Influence de la taille des particules sur la bioaccessibilité gastro-intestinale et pulmonaire des métaux lourds dans des sols contaminés à l'arséniate de cuivre chromaté (ACC)

L'intensification des activités anthropiques, ainsi que l'action de processus naturels comme l'érosion, sont responsables de la contamination des sols et de l'eau par des métaux lourds. Ces éléments sont toxiques et les risques associés à la santé humaine dépendent de leur concentration, de leur spéciation, de leur bioaccessibilité et de la durée d'exposition. L'As, le Cu et le Cr sont les éléments clés de ce projet, puisque les sols étudiés ont été échantillonnés aux alentours de poteaux de bois traités avec de l'arséniate de cuivre chromaté (ACC). L'usage de cet agent de préservation a été interdit pour des applications résidentielles en 2003 après que des recherches scientifiques ont montré qu'avec le temps, ces constituants sont lixiviés, ce qui entraine une contamination de l'eau et des sols situés à proximité des structures en bois traité. Malgré cette interdiction, plusieurs structures telles que des poteaux de câbles électriques ou de télécommunications, des tables de pique-nique et des aires de jeux pour les enfants traités avec de l'ACC sont toujours en place. Sachant que les particules de sols contaminés peuvent être ingérées et inhalées accidentellement, ce projet vise à quantifier les concentrations de contaminants dans les sols et les fractions solubilisées en milieux gastro-intestinal et pulmonaire. Cette fraction solubilisée dans des fluides biologiques est aussi appelée fraction bioaccessible. Les particules de sols les plus fines, de diamètre < 20 μm, sont facilement mises en suspension dans l'air et inhalées. La taille des grains qui adhèrent aux mains et qui seront potentiellement ingérés n'est pas bien établie, pourtant, la majorité des évaluations de risque en cas d'ingestion prennent en compte les particules de sol de diamètre < 250 μm. Dix échantillons de sol adjacents à des poteaux électriques traités à l'ACC ont été échantillonnés et tamisés en quatre fractions (< 2 mm, 250-90 μm, 90-20 μm et < 20 μm). Les teneurs en métaux et métalloïdes (As, Cu, Cr, Pb, Zn) et les propriétés physico-chimiques ont été déterminées dans chaque fraction. Des tests de bioaccessibilité orale en utilisant la méthode In Vitro Gastro-intestinale (IVG) ont été réalisés sur les fractions 250-90 μm et 90-20 μm afin d'évaluer l'impact des différentes tailles de particules lors des évaluations de risque suite à l'ingestion de sols contaminés. Des tests de bioaccessibilité par inhalation ont également été effectués avec les particules de sol de taille < 20 μm en employant deux fluides pulmonaires synthétiques: le fluide lysosomal artificiel (ALF) et la solution de Gamble (GS). Les résultats obtenus indiquent que la concentration totale en métaux augmente avec la réduction de la taille des particules. La bioaccessibilité orale de l'As (%) a augmenté avec la hausse de la taille des particules dans 9 des 10 sols (p < 0,05) (250-90 μm : 31.7 ± 8,5 %; 90-20 μm : 22.9 ± 5,4 %), mais la bioaccessibilité orale de l'As exprimée en mg/kg était similaire pour les deux tailles de particules. Des cinq métaux analysés, le cuivre a présenté le pourcentage de bioaccessibilité le plus élevé dans les solutions ALF (77,8 ± 5,2 %) et IVG (250-90 μm : 49,8 ± 6,4 %; 90-20 μm : 49,0 ± 8,4 %). La bioaccessibilité orale du Cr (% et mg/kg) a augmenté lors de la réduction de la taille des particules (p < 0,05), bien que les valeurs soient assez faibles (250-90 μm : 2,5 ± 3,7 %; 90-20 μm : 9,5 ± 9,0 %). Pour le Pb, la bioaccessibilité orale était variable, mais plus élevée que pour le Cr (250-90 μm : 15,1 ± 13,9 %; 90-20 μm : 19,1 ± 18,3 %). La bioaccessibilité du Zn par voie orale était relativement faible et très variable (250-90 μm : 6,7 ± 7,3 %; 90-20 μm : 8,9 ± 8,8 %). Globalement, la bioaccessibilité (%) orale des métaux décroit dans l'ordre : Cu > As > Pb > Zn > Cr. La bioaccessibilité (%) dans les fluides pulmonaires décroit dans l'ordre : Cu > Zn > As> Pb ≈ Cr avec le fluide ALF, et As > Cu en utilisant la solution GS. Pour tous les éléments, la bioaccessibilité par inhalation (%) avec l'ALF était supérieure à la bioaccessibilité orale. Cependant, la solubilité des métaux dans GS présentait les valeurs les plus faibles. La teneur en matière organique (COT) et la capacité d'échange cationique (CEC) jouent un rôle important sur la rétention des métaux, étant donné que dans la fraction 90-20 μm, ces propriétés ont été corrélées négativement avec la bioaccessibilité orale de l'As (mg/kg) (COT : r2 > 0,64, p < 0,05 et CEC : r2 > 0,61, p < 0,05), du Cu (%) (COT : r2 > 0,80, p < 0,005 et CEC : r2 > 0,67, p < 0,005) et du Pb (%) (COT : r2 > 0,40, p < 0,05 et CEC : r2> 0,41, p < 0,05). Cependant, l'impact de ces propriétés sur la bioaccessibilité des particules de taille > 90 μm n'est pas significatif. Les travaux menés dans le cadre de ce projet ont atteint les objectifs initiaux et ont permis une meilleure compréhension de la solubilité de métaux et metalloïdes dans des fluides artificiels digestifs et pulmonaires. Par rapport à l'influence des paramètres physico-chimiques des sols, les essais ont démontré que la présence de matière organique a pour effet réduire la bioaccessibilité des métaux sur les particules plus fines (< 90 μm), principalement pour le Cu. La présente étude suggère que la taille de particules utilisée lors de l'évaluation de risques par ingestion accidentelle de sol contaminé à l'ACC peut influencer le risque estimé. Des cinq métaux et metalloïdes étudiés, le pourcentage d'As bioaccessible a été le plus influencé par la taille de particules, et étant donné qu'il s'agit de l'élément le plus dangereux, l'évaluation des risques doit être effectuée avec précaution.

Abstract

The intensification of anthropogenic activities, as well as the action of natural processes such as erosion, are responsible for the contamination of soil and water by heavy metals. These elements are toxic, and the risks associated with human health depend on their concentration, their speciation, their bioaccessibility, and the exposure time. As, Cu and Cr are the key elements of this project, since the soils studied were sampled around wood poles treated with chromated copper arsenate (CCA). The use of this product for residential applications was prohibited in 2003 after scientific research has shown that over time, these constituents are leached, which leads to contamination of water and soils near treated wood structures. Despite its ban, several structures such as poles for electrical or telecommunications cables, picnic tables, and playgrounds for children treated with CCA are still in service. Knowing that soil particles can be accidentally ingested and inhaled, this project aims to quantify the concentrations of contaminants in soils and the solubilized fractions in the gastrointestinal and pulmonary environments. This solubilized fraction in physiologically based synthetic fluids is also called “bioaccessible fraction”. The finest soil particles, < 20 μm in diameter, are easily suspended in the air and inhaled. The size of the grains that stick to the hands and that will potentially be swallowed is not well established, however, most risk assessments in the case of ingestion consider soil particles with a diameter < 250 μm. Ten soil samples adjacent to CCA-treated wood poles were collected and sieved into four fractions (< 2 mm, 250-90 μm, 90-20 μm and < 20 μm). Metal contents (As, Cu, Cr, Pb, Zn) and soil physicochemical properties were analyzed in each fraction. Oral bioaccessibility tests using the In Vitro Gastro-intestinal (IVG) method were performed on the 250-90 μm and 90-20 μm fractions in order to assess the impact of different particles size during risk assessments following ingestion of contaminated soil. Inhalation bioaccessibility tests were carried out with particles of size < 20 μm using two simulated pulmonary fluids: artificial lysosomal fluid (ALF) and Gamble solution (GS). The total concentration of metal(loid)s increased with decreasing particle size. Oral As bioaccessibility (%) increased with increasing particle size in 9 out of 10 soils (p < 0.05) (250-90 μm: 31.7 ± 8.5%; 90-20 μm: 22.9 ± 5.4%), but oral As bioaccessibility expressed in mg/kg was not significantly different for both particle size. Among the five metal(loid)s analyzed, Cu showed the highest bioaccessibility (%) using ALF solution (77.8 ± 5.2%) and IVG (250-90 μm: 49.8 ± 6.4%; 90-20 μm: 49.0 ± 8.4%). Oral Cr bioaccessibility (% and mg/kg) increased with decreasing particle size (p < 0.05), although Cr bioaccessibility was very low (250-90 μm: 2.5 ± 3.7%; 90-20 μm: 9.5 ± 9.0%). Oral Pb bioaccessibility was variable but higher (250-90 μm: 15.1 ± 13.9%; 90-20 μm: 19.1 ± 18.3%). Oral Zn bioaccessibility was relatively low and highly variable (250-90 μm: 6.7 ± 7.3%; 90-20 μm: 8.9 ± 8.8%). Thus, oral bioaccessibility of metal(loid)s decreased in the order: Cu > As > Pb > Zn > Cr. Bioaccessibility (%) in simulated lung fluids decreased in the order: Cu > Zn > As > Pb ≈ Cr using ALF, and As > Cu using GS solution. For all elements, inhalation bioaccessibility (%) with ALF was higher than oral bioaccessibility. However, solubility of metal(loid)s in GS presented the lowest values. The organic matter content (TOC) and the cation exchange capacity (CEC) play an important role in metal retention, so that in the 90-20 μm fraction, these properties were negatively correlated with oral bioaccessibility of As (mg/kg) (TOC : r2 > 0.64, p < 0.05 and CEC: r2 > 0,61, p < 0.05), Cu (%) (TOC : r2 > 0.80, p < 0.005 and CEC: r2 > 0,67, p < 0.005) and Pb (%) (TOC : r2 > 0.40, p < 0.05 and CEC: r2 > 0,41, p < 0.05). Nevertheless, the impact of these properties on the bioaccessibility of particles > 90 μm was not significant. The investigations carried out in this project achieved the initial objectives and allowed a better understanding of the solubility of metals in simulated digestive and pulmonary fluids. Regarding the influence of soil physicochemical properties, tests and characterization have shown that the presence of organic matter reduced metal bioaccessibility on finer particles (< 90 μm), mainly for Cu. The present study indicated that the particle size used during the risk assessment by accidental ingestion of soil contaminated with CCA may impact the estimated risk. Of the five metal(loid)s studied, As bioaccessibility (%) was the most impacted by particle size, and given that it is the most dangerous element in CCA-contaminated soils, risk assessment should be estimated with caution.