Produits chimiques xénobiotiques

La présence de substances dans le sol qui ne sont pas produites naturellement par des espèces biologiques est une grande préoccupation du public. Beaucoup de ces produits chimiques dits xénobiotiques (du grec xenos, « étranger” et bios, « vie”) se sont révélés cancérigènes ou peuvent s’accumuler dans l’environnement avec des effets toxiques sur les écosystèmes (voir le tableau des principaux polluants du sol). Bien que l’exposition humaine à ces substances se fasse principalement par inhalation ou par l’eau potable, les sols jouent un rôle important car ils affectent la mobilité et l’impact biologique de ces toxines.

The abundance of xenobiotic compounds in soil has been increased dramatically by the accelerated rate of extraction of minerals and fossil fuels and by highly technological industrial processes. La plupart des métaux étaient généralement trouvés à de très faibles concentrations totales dans les eaux cristallines — pour cette raison, ils sont souvent appelés métaux traces. L’augmentation rapide des concentrations de métaux traces dans l’environnement est généralement associée au développement de technologies d’exploitation. Ce type de changement soudain expose la biosphère à un risque de déstabilisation, car les organismes qui se sont développés dans des conditions de faibles concentrations d’un métal présent n’ont pas développé de voies biochimiques capables de détoxifier ce métal lorsqu’il est présent à des concentrations élevées. Le même raisonnement s’applique aux composés organiques toxiques.

Les mécanismes sous-jacents à la toxicité des composés xénobiotiques ne sont pas complètement compris, mais un consensus existe quant à l’importance des processus suivants pour les interactions des métaux toxiques avec les molécules biologiques: (1) déplacement par un métal toxique d’un minéral nutritif (par exemple, le calcium) lié à une biomolécule, (2) complexation d’un métal toxique avec une biomolécule qui empêche efficacement la biomolécule de participer à la biochimie d’un organisme, et (3) modification de la conformation d’une biomolécule essentielle à sa fonction biochimique. Tous ces mécanismes sont liés à la formation complexe entre un métal toxique et une biomolécule. Ils suggèrent que les complexes puissants sont plus susceptibles d’induire une toxicité en interférant avec la chimie normale des biomolécules.

Tous les polluants du sol ne sont pas des composés xénobiotiques. Les problèmes de production végétale en agriculture se rencontrent lorsque l’excès de salinité (accumulation de sel) se produit dans les sols des climats arides où le taux d’évaporation dépasse le taux de précipitation. À mesure que le sol sèche, les ions libérés par l’altération minérale ou introduits par les eaux souterraines salines ont tendance à s’accumuler sous forme de carbonate, de sulfate, de chlorure et de minéraux argileux. Étant donné que tous les sels de chlorure, de sulfure et de carbonate de Na + (sodium) et de K + (potassium) et de nombreux sels de Ca2+ (calcium) et de Mg2+ (magnésium) sont facilement solubles, c’est cet ensemble d’ions métalliques qui contribue le plus à la salinité du sol. À des concentrations suffisamment élevées, les sels présentent un risque de toxicité pour le Na+, le HCO3- (bicarbonate) et le Cl− (chlorure) et interfèrent avec l’absorption d’eau par les plantes du sol. La toxicité du B (bore) est également fréquente en raison de l’accumulation de minéraux contenant du bore dans les sols arides.

L’utilisation durable d’une ressource en eau pour irriguer des terres agricoles dans une région aride nécessite que l’eau appliquée n’endommage pas l’environnement du sol. Les eaux d’irrigation sont également des solutions salines; selon leur source particulière et leur traitement après prélèvement, les sels particuliers présents dans l’eau d’irrigation peuvent ne pas être compatibles avec la suite de minéraux présents dans les sols. L’utilisation de l’eau et des engrais par les cultures a pour effet de concentrer les sels dans le sol; par conséquent, sans une gestion prudente, les sols irrigués peuvent devenir salins ou développer une toxicité. L’accumulation de NO3- (nitrates) dans les eaux souterraines causée par l’excès de lixiviation des engrais azotés à travers le sol agricole est un exemple répandu de danger de toxicité induite par l’irrigation. Les nourrissons humains recevant des eaux souterraines riches en nitrates comme eau potable peuvent contracter une méthémoglobinémie (« syndrome du bébé bleu”) en raison de la transformation du NO3-en NO2− toxique (nitrite) dans le tube digestif. Le traitement coûteux des eaux souterraines est actuellement le seul remède possible lorsque ce problème se pose.