Bioaccessibilité pulmonaire et potentiel oxydatif des métaux associés aux particules fines de sols contaminés à l'arséniate de cuivre chromaté (ACC)

L'arséniate de cuivre chromaté (ACC) est un produit inorganique pour le traitement du bois utilisé à l'échelle mondiale depuis plus de 40 ans. Certains problèmes associés à son utilisation, tels que la lixiviation de ses constituants métalliques (As, Cr et Cu) et la contamination des sols en périphérie de structures de bois traité, ont fait l'objet d'une multitude d'études dans le passé. Cependant, peu d'information est actuellement disponible sur les risques que peuvent poser ces sols contaminés à l'ACC sur la santé humaine. Sachant que des particules fines (PM) issues des sols contaminés pourraient potentiellement être mises en suspension dans l'air et inhalées, une étude sur les risques associés à l'inhalation de PM issues de sols contaminés à l'ACC est donc nécessaire. Afin d'évaluer de façon rigoureuse les risques associés à l'inhalation de ces PM, la bioaccessibilité de leurs constituants métalliques et leur potentiel oxydatif (OP) (i.e. capacité à produire des espèces réactives de l'oxygène (ROS)) devraient être analysés en parallèle. Cette approche permettrait l'obtention d'informations intéressantes sur les liens unissant la bioaccessibilité pulmonaire de métaux et le OP de PM. Afin de réaliser une telle étude, 10 échantillons des sols (S1 à S10) situés à proximité de poteaux de ligne de transmission traités à l'ACC ont été échantillonnés et tamisés afin d'obtenir des échantillons de PM (P1 à P10) possédant des diamètres inférieurs à 20 µm (PM20). Les sols ainsi collectés ont pu être analysés pour diverses propriétés physico-chimiques (pH, capacité d'échange cationique (CEC), teneur en carbone total (TC) et teneur en carbone organique total (TOC)) et leur contenu total en métaux (As, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn). Les échantillons de PM, quant à eux, ont fait l'objet d'une caractérisation de leur contenu total en métaux, de leur TC et TOC et d'une analyse granulométrique sommaire. Le fractionnement de métaux sélectionnés (Cu, Ni, Pb et Zn), le OP et la bioaccessibilité pulmonaire de tous les métaux ont été analysés pour les échantillons de PM. Deux fluides pulmonaires synthétiques (SLF) distincts (solution de Gamble (GS) et fluide lysosomal artificiel (ALF)) ont été utilisés dans le cadre des tests de bioaccessibilité pulmonaire. Un test de déplétion d'acide ascorbique a été utilisé pour l'estimation du OP des PM (OPAA).Les analyses chimiques ont permis de conclure que les échantillons de sols et de PM étaient effectivement contaminés à l'ACC. Des concentrations moyennes d'As particulièrement préoccupantes ont pu être observées dans les sols (265 ± 400 mg/kg) et les PM (1129 ± 1807mg/kg). Des concentrations substantielles en Cr et en Cu ont aussi été mesurées dans certains échantillons de PM. Dans la GS, des valeurs de bioaccessibilité faibles ont été observées pour tous les métaux étudiés. L'As était le métal le plus bioaccessible (12 ± 5.1%) dans ce SLF. Des valeurs plus élevées de bioaccessibilité ont été observées dans le ALF pour tous les métaux. Les métaux les plus bioaccessibles dans le ALF incluent le Cu (moy. 78.5 ± 4.2%), le Mn (moy. 56.8 ± 12.1%), le Zn (moy. 54.8 ± 24.5%) et l'As (moy. 45.4 ± 18.8%). Considérant la toxicité connue de l'As, ses charges importantes dans les PM étudiées et sa bioaccessibilité significative dans la GS et le ALF, ce métal fut identifié comme ayant le potentiel de poser un risque pour la santé humaine. Une excellente corrélation (r=0.92, p < 0.005, n=9) entre la fraction soluble et échangeable (F1) du Cu et sa bioaccessibilité dans la GS a pu être observée. Les fractions mobiles (i.e. F1 + F2) de divers métaux présentaient aussi des corrélations statistiquement significatives avec leur bioaccessibilité dans le ALF (i.e. Cu (r = 0.95, p < 0.005), Ni (r = 0.79, p < 0.05), Pb (r = 0.92, p < 0.005) et Zn (r = 0.98, p < 0.005) (n=9)). Ces résultats suggèrent donc l'existence d'un lien entre le fractionnement de certains métaux et leur bioaccessibilité pulmonaire. Les tests de OP ont révélé que le OPAA de PM issues de sols contaminés à l'ACC (moy. 18.1 ± 14.8 nmol AA/min) était environ 20 fois plus important que le OPAA d'une solution témoin (0.97 ± 0.1 nmol AA/min) et significativement plus élevé que celui du matériel de référence BGS 102 (1.70 ± 0.2 nmol AA/min). Ceci suggère donc que la contamination d'un sol à l'ACC pourrait avoir une incidence sur le OP de ses PM et ainsi sur les risques sanitaires associés à leur inhalation. Les excellentes corrélations obtenues entre les fractions mobiles de Cu et le OPAA (F1 (r = 0.99, p < 0.005, n=9) et F2 (r = 0.97, p < 0.005, n=9)) suggèrent que ce métal pourrait être le facteur influençant le plus significativement le OPAA de PM issues de sols contaminés à l'ACC. Finalement, la relation entre la bioaccessibilité pulmonaire d'un métal et son influence sur le OPAA des PM a aussi été étudiée. Une excellente corrélation entre la fraction bioaccessible de Cu dans la GS et le OPAA des PM a été observée (r = 0.94, p < 0.005, n=10). Une corrélation similaire (r = 0.92, p < 0.005, n=10) a aussi été obtenue entre la fraction bioaccessible de Cu dans le ALF et le OPAA. Ces corrélations suggèrent l'existence d'un potentiel lien entre la bioaccessibilité pulmonaire du Cu et le OP de PM. Des études supplémentaires basées sur l'utilisation d'autres méthodes d'estimation du OP sont toutefois nécessaires afin de vérifier la validité de cette approche.

Abstract

Chromated copper arsenate (CCA) is an inorganic wood preservative which has been extensively used worldwide for more than 40 years. Issues associated with its use (i.e. leaching of its constituents (As, Cr and Cu) and contamination of soil in the vicinity of treated wood structures) have been extensively documented in recent years. Despite this, little information is currently available regarding the possible human health hazards of CCA-contaminated soils. Considering the potential suspension and inhalation of contaminated particulate matter (PM), a more thorough risk analysis on the inhalation of CCA-contaminated PM is required. In order to adequately assess the potential risks associated with the inhalation of these PM, a parallel investigation on the inhalation bioaccessibility of their metal constituents and their oxidative potential (OP) (i.e. the reactive oxygen species (ROS) production capability) should be carried out. This approach would enable the obtention of crucial information regarding possible correlations between metal inhalation bioaccessibility and OP of PM.In the present study, ten soil samples (S1 to S10) were collected near CCA-treated utility poles and sieved to 20 µm to obtain PM20 samples (P1 to P10). Soils were characterized for their total metal content (As, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb and Zn) and various physicochemical properties (pH, cationic exchange capacity (CEC), total carbon content (TC) and total organic content (TOC)). PM samples were also characterized for their total metal content, TC, TOC and granulometry. Copper, Ni, Pb and Zn fractionation and the inhalation bioaccessibility of all metals were assessed in PM20 samples. Two distinct synthetic lung fluids (SLF) (Gamble's solution (GS) and artificial lysosomal fluid (ALF) were used for inhalation bioaccessibility assessments. An ascorbate-only depletion assay (OPAA) was used to evaluate the OP of PM. Characterization tests confirmed the assumption that studied soil and PM samples were contaminated by CCA. Very high As concentrations were observed in soils (265 ± 400 mg/kg) and PM (1129 ± 1807 mg/kg) samples. Various PM samples also presented elevated Cr and Cu contents. In GS, low bioaccessibility was observed for all metals. Out of all studied metals, As was the most bioaccessible (12 ± 5.1%) in GS. Systematically higher bioaccessibility values were observed for metals in ALF compared to GS. Copper (avg. 78.5 ± 4.2%), Mn (avg. 56.8 ± 12.1%), Zn (avg. 54.8 ± 24.5%) and As (avg. 45.4 ± 18.8%) presented the most significant bioaccessible fractions. Considering arsenic's known toxicity, its important concentrations in PM samples and its significant bioaccessibility in both GS and ALF, it was identified as concerning in regard of human health risks. Soluble and exchangeable (F1) Cu correlated strongly with its bioaccessibility in GS (r=0.92, p < 0.005, n=9). Strong to moderate correlations between inhalation bioaccessibility in ALF and mobile (i.e. F1+F2) metal fraction were also observed for all tested metals (i.e. Cu (r = 0.95, p < 0.005), Ni (r = 0.79, p < 0.05), Pb (r = 0.92, p < 0.005) and Zn (r = 0.98, p < 0.005) (n=9)). These results suggest a possible link between the fractioning of certain metals and their inhalation bioaccessibility. On average, OPAA values of CCA-contaminated PM (avg. 18.1 ± 14.8 nmol AA/min) were 20 times more important than blanks (0.97 ± 0.1 nmol AA/min) and significantly higher than BGS 102 (1.70 ± 0.2 nmol AA/min) OPAA. This suggest that the CCA contamination of a soil could influence the OP of its associated PM and, hence, the health impacts associated with their inhalation. Mobile Cu fractions were deemed to be the main factor influencing OPAA (F1 (r = 0.99, p < 0.005, n=9), F2 (r = 0.97, p < 0.005, n=9)) in studied PM samples. The influence of metal inhalation bioaccessibility on the OP of PM was also assessed. A strong correlation (r = 0.94, p < 0.005, n=10) was observed between Cu bioaccessibility in GS and OPAA. A similar correlation was noted for bioaccessible Cu in ALF (r = 0.92, p < 0.005, n=10). These findings suggest a possible link between Cu inhalation bioaccessibility and OP of PM. Research based on other OP estimation assays is still required to verify this finding.