Chimie environnementale des rejets urbains

Objectif

Ce projet vise à mieux identifier les contaminants et les substances émergentes ainsi que leurs formes chimiques pouvant influencer la toxicité des rejets urbains. Les résultats de ces travaux de recherche permettront une meilleure évaluation de l’impact environnemental des rejets urbains dans le fleuve Saint-Laurent. De façon plus spécifique, les chercheurs d'Environnement Canada travaillent à :

déterminer la spéciation physique et chimique des contaminants (métaux et substances organiques)

présents dans le panache de dispersion de l’effluent urbain et les zones avoisinantes; évaluer la biodisponibilité des contaminants et leur devenir;

évaluer les effets des procédés de désinfection des eaux usées de la station d’épuration de la Ville de

Montréal sur les formes chimiques des contaminants.

Contamination par les rejets urbains

Les rejets urbains représentent une source de pollution importante. Le fleuve Saint-Laurent reçoit l’effluent de la plus grande station d’épuration en Amérique du Nord. Cette station traite 2,5 millions de mètres cubes d’eaux usées par jour provenant de la Ville de Montréal.

Station d’épuration de la Ville de Montréal

Malgré les efforts investis pour réduire de manière significative les toxiques que contiennent ces eaux usées, de récents travaux menés à Environnement Canada montrent que l’effluent de la Ville de Montréal présente un potentiel toxique dû, en grande partie, aux eaux usées industrielles captées par le réseau municipal.

Les impacts environnementaux des rejets urbains sur les eaux réceptrices du fleuve Saint-Laurent sont nombreux, et des contaminants comme les métaux peuvent être toxiques pour les organismes aquatiques. Les conditions physico-chimiques des eaux réceptrices influencent la spéciation des métaux ainsi que leur biodisponibilité. Les organismes aquatiques exposés aux contaminants provenant des effluents municipaux peuvent bioaccumuler des métaux sous forme particulaire, par l’ingestion de nourriture, ainsi que des métaux en phase dissoute.

Biodisponibilité et bioaccumulation des métaux

Deux approches ont été utilisées pour étudier les mécanismes de la biodisponibilité et de l’absorption alimentaire des métaux libérés dans les eaux réceptrices : la caractérisation chimique des métaux dans l’eau et l’exposition de moules en cages aux rejets urbains.

Travaux sur le terrain

L’analyse chimique consiste à mesurer les concentrations totales de métaux sous forme particulaire ainsi que les concentrations des métaux extractibles et dissous dans les échantillons prélevés. La bioaccumulation de métaux est évaluée dans les tissus de moules (Elliptio complanata) exposées au panache de l’effluent municipal pendant 90 jours. La distribution de certains métaux (par exemple, Ag, Cd, Cr) dans les tissus de ces moules est un excellent indicateur des voies d’exposition (phase dissoute ou particulaire).

Moule d’eau douce, Elliptio complanata

Les résultats des études de bioaccumulation des métaux chez les moules montrent que les branchies et la glande digestive sont généralement les plus importants tissus cibles. Selon les scientifiques, les deux voies d'exposition devraient être considérées dans le cas des moules exposées aux effluents municipaux (Gagnon et al., 2006).

Les scientifiques ont également observé que l’Ag et le Cd sont plus fortement associés aux colloïdes dans le panache de dispersion, contrairement à d’autres métaux comme le Cu et le Zn. Par conséquent, l’Ag et le Cd sont généralement moins biodisponibles dans le panache de dispersion de l’effluent qu’à la station de référence située deux kilomètres en amont du point de rejet de la station d’épuration de la Ville de Montréal. Par ailleurs, les caractéristiques physico-chimiques de l’eau, comme la concentration de carbone organique, ont une influence sur l’absorption des métaux dans les eaux réceptrices.

Effluent urbain de la Ville de Montréal

Les travaux de recherche se poursuivent à Environnement Canada, notamment pour déterminer la spéciation des métaux présents dans la phase dissoute (ions libres, complexes inorganiques et organiques, complexes macromoléculaires, etc.). Les résultats seront ensuite appliqués à un modèle afin d’évaluer la capacité des métaux à se bioaccumuler. De plus, des travaux réalisés dans des mésocosmes, à la station d’épuration de la Ville de Montréal, permettront de mesurer les changements de la charge toxique avant et après la désinfection des eaux usées.

De récents résultats indiquent que la désinfection des eaux usées par un procédé d’ozonation n’affecte pas de façon significative les paramètres physico-chimiques de l’effluent tels que le pH, le carbone organique dissous et total ainsi que l’ammoniac. Cependant, la turbidité et la concentration de coliformes fécaux dans les eaux désinfectées ont chuté de façon marquée (Gagné et al., 2007). Les scientifiques ont par ailleurs observé une augmentation du stress oxydatif chez les moules d’eau douce exposées aux effluents traités par ozonation, malgré la réduction de la charge toxique. 

De nouveaux toxiques... les substances émergentes

Les chercheurs ont récemment noté l’apparition de nouveaux toxiques dans les eaux usées — les substances « émergentes » — comme les produits pharmaceutiques, les organoétains et les alkylphénols utilisés dans la fabrication des plastiques. Présentes dans les effluents industriels et municipaux, ces substances sont susceptibles de perturber le système endocrinien ou de provoquer des anomalies morphologiques et une réduction du taux de reproduction chez les organismes aquatiques.

Des méthodes d’analyse chimique (couplage CG-SM) permettront d’identifier les substances pharmaceutiques d’intérêt (ibuprofène, carbamazépine) dans les eaux usées municipales. Des essais préliminaires seront entrepris afin de déterminer s’il y a un lien entre la présence potentielle de certains médicaments et les perturbations observées chez les organismes aquatiques, dont les moules utilisées comme bioindicateur. Les résultats de ces essais permettront d’évaluer les impacts des substances émergentes comme les contaminants d’origine pharmaceutique sur l’environnement.

Des travaux antérieurs ont porté sur le développement de méthodes pour extraire et doser les alkylphénols polyéthoxylés et leurs métabolites dans les phases dissoute et particulaire des échantillons d’eau de surface.

Dans le présent projet, les chercheurs tenteront de mesurer ces mêmes substances dans les moules et les poissons exposés aux eaux usées. Ces travaux, réalisés en partie dans les mésocosmes de la station d’épuration de la Ville de Montréal, permettront d’évaluer les changements de la charge toxique avant et après la désinfection des eaux usées.

Documentation

Gagné, F., C. Gagnon, P. Turcotte et C. Blaise. 2007. « Changes in metallothionein levels in freshwater mussels exposed to urban wastewaters: Effects from exposure to heavy metals? ».  Biomarker Insights, 2 : 107-116.

Gagné, F., C. André, P. Cejka, C. Gagnon et C. Blaise. 2007. « Toxicological effects of primary-treated urban wastewaters, before and after ozone treatment, on freshwater mussels (Elliptio complanata) ». Comparative Biochemistry and Physiology, Part C: Toxicology and Pharmacology [sous presse].

Gagné, F., C. Blaise, C. André, C. Gagnon et M. Salazar. 2007. « Neuroendocrine disruption and health effects in Elliptio complanata mussels exposed to aeration lagoons for wastewater treatment ». Chemosphere, 68 : 731-743.

Gagné, F., C. Blaise, I. Aoyama, R. Luo, C. Gagnon, Y. Couillard, P.G.C. Campbell et M. Salazar. 2002. « Biomarker study of a municipal effluent dispersion plume in two species of freshwater mussels ». Environmental Toxicology, 17 : 149-159.

Gagnon, C. et I. Saulnier. 2003. « Distribution and fate of metals in the dispersion plume of a major municipal effluent ». Environmental Pollution, 124 : 47-55.

Gagnon, C. et P. Turcotte. 2007. « Role of colloids in the physical speciation of metals in the dispersion plume of a major municipal effluent ». J. Water Sci. [sous presse].

Gagnon, C., F. Gagné, P. Turcotte, I. Saulnier, C. Blaise, M.H. Salazar et S.M. Salazar. 2006. « Exposure of caged mussels to metals in a primary-treated municipal wastewater plume ». Chemosphere, 62 (6) : 998-1010.

Lajeunesse, A. et C. Gagnon. 2007. « Determination of acidic pharmaceuticals and carbamazepine in roughly treated sewage by solid phase extraction and gas chromatography-tandem mass spectrometry ». Intern. J. Environ. Anal. Chem. [sous presse].

Sabik, H., C. Gagnon, F. Houde et C. Deblois. 2004. « Distribution, fate, and behavior of nonylphenol ethoxylates and degradation products in the dispersion plume of a major municipal wastewater effluent ». Environmental Forensics, 5 (2) : 61-70.

Sabik, H., F. Gagné, C. Blaise, D.J. Marcogliese et R. Jeannot. 2003. « Occurrence of alkylphenol polyethoxylates in the St. Lawrence River and their bioconcentration by mussels ( Elliptio complanata ) ». Chemosphere, 51 : 349-356.

Liens pertinents

Événements

10e Colloque annuel du Chapitre Saint-Laurent – Sciences de l'environnement : chemin parcouru et défis à venirEffets de différents procédés de désinfection d’eaux municipales   : changements de la bioaccumulation et la biodisponibilité des métaux (Résumé)

10th EuCheMS-DCE International Conference on Chemistry and the EnvironmentMunicipal wastewater contaminants in water resources: The environmental fate of conventional and emerging substances (Résumé)

9th FECS Conference on Chemistry and the Environment: Behaviour of Chemicals in the EnvironmentBioavailability of metals discharged in municipal wastewater effluents

SETAC 24th Annual Meeting in North AmericaEnvironmental fate of metals released from municipal wastewater effluents

Atelier sur la toxicité aquatique 2003Metal bioaccumulation in caged mussels exposed to a municipal wastewater effluent

SETAC North America 23rd Annual MeetingPartage particules-eau des alkylphénols polyéthoxylés et de leurs produits de dégradation présents dans le fleuve Saint-Laurent, près de Montréal

Infos Saint-Laurent

Perturbations hormonales chez les moules d’eau douce

Les effluents urbains sont-ils responsables de la contamination du Saint-Laurent par les métaux ?

Projets

Écotoxicologie des rejets urbains

Ville de Montréal – Station d’épuration des eaux usées

Réseau de recherche en écotoxicologie du Saint-Laurent

Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec