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.