Les effets biologiques sur la santé sont, le plus souvent, des inflammations, des maladies cardiovasculaires, des altérations de l’ADN et de la perméabilité cellulaire [5-8]. Ainsi, par exemple, le nickel provoque des inflammations des muqueuses nasales et des organes respiratoires ; de plus, son comportement cancérigène et mutagène est bien connu. De même, le chrome VI, qui se concentre au niveau des poumons, du foie et des reins, est particulièrement toxique et même cancérigène. L’arsenic est quant à lui un poison cellulaire ; il atteint notamment les organes digestifs et le foie. Il peut provoquer des cancers de la peau ou des poumons. Le cadmium pénètre dans l’organisme par les voies digestives ou respiratoires et peut provoquer des troubles de la respiration et des voies urinaires. Il est responsable de troubles hépato-digestifs, sanguins, rénaux et osseux. Le plomb est connu pour entraver la fabrication de l’hémoglobine et modifier la composition du sang. Il agit également sur le système nerveux central [9].

La répartition de certains métaux émis en région wallonne, en pourcentage et par sources, est reprise dans le Tableau 1 [10].

Tableau 1 : Répartition des émissions de métaux lourds en région wallonne (Avril 2002).
Heavy metal distribution in the Walloon area (April 2002).

Cette étude vise donc à estimer les quantités de particules respirées par une population urbaine, ainsi que les quantités de métaux lourds qui y sont adsorbés, et ce en fonction de la localisation géographique vis-à-vis des sources primaires émettrices et en relation avec les conditions climatiques. En effet, outre un caractère urbain prononcé, avec plus de 180 000 habitants, la vallée étudiée présente une forte concentration en industries (incinérateur, sidérurgie, …), desservies par un des plus importants ports fluviaux d’Europe.

Tableau 2 : Altitude des sites d’échantillonnages (mètres).
Altitude of sampling sites (meters).

L’échantillonnage se réalise via un échantillonneur séquentiel SEQ 47/50 de la firme Ingenieurbüro Sven Leckel. L’inlet  PM₁₀ utilisé est conforme à la norme CEN EN 12341 [11]. L’air est aspiré à un débit de 2,3 m³/h à travers la tête de prélèvement. Les particules d’un diamètre supérieur à 10 μm sont impactées sur de la graisse de silicone, tandis que les autres sont collectées sur un filtre de 47 mm de diamètre, en nitrate de cellulose, de porosité de 3 μm.

L’analyse gravimétrique est réalisée à l’aide d’une balance Sartorius, caractérisée par une exactitude d’un millionième de gramme, avec une déviation standard de 2 μg. Cette balance est confinée dans une chambre hermétique, qui est maintenue à une température constante de 21 ± 1 °C, sous une humidité fixe de 47 ± 2 %. Avant toute pesée, les filtres sont maintenus dans cette atmosphère contrôlée pendant 72 heures pour laisser l’équilibre s’établir, afin que tous les échantillons soient pesés dans des conditions rigoureusement identiques [12, 13].

L’analyse qualitative et quantitative des métaux lourds s’opère au moyen d’un spectromètre de fluorescence X à dispersion de longueurs d’onde. C’est une technique d’analyse élémentaire non destructive de l’échantillon qui couvre la recherche et le dosage de tous les éléments depuis le béryllium jusqu’aux transuraniens. La limite de détection (ld) pour les différents éléments étudiés est reprise dans le tableau 3.

Tableau 3 : Limite de détection des métaux par fluorescence X.
Detection limit of metals by fluorescence X.

Une première analyse de ce tableau montre que, quelle que soit la situation des sites de prélèvement, dans la vallée ou sur ses versants, la concentration en  PM₁₀ se révèle homogène, à l’exception du seul site numéro 6. Néanmoins, cette anomalie s’explique aisément par la proximité d’une zone industrielle et commerciale, ainsi que par celle d’un nœud autoroutier important, sources particulièrement intenses d’émission de particules. Par contre, les variations auxquelles on aurait pu s’attendre, au vu des vents dominants, ainsi que l’effet de vallée, ne sont pas observées de façon significative sur les concentrations en  PM₁₀.

Les concentrations moyennes en  PM₁₀ sont assez proches de la valeur limite journalière pour la protection de la santé demandée dans la directive européenne 1999/30/CE. Cette valeur est, depuis le 1er janvier 2005, de 50 μg/m³, à ne pas dépasser plus de 35 fois par année civile. La valeur limite annuelle pour la protection de la santé est de 40 μg/m³ [14]. Il faut tenir compte du fait que l’étude a été réalisée en 2003 et qu’à cette époque la valeur limite journalière était augmentée d’une marge de tolérance permise par la directive, ce qui représente une concentration finale de 60 μg/m³. Le site 6 est la seule zone qui, sur la période de prélèvement de trois mois, dépasse à plus de 25 reprises la concentration de 60 μg/m³.

D’autre part, des relevés journaliers de pluviosité ont mis en évidence l’influence de la pluie sur la concentration en  PM₁₀. La figure 4, relative au site 9, illustre ce phénomène. L’axe des ordonnées, sur la gauche du graphique, indique la concentration en poussières recueillies, en μg/m³, tandis que celui de droite fournit les valeurs d’eau de pluie tombée, en l/m², tout au long de la campagne. Ce graphique permet de montrer une réduction quasi-systématique de la teneur en  PM₁₀ durant les journées pluvieuses, ainsi que le lendemain, voire le surlendemain ; en effet, selon son intensité, la pluie exerce un effet de rabattement plus ou moins prononcé sur les particules en suspension dans l’air.

L’analyse des résultats de la fluorescence X montre que la concentration en certains éléments, tels que le sélénium, l’arsenic ou le thallium, est systématiquement proche de, voire sous, leur limite de détection. D’autres analyses ne présentent pas de variations intersites significatives : c’est le cas du vanadium, du cadmium, de l’antimoine, du cuivre, du plomb, de l’aluminium et du soufre. Cette situation est illustrée par la figure 5, relative au soufre. Tous les résultats des métaux cités ci-dessus sont repris, en valeur moyenne des sites, dans le tableau 5.

Les 11 autres éléments présentent une répartition non homogène exprimée en μg/m³ (Tableau 6), qui détaille la moyenne, les percentiles 10 et 90 de chacun d’eux, en fonction du site de prélèvement.

Tableau 6 : Concentration des éléments significatifs (μg/m³).
Concentration of significant elements (μg/m³).

Avant toute interprétation des données, il faut savoir que la directive 2004/107/CE [15] ne donne que peu de valeurs cibles relatives à la fraction  PM₁₀ calculées en moyenne sur une année civile. Seuls sont soumis à condition : l’arsenic, avec une valeur cible de 6 ng/m³, le cadmium, avec une valeur cible de 5 ng/m³ et le nickel, avec une valeur de 20 ng/m³. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) [14, 16] fournit une valeur limite annuelle pour le plomb de 0,5 μg/m³, le vanadium, quant à lui, a une valeur journalière de 1 μg/m³ et le manganèse a une valeur moyenne annuelle conseillée de 0,15 μg/m³. Cette valeur de Mn est recommandée à 1 μg/m³ par l’Institut d’hygiène et d’épidémiologie (IHE) de Belgique.

Le tableau 6 permet de constater que sept éléments, soit plus de la moitié, sont présents à une concentration nettement supérieure pour le site numéro 6, site qui se caractérisait déjà par une teneur en  PM₁₀ élevée. Dans l’ensemble, l’abondance de ces éléments (nickel, baryum, titane, magnésium, calcium, silicium et fer) peut s’expliquer par la proximité du nœud autoroutier et de la zone industrielle. En particulier, l’aciérie et le complexe aéronautique présents dans cette zone sont des sources primaires d’émission bien connues, d’une part de nickel, de baryum, de magnésium et de fer et d’autre part, de titane [17, 18].

Parmi ces sept éléments, le fer et le magnésium se retrouvent également en quantité importante au niveau du site numéro 1. Celui-ci est caractérisé par la proximité d’une sidérurgie et d’une aciérie.

La figure 6 illustre cette différence pour le baryum, au niveau du site 6.

Dans une moindre mesure, le site numéro 5 se démarque de l’ensemble du bassin étudié par des teneurs plus élevées en molybdène et manganèse. Ces éléments proviennent vraisemblablement des industries chimiques avoisinantes, ainsi que de la présence d’un parking qui est proche du site de prélèvement. À titre d’exemple, la répartition du molybdène est présentée dans la figure 7. Il faut néanmoins remarquer que le percentile 10, pour le cas présent, correspond systématiquement aux deux tiers de la limite de détection, et ce, quel que soit le site étudié. Cette valeur est conforme aux usages en vigueur [19].

Le tableau 6 présente, au niveau du site numéro 9, des concentrations en chrome et en zinc statistiquement plus élevées. Cette nouvelle inhomogénéité résulte, a priori, de la proximité d’une fonderie de verre, pour les résidus de chrome, et d’une usine de zinc, pour le zinc. Des résidus de chrome ont aussi été retrouvés dans des teneurs importantes au niveau du site 3, mais l’origine n’en est pas encore déterminée avec précision.

Pour s’affranchir de l’influence de la concentration en poussières, et ainsi avoir une idée plus correcte de la répartition, voire de l’origine des différents éléments recueillis sur chaque site, les teneurs en métaux ont été ramenées à la masse de  PM₁₀ prélevée. Ces résultats, compilés dans le tableau 7, permettent de confirmer les tendances dégagées dans le tableau 6, à l’exception toutefois du site numéro 6. En effet, des sept éléments précédemment mis en évidence sur ce site, deux, le nickel et le fer, ne diffèrent plus significativement des concentrations retrouvées dans la plupart des autres zones de prélèvement. Ces observations laissent supposer que, pour ces éléments, seule la concentration générale en polluant due à l’ensemble des sources environnantes exerce une influence, et non une industrie spécifique. De ce fait, le nickel ne présente plus de variation intersites significative, alors que l’abondance en fer se distingue encore de la moyenne pour le site numéro 1.

Tableau 7 : Teneurs en éléments significatifs dans les  PM₁₀.
Significant elements content in  PM₁₀.