Tour d’horizon des contaminants présents dans les sols agricoles

Si l’on se réfère à un récent inventaire des substances chimiques produites et utilisées dans le monde, ce sont plus de 350 000 substances qui sont susceptibles d’être émises dans l’environnement pour ainsi devenir des contaminants [2] (pour rappel, un contaminant est une substance introduite par les activités humaines, un polluant est une substance d’origine naturelle ou anthropique qui présente un risque avéré de dégradation du milieu ; voir article suivant). Sur les cinquante dernières années, seulement 6 % de ces substances auraient fait l’objet d’études scientifiques sur leur présence dans l’environnement, leur accumulation dans les organismes vivants ou leur toxicité [3]. Couvrant près de 40 % des terres émergées [4], les sols agricoles sont un des principaux compartiments récepteurs des contaminants émis dans l’environnement. Mais au-delà du nombre de ces contaminants, il importe de mieux connaître leur nature afin de pouvoir étudier leur comportement et évaluer leurs impacts. Ils sont généralement classés en deux grandes familles, selon qu’ils sont de nature organique (molécule qui contient du carbone) ou inorganique.

Les contaminants inorganiques : persistants par nature

Les contaminants inorganiques (substances extraites du milieu naturel par l’être humain en raison de leurs nombreuses propriétés intrinsèques) ne sont pas dégradables par principe et sont donc persistants quand ils sont disséminés dans l’environnement, notamment dans les sols qui les retiennent généralement fortement. Les contaminants inorganiques peuvent être subdivisés en trois groupes.

Les éléments traces
Le terme « métaux lourds » est couramment utilisé dans les médias comme synonyme bien qu’il n’ait pas de définition rigoureuse [5]. Nous lui préférons ici celui d’éléments traces (voir encadré ci-dessous).

Ce sont les contaminants inorganiques les plus fréquemment retrouvés dans les sols. Ce sont également, avec les produits phytopharmaceutiques [6], les contaminants qui sont généralement apportés en plus grande quantité sur les sols agricoles, avec des apports annuels allant de quelques grammes à quelques kilogrammes par hectare selon les éléments. En France, les différentes sources de contamination des sols agricoles ont été clairement identifiées et quantifiées pour les éléments traces les plus couramment suivis dans la réglementation (voir encadré ci-après). Des concentrations élevées en éléments traces sont enfin retrouvées à l’état naturel dans certains sols, en lien avec la composition chimique des matériaux géologiques sur lesquels ces sols se sont formés. Bien que cela doive être démontré en France au cas par cas [7], cette richesse naturelle dans certains sols agricoles est cependant rarement problématique pour la santé humaine et celle de l’environnement.

Les éléments radioactifs
Les éléments radioactifs (ou radionucléides) issus des activités humaines et que l’on peut retrouver dans les sols agricoles proviennent principalement de deux sources : les activités militaires (les essais nucléaires aériens, nombreux jusqu’en 1963 et qui se sont poursuivis jusqu’en 1980) et les accidents dans les centrales nucléaires civiles (Tchernobyl en 1985 et Fukushima en 2011). La contamination des végétaux et des sols dépend de plusieurs facteurs : la concentration en éléments radioactifs, leur durée de vie et leur mobilité (liée aux caractéristiques chimiques de l’élément et à la nature des sols). Pour les végétaux, la contamination pourra se faire directement par le dépôt des radionucléides sur les feuilles ou par absorption racinaire lorsque les radionucléides s’accumulent préalablement dans le sol [8].

Au début des années 1960, la forte fréquence des essais nucléaires dans le monde entretient une contamination prolongée du lait suite à l’absorption par les animaux de fourrage contaminé. Le césium 137 et le strontium 90, radionucléides à vie longue (une trentaine d’années) entretiennent une contamination qui ne diminue que lentement [9]. De plus, ils se comportent chimiquement de façon analogue au potassium et au calcium et sont donc prélevés en quantité importante par les organismes vivants (notamment les plantes et les animaux). Si en France, les retombées nucléaires issues de l’accident de Fukushima sont négligeables, celles issues de celui de Tchernobyl ont été plus significatives, tout en conduisant à des doses moyennes reçues par les populations les plus exposées proches des niveaux les plus faibles de radioactivité naturelle. En 1986, c’est l’ingestion de denrées contaminées qui est le principal facteur explicatif des doses reçues. Mais dès 1987, cette contribution devient minime [10].

L’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) estime à moins de 1 % la contribution de la contamination des sols par les radionucléides à l’exposition de la population française aux rayonnements ionisants [11]. Cette exposition est presque entièrement due à une exposition naturelle (70 %) et médicale (30 %). Ainsi, les radionucléides présents dans les sols français n’ont pas aujourd’hui d’impact sanitaire et environnemental significatif, si on laisse de côté le radon, gaz radioactif naturel qui peut être inhalé après son émission [12].

Les particules d’amiante
Le troisième groupe de contaminants inorganiques est constitué par les particules d’amiante produites industriellement à partir de minéraux silicatés fibreux présents à l’état naturel et qui peuvent ensuite être rejetées dans l’environnement en périphérie des sites miniers d’extraction ou des bâtiments contenant ou ayant contenu de l’amiante. L’effet toxique des particules d’amiante sur la santé humaine est dû à leur structure physique en fibres ainsi qu’à leur composition et leurs propriétés chimiques [13]. Les sols agricoles sont généralement peu concernés par ce type de contamination. Les particules d’amiante présentes à l’état naturel dans les sols peuvent également se disperser dans l’atmosphère et ainsi être inhalées. Ce risque d’origine naturelle pour la santé humaine est cependant bien moins étudié que celui lié aux cas de contamination [14].

Les éléments majeurs
Les éléments majeurs qui, contrairement aux éléments traces, présentent par définition des concentrations naturellement élevées dans l’environnement, ne sont généralement pas considérés comme des contaminants des sols. Les apports intentionnels et quantitativement importants d’azote et de phosphore par la fertilisation sont même nécessaires à l’agriculture pour assurer une productivité satisfaisante des cultures. En revanche, lorsque ces apports sont mal maîtrisés, l’azote et le phosphore excédentaires peuvent fuiter des sols agricoles pour contaminer les ressources en eau et ainsi contribuer à leur eutrophisation [15, 16].

Des contaminants organiques par myriades

S’ils sont généralement présents dans les sols agricoles en plus faible concentration que les contaminants inorganiques, les contaminants organiques constituent, de loin, la famille de contaminants la plus diversifiée, avec plusieurs dizaines de milliers de molécules différentes. Ces molécules entrent dans la composition de plus de 90 % des substances chimiques produites et utilisées dans le monde [2].

Classés en fonction de leur nature chimique ou de leur utilisation, les contaminants organiques regroupent :

• les hydrocarbures dérivés du pétrole et du charbon comme les composés aromatiques polycycliques ;
• les dioxines et les furanes qui sont des résidus de l’industrie chimique et de l’incinération incomplète des déchets ;
• les composés halogénés contenant du chlore (les polychlorobiphényles ou PCBs), du brome ou du fluor comme les substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (les fameux PFAS) ;
• les molécules phytopharmaceutiques utilisées pour protéger les cultures des ravageurs (comme le glyphosate ou le chlordécone) ;
• les molécules pharmaceutiques et de soins personnels comme les antibiotiques à usages humain et vétérinaire ;
• les polymères plastiques comme le polyéthylène ou le nylon ou les plastifiants comme les phtalates qui entrent dans la composition de très nombreux objets du quotidien.

Certaines de ces molécules peuvent être retrouvées dans le sol pendant plusieurs années, voire décennies, après l’épisode de contamination. La production et l’utilisation de 33 de ces contaminants organiques persistants sont ainsi réglementées par la convention de Stockholm de 2001.

L’effet toxique des contaminants organiques sur la santé humaine et les autres organismes vivants est généralement lié à leurs propriétés chimiques. Les micro plastiques apportés tels quels au sol ou qui s’y forment par désagrégation des plastiques peuvent cependant combiner un effet toxique dû à la fois à leurs propriétés physiques et chimiques [17].

La contamination des sols agricoles par les contaminants organiques provient de diverses sources et notamment des pratiques agricoles elles-mêmes, comme la protection phytosanitaire des cultures, la fertilisation à l’aide de matières fertilisantes d’origine résiduaire (Mafor) ou encore l’utilisation dans les champs de films et de tuyaux en plastique. Bien que cela ne soit pas leur source principale, certains contaminants organiques comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques ou les dioxines et les furanes peuvent être formés et s’accumuler dans les sols suite à des phénomènes naturels comme les éruptions volcaniques ou les feux de forêts ; mais ces composés sont aussi issus de l’incinération des ordures ménagères et se déposent sur les sols par dépôt sec ou humide via les eaux de pluie.

Les nanoparticules : un statut à part

Les nanoparticules constituent un groupe de contaminants à part, qui peuvent être de nature organique ou inorganique. Leurs propriétés particulières sont dues à leur taille inférieure au micromètre (un millionième de mètre ou moins) qui leur procure une réactivité chimique particulièrement importante. Certaines nanoparticules synthétiques, et notamment celles contenant l’élément chimique argent (Ag), qui confèrent des propriétés bactéricides intéressantes à certains produits textiles ou médicaux, sont apportées en quantité importante sur les sols agricoles par les pratiques de fertilisation à l’aide de boues de station d’épuration. Ces nanoparticules d’argent ont ainsi fait l’objet ces deux dernières décennies de très nombreux travaux de recherche qui ont permis de montrer que les risques pour la santé humaine et celle de l’environnement étaient plus faibles qu’initialement suspecté. En revanche, d’autres nanoparticules de zinc ou de cuivre, qui se forment non intentionnellement en bien plus grande quantité dans les Mafor épandues sur les sols agricoles, ont fait l’objet de beaucoup moins de travaux [18].

Il est enfin important de souligner que les nanoparticules sont présentes naturellement dans la quasi-totalité des sols de la planète et contribuent largement à plusieurs propriétés essentielles supportant la productivité des sols agricoles, comme la rétention de l’eau, le stockage de la matière organique ou la rétention des éléments nécessaire à la nutrition des cultures. A contrario, le potentiel effet toxique de ces nanoparticules naturelles pour les organismes présents dans le sol est généralement considéré comme négligeable.

L’antibiorésistance : symbole de l’interaction entre contaminants

Les contaminants sont très communément présents en mélange dans l’environnement et les sols en particulier. Ce mélange laisse suspecter des interactions entre les contaminants qui pourraient générer un effet toxique global supérieur à la somme des effets toxiques individuels. C’est ce qui est couramment appelé l’effet « cocktail » [19]. Un tel effet est souvent évoqué mais à ce jour il est encore peu mis en évidence. Néanmoins, un phénomène toxique semble toutefois bien symboliser cette interaction entre contaminants. Il s’agit du phénomène de résistance aux molécules antibiotiques qui est observé chez les micro-organismes pathogènes des plantes et des animaux (l’être humain compris). Si l’effet est avant tout biologique, il est également stimulé par l’exposition des micro-organismes pathogènes non seulement aux molécules d’antibiotiques présentes dans l’environnement, mais également à certains éléments traces comme le cuivre et le zinc [20]. Or des molécules antibiotiques se retrouvent mélangés avec du cuivre et du zinc dans de nombreux sols agricoles qui reçoivent des apports de Mafor, notamment celles issues d’effluents d’élevage ou de boues de station d’épuration. Une augmentation de l’abondance de plusieurs dizaines de gènes de résistance aux antibiotiques a ainsi été observée à la fois dans les effluents d’élevage intensifs de porcs et dans les sols ayant reçu l’épandage de ces effluents [21]. La corrélation entre l’abondance des gènes de résistance et les concentrations en molécules antibiotiques et en éléments traces comme le cuivre a également suggéré l’implication de ces deux groupes de contaminants chimiques dans la sélection des gènes de résistances.

Que faire face à ce constat ?

Ce bref tour d’horizon souligne sans appel la présence d’une diversité vertigineuse de contaminants dans les sols agricoles. Les sols constituent une interface essentielle dans les transferts de ces contaminants vers d’autres compartiments comme l’eau, l’air ou les organismes vivants, y compris l’Homme. C’est pourquoi la surveillance de la contamination des sols sur le long terme devient une composante essentielle des recherches sur l’exposome, « entendu comme l’intégration sur la vie entière de l’ensemble des expositions qui peuvent influencer la santé humaine » [22].

Face à ce constat, la communauté scientifique est légitimement questionnée sur les risques potentiels pour la santé humaine et celle de l’environnement. Afin de répondre à ces interrogations et de soutenir si nécessaire l’évolution des réglementations et des activités humaines sources de contamination, elle a développé des méthodes permettant d’évaluer les risques liés à la contamination des sols, notamment de ceux utilisés en agriculture [23, 24].

Bien qu’encore peu exhaustives face à la diversité potentielle des contaminants du sol et limitées dans la nature des impacts évalués, ces méthodes restent néanmoins utiles pour apporter un éclairage scientifique à l’analyse bénéfices-risques des activités humaines en zones de production agricole.