui vise à déterminer les impacts environnementaux d'un produit, service ou procédé. Dans cette méthode des scores d'impacts obtenus pour chacune des catégories d'impacts considérées (ex. changements climatiques, occupation des terres, toxicité humaine et écotoxicité) en multipliant la masse totale d'une substance par un facteur de caractérisation (FC) correspondant sont comparés. Ces facteurs, propres à chaque substance et à chaque catégorie d'impacts sont issus de la modélisation. Pour la catégorie d'impact écotoxicité, les modèles tiennent compte du devenir de la substance émise dans différents compartiments environnementaux et de l'effet écotoxique de cette substance sur des récepteurs écologiques en découlant. L'évaluation des impacts écotoxicologiques des métaux pose problème en ACV, puisque les modèles développés initialement pour les composés organiques sont appliqués sans distinction aux métaux, alors que leurs propriétés diffèrent grandement. En effet, contrairement aux composés organiques, les métaux se répartissent sous plusieurs formes en fonction des conditions physicochimiques de l'environnement. Cette spéciation détermine la fraction biodisponible qui est susceptible d'engendrer un effet écotoxique. Or la spéciation des métaux n'est pas prise en compte dans les modèles en ACV, ce qui engendre une domination des impacts liés aux métaux en écotoxicité non reliée à une toxicité réelle. En réponse à cela, les analystes ACV tendent à écarter les émissions de métaux ou les impacts écotoxicologiques de leurs résultats, entraînant, par le fait même, un sérieux problème de crédibilité. Dans la dernière décennie, les lacunes de l'ACV concernant le traitement des métaux ont été reconnues par deux groupes de travail de l'initiative sur le cycle de vie du Programme des Nations Unies pour l'Environnement (PNUE) et de la Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC). Ces groupes ont notamment proposé un cadre méthodologique permettant d'inclure la spéciation des métaux dans les eaux douces dans la définition du FC en insérant un facteur de biodisponibilité (FB), qui représente la fraction biodisponible obtenue par l'utilisation d'un modèle géochimique de spéciation, et en tenant compte de la variabilité spatiale des paramètres physicochimiques influençant la spéciation par la création d'archétypes d'eaux douces de mêmes propriétés. Ces recommandations ont permis l'obtention de FC pour l'écotoxicité aquatique des eaux douces regroupées en 7 archétypes pour 14 métaux cationiques. vi L'utilisation de modèle géochimique de spéciation n'est pas forcément applicable aux sols, les modèles étant développés pour les milieux aquatiques et les hypothèses ne s'appliquant pas nécessairement à des milieux aussi hétérogènes que les sols. De plus, la complexité des sols et l'interconnexion des paramètres physicochimiques d'influence peuvent compliquer l'utilisation d'archétypes. Pour cette raison, une autre méthode, soit l'emploi de relations empiriques pour obtenir le FB, a été proposée pour les sols pour intégrer la spéciation du nickel (Ni) et du cuivre (Cu) dans les FC. Or, les relations empiriques sont généralement applicables uniquement aux sols ayant servi à les obtenir, ce qui limite leur généralisation et leur applicabilité dans une méthode globale comme l'ACV. De plus, la définition d'archétypes de sols n'a pas encore été testée pour ce contexte. L'objectif de ce projet est donc de générer des nouveaux FC régionalisés pour le zinc (Zn) qui tiennent compte de la spéciation pour l'écotoxicité terrestre. Le projet vise à remplir les objectifs spécifiques suivants : 1. Déterminer la biodisponibilité du Zn dans les sols à l'échelle globale avec des données sur les sols limitées à celles présentes dans les bases de données mondiales sur les sols. 2. Calculer des FCs régionalisés pour le Zn qui illustrent à la fois la variabilité spatiale de la biodisponibilité du Zn et qui puissent être directement intégrés aux méthodes ACV. 3. Tester l'importance d'intégrer la spéciation de Zn en écotoxicité terrestre en ACV en réalisant une étude de cas. Le Zn a été choisi dans ce projet notamment parce qu'il est l'un des principaux contributeurs à l'empreinte écologique du Canada et du monde pour l'écotoxicité terrestre et aussi en raison de la disponibilité des données de terrain sur sa spéciation dans les sols. 1. Calculer la fraction biodisponible de Zn à l'échelle globale avec des données limitées sur les sols Le premier objectif spécifique de ce projet visait à obtenir la biodisponibilité du Zn dans les sols à l'échelle globale en utilisant uniquement les propriétés physicochimiques des sols disponibles dans les bases de données mondiales sur les sols. En ACV, les émissions de métaux pouvant se produire partout dans le monde, il est nécessaire d'utiliser une méthode cohérente à l'échelle mondiale. Cet objectif a mené à la rédaction du premier manuscrit intitulé “Assessing the variability of the bioavailable fraction of zinc at the global scale using geochemical modeling and soil archetypes” publié dans la revue The International Journal of Life Cycle Assessment vii (chapitre 3)[1]. La fraction biodisponible du Zn y est déterminée pour l'ensemble des sols du monde en utilisant le modèle géochimique de spéciation WHAM 6.0 (Windermere humic aqueous model) et la base de données Harmonized World Soil Database (HWSD). La première étape consistait à valider avec des données de terrain l'applicabilité du modèle WHAM 6.0 pour les sols en utilisant uniquement les propriétés des sols disponibles à l'échelle globale, soit le pH du sol, la capacité d'échange cationique (CEC), le contenu en matière organique (OM) et en carbonates et la texture du sol. Cette méthode a été comparée avec l'utilisation de relations empiriques. Les résultats associés à cet objectif, présentés au chapitre 3, indiquent qu'il a été possible de prédire la fraction biodisponible du Zn avec une incertitude en deçà de 2 ordres de grandeur pour une majorité de sols en comparaison avec des données de terrain, les prédictions étant dans le même ordre de grandeur pour 41% des échantillons. Les estimations obtenues grâce au modèle WHAM 6.0 se sont avérées plus proches des valeurs mesurées en termes de valeur et de rang que celles déterminées avec des régressions empiriques. Les FB obtenus pour les sols du monde présentent une variabilité de 6 ordres de grandeur lorsque le Zn soluble est considéré comme étant la fraction biodisponible et de 18 ordres de grandeur en utilisant le Zn vraiment dissout (ions et paires d'ions). Les sols du monde ont été regroupés en 231 archétypes définis à partir de propriétés clés influençant la spéciation du Zn qui sont disponibles à grande échelle (texture, pH, CEC, contenus en OM et en carbonates) afin d'évaluer l'étendue du processus de validation. Les données de terrain utilisées pour valider l'utilisation du modèle WHAM 6.0 dans ce contexte couvrent 29 archétypes et représentent 25% des unités de sols de la HWSD. Il a été possible de conclure que l'utilisation du modèle WHAM 6.0 semble fournir une estimation de la fraction biodisponibleplus représentative de la réalité que les régressions empiriques, que le Zn soluble calculé avec le modèle WHAM 6.0 constitue un indicateur plus fiable que le Zn vraiment dissout pour la fraction biodisponible et que, vu l'étendue du processus de validation, cette méthode semble intéressante pour étudier la biodisponibilité du Zn à grande échelle dans les sols. 2. Obtenir des FC régionalisés pour le Zn qui tiennent compte de la spéciation Suite à cette étape, les FB ont été intégrés dans le calcul des FC pour le Zn pour l'écotoxicité terrestre et le niveau de régionalisation requis pour représenter adéquatement la variabilité spatiale des FC a été défini. Ceci a mené à la rédaction du deuxième manuscrit intitulé viii “Characterization factors for zinc terrestrial ecotoxicity including speciation” soumis à la revue The International Journal of Life Cycle Assessment (chapitre 4). Tout d'abord, des facteurs de devenir (FD) ont été déterminés à partir du modèle USEtox et de coefficients de partition (Kd) spécifiques obtenus avec le modèle WHAM 6.0. Puis, des facteurs d'effet (FE) ont été calculés en utilisant la méthode AMI (Assessment of mean impact) avec des données écotoxicologiques terrestres (EC50) disponibles dans les bases de données écotoxicologiques. Pour ce faire, plusieurs scénarios ont été testés afin de rester le plus cohérent possible avec les FB malgré le manque de précision associé aux données écotoxicologiques, notamment en ce qui a trait aux sols utilisés pour les tests écotoxicologiques. La définition des archétypes de sols établie à l'étape antérieure a été précisée afin de mieux représenter la variabilité spatiale des FC obtenus et pour obtenir une résolution spatiale plus facile à gérer pour l'ACV. Afin de prendre en compte aussi les cas où les lieux d'émissions ne sont pas connus, comme c'est souvent le cas en ACV, des valeurs génériques de FC ont été obtenues en utilisant la densité de population comme proxy d'émission de Zn. Les résultats sont ensuite représentés sous forme de carte du monde pour faciliter leur utilisation. Les résultats, présentés au chapitre 4, indiquent qu'une valeur générique de FC pourrait être suffisante pour représenter l'ensemble des sols du monde lorsque le FB est défini en termes du Zn soluble, les FC se situant tous dans un intervalle de 1,76 ordre de grandeur. Ceci n'est pas le cas lorsque le Zn vraiment dissout est utilisé, les FC variant de 14 ordres de grandeur (5,45 ordres de grandeur pour un intervalle de confiance de 95%) pour les sols du monde. Afin de représenter cette variabilité spatiale, les sols ont été groupés en 518 archétypes, la condition pour définir un archétype étant de présenter une variabilité des FC à l'intérieur d'un même archétype inférieure à deux ordres de grandeur. Cette condition est respectée pour 83% des archétypes (85% avec un intervalle de confiance de 95%). Pour faciliter la gestion des archétypes, 13 groupes d'archétypes ont été créés en fonction de la valeur médiane des FC pour chaque archétype. Les valeurs génériques calculées avec le proxy d'émissions sont de 4,7 PAF·m3·d·kg-1 (PAF : potentially affected fraction of species) pour le Zn soluble et 1,45 PAF·m3·d·kg-1 pour le Zn vraiment dissout, ces valeurs étant respectivement 27 et 88 fois plus faibles que le FC terrestre pour le Zn dans IMPACT 2002 (128 PAF·m3·d·kg-1) et utilisé actuellement. Les conclusions de ce manuscrit sont que l'inclusion de la spéciation du Zn permet d'obtenir des FC inférieurs d'environ 2 ordres de grandeur aux FC actuellement utilisés. ix 3. Déterminer l'importance d'inclure la spéciation du Zn en écotoxicité terrestre en ACV Le troisième objectif était de déterminer l'importance d'intégrer la spéciation du Zn dans la définition des FC pour l'écotoxicité terrestre par la réalisation d'une étude de cas où le Zn est un des principaux contributeurs pour les impacts écotoxicologiques terrestres. Ceci a mené à la rédaction du troisième manuscrit intitulé “Case study : Does taking zinc speciation into account in terrestrial ecotoxicity make a difference for LCA results?” et soumis à la revue The Journal of Cleaner Production (chapitre 5). Une étude de cas portant sur la donnée ecoinvent “market for electricity, low voltage CA-QC” a été réalisée avec la méthodologie IMPACT 2002+. Plusieurs scénarios ont été testés, notamment, l'utilisation du FC pour l'écotoxicité terrestre actuel du modèle IMPACT 2002 et un FC pour l'écotoxicité terrestre dérivé à partir du modèle USEtox, pour représenter les scénarios qui ne prennent pas en compte la spéciation. Pour les scénarios qui considèrent la spéciation, les valeurs génériques de FC basées sur le Zn soluble et le Zn vraiment dissout, ainsi que les valeurs minimales et maximales des FC régionalisés ont été testées. L'importance de considérer la spéciation a été déterminée en comparant, pour les différents scénarios, 1) la contribution du Zn émis dans le sol à l'impact écotoxicologique terrestre (PDF.m2.yr) (PDF : potentially disappeared fraction of species) ainsi qu'à l'impact sur la qualité des écosystèmes (PDF.m2.yr), 2) le rang du Zn parmi les substances qui contribuent le plus à l'impact écotoxicologique terrestre et 3) les scores d'impact totaux pour l'écotoxicité terrestre et pour la qualité des écosystèmes. Les résultats, présentés au chapitre 5, indiquent qu'en incluant la spéciation du Zn, la contribution du Zn émis dans le sol à la catégorie d'impact “écotoxicité terrestre” diminue de 26% à au plus 1,27%, les scores d'impacts étant réduits de 1,44 à 14,37 ordres de grandeur; le Zn passe du 2e rang à un rang situé entre la 9e et a 255e position parmi les principaux contributeurs à l'écotoxicité terrestre; et les scores totaux pour l'écotoxicité terrestre et pour la qualité des écosystèmes sont réduits de 25-26% et 21-22% respectivement. Ces résultats illustrent l'importance de considérer la spéciation du Zn dans les sols pour cette étude de cas et l'influence considérable que cette inclusion pourrait avoir sur les impacts écotoxicologiques et les résultats des ACV. De manière générale, cette thèse a permis non seulement d'obtenir des FC régionalisés incluant la spéciation du Zn pour l'écotoxicité terrestre qui sont directement applicables dans les x méthodes ACV actuelles, mais elle a permis également de montrer qu'il est possible d'utiliser les modèles géochimiques de spéciation à grande échelle pour les sols. Elle propose une méthode qui serait facilement généralisable aux autres métaux et a également montré à quel point l'inclusion de la spéciation dans les FC des métaux en ACV pour l'écotoxicité terrestre peut avoir une influence considérable sur les scores d'impacts des ACV. Ces résultats permettront d'améliorer grandement la crédibilité de l'ACV, ce qui aura une portée majeure dans le domaine de l'environnement, l'ACV étant une mesure de plus en plus préconisée dans les directives environnementales et dans les entreprises à l'échelle internationale.

Abstract

Life cycle assessment (LCA) is a global comparative decision making tool aiming to determine environmental impacts of a product, service or process. In this method, impact scores obtained for each impact category considered (e.g. climate change, land use, human toxicity, ecotoxicity) by multiplying the total mass of a substance by a corresponding characterization factor (CF) are compared. These CFs are specific to each substance and each impact category and are determined with the use of models. For the ecotoxicity impact category, these models consider the fate of the emitted substance in the various environmental compartments and the ecotoxic effect of this substance occurring on ecological receptors. Life cycle impact assessment of metals is a major issue in LCA, mainly because models were developed initially for organic compounds and are applied without distinction to metals even if their properties differ greatly. In fact, unlike organic compounds, metals can part into various species according to the physicochemical conditions of the environment. This speciation determines the bioavailable fraction that is likely to cause an ecotoxicological effect. Yet, this speciation is not taken into account in LCA models and this causes a domination of impacts related to metals in ecotoxicity not necessarily due to a high toxicity. In response to this, LCA analysts tend to dismiss metal emissions or ecotoxicological impacts of their results, creating a major credibility issue. In the last decade, the LCA limits regarding the consideration of metals have been recognized by two workgroups of the life cycle initiative of the United Nations environmental program (UNEP) and the Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC). These groups have suggested a framework for including metal speciation in the definition of CFs for freshwater by including a bioavailability factor (BF) that represents the bioavailable fraction obtained with the use of a geochemical speciaiton model and by taking the spatial variability of the physicochemical parameters influencing speciation with the creation of freshwater archetypes of same properties. Following these recommendations, CFs for freshwater ecotoxicity have been obtained for 14 cationic metals with the use of 7 freshwater archetypes. The use of geochemical speciation models are not necessarily appicable to soils: models being initially developed for aquatic environments, the assumptions are not necessarily applicable to heterogeneous environments like soils. Also, the complexity of soils and the correlation of physicochemical parameters influencing speciation could complexify the use of archetypes. For xii this reason, another method, which is the use of empirical regressions to determine BFs, has been suggested for soils to include speciation of nickel (Ni) and copper (Cu) in the CF definition. Yet, empirical regressions are generally applicable only to the soils that have been used to obtain them, and this limits their use in global methods in LCA. Also, the definition of soil archetypes has still not been tested in this context. The goal of this project is to generate new regionalized CFs for zinc (Zn) that takes into account speciation for terrestrial ecotoxicity. This project aims to reach the following specific goals: 1. Determine the bioavailability of Zn in soils at the global scale using only the soil properties available in world soil database. 2. Calculate regionalized CFs for Zn that show the spatial variability of the bioavailability of Zn and that can readily be used in LCA methodologies. 3. Determine the importance of including Zn speciation in terrestrial ecotoxicity in LCA by carrying out a case study. Zinc has been chosen in this project notably because it is one of the main contributors to the ecological footprint of Canada and the world for terrestrial ecotoxicity and also because of the availability of field data on its speciation in soil. 1. Determine the bioavailable fraction of Zn at global scale with limited data on soil properties The first specific goal of this project aimed at determining the bioavailability of Zn in soils at global scale using only the physicochemical properties of soil available in world soil databases. In LCA, metal emissions can occur everywhere in the world and it is necessary to use a coherent method for the world. This goal has led to the writing of the first manuscript entitled “Assessing the variability of the bioavailable fraction of zinc at the global scale using geochemical modeling and soil archetypes” and published by The International Journal of Life Cycle Assessment (chapter 3) [1]. The bioavailable fraction of Zn is determined for soils of the world by using the geochemical speciation model WHAM 6.0 (Windermere humic aqueous model) and the Harmonized world soil database (HWSD). The first step was to validate with field data the applicability of the WHAM 6.0 model for soils when using as input data only the following soil parameters available at global scale: soil pH, cationic exchange capacity (CEC), organic matter (OM) and carbonate contents, and soil texture. This method has been compared with the use of empirical regressions. xiii Results related to this goal, presented in chapter 3, indicate that it is possible to predict the bioavailable fraction of Zn with an uncertainty lower than 2 orders of magnitude for a majority of soils as compared to field data, 41% of the predictions being in the same order of magnitude as the field data. Estimates obtained with WHAM 6.0 model were closer to field data in terms of value and rank compared to estimates obtained with empirical regressions. Bioavailable factors obtained for soils of the world vary over 6 orders of magnitude when soluble Zn is considered to be the bioavailable fraction and over 18 orders of magnitude when using true solution Zn (free ions and ion pairs) as the bioavailable fraction. Soils of the world were grouped in 231 archetypes defined according to key properties influencing speciation that are available at global scale (texture, pH, CEC, OM and carbonate contents) in order to evaluate the extent of the validation process. Field data used in the validation process covers 29 archetypes and represent 25% of the HWSD soil units. It has been possible to conlude that the use of WHAM 6.0 model seems to give more representative estimates of the bioavailable fraction of Zn than empirical regressions, that soluble Zn calculated with WHAM 6.0 model is a more reliable indicator for the bioavailable fraction than true solution Zn and that, considering the extent of the validation process, this method seems promising to study the bioavailability of Zn in soils at global scale. 2. Calculate regionalized CFs for Zn that take speciation into account Folowing this step, BFs were integrated in the determination of CFs for Zn for terrestrial ecotoxicity and the regionalization level required to adequately represent the spatial variability of CFs has been defined. This led to the writing of the second manuscript entitled “Characterization factors for zinc terrestrial ecotoxicity including speciation” submitted to The International Journal of Life Cycle Assessment (chapiter 4). First of all, fate factors (FF) were determined using the USEtox model and specific partition coefficients (Kd) obtained with WHAM 6.0 model. Then effect factors (EF) were calculated using the AMI method (Assessment of mean impact) with terrestrial ecotoxicological data (EC50) available in ecotoxicological databases. To do so, various scenarios have been tested in order to be as coherent as possible with BFs despite the lack of precision of ecotoxicological data, especially regarding the soils used for the ecotoxicological tests. The definition of soil archetypes established in the previous step has been refined in order to better represent the CF spatial variability and to obtain a spatial resolution more manageable for LCA. In order to consider also the cases in which the emission sites are not known, like it happens frequently in LCA, generic CF values were obtained using the population density as an xiv emission proxy for Zn. Results are then presented in a map of the world in order to facilitate their use. Results, presented in chapter 4, indicate that a generic CF value could be sufficient to represent soils of the world when BF is defined using soluble Zn, CF values being concentrated in a 1.76 order of magnitude interval. This is not the case when true solution Zn is used, CF values varying over 14 orders of magnitue (5.45 orders of magnitude for a 95% confidence interval) for soils of the world. In order to represent this spatial variability, soils were grouped into 518 archetypes, the condition to define an archetype being to preserve variability inferior to two orders of magnitude for CF values in each archetype. This condition is respected for 83% of archetypes (85% with a 95% confidence interval). To facilitate the use of archetypes, 13 groupes of archetypes have been created according to the median CF values for each archetype. The generic CF values calculated with the emission proxy are 4.7 PAF·m3·d·kg-1 (PAF: potentially affected fraction of species) for soluble Zn and 1.45 PAF·m3·d·kg-1 for true solution Zn, these values being respectively 27 and 88 times lower than terrestrial CF for Zn in the current IMPACT 2002 model (128 PAF·m3·d·kg-1). This manuscript has shown that including Zn speciation allows obtaining CF values that are around 2 orders of magnitude lower than current CFs. 3. Determine the importance of including Zn speciation in terrestrial ecotoxicity in LCA The third specific goal of this project was to determine the importance of integrating Zn speciation in the CF definition for terrestrial ecotoxicity by carrying out a case study where Zn is one of the major contributors to the terrestrial ecotoxicological impacts. This led to the writing of the third manuscript entitled “Case study: Does taking zinc speciation into account in terrestrial ecotoxicity make a difference for LCA results?” and submitted to The Journal of Cleaner Production (chapiter 5). A case study on the ecoinvent “market for electricity, low voltage CA-QC” data has been carried out using the IMPACT 2002+ methodology. Different CFs for Zn were tested in this study (IMPACT 2002 CF and USEtox derived terrestrial CF without speciation; generic default CF values for the world including speciation based on either soluble or true solution Zn as well as minimum and maximum regionalized CF values including speciation). The importance of including speciation has been determined by comparing, for the different options, 1) the contribution of Zn emitted to soil to terrestrial ecotoxicity impact category and to ecosystem quality damage category impact scores (PDF.m2.yr) (PDF: potentially disappeared xv fraction of species), 2) the rank of Zn emitted to soil as a contributor to terrestrial ecotoxicity impact category and 3) the total terrestrial ecotoxicity and total ecosystem quality impact scores. Results, presented in chapter 5, indicate that when including Zn speciation, the contribution of Zn emitted to soil to the terrestrial ecotoxicity impact category is decreases from 26% to a maximum of 1.27%, the impact scores being reduced from 1.44 to 14.37 orders of magnitude; Zn position falls from the 2nd place to a rank between the 9th and 255th position among the major contributors to terrestrial ecotoxicity. Total terrestrial ecotoxicity and total ecosystem quality impact scores are respectively 25-26% and 21-22% lower. These results show the importance of considering Zn speciation in soil for this case study and the considerable importance this inclusion could have on the ecotoxicological impacts and LCA results. In general, this thesis has allowed not only obtaining regionalized CF including Zn speciation for terrestrial ecotoxicity that are directly applicable in current LCA methodologies, but it has shown that it is possible to use geochemical speciation models for soils at global scale. This thesis suggests a method that is easily generalizable to other metals and has also shown that including speciation in CFs for metals in terrestrial ecotoxicity could have a considerable influence on impact scores in LCA. These results will allow improving greatly the credibility of LCA, and this could have a considerable impact in the environmental field, as LCA taking more and more a great place in environmental directives and in enterprises worldwide.