Recommandations fédérales pour la qualité de l'environnement - Strontium

Titre officiel : Recommandations fédérales pour la qualité de l'environnement - Strontium

Environnement et changement Climatique Canada

Juillet 2020

Introduction

Les recommandations fédérales pour la qualité de l’environnement (RFQE) fournissent des seuils de qualité acceptable pour l’environnement ambiant. Elles sont basées uniquement sur les effets ou les dangers toxicologiques de substances ou de groupes de substances spécifiques. Les RFQE remplissent trois fonctions : premièrement, elles peuvent aider à prévenir la pollution en fournissant des cibles acceptables de qualité environnementale; deuxièmement, elles peuvent aider à évaluer l’importance des concentrations de substances chimiques actuellement présentes dans l’environnement (surveillance de l’eau, des sédiments, du sol et des tissus biologiques); troisièmement, elles peuvent servir de mesure de la performance pour évaluer l’efficacité des activités de gestion des risques. L’utilisation des RFQE est volontaire, à moins qu’elle ne soit prescrite dans des permis ou d’autres outils réglementaires. Les RFQE pour le milieu ambiant ne constituent donc pas des limites ni des valeurs « à ne jamais dépasser » pour les effluents, mais elles peuvent être utilisées pour calculer de telles limites. Le développement des RFQE relève du ministre fédéral de l’Environnement et du Changement climatique en vertu de la Loi canadienne sur la protection de l’environnement (LCPE) (gouvernement du Canada (GC) 1999). L’intention est de développer des RFQE en tant que complément de l’évaluation/gestion des risques des produits chimiques d’intérêt prioritaire identifiés dans le cadre du Plan de gestion des produits chimiques (PGPC) ou d’autres initiatives fédérales.

Lorsque les données le permettent, les RFQE sont calculées en suivant les protocoles du CCME. Des RFQE sont développées lorsqu’il existe un besoin au niveau fédéral (p. ex. pour appuyer les activités fédérales de gestion du risque ou d’autres activités de surveillance), et que des lignes directrices du CCME pour cette substance n’ont pas encore été développées ou ne devraient pas être mises à jour dans un proche avenir. Plus de renseignements sur les RFQE sont disponibles.

La présente fiche d’information décrit la recommandation fédérale pour la qualité de l’eau (RFQE_eau) pour la protection de la vie aquatique contre les effets nocifs du strontium (tableau 1). Cette recommandation est basée sur des données de toxicité identifiées jusqu’en juin 2015. Aucune RFQE n’a été développée pour les tissus biologiques, pour les sédiments ni pour les sols pour le moment

^a Étant donné que les concentrations de strontium dissous sont environ équivalentes à aux concentrations totales de strontium, la présente recommandation peut être comparée aux concentrations de strontium quand celles de strontium dissous ne sont pas disponibles.
^b Bien que la dureté ait été mise en évidence comme facteur modifiant la toxicité pour le strontium (Nautilus Environmental 2013), il n’y a pas, à présent, assez de données sur la relation entre la dureté et la toxicité du strontium pour développer un facteur d’ajustement de la toxicité du strontium en fonction de la dureté.

Identité de la substance

Le strontium (Sr) est un métal alcalino-terreux (numéro CAS 7440-24-6) aux propriétés similaires à celles du calcium. Le strontium réagit fortement avec l'oxygène et l'eau. Il existe principalement à l'état d'oxydation +2. Il se trouve naturellement qu’avec d’autres éléments dans des composés dans l'environnement (OMS 2010, Ropp 2013). Il est présent le plus souvent dans la strontianite (SrCO₃), un carbonate minéral, et dans la célestite (SrSO₄), un sulfate minéral (Ropp 2013). Ces minéraux sont présents principalement dans des roches sédimentaires (Kogel et al. 2006). Le strontium est un mélange de quatre isotopes naturels stables, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr et ⁸⁸Sr, ce dernier étant le plus prévalent (Chowdhury et Blust 2012). La RFQE est pour le strontium stable.

Utilisations

La strontianite et la célestite sont les seuls composés naturels du strontium qui contiennent suffisamment de strontium pour rendre sa récupération pratique (Ober 2014). La célestite est plus fréquemment présente dans des gisements sédimentaires d’une taille assez importante pour rendre leur exploitation attrayante. Elle est principalement utilisée pour la production d'autres composés du strontium (MacMillan 2000, Ober 2014). Des gisements de strontium ont été identifiés en Colombie-Britannique, à Terre-Neuve, en Ontario et en Nouvelle-Écosse. Dans le bassin sédimentaire de Loch Lomond, en Nouvelle-Écosse, les gisements du lac Enon et de MacRae ont été exploités de 1970 à 1976, jusqu'à ce que la production de strontium de faible qualité ne soit plus rentable (Fowler 1991, Kogel et al. 2006).

Jusqu'en 2003, l'entreprise canadienne Timminco Limited était le premier producteur mondial de strontium métallique produit à partir de carbonate de strontium importé. Il n'y a pas eu de production de strontium au Canada depuis l’arrêt de la production de strontium par Timminco dans son usine ontarienne en 2003 (RNCan, communication personnelle, 2016). En 2003, le Canada a exporté 39 900 kg de strontium métallique aux États-Unis (Kogel et al. 2006). Malgré l’arrêt de la production, le Canada continue d'importer du strontium. Entre 2012 et 2015, les importations canadiennes de carbonate de strontium ont été de 611 000 à 836 000 kg (RNCan, communication personnelle, 2016). La production de SrCO₃ aux États‑Unis a pris fin en 2006, et aucun minerai de strontium n'a été extrait aux États-Unis depuis 1959. Les plus grands producteurs de strontium sont l'Espagne, la Chine et le Mexique. La production mondiale en 2014 était de 318 000 tonnes (GS 2015). En 2007, la quantité annuelle de composés du strontium mise sur le marché canadien était d'environ 5400 tonnes (OMS 2010).

Les composés du strontium sont utilisés en pyrotechnie et dans des fusées éclairantes, ainsi que dans des aimants en ferrite céramique. Le nitrate de strontium donne une couleur rouge vif aux feux d'artifice et aux fusées éclairantes, et peut être combiné avec des composés de cuivre pour produire une couleur violette (Ober 2014). Les autres utilisations des composés du strontium comprennent le strontium métallique dans des alliages mères, le chromate de strontium dans des pigments et des matières de charge, le carbonate de strontium pour la production électrolytique de zinc, l'oxyde de strontium pour la production de céramiques et de verres et le chlorure de strontium dans des dentifrices pour dents sensibles (MacMillan et al. 2000, Ober 2014, GS 2015).

Les sources naturelles et anthropiques de strontium au Canada comprennent la perturbation des terres, les gisements de strontium où du strontium à précédemment été exploré ou exploité et les rejets d’industries non nucléaires, comme les raffineries de métaux, les industries du bois, de la pâte et des céramiques (Chowdury et Blust 2012).  

Devenir, comportement et partition dans l'environnement

Le strontium est principalement présent dans la phase dissoute des systèmes aquatiques et ses concentrations sont généralement plus élevées en milieu marin (8,1-10,0 mg/L) qu'en eau douce (0,002‑0,2 mg/L) (Chowdhury et Blust 2012). Les océans sont le plus grand réservoir de strontium dissous, à partir duquel le strontium peut être rejeté dans l'air dans les embruns (OMS 2010). Le strontium se lie faiblement aux particules et il est très mobile entre les sédiments et l'eau, à l'intérieur des sédiments, entre les bassins, les systèmes aquatiques et les estuaires en passant par les rivières. Les estimations du coefficient de distribution du strontium (exprimé en tant que rapport des concentrations de la phase particulaire et de la phase dissoute à l’équilibre) sont de 180 L/kg pour l'eau douce, de 200 L/kg pour l'eau marine et de 8 L/kg pour les écosystèmes côtiers (AIEA 2004, 2009). Le strontium est rejeté dans l'atmosphère principalement sous forme d'oxyde, qui réagit rapidement en présence d'humidité ou de dioxyde de carbone pour former de l'hydroxyde de strontium ou du carbonate de strontium. L'hydroxyde de strontium s’ionise ensuite pour former des cations Sr²⁺ et SrOH⁺ (OMS 2010).

La solubilité dans l'eau des deux composés les plus courants du strontium, SrSO₄ et SrCO₃, est respectivement de 0,14 g/L à 30 °C et 0,11 g/L à 18 °C (ATSDR 2004, OMS 2010). Le strontium pénètre dans les eaux à la suite de processus de météorisation ordinaires, de la lixiviation de minéraux à partir du  sol, de granits et de roches sédimentaires ou d’eaux usées d’installations qui utilisent des composés du strontium (ATSDR 2004, Malina 2004).

En raison des interactions entre le strontium et le calcium dans les organismes aquatiques, la dureté de l'eau, qui est largement déterminée par la concentration en calcium, joue un rôle dans la toxicité du strontium. La toxicité pour les organismes diminue avec l'augmentation de la dureté de l'eau (Nautilus Environmental 2013). On pense que ce phénomène est attribuable à la concurrence entre le calcium et le strontium pour l'absorption (voir la section Mode d'action ci-dessous). La bioconcentration du strontium est inversement corrélée aux concentrations de calcium dans l'eau ambiante. La bioaccumulation se produit davantage dans les organismes d'eau douce que dans ceux d'eau de mer en raison des concentrations élevées de calcium dans l'eau de mer. Le strontium présent dans l'environnement n'est généralement pas considéré préoccupant pour les organismes aquatiques (Chowdhury et Blust 2012). Toutefois, il a été identifié comme un des vingt-sept indicateurs métalliques du Lower Athabasca Region Surface Water Quality Management Framework (Gouvernement de l'Alberta 2012) pour évaluer la santé de l'écosystème du cours inférieur de la rivière Athabasca, et il fait l'objet de diverses initiatives de surveillance provinciales et fédérales [p. ex. le Regional Aquatics Monitoring Program (RAMP) et le Plan de mise en œuvre conjoint Canada/Alberta pour la surveillance visant les sables bitumineux]. Bien qu’un seuil de référence pour les  effets chroniques du strontium sur la vie aquatique en eau douce (McPherson et al. 2014) ait été développé, l'ensemble des données ne satisfaisait pas aux exigences du CCME (2007)^{Note de bas de page 1} . Ainsi, une RFQE pour l’eau douce pour le strontium a été développée pour éclairer les évaluations de la qualité de l'eau effectuées dans la région des sables bitumineux.

Concentrations ambiantes

Le strontium est présent dans presque tous les plans d'eau douce (ATSDR 2004). Dans les eaux douces typiques, il est présent surtout sous forme d'ions métalliques libres (~95 %) et de certains complexes de sulfate et de carbonate (Chowdhury et Blust 2012). Dans les rivières et les lacs de la région des sables bitumineux de l'Athabasca, à des concentrations < 1000 µg/L, presque tout le strontium semblait être sous forme dissoute (RAMP 2015). En assumant un phénomène identique dans les eaux étudiées en laboratoire, la recommandation devrait s'appliquer au strontium dissous. Étant donné que les concentrations de strontium dissous sont approximativement équivalentes aux concentrations totales de strontium, cette recommandation peut être comparée aux concentrations totales de strontium lorsque les concentrations de strontium dissous ne sont pas disponibles.

Les niveaux de strontium dans l'eau et les poissons ont été mesurés au Canada. Les concentrations totales et dissoutes médianes de strontium dans l'eau douce au Canada allaient respectivement de respectivement de 0,0041 à 0,50 mg/L et de 0,042 à 0,32 mg/L (tableau 2). Les concentrations médianes (et la gamme de concentrations) de strontium mesurées dans les filets et les homogénats du corps entier de poissons des lacs du Canada entre 2004 et 2014 étaient respectivement de 0,23 mg/kg (0,031-36,1 mg/kg) et de 2,01 mg/kg (0,14-95 mg/kg) (ECCC non publié). Des données plus récentes sur la qualité de l’eau pour les cours d’eau et les zones près des côtes des Grands Lacs de l’Ontario peuvent être obtenues dans le Catalogue de données de l’Ontario. 

^a Pêches et Environnement Canada 1977
^b Rossman 1984
^c Rossman 1986
^d Rossman et Barres 1988
^e RAMP 2015

Mode d'action

Pour les processus biologiques, le strontium est similaire au calcium, sans toutefois en être un substitut exact, en raison de leurs rayons atomiques différents (ATSDR 2014). Cependant, il a été montré que le strontium s'accumule dans les tissus osseux de poissons, en particulier dans les eaux douces. Il est facilement incorporé dans les otolithes des poissons (« pierres d'oreille » faites de carbonate de calcium et qui participent à l'équilibre et à l'audition chez des poissons) (Chowdhury et Blust 2012, Mugiya et Tanaka 1995). En raison de son accumulation préférentielle dans les arrêtes, le strontium peut, à concentration élevée, interférer avec le développement osseux des poissons (ATSDR 2014).

Chez les poissons, les branchies sont le principal site d'absorption du strontium. Il existe des preuves suggérant que le strontium pénètre dans l'organisme par l’intermédiaire des systèmes de transport du calcium et qu’il est éliminé du sang très rapidement. Chez les poissons et les algues, le strontium semble imiter la sorption du calcium et faire concurrence à la fixation du calcium sur les sites d'échange d'ions de la paroi cellulaire (Chowdhury et Blust 2012, Sikes 1978). L'absorption des ions strontium dans les poissons dépend fortement de la concentration d’ions calcium dans l'eau. Avec l'augmentation des concentrations de Ca²⁺, l'absorption de Sr²⁺ diminuait dans tout le corps, les viscères, les arrêtes, les muscles, les branchies et le sang de la carpe. Inversement, le Sr²⁺ en suspension dans l'eau inhibe significativement l'absorption du Ca²⁺, bien que dans une moindre mesure. Cependant, le système d'absorption a une plus grande affinité pour le Ca²⁺ et peut être saturé plus rapidement de Ca²⁺ que de Sr²⁺ (Chowdhury et al. 2000, Chowdhury et Blust 2012). Dans les algues, il a été montré que le strontium agit comme un inhibiteur compétitif de l'absorption totale du calcium, mais qu'il améliore le transport interne du calcium (Sikes 1978). Cependant, lors des processus de transport ou de liaison, les systèmes biologiques favorisent le calcium plutôt que le strontium par un facteur de 2 à 3 (Chowdhury et Blust 2012).

Toxicité aquatique

Toutes les données pertinentes sur la toxicité aquatique du strontium ont fait l'objet d'un examen critique afin de déterminer si elles sont acceptables pour le développement de recommandations pour la qualité de l'environnement. Les données sont à jour jusqu'en juin 2015. Des 11 études à long terme trouvées, trois ont fourni des données acceptables sur la toxicité. Ces trois études ont fourni des concentrations avec effet pour sept espèces aquatiques (trois poissons, trois invertébrés et une algue) allant de 2,9 et 255 mg/L. Chaque espèce pour laquelle il existait des données de toxicité appropriées a été classée en fonction du paramètre préféré, puis de la sensibilité. Les données acceptables sur la toxicité chronique en milieu aquatique prises en compte pour le développement d’une RFQE sont présentées dans le tableau 3. L'espèce la plus sensible de l'ensemble de données était l'invertébré Ceriodaphnia dubia et la moins sensible le tête-de-boule (Pimephales promelas).

Pour le calcul de la recommandation, l'influence de facteurs modifiant la toxicité (p. ex. pH, température, dureté, matière organique, oxygène) devrait être prise en compte quand ceci est scientifiquement justifié (CCME 2007). Bien qu’il ait été montré que la dureté est un facteur modifiant la toxicité du strontium (Nautilus Environmental 2013), les données actuelles sur la relation entre la dureté et la toxicité du strontium sont insuffisantes pour le développement d’un facteur permettant d'ajuster la toxicité du strontium en fonction de la dureté.

^* Moyenne géométrique

Calcul de la recommandation fédérale pour la qualité de l'eau

Les Recommandations fédérales pour la qualité de l’environnement pour les eaux (RFQE_eau) sont développées de préférence en suivant le protocole du CCME (2007) et sont conçues pour protéger toutes les formes de vie aquatique pendant des périodes d'exposition indéfinies. Dans le cas du strontium, les données sur la toxicité chronique étaient suffisantes pour satisfaire aux exigences sur les données minimales pour calculer une recommandation de type A^{Note de bas de page 2} . Une distribution de la sensibilité des espèces (DSE) pondérée modèle a été ajustée aux données sur la toxicité à long terme au moyen de l’application Web ssdtools (version 0.0.3) (Dalgarno 2018). Cette application permet d’ajuster les données de toxicité au moyen de plusieurs fonctions de distribution cumulative (p. ex. log-normal, log-logistique, log-Gumbel, gamma, Weibull) et de construire une DES moyenne et de calculer une CH₅ basée sur l’adéquation relative de l’ajustement de chaque modèle. Pour obtenir plus de renseignements sur cette approche, veuillez consulter le document du CCME (2019).  Dans le cas du strontium, l’ajustement des données de toxicité est relativement le même pour tous les modèles. Le modèle log-normal est le meilleur, suivi des modèles log-logistique, Weibull, log-Gumbel et gamma. La concentration au 5ème percentile de la DES pondérée modèle est de 2,5 mg/L.

La concentration au 5ème percentile calculée à partir de la DSE (2,5 mg/L) constitue la RFQE pour la protection des organismes d'eau douce (figure 1). Cette recommandation représente la concentration maximale à laquelle la probabilité d’un effet nocif sur la vie aquatique serait nulle ou très faible. En plus de cette recommandation, deux autres gammes de concentrations sont fournies à des fins d’utilisation pour la gestion des risques. À des concentrations entre le 5^ème et le 50e percentile de la DSE (c.-à-d. entre 2,5 et 29 mg/L), il existe une probabilité modérée d'effet nocif sur la vie aquatique. Les concentrations supérieures au 50e percentile (> 29 mg/L) sont plus susceptibles d'être associées à des effets nocifs.  Les gestionnaires de risques peuvent trouver ces gammes de concentrations supplémentaires utiles pour définir des objectifs à court terme et/ou provisoires pour un plan de gestion des risques par étapes. Les gammes de concentrations modérées et plus élevées peuvent également être utilisées pour établir des cibles provisoires moins protectrices pour des eaux déjà très dégradées ou lorsque des considérations socio-économiques empêchent l'atteinte de le RFQE_eau.

Références

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Liste des acronymes et abréviations

Conseil canadien des ministres de l'environnement