Green manure plants for remediation of soils polluted by metals and metalloids: Ecotoxicity and human bioavailability assessment

Borage, white mustard and phacelia, green manure plants currently used in agriculture to improve soil properties were cultivated for 10 wk on various polluted soils with metal(loid) concentrations representative of urban brownfields or polluted kitchen gardens. Metal(loid) bioavailability and ecotoxicity were measured in relation to soil characteristics before and after treatment. All the plants efficiently grow on the various polluted soils. But borage and mustard only are able to modify the soil characteristics and metal(loid) impact: soil respiration increased while ecotoxicity, bioaccessible lead and total metal(loid) quantities in soils can be decreased respectively by phytostabilization and phytoextraction mechanisms. These two plants could therefore be used for urban polluted soil refunctionalization. However, plant efficiency to improve soil quality strongly depends on soil characteristics

Earthworm’s influence on phytoavailability and Human gastric bioaccessibility of metals

►Introduction : Le développement d’entreprises de recyclage des métaux comme la Société de Traitement Chimique des Métaux (STCM) participe à l’économie circulaire. Cependant, ces activités de recyclage ont durant plusieurs décennies également engendré des émissions de polluants dans l’environnement induisant une augmentation de sites pollués par les retombées atmosphériques de particules fines enrichies en métaux et métalloïdes. Par ailleurs, le ver de terre, organisme clé de l’écosystème sol, apparait comme un ingénieur physique et mécanique des sols, et fait désormais l’objet de nombreuses études environnementales. Pour cette étude, notre objectif était d’évaluer l’influence de la bioturbation des vers de terre sur la phytodisponibilité des métaux et les mécanismes en jeu en lien avec leur compartimentation, leur spéciation et leur écotoxicité. ►Mise en œuvre : Dans ce contexte, une expérience de 25 jours a été menée en microcosmes, avec ou sans vers de terre dans le sol et avec un gradient d’Eléments Traces Inorganiques (ETI) dû aux retombées des particules atmosphériques. L’influence de l’activité des vers de terre sur les transferts sol-plante des métaux a été étudiée au moyen de microcultures de laitues (dispositif RHIZOtests®) réalisées sur 3 conditions différentes de sols : sols non bioturbés (SNB), sols bioturbés (SB) et turricules (T, déjections des vers). Les concentrations en ETI dans les sols, les vers et les salades ont été mesurées et la bioaccessibilité gastrique humaine a été déterminée à partir du test in vitro BARGE. Par ailleurs, des analyses de spéciation chimique du plomb dans divers compartiments abiotiques (sols et turricules) et biotiques (divers organes du vers de terre) ont été réalisées par spectroscopie EXAFS au synchrotron de l’ESRF à Grenoble. ►Résultats & Discussions : L’activité des vers de terre n’est pas significativement impactée par les concentrations en ETI appliquées dans les sols. Mais, la bioturbation des vers augmente la concentration en ETI présents dans les feuilles de laitues (parties consommées par l’homme). La concentration en ETI dans les feuilles de salades peut augmenter avec l’activité des vers de terre, de plus de 45% et 36 % pour le Pb et le Zn respectivement. Généralement, dans les sols et les plantes, les concentrations mesurées en ETI pour les différentes conditions sont classées ainsi : SNB < SB et T. La bioaccessibilité gastrique humaine est fonction de la nature des ETI et augmente pour SB et T, dans le cas du Zn et du Cu notamment. Des changements de spéciation du plomb mettant en évidence l’effet des vers de terre sur le sol ont été observés par spectroscopie EXAFS, en comparant les sols SNB et T, et les tissus des vers de terre. La figure 1 présente les voies d’exposition des ETI pour les vers, et les mécanismes proposés pour expliquer l’augmentation de phytodisponibilité induite par la bioturbation. Figure 1. Voies d’exposition des vers de terre aux ETI et mécanismes potentiellement impliqués dans l’augmentation de phytodisponibilité du fait de la bioturbation. ►Conclusion : La bioturbation des vers de terre modifie le devenir des ETI dans les sols par des changements de spéciation pouvant augmenter la mobilité des métaux, et certainement aussi en raison de modifications de la distribution des matières organiques présentes dans le sol

Sanitary and environmental biomonitoring of polluted soil by metallic trace elements

Dans un contexte où les préoccupations environnement-santé sont croissantes à l’échelle globale. Améliorer la compréhension des mécanismes de biodisponibilité et d’(éco)toxicité des polluants métalliques persistants est un enjeu prioritaire, notamment en raison de leur omniprésence observée dans les écosystèmes en relation avec leur compartimentation et spéciation . Le ver de terre est utilisé pour évaluer la qualité des sols ; de plus cet organisme du sol de par ses activités de bioturbation a une influence sur les cycles biogéochimiques. Des tests d’écotoxicité en conditions contrôlées sur vers de terre ont donc été réalisés avec différents sols et espèces de vers. Puis une étude d’impact sur les communautés de vers a été effectuée sur un site pollué présentant un gradient de concentration. L’influence de la bioturbation du ver sur la phytodisponibilité des polluants a été étudiée grâce à des expériences en mésocosmes. Finalement, des mesures de bioaccessibilité des polluants ont été réalisées in vitro sur des sols et végétaux pollués dans différents contextes : friches industrielles, jardins potagers, terrain de sport. L’objectif étant d’étudier le lien entre biodisponibilité pour l’homme, caractéristiques des sols et contexte de pollution. Deux approches complémentaires ont été développées : recherche scientifique liés aux mécanismes et développement d’outils, de procédures pratiques utilisables par les gestionnaires et évaluateurs de risques. L’écotoxicité des métaux et métalloïdes (notés ETM) sur les vers de terre n’est pas simplement régie par leurs concentrations totales, mais dépend fortement des caractéristiques physico-chimiques des sols. Par ailleurs, l’analyse des communautés de ver de terre présentes sur un site contaminé permet d’évaluer la qualité des sols puisqu’on constate un impact sur les l’abondance, la diversité et le taux de juvénile des vers. De plus, la bioturbation du ver de terre augmente significativement la biodisponibilité des ETM pour les plantes potagères telles que la laitue. Finalement, la bioaccessibilité humaine des ETM est régi par de nombreux facteurs liés en particulier au contexte de pollution. Cette fraction bioaccessible des ETM est directement responsable de leur cytotoxicité sur les cellules intestinales. Ces différents résultats ont été complétés par des études mécanistiques (IR, EXAFS, XANES, µ-XRF).In a context where environmental health concerns are globally increasing. Improve understanding of the mechanisms and bioavailability (eco) toxicity of persistent metals pollutants is a priority, especially because of their observed omnipresence in ecosystems in relation to their compartmentation and speciation. The earthworm is used to assess soil quality; moreover this soil organism through its bioturbation activities affects biogeochemical cycles. Ecotoxicity tests under controlled circumstances on earthworms have been conducted with different soils and worms’ species. Then an impact study on earthworms’ communities was conducted on a polluted site showing a concentration gradient. The influence of earthworms’ bioturbation on phytoavailability of pollutants was studied through experiments in mesocosms and Rhizotest. Finally, in vitro measures of pollutants bioavailability were performed on polluted soils and plants in different contexts: brownfields, gardens, sports field. The objective is to study the link between bioavailability for humans, soil characteristics, context of pollution and toxicity. Two complementary approaches have been developed: scientific research related to the mechanisms and development of tools, practical procedures which could be used by managers and risk assessors. Ecotoxicity of metals and metalloid (denoted ETM) on earthworms is not simply governed by their total concentrations, but strongly depends on the physico-chemical characteristics of soils. Furthermore, analysis of earthworm communities from a contaminated site can evaluate the quality of soil since seen an impact on the abundance, diversity and rate of juvenile worms. In addition, earthworms’ bioturbation significantly increases the bioavailability of ETM for vegetable plants such as lettuce. Finally, the human bioaccessibility of ETM is governed by many factors, in particular the context of pollution. The bioaccessible fraction of ETM is directly responsible for their cytotoxicity on intestinal cells. These results were complemented by mechanistic studies (IR, EXAFS, XANES, μ-XRF)

Environmental and health impacts of fine and ultrafine metallic particles: Assessment of threat scores

International audienceThis study proposes global threat scores to prioritize the harmfulness of anthropogenic fine and ultrafine metallic particles (FMP) emitted into the atmosphere at the global scale. (Eco)toxicity of physicochemically characterized FMP oxides for metals currently observed in the atmosphere (CdO, CuO, PbO, PbSO4, Sb2O3, and ZnO) was assessed by performing complementary in vitro tests: ecotoxicity, human bioaccessibility, cytotoxicity, and oxidative potential. Using an innovative methodology based on the combination of (eco)toxicity and physicochemical results, the following hazard classification of the particles is proposed: CdCl2~CdO>CuO>PbO>ZnO>PbSO4>Sb2O3. Both cadmium compounds exhibited the highest threat score due to their high cytotoxicity and bioaccessible dose, whatever their solubility and speciation, suggesting that cadmium toxicity is due to its chemical form rather than its physical form. In contrast, the Sb2O3 threat score was the lowest due to particles with low specific area and solubility, with no effects except a slight oxidative stress. As FMP physicochemical properties reveal differences in specific area, crystallization systems, dissolution process, and speciation, various mechanisms may influence their biological impact. Finally, this newly developed and global approach could be widely used in various contexts of pollution by complex metal particles and may improve risk management