# Better diagnose contamination in industrial territories: new approach using available fractions of potentially toxic elements

Rachel Seillier, Steve Peuble, Jérémie Riquier, Olivier Faure, Frédéric Paran, Baptiste Bouillot

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Rachel Seillier, Steve Peuble, Jérémie Riquier, Olivier Faure, Frédéric Paran, et al. Better diagnose contamination in industrial territories: new approach using available fractions of potentially toxic elements. 5èmes Rencontres Nationales de la Recherche sur les sites et sols pollués, ADEME, Feb 2025, Paris, France. hal-05154971

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# Better diagnose contamination in industrial territories: new approach using available fractions of potentially toxic elements

## Etude de la phytodisponibilité, de la disponibilité environnementale et de la bioaccessibilité des éléments potentiellement toxiques sur le territoire minier et industriel de St-Etienne (Loire)

Rachel Seillier<fnref n="1" />*, Steve Peuble<fnref n="2" />, Jérémie Riquier<fnref n="3" />, Olivier Faure<fnref n="4" />, Frédéric Paran<fnref n="5" />, Baptiste Bouillot<fnref n="6" />

## Résumé

La fraction totale des éléments potentiellement toxiques (EPT) présents dans les sols, actuellement considérée dans les diagnostics de contamination (identification du "danger" d'un site), ne permet pas d'anticiper leur voies de transferts ainsi que leur accumulation dans des organismes vivants. L'étude des fractions disponibles des EPT, étant réellement mobiles et potentiellement bioaccumulables, permet de mieux identifier les dangers des délaissés urbains, mais n'est pas couramment réalisée. La caractérisation de la disponibilité environnementale (fraction "facilement extractible"), ainsi que de la fraction phytodisponible (accumulée dans les feuilles de plantes) des EPT sur un site du territoire stéphanois, montrent de grandes variabilités avec la fraction totale. Pour faciliter l'étude, l'utilisation d'un indice dérivé d'indices existant, l'excès de danger (ED), est appliquée au site. Le caractère innovant de cet indice, agrégeant l'ensemble des éléments d'intérêts, est son application aux fractions disponibles, permettant la caractérisation du transfert des EPT vers les organismes vivants. Ces résultats permettent d'identifier plus précisément les dangers associés aux métaux/métalloïdes présent dans les délaissés urbains en s'appuyant sur l'étude des fractions disponibles du sol et des plantes.

## Introduction

En France, la réhabilitation des délaissés urbains et des friches industrielles, est un enjeu majeur de l'objectif du "zéro artificialisation net"<fnref n="1" />. Cet objectif vise à préserver les espaces naturels par le réemploi de terres déjà impactées par l'activité humaine. Les territoires marqués d'un lourd passé industriel, tels celui de Saint-Etienne, sont souvent fortement contaminés, notamment par des Eléments Potentiellement Toxiques (EPT ; e.g. As, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Ti, Zn), qui peuvent être transférés vers les écosystèmes et constituer ainsi un risque pour des cibles vivantes (populations humaines ou espèces animales et végétales) (Pucheux, Manier, et Faure 2021). La capacité de transfert des EPT, dont dépend le risque d'exposition d'une population à des contaminants toxiques, est contrôlée par les conditions biogéochimiques du sol comme le pH (Scattolin et al. 2021), la teneur en matière organique ou le type de végétation (Ghosh et Singh 2005). Le danger lié à la fraction "transférable" des EPT est encore peu étudié lors de réalisation de diagnostic de pollution mais peut être caractérisé par l'étude des fractions biodisponibles du sol, telles que la disponibilité environnementale, la phytodisponibilité et la bioaccessibilité. La disponibilité environnementale permet de déterminer la solubilité d'un élément et donc son potentiel de transfert aqueux (Novozamsky, Lexmond, et Houba 1993). La phytodisponibilité, quant à elle, informe sur l'accumulation d'un élément dans les différents organes d'un végétal (Remon et al. 2013). La bioaccessibilité quantifie la fraction d'un EPT assimilée par l'organisme pendant la digestion, permettant ainsi de mieux quantifier l'exposition au danger, notamment pour les populations humaines (Cánovas et al. 2023).

De nombreux auteurs ont proposé l'utilisation d'indices de pollution pour faciliter la caractérisation de la contamination du sol, soit en considérant chaque EPT de manière individuelle, soit en agrégeant tous les EPT dans un seul indice complexe. Pour les indices

<footnote n="1">¹: Centre SPIN, Mines Saint-Etienne, SPIN, CNRS 5307 - Laboratoire Georges Friedel (LGF), F-42023, Saint-Etienne, France, rachel.seillier@emse.fr</footnote>

<footnote n="2">²: Centre SPIN, Mines Saint-Etienne, SPIN, CNRS 5307 - LGF, CNRS 5600 - Environnement, Ville et Société (EVS), F-42023, Saint-Etienne, France, steve.peuble@emse.fr</footnote>

<footnote n="3">³: Université Jean Monnet, CNRS 5600 - EVS, F-42023, Saint-Etienne, France, jeremie.riquier@univ-st-etienne.fr</footnote>

<footnote n="4">⁴: Centre SPIN, Mines Saint-Etienne, SPIN, CNRS 5600 - EVS, F-42023, Saint-Etienne, France, ofaure@emse.fr</footnote>

<footnote n="5">⁵: Centre SPIN, Mines Saint-Etienne, SPIN, CNRS 5600 - EVS, F-42023, Saint-Etienne, France, frederic.paran@emse.fr</footnote>

<footnote n="6">⁶: Centre SPIN, Mines Saint-Etienne, SPIN, CNRS 5307 - LGF, F-42023, Saint-Etienne, France, Baptiste.bouillot@emse.fr</footnote>

<footnote n="1">¹ Code de l'urbanisme, Article L101-2 – Légifrance</footnote>
individuels, l'indice de géo-accumulation (Müller 1969) et le facteur d'enrichissement (Sutherland 2000) sont les plus utilisés. Concernant les indices agrégés, "l'indice de sécurité de contamination" (Pejman et al. 2015) et le "risque écologique potentiel" (Håkanson 1980) sont considérés comme étant les plus pertinents, pour l'évaluation de l'accumulation et du risque écologique (Kowalska et al. 2018). La caractérisation du danger d'exposition aux EPT sur des friches industrielles contaminées par plusieurs EPT, pourrait être facilitée par l'utilisation d'indice agrégeant les teneurs des contaminants. Dans cette étude, une nouvelle approche d'évaluation a été utilisée, reposant sur l'utilisation de l'indice d'excès de danger (ED), dérivé des indices précédents. La particularité de l'approche est d'étendre le calcul de cet indice aux fractions biodisponibles, plus représentatives du danger réel, alors que la majorité des indices sont utilisés uniquement sur les teneurs totales. Deux approches complémentaires ont été suivies pour développer cet indice et en tester l'applicabilité : *i*/ l'étude des teneurs totales et de la disponibilité environnementale des EPT pour des sites témoins, supposés représentatifs du fond local ambiant et *ii*/ l'étude des teneurs totales et biodisponibles (disponibilité environnementale et phytodisponibilité) sur des friches contaminées du territoire stéphanois (Loire).

# Matériels et méthodes

## Campagne de terrain

Deux échelles de travail différentes ont été considérées : celle de l'ensemble du bassin minier et industriel stéphanois (superficie totale de 1 584 km<fnref n="2" />) se concentrant sur les parcs (péri-)urbains et les sédiments de cours d'eaux, et celle de deux friches industrielles (friches "CHARVIN" et "AKERS"), d'une surface de 8 275 m<fnref n="2" /> et 73 500 m<fnref n="2" /> respectivement. Cette double stratégie a deux objectifs : (i) définir le fond ambiant (par l'analyse de 42 parcs (péri-)urbains et 33 sédiments de cours d'eau) et (ii) mieux quantifier les transferts des EPT sur sites contaminés (par l'analyse de 90 échantillons de plantes et 80 échantillons de sol, par friche).

Les friches étudiées ont été choisies en raison de leur différences en termes de localisation et d'activité industrielle passée. Le site "CHARVIN" a hébergé pendant près de 90 ans des manufactures de cycle et de pièces d'armement ; le site "AKERS" a été occupé pendant près de 180 ans par des activités essentiellement de fonderie et de métallurgie. Sur chacun des sites, des échantillons à la fois, de sol superficiel (0-15 cm) et de feuilles de plantes ont été collectés. Les prélèvements de sol ont été réalisés après identification des zones sans données ou à fortes anomalies d'après le diagnostic initial de contamination déjà réalisé par un cabinet d'étude sur ces friches. Le prélèvement des plantes a été réalisé selon un échantillonnage composite réunissant les feuilles de cinq espèces différentes pour chaque point de prélèvement ; cette stratégie a pour but de constituer un échantillon représentatif de la communauté végétale présente sur site (Pauget et al., 2015).

## Analyse et traitement

Les échantillons de sols et sédiments ont été séchés à l'étuve à 60 °C pendant 24 à 72 h. Les sols ont été tamisés à < 2 mm et les sédiments à < 125 µm (correspondant à la granulométrie de la base de données SIGMINES<fnref n="2" />).

La fraction totale en EPT des sols et sédiments a été extraite par digestion à l'eau régale suivant la norme ISO 11466. La disponibilité environnementale des EPT a été évaluée après extraction dans une solution dans du chlorure de calcium (CaCl₂ : 0,01 M) selon le protocole de Houba et al. (2000). La fraction phytodisponible est obtenue après digestion d'échantillons composites de feuilles selon Pauget et al (2015).

Tous les échantillons, après extraction, sont stockés au réfrigérateur (4 °C) jusqu'à leur analyse, réalisés à l'aide d'un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS, Agilent 7 800).

Les données récoltées sont ensuite traitées par cartographie numérique sous ArcGIS Pro à l'aide de la méthode de la pondération par l'inverse de la distance. Pour faciliter la lecture des cartes, les données obtenues ont été comparées à la distribution de données témoins, représentatives de sites non contaminés. Pour les teneurs totales en EPT, les données de référence ont été extraites de la BDSolu (https://www.bdsolu.fr/fr) ; pour les teneurs extractibles au CaCl2 et les teneurs phytodisponibles, les données témoins ont été extraites de la base de données du programme ADEME "Bioindicateurs" (https://ecobiosoil.univ-rennes1.fr/ADEME-Bioindicateur/). Quatre gammes de valeurs ont été définies à partir de la distribution de ces données de référence (Reimann, Filzmoser, et Garrett 2005) : les teneurs habituelles (valeurs inférieures à la vibrisse supérieure interne de la distribution témoin), les anomalies modérées (valeurs comprises entre la vibrisse supérieure interne et la vibrisse supérieure externe), les anomalies fortes (valeurs comprises entre la vibrisse supérieure externe et le maximum de la distribution témoin) et les anomalies extrêmes (valeurs supérieures au maximum de la distribution témoin).

Pour chaque fraction étudiée (teneurs totales, disponibilité environnementale et phytodisponibilité) les données brutes de concentrations ont été converties en valeurs "d'excès de danger" (ED) tel que :

<footnote n="2">² Données de l'inventaire géologique minier français réalisé par le BRGM (1975 – 1991). SIGMINES est une base de données nationale, regroupant les teneurs naturelles du fond géochimique ambiant sur les territoires cristallins, à partir de l'analyse de colluvions. RP-62960-FR</footnote>
$$ED^i = \left( \frac{C_m^i}{C_{Ref}^i} \right) \times k^i$$

$C_m$: teneur mesurée, $C_r$: valeur de référence (fond géochimique), $k_i$: constante de toxicité de l'élément i ($k_{As}$: 10; $k_{Cd}$: 30; $k_{Cr}$: 2; $k_{Cu}$, $k_{Ni}$ et $k_{Pb}$: 5; $k_{Zn}$: 1)

Finalement, pour chaque point d'échantillonnage, les excès de danger lié à chaque élément peuvent être additionnés pour construire un indice "d'excès de danger intégré" (EDI) tel que :

$$EDI = \sum_{i=1}^{n} ED_i$$

La cartographie des EDI permet d'obtenir une représentation synthétique du danger global lié aux EPT, pour chaque fraction considérée (teneurs totales, disponibilité environnementale et phytodisponibilité) sur les sites étudiés.

## Résultats et discussion

La figure 1 présente les indices d'excès de danger intégré pour 7 EPT (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb et Zn) ", construit en considérant les teneurs totales du sol en EPT (Figure 1a), leur disponibilité environnementale (Figure 1b) et leur phytodisponibilité (Figure 1c) sur le site "Charvin. Les résultats obtenus montrent que les trois cartes ne sont pas superposables. De fait, lorsque l'on considère les teneurs totales en EPT (Fig. 1.a), le site étudié peut être considéré comme présentant un excès de danger modéré, par rapport aux sites témoins de la BDSolU ; on peut noter que cet excès de danger présente une distribution homogène sur l'ensemble du site. À l'inverse, lorsque l'on considère la disponibilité environnementale des EPT (Fig. 1b), les valeurs obtenues restent très majoritairement dans la gamme des valeurs habituelles, observables sur des sites non contaminés ; il n'y a donc manifestement pas, ou très peu, d'excès de danger lié à la fraction mobile des EPT. Enfin, lorsque l'on considère la phytodisponible (Fig. 1c), une carte plus nuancée est obtenue : en effet, la végétation d'une grande partie nord du site n'indique aucun excès de danger, par rapport à la végétation de sites témoins non contaminés, alors que la zone sud du site montre des anomalies modérées à fortes, indiquant un transfert anormalement élevé des éléments mesurés.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1: Cartes d'interpolation de l'indice d'excès de danger (EDI) des métaux/métalloïdes pour a) la teneur totale (mg/kg), b) la disponibilité environnementale (µg/kg) et c) la phytodisponibilité (mg/kg) sur une friche (CHARVIN) du territoire de Saint-Etienne, France. La méthode cartographique utilisée est la pondération par l'inverse de la distance. Le diagramme en boite montre les limites de classe, Fl étant la frontière interne et FE la frontière externe.</figcaption></figure>
## Conclusions et perspectives

Les premiers résultats présentés dans cette étude montrent que l'estimation du danger associé à un site contaminé n'est pas une tâche triviale. De fait, selon la fraction du sol où ce danger est évalué (teneur totale, disponibilité environnementale et phytodisponibilité), des résultats très différents peuvent être obtenus. Sur le site Charvin, retenu dans cette présentation, l'étude des seules teneurs totales en EPT ne permet pas d'anticiper leurs teneurs disponibles et/ou accumulables dans la végétation du site, et conduisent manifestement à une surestimation des risques. L'utilisation de trois indices de danger intégrés, permettant d'éclairer trois aspects du danger pourrait donc représenter un bon outils d'aide à la décision pour les gestionnaires de site. À ces trois aspects du danger, il pourrait être utile d'en ajouter un quatrième, celui de la bioaccessibilité orale, permettant de mieux évaluer les risques pour la santé humaine ; des analyses sont actuellement en cours pour compléter cet aspect.

Il faut finalement souligner que l'interprétation des résultats analytiques, reposant sur un référentiel national, ne prend pas en compte les éventuelles anomalies naturelles locales. La constitution d'un référentiel à l'échelle du bassin stéphanois est en cours et a pour but d'affiner les seuillages de chaque éléments, proposés pour la cartographie des sites. À terme, l'objectif de ce travail est de recueillir suffisamment de données pour (1) constituer un fond géochimique local robuste et (2) produire un indice de calcul de la contamination pour mieux gérer les délaissés urbains.

## Références

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## Remerciements

Ce travail a été réalisé avec l'aide de l'école des mines de Saint-Etienne, France, par son financement d'un contrat doctoral et des analyses liés. R. Seillier remercie C.R. Cánovas pour son aide et accueil dans les laboratoires de l'université de Huelva, Espagne, pour la réalisation des tests de bioaccessibilité orale du sol.
Contamination diagnoses: new approach using available fractions of potentially toxic elements

new contamination diagnosis approach using available fractions of metals in industrial territories

Contamination diagnoses in industrial territories: new approach using available fractions of metals