DIPLOME EN SCIENCES NATURELLES DE L'ENVIRONNEMENT - Universités de Genève et de Lausanne

Sébastien HAYE, 2005.

IMPACT ASSESSMENT OF TOXIC SUBSTANCES UPON TERRESTRIAL ECOSYSTEMS IN COMPARATIVE APPROACHES (LIFE CYCLE ANALYSIS)

L'Analyse du Cycle de Vie (ACV ou Life Cycle Analysis ou LCA) est une méthode permettant de quantifier de manière exhaustive les flux d'énergie et de matière générés au cours du cycle de vie d'un produit. Elle débute avec la définition d'une unité fonctionelle correspondant à la fonction que ce produit est supposé fournir (transporter une personne sur x kilomètres, potabiliser un mètre cube d'eau, etc…) ; l'ACV s'applique également aux procédés permettant de fournir un service. Un inventaire précis de la dépense en énergie primaire non-renouvellable et de toutes les substances émises dans l'environnement pour parvenir à la réalisation de ce produit ou service est réalisé pour chaque étape du cycle de vie qui débute avec l'extraction des matières premières nécessaires à sa fabrication jusqu'à sa destruction et au stockage des déchets qu'il génère.

Cet inventaire est ensuite interprété en terme d'impacts environnementaux, c'est à dire de dommages sur la santé humaine, sur les écosystèmes, sur le réchauffement global et sur les ressources naturelles. Cette phase est appelée l'évaluation de l'impact du cycle de vie (Life Cycle Impact Assessment ou LCIA). Le point critique de l'interprétation en terme de dommages environnementaux est la mise en place d'indicateurs précis permettant de convertir les flux de matière et d'énergie en impacts quantitatifs.

Parmi les catégories d'impact, l'écotoxicité représente un aspect majeur car si l'homme se protège relativement bien des effets de la pollution, il est désormais indiscutable que la capacité de résilience des écosystèmes est beaucoup plus faible qu'on ne l'imaginait. Ainsi, il est nécessaire de prévoir précisément l'impact que pourrait avoir sur les êtres vivants l'émission dans l'air, l'eau ou le sol d'une substance au cours du cycle de vie d'un produit. Dans la méthode Impact 2002+, développée à l'EPFL (Lausanne, Suisse), le facteur d'effet (Effect Factor) décrit l'effet précis d'une concentration donnée de substance dans l'un des compartiments de la biosphère (air/eau/sol) sur les organismes qui y sont exposés. Ce facteur d'effet, combiné à un indicateur du " destin " (fate) de cette substance, c'est à dire sa capacité à changer de compartiment ou à être dégradée, va permettre de quantifier précisément l'effet sur les écosystèmes de chaque unité de substance émise au cours du cycle de vie. Dans Impact 2002+, le Facteur d'Effet est établi d'après la HC50EC50 chronique d'une substance, c'est à dire la concentration (dans l'eau ou le sol) à laquelle 50% des espèces seront touchées à hauteur de leur EC50 (la EC50 est la concentration ayant un effet sur la survie, la reproduction ou la croissance de 50% des individus d'une espèce donnée). D'après les critères de la méthode AMI (Mesure de l'Impact Moyen ou Assessment of Mean Impact), la HC50 est calculée comme la moyenne géométrique des EC50 chroniques disponibles pour une même substance. Ces EC50 doivent obligatoirement concerner 3 phylums distincts (généralement plantes, arthropodes et annélides) afin d'assurer une réelle représentativité écologique.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'écotoxicité terrestre, c'est à dire l'impact des émissions de substances sur les organismes vivant au contact du sol. Il a pour but de donner un point de vue critique sur la méthode d'évaluation des impacts terrestres dans le cadre des Analyses du Cycle de Vie et de proposer des voies pour l'améliorer. En effet, dans toutes les méthodes actuelles de LCA, les Facteurs d'Effet concernant l'écotoxicité terrestres sont estimés d'après les effets prédits de la substance en question sur les écosystèmes aquatiques. Bien que surprenante, cette extrapolation s'est généralisée devant le constat que les données permettant d'évaluer l'impact des substances sur les organismes terrestres étaient relativement rares en comparaison des données sur l'écotoxicité aquatique.

La méthode d'extrapolation généralement utilisée est celle de la " Partition à l'équilibre " ( Equilibrium Partitioning ), qui extrapole un niveau de toxicité donné (PNEC, HC…) dans le sol à partir de son équivalent dans l'eau en incluant le coefficient de partition entre la phase solide et liquide (Kd). Néanmoins, cette méthode est sujette à des limites importantes, notamment dans le cas des métaux dont le coefficient de partition est extrêmement variable. Par ailleurs, il est légitime de se demander si les différences fondamentales entre le milieu aquatique et le milieu terrestre ( structure, continuité, exposition et physiologie des organismes) ne rendent pas cette extrapolation inappropriée.

La présente étude permet d'effectuer une comparaison critique des Facteurs d'Effet terrestres obtenus par la méthode EqP aux Facteurs d'Effet calculés d'après des données expérimentales de toxicité dans le sol. La possibilité d'établir des Facteurs d'Effet pour le plus grand nombre de substances possibles est explorée, dans le but de pouvoir couvrir l'inventaire du cycle de vie.

Il s'avère que les contraintes de la méthode AMI en terme de sélection de données pertinentes, ont permis de calculer la HC50 chronique et d'établir des Facteurs d'Effet de 23 substances dont 9 métaux. Ce nombre étant insuffisant, les résultats ont été utilisés pour évaluer la pertinence de l'extrapolation par EqP afin d'augmenter le nombre de substances couvertes. Il s'avère que cette dernière est inadaptée au cas des métaux. La comparaison de la toxicité aquatique et terrestre des métaux a révélé que leur structure chimique en solution était à l'origine de similarités dans la toxicité. D'autre part, le modèle de l'ion libre (FIAM) semble applicable aux métaux concernés au niveau du sol car la fraction ionique dissoute se révèle la plus toxique dans le cas des métaux formant des cations en solution.

Appliquée aux substances organiques, la méthode EqP révèle une corrélation moyenne mais significative entre les HC50 terrestres extrapolées depuis les HC50 aquatiques. Néanmoins, la toxicité prédite par cette méthode pour certaines substances comme le Pentachlorophenol (PCP) est très éloignée de cette corrélation. Ce pourrait être dû à une valeur de pKa (4.76 pour le PCP) proche des pH naturels du sol et qui ferait varier la toxicité d'après les différents pH expérimentaux. En effet, la toxicité du PCP dépend de sa forme ionique, laquelle est déterminée par le pH ; ainsi, les valeurs de toxicité du PCP sont très dispersées en raison d'un grand nombre de test à des valeurs de pH variables.

La méthode de Partition à l'équilibre peut donc être tolérée à titre d'approximation, pour les substances organiques à l'exception de celles qui, comme le PCP, possède un pKa proche des pH naturels du sol.

Dans sa forme actuelle, elle n'est donc applicable qu'à un nombre limité de substances avec un degré d'approximation important. Dans la perspective d'améliorer la pertinence de l'extrapolation d'une HC50 dans le sol à partir de la HC50 dans l'eau, il semble nécessaire d'incorporer des éléments supplémentaires décrivant de manière plus précise les caractéristiques particulières des milieux (pH, teneur en matière organique, conditions redox) dans lesquels les substances sont émises et les spécificités physico-chimiques de ces dernières (Kow, Koc, pKa).

Il est par ailleurs bon de souligner que la bioconcentration et l'exposition secondaire au cours de la chaîne alimentaire ne sont pour le moment pas incluses dans l'évaluation de la toxicité terrestre en LCIA et pourraient constituer une évolution future souhaitable