Recommandations canadiennes pour la qualité des eaux : protection de la vie aquatique - Aluminium (Retiré)

L'aluminium (Al; no CAS : 7429-90-5; masse moléculaire : 26,98) est un métal flexible d'un blanc argenté que l'on retrouve généralement sous la forme de Al³⁺ dans ses composés (OMS, 1997). Ce métal est le plus abondant de la croûte terrestre et le troisième élément le plus courant (Sparling et Lowe, 1996). L'aluminium est très léger (masse volumique de 2,70 g cm^-3) et peut être martelé, coulé, étiré, usiné et moulé de sorte qu'il est facile de lui donner diverses formes (Frank et al., 1985, cité dans OMS, 1997). On le retrouve dans divers minéraux où il est généralement combiné à des éléments comme le silicium, l'oxygène et le fluor ou avec des phosphates et des hydroxydes, pour n'en nommer que quelques-uns (Lide, 1991, cité dans OMS, 1997; Frank et al., 1985; Hudson et al., 1985).

Le Canada, dont la production annuelle d'aluminium excède deux millions de tonnes, se classe au troisième rang des producteurs mondiaux de ce métal. Si l'on fait exception de l'aluminerie de l'Alcan située à Kitimat, en Colombie-Britannique, les principaux producteurs d'aluminium primaire au Canada sont concentrés au Québec où l'on retrouve l'Alcan Aluminium Limitée, la Société canadienne de métaux Reynolds Ltée, l'Aluminerie de Bécancour Inc. (A.B.I), l'Aluminerie Lauralco Inc. et l'Aluminerie Alouette Inc. (A.A.I) (Association de l'aluminium du Canada, 1993). La société Alcan possède et exploite actuellement 13 alumineries dont la capacité nominale annuelle est de 1 589 kilotonnes dont 1 118 kilotonnes sont réparties entre ses sept alumineries canadiennes (Alcan Aluminium Ltée, 1998). La Société canadienne de métaux Reynolds Ltée, l'A.B.I, l'Aluminerie Lauralco Inc. et l'A.A.I ont des capacités de production annuelle d'aluminium primaire de, respectivement, 400, 360, 215 et 215 kilotonnes (Association de l'aluminium du Canada, 1993).

L'aluminium est un métal qui présente de nombreuses caractéristiques souhaitables pour la fabrication de produits de consommation (Lide, 1991, cité dans OMS, 1997; Sax et Lewis, 1987). Il est largement utilisé pour la fabrication de contenants destinés à l'industrie des aliments et des boissons. Ce métal possède une conductivité électrique élevée, résiste à la corrosion, est léger et peut être recyclé (Association de l'aluminium du Canada, 1998a,b; OMS, 1997). L'aluminium est utilisé comme matériau de conception pour les édifices et d'autres constructions; pour l'obtention de tiges, de câbles et de fils dans l'industrie de l'électricité; pour la production d'alliages et pour la fabrication de composantes destinées à l'industrie des transports (p. ex., automobiles et avions). On compte, comme autres produits de l'aluminium, des bijoux, des panneaux de signalisation, des ustensiles de cuisine, des feuilles pour emballage domestique et commercial, des décorations et du matériel chimique anticorrosion (Association de l'aluminium du Canada, 1993; ATSDR, 1992, cité dans OMS, 1997). Plusieurs sels d'aluminium ont été jugés préoccupants pour l'environnement canadien (Germain et al., 1999). On compte, parmi ceuxci, le chlorure, le sulfate et le nitrate d'aluminium. Le chlorure d'aluminium est utilisé, sous sa forme anhydre, pour la fabrication de caoutchoucs et de lubrifiants. Sous sa forme hydratée, il sert à la préservation du bois, à la fabrication de cosmétiques et de désodorisants ou comme désinfectants dans les abattoirs. Le sulfate d'aluminium (alun) est utilisé dans de nombreuses usines d'épuration des eaux du Canada comme coagulant pour l'élimination de matières nutritives (phosphore) présentes dans l'eau, afin de prévenir ou de réduire l'eutrophisation (Germain et al., 1999; Santé Canada, 1994; Lamb et Bailey, 1981). Les polymères d'aluminium (de sulfate et de chlorure d'aluminium) peuvent aussi être utilisés pour le traitement des eaux. Le sulfate d'aluminium sert aussi de mordant pour la teinture, dans les industries du cuir et du papier, pour l'ignifugation et l'imperméabilisation des textiles, pour la fabrication d'antisudorifiques et de pesticides, etc. Le nitrate d'aluminium est utilisé dans les antisudorifiques, comme inhibiteur de corrosion, comme réactif chimique de même que dans l'industrie du tannage du cuir (Germain et al., 1999).

L'étude de la chimie de l'aluminium dans l'environnement a souffert de l'incapacité de différencier entre ses formes aqueuse et particulaire et entre les formes organique et inorganique (Driscoll et Postek, 1996; Driscoll et Schecher, 1990). La mesure de l'aluminium en milieu aqueux est faite à l'aide d'une grande variété de méthodes analytiques faisant appel à des périodes d'extraction et des procédures de digestion diverses. Cela complique la comparaison des valeurs obtenues d'études différentes à cause de l'incertitude liée à la diversité des méthodes de mesure et à la forme de l'aluminium signalée par les auteurs (p. ex., aluminium total, (Al_tot), aluminium inorganique monomère, (Al_im), aluminium organique monomère, (Al_om) et aluminium dissous, (Al_d)). Aux fins des présentes recommandations, l'aluminium total englobe toutes les formes d'aluminium dissous ou non dissous dans l'eau et est souvent déterminé à partir d'échantillons non filtrés (Driscoll et Schecher, 1990). Le Al_tot est la forme la plus couramment signalée étant donné le faible coût et la facilité de l'analyse des échantillons (Germain et al., 1999). L'aluminium monomère se définit comme étant un unique ion d'aluminium (Al³⁺); cet ion se retrouve habituellement lié à d'autres composés, sous forme de ligands inorganiques ou organiques. L'aluminium dissous est généralement défini comme la fraction d'aluminium présente dans un échantillon filtré sur membrane de 0,45 μm (Germain et al., 1999). L'aluminium colloïdal, celui qui est lié à des ligands organiques solubles, et l'aluminium monomère sont les constituants de la fraction d'aluminium dissous.

Des méthodes d'analyse ont été élaborées pour la mesure de la concentration d'aluminium de nombreux échantillons prélevés dans l'environnement (Bloom et Erich, 1996). Un examen détaillé des méthodes courantes de mesure de l'aluminium dans l'eau est donné dans les « Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater » (APHA et al., 1995). Les plus courantes sont la spectrométrie d'émission atomique en four de graphite (limite de détection de 0,003 mg-L^-1), la spectrométrie d'émission atomique couplée à un plasma induit (limite de détection de 0,04 mg-L^-1) et diverses méthodes de spectrophotométrie UV-visible qui font appel à une réaction de l'aluminium avec un réactif particulier (p. ex., le catéchol).

Le devenir et le comportement de l'aluminium dans l'environnement sont très complexes. La spéciation et la solubilité de l'aluminium dépendent d'une large gamme de paramètres environnementaux, notamment le pH, la température, le carbone organique dissous (COD) et de nombreux ligands (p. ex., F^-). La compréhension du devenir et du comportement de l'aluminium exige de connaître ses interactions avec le pH (Berntssen et al., 1997; DeLonay et al., 1993; Howells et al., 1990; MEO, 1988; Schindler 1988; Hutchinson et Sprague, 1987; Burton et Allen, 1986; Campbell et Stokes, 1985; Clark et Hall, 1985; Clark et LaZerte, 1985; Baker et Schofield, 1982) et le carbone organique dissous (Kullberg et al., 1993; Simonin et al., 1993; Peterson et al., 1989; Hutchinson et Sprague, 1987; Lacroix et Townsend, 1987; Parkhurst 1987).

Tant la solubilité que la spéciation de l'aluminium dépendent du pH (Driscoll et Postek, 1996; Howells et al., 1990; Spry et Wiener, 1991). L'aluminium est un métal à forte capacité d'hydrolyse relativement insoluble dans la gamme des pH neutres (6,0 - 8,0). La solubilité de l'aluminium est accrue en présence de ligands complexants en milieu acide ou alcalin (pH <6 ou >8), Aux faibles pH, l'aluminium dissous est présent sous forme aqueuse (Al³⁺). À mesure que le pH s'accroît, il y a hydrolyse qui donne lieu à l'apparition de complexes d'hydroxyde moins solubles (p. ex., Al(OH)₂⁺, Al(OH)²⁺). La solubilité de l'aluminium est la moins élevée aux environs de pH 6,5 à 20°C, après quoi elle s'accroît à mesure que l'anion, Al(OH)₄^-, commence à se former aux pH plus élevés (Witters et al., 1996; Driscoll et Schecher, 1990; Howells et al., 1990). La température ambiante influe aussi sur la spéciation de l'aluminium et, par conséquent, sur sa solubilité dans l'environnement (Lydersen et al., 1990). Les espèces devraient demeurer sous leur forme la plus toxique (Al_im) à un pH plus élevé si la température est faible (2°C), comparativement à la température plus élevée de 20°C (Howells et al., 1990; Lydersen et al., 1990). Par conséquent, à 2°C et à une valeur de pH <5,7, l'aluminium se retrouve surtout sous forme de Al⁺³ et de Al(OH)⁺². Dans la gamme de pH de 5,7 à 6,7, ce sont les hydroxydes qui dominent, notamment le Al(OH)⁺² et le Al(OH)₂⁺. Dans cette gamme, la solubilité de l'aluminium est faible et sa disponibilité pour le biote aquatique devrait l'être aussi. Aux pH supérieurs à 6,7, c'est le Al(OH)₄^- qui devient l'espèce dominante (Howells et al., 1990). Ce changement dans la spéciation dû à la température peut avoir une incidence sur la toxicité de l'aluminium pour les organismes aquatiques (Howells et al., 1990).

Le carbone organique dissous (COD) est défini comme la fraction organique chimiquement réactive du carbone organique dissous dans l'eau non retenue par un filtre en fibre de verre de 0,45 μm (Rand et al., 1995). Le carbone organique dissous apparaît dans l'écosystème terrestre sous la forme de sous-produits de biodégradation et d'agents chimiques du cycle des matières nutritives et de l'altération naturelle (Kullberg et al., 1993). Le COD des eaux naturelles regroupe divers composés organiques dont la majorité (~50-75 %) sont des acides humiques (Kullberg et al., 1993). Les substances humiques sont présentes partout dans les eaux douces où leurs concentrations peuvent varier de façon importante (Hutchinson et Sprague, 1987). Les gammes des concentrations du COD sont de 1 à 4 mg-L^-1 dans les lacs oligotrophes et mésotrophes, de 2 à 10 mg-L^-1 dans les cours d'eau importants, de 3 à 34 mg-L^-1 dans les lacs eutrophes et de 20 à 50 mg-L^-1 dans les lacs dystrophes (Rand et al., 1995). On trouve, dans la base de données de l'Ontario sur la sensibilité à l'acidification, des données pour 6 000 lacs environ de l'Ontario (Neary et al., 1990, dans Spry et Weiner, 1991). Les lacs ontariens dont le pH était supérieur à 5,3 présentaient généralement des teneurs en COD supérieures à 1 mg-L^-1 et ces teneurs étaient de beaucoup supérieures dans la majorité d'entre eux. Le COD présent dans l'eau forme des complexes avec l'aluminium, des complexes organoaluminium, qui donnent lieu à une réduction des concentrations des formes monomères de l'aluminium (Parent et al., 1996; Farag et al., 1993; Howells et al., 1990). À un pH de 4,5, 1 mg-L^-1 de COD peut former des complexes avec 0,025 mg-L^-1 d'aluminium environ et cette valeur augmente avec le pH (MEO, 1988).

Deux grands types de ligands peuvent former des complexes stables avec l'aluminium en solution. Les ligands inorganiques qui comprennent des anions, notamment les anions sulfate (SO₄^2-), fluorure (F^-), phosphate (PO₃^3-), bicarbonate (HCO₃^-) ou hydroxyde (OH^-) et les ligands organiques qui sont représentés par les acides oxaliques, humiques ou fulviques (Sparling et Lowe, 1996; Driscoll et al., 1980). Les concentrations relatives des ligands inorganiques et organiques déterminent le type de ligands formés en solution. Plusieurs examens récents des publications ont permis de recueillir de l'information supplémentaire sur le comportement et la toxicité de l'aluminium dans l'environnement aquatique (Phippen et Horvath, 1998; Roy, 1998; Valcin, 1998; OMS, 1997; Sparling et Lowe, 1996; Howells et al., 1990).

L'aluminium présent dans l'environnement aquatique a pour origine des sources naturelles et anthropiques. Le rapport sommaire pour 1996 de l'Inventaire national des rejets de polluants (INRP) fait état de rejets industriels sur place d'aluminium au Canada de 52,4 tonnes, dont 18,7 tonnes dans l'atmosphère, 12,8 tonnes dans l'eau et 17,3 tonnes dans le sol (INRP, 1996). Comme l'aluminium constitue 8,1 % environ de la croûte terrestre, la quantité présente naturellement dans l'environnement est supérieure à celle des sources anthropiques (Lantzy et Mackenzie, 1979, cité dans OMS, 1997). Les rejets anthropiques directs ayant une incidence sur l'environnement aquatique comprennent les poussières ayant pour origine le sol, dont la teneur en aluminium est élevée, et qui sont produites par l'agriculture, l'exploitation minière et la combustion du charbon (OMS, 1997; Havas et Jaworski, 1986). L'érosion éolienne et hydrique des sols agricoles est une source particulièrement importante d'aluminium pour l'environnement aquatique (OMS, 1997). L'aluminium peut être transporté sous forme de particules atmosphériques et se déposer ensuite par précipitation humide ou sèche. Les concentrations d'aluminium des précipitations sont généralement faibles (<2 mg-L^-1), mais elles peuvent s'accroître de façon marquée en présence de sources industrielles (p. ex., fusion de minerai ou combustion du charbon) ou de sources naturelles de particules, comme le transport de sols (Havas et Jaworski, 1986). L'aluminium peut être indirectement mobilisé ou rendu plus biodisponible par les émissions atmosphériques de substances acidifiantes comme les oxydes d'azote et le dioxyde de soufre. Ces substances, une fois déposées sous forme de précipitations acides, abaissent le pH de l'environnement, ce qui a pour effet de rendre l'aluminium plus soluble et d'en modifier la spéciation.

Il a été procédé, de 1990 à 1996, à des mesures des concentrations d'aluminium dans l'eau à proximité d'industries canadiennes qui utilisaient et rejetaient des sels ou d'autres formes d'aluminium. Au Manitoba, les concentrations moyennes d'aluminium extractible variaient de 0,232 mg-L^-1, dans le lac South Indian, à 0,547 mg-L^-1, dans la rivière Burntwood, la concentration moyenne mesurée d'aluminium dissous dans cette rivière s'élevait à 0,06 mg-L^-1. En Saskatchewan, les concentrations moyennes d'aluminium total variaient de 0,32 mg-L^-1, dans la rivière Saskatchewan Sud, à 2,15 mg-L^-1, dans la rivière Saskatchewan Nord. En Ontario, les concentrations d'aluminium total étaient les plus élevées dans la rivière Kaministiquia près de Thunder Bay, où elles atteignaient jusqu'à 13 mg-L^-1, les concentrations moyennes les plus élevées d'aluminium total atteignant 1,3 mg-L^-1 dans la rivière Wabigoon, en aval de Dryden. Des concentrations inférieures d'aluminium total ont été mesurées en Ontario, dans le lac Supérieur, où la concentration maximum atteignait 0,002 mg-L^-1. Les teneurs en aluminium dissous variaient de 0,44 à 0,058 mg-L^-1 dans la rivière St. Clair. Au Québec, les concentrations moyennes d'aluminium total variaient de 0,07, dans la rivière Saint-Maurice, à 0,59 mg-L^-1, dans le fleuve Saint-Laurent (Germain et al., 1999).