La noción de oligoelementos metálicos , o ETM, tiende a sustituir a la de metales pesados mal definidos porque la inclusión de metales tóxicos que son realmente pesados para otros (metaloides) lo es menos. Todos los ETM son tóxicos o tóxicos más allá de un cierto umbral y algunos son radiactivos ( radionúclidos ). Sus concentraciones ambientales (agua, aire, suelo, organismos) resultan de insumos antropogénicos (industria, transporte, etc.) y naturales (vulcanismo y alteración de minerales primarios); emitidos al medio ambiente, se redistribuyen allí en los perfiles del suelo a través de la pedogénesis y bioturbación , y en los ecosistemas a través de los fenómenos de bioasimilación y bioconcentración. Las supuestas concentraciones naturales teóricas de ETM se denominan “ antecedentes geoquímicos ”.
Según los elementos y el contexto ( acidez del medio, sinergias entre ETM o entre ETM y otros contaminantes, especiación química , etc. ) son más o menos bioasimilables y pueden ser bioconcentrados por la cadena alimentaria. Es por ello que algunos están sujetos a seguimiento (reglamentario o voluntario) en agua, aire (asociado a aerosoles o polvo), suelo, alimentos, lodos de depuradora, etc. Las nanopartículas metálicas plantean nuevos problemas debido a sus nuevas propiedades (y aunque algunas se han utilizado ampliamente recientemente, como la nanoplata, por ejemplo).
Algunos metales son esenciales en dosis bajas ( oligoelementos ) y otros son altamente tóxicos; por tanto, recientemente (2010) se propuso complementar los análisis de sangre y los controles de salud clásicos con un perfil metálico .
La abundancia media global normalizada del elemento en la roca de la corteza se llama "valor Clarke" ( valor de Clarke en inglés), que para un metal dado en el suelo o en sedimentos o en un material geológico significa su contenido promedio en el mundo. en este sustrato.
A veces nos referimos a este valor promedio, a través del factor de enriquecimiento (EF) para un elemento químico dado en un compartimiento ambiental para estimar que un nivel de tal o cual elemento es anormalmente alto en este compartimiento, lo que puede ser un indicio de contaminación .
La noción de " heavy metal " es un concepto fáctico, industrial , sobre todo empírico , sin una definición científica precisa ni una técnica reconocida unánimemente.
Por ejemplo, un informe de información al Senado francés Los efectos de los metales pesados en el medio ambiente y la salud , indicó: "Sin embargo, el nombre metales pesados es un nombre común que no tiene base científica ni aplicación legal. "
Europa tomó una decisión proponiendo en 2000 una definición válida para el Derecho europeo y el de los Estados miembros, en particular en el ámbito de los residuos: "metal pesado" significa "cualquier compuesto de antimonio , arsénico , cadmio , cromo hexavalente , cobre , plomo , mercurio , níquel , selenio , telurio , talio y estaño, así como estos materiales en forma metálica , siempre que estén clasificados como sustancias peligrosas " , y de manera más general, una" sustancia peligrosa "es " una sustancia que ha sido o será clasificado como peligroso por la Directiva 67/548 / CEE o por sus posteriores modificaciones " .
Muchos ETM tienen utilidad en el proceso biológico: por ejemplo, el hierro es un componente esencial de la hemoglobina , el zinc , el cobre y el selenio son oligoelementos esenciales.
Todos los oligoelementos metálicos están presentes de forma natural en cantidades mínimas en el suelo. La actividad humana puede haber reforzado esta presencia; de hecho, muchos ETM juegan un papel importante en la vida diaria:
También es probable que la combustión de combustibles fósiles sólidos o líquidos (carbón, productos del petróleo) libere metales en las cenizas (hidrobinato), vapores y humos. De todos los combustibles, la dendroenergía es, en la Francia metropolitana, el principal emisor de metales pesados a la atmósfera (excepto mercurio y níquel).
La disponibilidad y biodisponibilidad de un ETM introducido en el medio ambiente depende de muchos factores y, en primer lugar, de los siguientes procesos:
... y en segundo lugar, otros factores de disponibilidad son:
Los MTE que plantean los problemas más directos e inmediatos para el medio ambiente y la salud son los más tóxicos y que se emiten en forma de iones o nanopartículas , o asociados a pequeños aerosoles .
Cuando están presentes en el aire ( contaminación de carreteras , contaminación industrial, combustión, etc.), se evacuan principalmente del compartimento atmosférico por deposición húmeda. Luego se encuentran en suelos, sedimentos y agua intersticial, luego en organismos y ecosistemas, a los que pueden plantear un problema. Ciertos invertebrados (gusanos por ejemplo) pueden fijarlos gracias a moléculas quelantes ( metaloproteínas en general) y excretar una parte de ellos a través de sus mocos o excrementos ; luego pueden llevarlos a la superficie del suelo o sedimentos; estos metales o metaloides vuelven a estar biodisponibles para bacterias, plantas u otras especies que pueden volver a bioacumularlos .
Al igual que los organoclorados a los que pueden agregar sus efectos negativos, los ETM liberados masivamente por los humanos en el agua, el aire y el suelo son contaminantes importantes de los ecosistemas y la red alimentaria . A diferencia de la mayoría de los demás contaminantes, no son biodegradables ni degradables.
Se encuentran en particular muy concentrados por animales ubicados en la cabeza de la cadena alimentaria; aves marinas depredadoras y cetáceos superpredadores en particular) y, por lo tanto, a veces en la cadena alimentaria humana.
Los oligoelementos metálicos también pueden bioacumularse en los tejidos vegetales e inducir alteraciones en su metabolismo . De hecho, como resultado del fenómeno de bioconcentración , las TME se pueden encontrar en plantas en concentraciones superiores a las presentes en el medio ambiente. Tenga en cuenta que una acumulación de ETM en una planta no necesariamente resultará en una alteración en la salud de la planta o en la aparición de síntomas visibles de contaminación. El efecto tóxico de estos elementos varía principalmente según el tipo de metal presente, su concentración en la planta, el tiempo de exposición y según la especie vegetal afectada.
Los oligoelementos metálicos pueden inducir efectos negativos sobre la salud general de las especies vegetales al interferir con varios mecanismos: absorción de nutrientes del suelo, fotosíntesis , germinación , división celular , crecimiento .
Los ETM presentes en el suelo en forma de cationes ( por ejemplo, Cd +2 , Cr +6 , Cu +2 , Ni +2 ) pueden competir con otros cationes en el suelo que normalmente sirven como nutrientes esenciales para la planta ( por ejemplo: Ca 2+ , K + , Mg 2+ ). La absorción de ETM por el complejo radicular del individuo resulta entonces en la inhibición o estimulación de la absorción de cationes del suelo, lo que modifica el metabolismo de la planta. Por ejemplo, la absorción de Cadmio podría conducir a una menor asimilación de Potasio (como resultado del efecto competitivo) y provocar una deficiencia de este nutriente.
Estos metales también provocan una disminución en la concentración de clorofila en la planta, una disminución en la fotosíntesis después de una alteración en el transporte de electrones y una interrupción de las enzimas del ciclo de Calvin ( por ejemplo: interrupción de Rubisco , una enzima que fija CO 2atmosférica necesaria para la fotosíntesis). La disminución del contenido de clorofila se explica por el hecho de que los TME tienen el efecto de degradar la membrana tilacoide .
A nivel de germinación, los oligoelementos metálicos inducen una disminución en la tasa de germinación de las semillas de las plantas. De hecho, se demostró que el níquel, por ejemplo, afectó la actividad de varias enzimas ( amilasa , proteasa y ribonucleasa ), lo que retrasó la germinación y el crecimiento en las diferentes plantas estudiadas. El cadmio, por su parte, induce daños en las membranas de las semillas además de reducir las reservas de nutrientes del embrión vegetal contenido en los cotiledones .
Estos ETM también provocan alteraciones en la división celular de las plantas. De hecho, se ha demostrado que el cadmio, el mercurio y el plomo (entre otros) tienen la capacidad de dañar el nucleolo de las células e inhibir las actividades enzimáticas de la ADNasa y la ARNasa , lo que finalmente provoca la interrupción de la síntesis de ADN .
La planta, dependiendo del nivel de estrés causado por TME, puede ver reducido su crecimiento y mostrar signos de enfermedad (manchas) en la superficie de las hojas. Estos signos de clorosis son el resultado tanto de la pérdida de clorofila como de la deficiencia de hierro en el organismo vegetal. De la necrosis también son observables durante la intoxicación severa.
Algunas plantas han desarrollado, a lo largo de la evolución, mecanismos de resistencia a la presencia de oligoelementos metálicos en el medio ambiente. Una primera estrategia vegetal consiste simplemente en retrasar la absorción de metales y así reducir al máximo la concentración de elementos tóxicos en el organismo. Otras plantas secuestran metales en las vacuolas de sus hojas, mientras que otras los acumulan en tricomas (crecimientos de plantas) presentes en la epidermis . En ambos casos, las plantas evitan así que los elementos tóxicos entren en contacto con el mesófilo (parte interna de la hoja) y actúen sobre el metabolismo. Otra estrategia es precipitar ETM o formar un complejo entre un ligando y el catión metálico ( quelación ), que desintoxica la planta.
La extracción por lixiviación (luego tratamiento de aguas) consiste en inundar el suelo con agua o agentes químicos, luego, en la recuperación del agua, seguida generalmente por el tratamiento. Los contaminantes también se pueden recuperar en espumas formadas como resultado de la aireación y los productos químicos adecuados.
Tratamiento biológico Remediación a base de hierbasLa remediación a base de hierbas ( fitorremediación ) es el uso de plantas para el quelato de metales. Ya existen varios usos de las plantas como bio-remedios.
Remediación de algasLa remediación de algas, o fitorremediación, es el uso de algas para limpiar un medio ambiente. Las algas constituyen un campo interesante; en particular por su conocida tolerancia a los TME y a los contaminantes orgánicos persistentes, su rápido crecimiento, su alta relación superficie / volumen (lo que permite una mayor superficie absorbente), las fitoquelatinas (proteínas que quelan los metales y evitan que sean tóxicos) y su potencial para manipulación genetica.
Resistencia a las algasNumerosos estudios demuestran que las algas son bioindicadores eficaces . Por ejemplo, la concentración de cadmio, plomo, zinc en el tejido de algas de Enteromorpha y Cladophora aumenta proporcionalmente con la concentración de metales en el agua. Chlorophyta y Cyanophyta tienen altos factores de bioconcentración y bioacumulación en comparación con otras especies. Phacophyta (alga parda) tiene una fuerte afinidad con los metales pesados gracias a los polisacáridos de sulfato y alginato.
La siguiente tabla representa varias especies de algas y los metales a los que son resistentes.
Especies | Metal acumulado |
---|---|
Ascophyllum nodosum | (Au), (Co), (Ni), (Pb) |
Caulerpa racemosa | (B) |
Cladophora glomerata | (Zn), (Cu) |
Fucus vesiculosus | (Ni), (Zn) |
Laminaria japonica | (Zn) |
Micrasterias denticulata | (CD) |
Oscillatoria sp. | (Cd), (Ni), (Zn) |
Phormedium bohner | (Cr) |
Phormedium ambiguum | (Hg), (Cd), (Pb) |
Phormedium corium | (Cd), (Ni), (Zn) |
Platymonas subcordiformis | (Sr) |
Sargazo filipendula | (Cu) |
Sargassum fluitans | (Cu), (Fe), (Zn), (Ni) |
Sargassum natans | (Pb) |
Sargazo vulgare | (Pb) |
Scenedesmus sp. | (Cd), (Zn) |
Spirogyra hyalina | (Cd), (Hg), (Pb), (As), (Co) |
Spirogyra halliensis | (Co) |
Tetraselmis chuil | (Como) |
Los estudios demuestran que la eficiencia de almacenamiento de ETM en tejidos vegetales es superior con organismos que sobreexpresan proteínas quelantes de metales pesados (fitoquelatinas, nicotianamina y metalotionina en particular).
Metal | Mecanismo de desintoxicación por algas |
---|---|
(Cd), (Cu), (Ag), (Hg),
(Zn), (Pb) |
Metalotioninas (MT), Fitoquelatinas
(ORDENADOR PERSONAL) |
O | Histidina |
(Pb), (Cu), (Cd), (Zn), (Ca) | Compuestos de la pared celular (alginatos, ácido gulurónico, polisacáridos sulfatados) |
Se han implementado varios proyectos para la descontaminación de ETM por algas.
Elemento | Miligramos | |
---|---|---|
Hierro | 4000 | |
Zinc | 2500 | |
Dirigir | 120 | |
Cobre | 70 | |
Estaño | 30 | |
Vanadio | 20 | |
Cadmio | 20 | |
Níquel | 15 | |
Selenio | 14 | |
Manganeso | 12 | |
Otro | 200 | |
Total | 7.000 |
Algunos ETM (clasificados principalmente en el período 4 ) son necesarios, en cantidades mínimas , para ciertos procesos biológicos vitales.
Estos incluyen hierro , zinc y cobre .
El hierro y el cobre son necesarios respectivamente para el transporte de oxígeno y electrones, mientras que el zinc participa en la hidroxilación y la espermatogénesis .
El mercurio y el plomo no tienen uso conocido. Tóxicos para la célula sea cual sea su dosis, son puros contaminantes del organismo. El plomo interfiere negativamente con el metabolismo del calcio.
El cobalto (a través de la vitamina B12 interviene la síntesis de ciertos complejos y el metabolismo celular . El vanadio y el manganeso son cofactores enzimáticos fuera de control; una pequeña dosis de cromo es necesaria para el aprovechamiento de la glucosa y el níquel interviene en el crecimiento celular ) ; el arsénico promueve el crecimiento metabólico en dosis muy bajas en algunos animales y posiblemente en humanos. El selenio es un antioxidante funcional y se muestra esencial para la producción de ciertas hormonas .
La tabla de Mendeleev del período 5 y del período 6 contienen menos de oligoelementos de metales pesados. Esto es consistente con la suposición de que los metales más pesados tienden a ser menos abundantes en la superficie terrestre y, por lo tanto, es menos probable que sean esenciales para metabolsim.
En el período 5 encontramos molibdeno que cataliza reacciones redox . El cadmio (altamente tóxico para los humanos) parece necesario en algunas diatomeas ] mar para el mismo propósito; El estaño es necesario para el crecimiento de varias especies.
Dentro del período 6 , el metabolismo de algunas arqueas y bacterias requiere tungsteno .
Una deficiencia de metales esenciales en cualquiera de los períodos 4 a 6 puede exacerbar la sensibilidad al envenenamiento por metales pesados ( envenenamiento por plomo , hidrargirismo , enfermedad de Itai-itai ). Pero a la inversa, cualquier exceso de estos metales puede tener efectos muy nocivos para la salud.
En promedio, un cuerpo humano contemporáneo de 70 kg contiene 0.01% de metales pesados, o aproximadamente 7 g (menos que el peso de dos cuadrados de azúcar). La mayor parte es hierro (~ 4g), zinc (~ 2.5g) y está contaminado con plomo (~ 0.12g), 2% de metales ligeros (~ 1.4 kg) y casi 98% de no metales ( principalmente agua ) (Entre los elementos comúnmente reconocidos como metaloides, B y Si se contabilizaron como no metales; Ge, As, Sb y Te como metales pesados).
Algunos ETM o metales pesados no esenciales tienen efectos biológicos. Así , el galio , el germanio ( metaloide ), el indio y la mayoría de los lantánidos pueden estimular el metabolismo, mientras que el titanio promovería el crecimiento de las plantas.
Se han demostrado muchos efectos fisiológicos deletéreos para los TME más allá de ciertos umbrales que a veces son muy bajos (en el caso del plomo o el metilmercurio, por ejemplo), en humanos y en el modelo animal, para un gran número de especies (mamíferos, aves, reptiles, etc.). anfibios, peces, etc. ).
Sin embargo, el impacto toxicológico de los ETM depende en gran medida de su forma química (llamada "especies químicas"), su concentración, el contexto ambiental (por lo que estamos tratando de mapear la contaminación y, en particular, en las antiguas regiones industriales), su biodisponibilidad. y la posibilidad de paso en la cadena de los seres vivos (la red trófica ). También hay un cierto componente genético que hace que el cuerpo sea más o menos capaz de excretar ciertos metales tóxicos (plomo, por ejemplo). Finalmente, pueden existir efectos sinérgicos agravantes entre diferentes ETM.
Se distinguen en particular los tres metales mercurio , plomo , cadmio , para los cuales, por un lado, no se pudo demostrar un papel positivo para la actividad biológica y que, por otro lado, pueden estar en el origen de intoxicaciones graves o enfermedades crónicas, incluso a dosis bajas; por ejemplo, la absorción de plomo causa envenenamiento por plomo , particularmente grave en los niños, el cadmio destruye los riñones y degrada el hígado, y el mercurio es un potente neurotóxico. El aluminio podría presentar neurotoxicidad en humanos, sin embargo, aún se están investigando los límites de exposición y el alcance de estos efectos.
Por el contrario, son necesarios otros metales ( oligoelementos ), y otros parecen, al menos en forma metálica (no es el caso en forma iónica) sin efectos sobre el organismo; estos últimos se consideran "biocompatibles" y se utilizan en cirugía u odontología, como el titanio y el oro , o metales comunes como el hierro , no se pueden poner al mismo nivel que el mercurio, el plomo y el cadmio. Otros metales pueden ser muy tóxicos en determinadas formas ( cromo VI, cobre oxidado ( cardenillo )…).
Por tanto, el uso de determinados ETM está estrictamente regulado o incluso prohibido en determinadas aplicaciones. Debe evitarse la liberación al medio ambiente al final de su uso y reciclar estos metales.
En el estudio de la salud , además del análisis de sangre o de orina tradicional, los médicos hospitalarios han propuesto recientemente considerar el perfil metálico de los individuos.
Los empastes de amalgama (llamados "empastes") y que se utilizan ampliamente en los países francófonos y anglosajones son ahora objeto de controversia porque contienen algunos metales pesados tóxicos: mercurio , pero también plata y estaño . Algunos países como Suecia, Alemania, Dinamarca, Japón, Rusia y Noruega restringen su uso y los tres últimos simplemente los han prohibido. En Francia y Bélgica, se consideró que la evidencia de su toxicidad era insuficiente para inferir una nocividad no compensada por los beneficios del mercurio.
Se ha prohibido la venta de termómetros de mercurio en la UE .
Las pilas de mercurio están prohibidas en Europa (Directiva 98/101 / CE) desdediciembre de 1998 por cuestiones ambientales.
En 2021 , del 97 al 100% de los franceses (adultos y niños) están infectados con ETM con tasas superiores o iguales a las registradas en 2006-2007. La comida y el tabaco son las principales fuentes de contaminación. Public Health France recomienda comer pescado dos veces por semana, incluido el pescado graso (por sus beneficios nutricionales ), pero diversificando las especies y los caladeros (para limitar las concentraciones de contaminantes).
Aparte de enfermedades como el envenenamiento por plomo , la miofascitis por macrófagos , la hidrargiria o la enfermedad de Itai-itai inducida directamente por un solo metal, las patologías inducidas por metales son probablemente multifactoriales, varios metales pueden actuar en sinergia (positiva o negativa) y también interactúan con otros tóxicos o sustancias quelantes o protectoras de forma natural .
Los factores ambientales parecen estar involucrados en varios casos de enfermedades neurodegenerativas. Algunos metales pesados tóxicos y neurotóxicos se encuentran entre los primeros sospechosos.
El mercurio y el plomo , en particular, podrían actuar sinérgicamente para inhibir o matar las células nerviosas. También se sospecha que ciertos plaguicidas pueden actuar en sinergia con los metales.
Monnet-Tschudi y su equipo publicaron en 2006 una larga lista de pruebas de responsabilidad por los metales pesados, como iniciadores de enfermedades neurodegenerativas o como agravantes.
En muchos países, la presencia de TME (especialmente plomo, mercurio y cadmio) en el agua, el aire, los suelos agrícolas y ciertos alimentos, materiales (por ejemplo, pinturas) y objetos (por ejemplo, juguetes para niños) se analiza periódicamente.
En Francia, los suelos agrícolas que pueden estar contaminados por diferentes fuentes de ETM (depósitos húmedos o secos de la contaminación del aire , fertilizantes, esparcimiento de purines, estiércol o compost contaminados, plomo de la caza, secuelas de la guerra, etc. ) son monitoreados por un suelo observatorio de la calidad y una Red de Medición de la Calidad del Suelo (RMQS) sobre la base de un muestreo regular realizado por una red de sitios experimentales y parcelas que se supone representativas. La circulación vertical de ETM es un elemento importante de su conocimiento. Por ejemplo, se ha estudiado en Midi-Pyrénées y en una cuenca experimental ( Auradé , Gers), confirmando diferencias de comportamiento según el elemento y el tipo de suelo en relación con la hidrología y ciertos procesos pedogenéticos. En estas regiones, el trasfondo geoquímico se enriquece localmente en ETM anómalas (a priori de origen antrópico). De este modo, del 2 al 5% de los sitios están enriquecidos en cadmio (presente en ciertos fertilizantes) y del 5 al 8% en cobre (presente en ciertos plaguicidas, lodos y lodos de depuradora). Allí, organismos como los colémbolos los bioacumulan (por la parte lábil de los ETM y principalmente en suelos con pH bajo, es decir ácidos). En estos territorios, la carga crítica (dosis más allá de la cual se esperan efectos nocivos irremediables (carga crítica) dependió en gran medida del tipo de agricultura, pero el estudio concluyó que el "flujo crítico" fue excedido por el flujo actual para el 34% de los sitios de RMQS para cadmio y para el 80% de los sitios de plomo.