La notion d’éléments-traces métalliques, ou ETM tend à remplacer celle de métaux lourds. mal définie car englobant des métaux toxiques réellement lourds (en fait denses) à d'autres (métalloïdes) l'étant moins. Tous les ETM sont toxiques ou toxiques au-delà d'un certain seuil et certains sont radioactifs (radionucléides). Leurs concentrations environnementales (eau, air, sol, organismes) résultent d'apports anthropiques (industrie, transports…) et naturels (volcanisme et altération des minéraux primaires) ; massivement émis dans l'environnement par les activités humaines, ils y sont redistribués dans les profils du sol et des sédiments via la pédogenèse et la bioturbation, et dans les écosystèmes via les phénomènes de bioassimilation et bioconcentration. Les concentrations supposées naturelles théoriques en ETM sont dites « fond géochimique », au delà on parle de pollution (environ 235 millions d’hectares de terres arables sont dans le monde polluées par des ETM, dont certains issus des engrais (cadmium) et d'anciens pesticides (plomb, arsenic...).
Selon les éléments et le contexte (acidité du milieu, synergies entre ETM ou entre ETM et d'autres polluants, spéciation chimique), ils sont plus ou moins bioassimilables et peuvent être bioconcentrés par la chaine alimentaire. C'est pourquoi certains font l'objet d'un suivi (réglementaire ou volontaire) dans l'eau, l'air (associés aux aérosols ou poussières), les sols, l'alimentation, les boues d'épuration, etc. En outre, de nouveaux problèmes sont posés par les nanoparticules métalliques en raison de leurs propriétés nouvelles (et alors que certaines sont déjà largement utilisées ; le nano-argent par exemple).
Certains métaux sont indispensables à faibles doses (oligo-éléments) et d'autres hautement toxiques ; il a donc été récemment (2010) proposé de compléter les bilans sanguins et bilans de santé classiques par un profil métalliqueJean-Pierre Goullé, Elodie Saussereau, Loïc Mahieu, Daniel Bouige, Michel Guerbet et Christian Lacroix, Une nouvelle approche biologique : le profil métallique, Annales de Biologie Clinique, vol. 68, n° 4, 429-40, juillet-août 2010, (résumé)..
Dans les cycles biogéologiques
L'abondance moyenne globale normalisée de l'élément dans la roche de la croûte est dite « valeur de Clarke » (Clarke value pour les anglophones) et représente, pour un métal donné dans le sol, dans le sédiment ou dans un matériau géologique, sa teneur moyenne dans le monde dans ce substratMariana Yossifova, Sevdalina Valćeva et Evelina Djourova ; Mineralogy and environmental geochemistry of lagooned ashes resulted from combustion of Maritza East lignite, Bulgaria ; International Journal of Coal Geology ; vol. 71, n° 2-3, 2 juillet 2007, p. 287-302 ; ; résumé..
On se réfère parfois à cette valeur moyenne, via le facteur d'enrichissement (EF) pour un élément chimique donné dans un compartiment de l'environnement pour estimer qu'un taux de tel ou tel élément est anormalement élevé dans ce compartiment, ce qui peut être un indice de pollution.
Problèmes de définition La notion de « métal lourd » est un concept factuel, industriel, avant tout empirique, sans définition scientifique précise, ni technique unanimement reconnue.
À titre d’exemple, un rapport d’information au Sénat français Les effets des métaux lourds sur l’environnement et la santéRapport d’information au Sénat français , déposé le ., indiquait : Certains auteurs définissent les métaux lourds comme les éléments métalliques ayant une masse volumique supérieure à une certaine valeur (cette valeur minimale variant entre et selon les auteurs). D'autres définissent comme métaux lourds les éléments métalliques compris entre le cuivre et le plomb dans le tableau périodique des éléments (excluant donc le fer, le chrome). Pour d’autres il s’agit de tous les éléments métalliques à partir de la quatrième période du tableau périodique des éléments. Par confusion, compte tenu du caractère potentiellement toxique de composés de certains des métaux lourds (mercure, plomb, cadmium en particulier) et parce qu'ils leur sont géologiquement souvent associés, on inclut parfois dans la catégorie des métaux lourds certains éléments toxiques comme l’arsenic (métalloïde), et certains composés organométalliques ( méthylmercure). Certains préfèrent alors parler d’« éléments-traces », bien que le mot « trace » soit également connoté et sans définition scientifique, voire trompeur dans les contextes de forte contamination et pollution (dans divers cas étudiés en France, par exemple près de l'ancienne fonderie Metaleurop Nord la teneur du sol ou de sédiments en métaux toxique tels que le plomb peut largement dépasser 10 % (en poids), sur un site de démantèlement d'armes chimiques de l'est de la France récemment redécouvert, le sol contient encore en 2007 jusqu'à . d'arsenic selon Tobias Bausinger et Johannes Preuß, scientifiques de l'université Gutenberg de Mayence qui ont étudiéBausinger, T., Bonnaire, E. et Preuß, J. (2007), Exposure assessment of a burning ground for chemical ammunition on the Great War battlefields of Verdun, Sci. Total Environ., 382(2), 259-271. ce site (ainsi que d'autres séquelles de guerre similaires en Allemagne ou Belgique), ce qui ne permet plus de parler de traces ().
Définitions européennes L'Europe a tranché en proposant en 2000 une définition qui vaut pour le droit européen et celui des États membres, notamment dans le domaine des déchets : « métal lourd » désigne DÉCISION DE LA COMMISSION du 3 mai 2000 remplaçant la décision 94/3/CE établissant une liste de déchets en application de l'article , point a), de la directive 75/442/CEE du Conseil relative aux déchets et la décision 94/904/CE du Conseil établissant une liste de déchets dangereux en application de l'article , paragraphe 4, de la directive 91/689/CEE du Conseil relative aux déchets dangereux., et de manière plus générale, une « substance dangereuse » est .
Utilisations Tous les éléments-traces métalliques sont présents naturellement dans le sol, le plus souvent à l’état de traces. Mais certaines activités humaine ou la proximité d'un gisement géologique peuvent y renforcer leur teneur. Nombre d'ETM jouent un rôle important dans l'industrie et la vie quotidienne : le fer (Fe) et ses alliages, aciers, aciers inoxydables ; le plomb (Pb) pour les batteries (en particulier pour les automobiles), les tuyauteries, les soudures, les peintures anti-corrosion (minium) et les munitions. Les grenailles de plomb des munitions de chasse et de ball-trap, perdues dans l'environnement, représentaient environ de plomb par an rien que pour la France vers l'an 2000 ; ces munitions toxiques sont source de saturnisme aviaire et humain ; le mercure (Hg) pour de très nombreux usages dont les amalgames dentaires et les piles électriques ; le chrome (Cr), comme pigment rouge, pour le chromage de pièces et pour les aciers inoxydables ; le cuivre (Cu), dans le domaine de l'électricité, de l'électronique ainsi que comme fongicide (sulfate de cuivre, notamment utilisé lors du traitement des vignes) ; le cadmium (Cd) était utilisé entre autres pour les accumulateurs électriques (« piles » rechargeables) Ni-Cd ainsi qu'en tant que cadmiage anti corrosion dans aéronautique ; l'argent (Ag) pour la bijouterie et l'argenterie, la photographie argentique, les miroirs, de nombreux usages industriels (en particulier électriques et électroniques), les monnaies et médailles ; l'or (Au) pour la bijouterie, les objets précieux, les contacts électroniques et électriques, en dentisterie ; le zinc (Zn) pour la galvanisation de l'acier, et pour des pièces moulées utilisées dans l'automobile ; le titane (Ti) pour les peintures blanches et les objets en plastique blanc, pour la construction de réacteurs chimiques, ou pour la confection de prothèses (prothèse de hanche par exemple) ; le nickel (Ni) pour les aciers inoxydables.
La combustion de combustibles fossiles solides ou liquides (charbon, produits d'origine pétrolière) est également susceptible de rejeter des métaux dans les cendres, vapeurs et fumées. De tous les combustibles, le bois-énergie est, en France métropolitaine, le principal émetteur de métaux lourds dans l'atmosphère (excepté le mercure et le nickel).
Cinétique environnementale La disponibilité et biodisponibilité d'un ETM introduit dans l'environnement dépend de nombreux facteurs, et dans un premier temps des processus suivants : solubilisation de cet ETM dans l'eauTison A. (1985), Fixation des métaux lourds sur les sédiments : influence de la composition chimique du milieu aqueux (Doctoral dissertation). (risque fortement lié au pH de l'eau et du milieu, à la dureté de l'eau, à la température et à la pression (deux paramètres importants en contexte géologique profond) ; adsorption à la surface des particules (plus ou moins adsorbantes telles que des argiles ou complexes argilohumiques) du sol ; incorporation à l’intérieur de phases solides dans certains contextes, une migration des anions ou cations toxiques peut être induite ou favorisée par un courant électrique ou un champ électrique souterrain ou dans l'eau ou le sédimentLesoin S. (1997), Migration cationique et anionique des métaux toxiques (plomb, chrome et zinc) dans les sols sous l'effet d'un champ électrique (Doctoral dissertation, École nationale des Ponts et Chaussées), processus qui peut d'ailleurs dans certaines circonstances, être utilisé pour la dépollution d'un substrat. … et dans un second temps, d'autres facteurs de disponibilité sont : les processus (passifs ou actifs) d'assimilation et de bioassimilation ; d'éventuels phénomènes de bioconcentration/biomagnification dans la chaine alimentaire.
Les ETM posant le plus de problèmes directs et immédiats pour l'environnement et la santé sont ceux qui sont les plus toxiques et qui sont émis sous forme d'ions ou de nanoparticules, ou associés aux aérosols de petite taille.
Quand ils sont présents dans l'air (pollution routière, industrielle, combustion, etc.)Nriagu, J. O. (1979). Global inventory of natural and anthropogenic emissions of trace metals to the atmosphere (résumé), ils sont principalement évacués du compartiment atmosphérique par dépôt humide. Ils se retrouvent alors dans les sols, les sédiments et l'eau interstitielleGaillard, J.F., Jeandel, C., Michard, G., Nicolas, E., Renard, D., 1986. Interstitial water chemistry of Villefranche Bay sediments: trace metal diagenesis. Mar. Chem. 18, 233–247 puis dans les organismes et les écosystèmes, auxquels ils peuvent poser problème. Certains invertébrés (vers par exemple) peuvent les fixer grâce à des molécules chélatrices (métalloprotéines en général) et en excréter une partie via leur mucus ou excréments ; ils peuvent alors les remonter en surface du sol ou des sédiments ; ces métaux ou métalloïdes sont alors à nouveau biodisponibles pour les bactéries, les plantes ou d'autres espèces qui peuvent à nouveau les bioaccumulerMarinussen, M. P., J. C. van der Zee, E. A. Sjoerd, T. M. de Haan et A. M. Frans (1997), Heavy metal (copper, lead, and zinc) accumulation and excretion by the earthworm, Dendrobaena veneta, Journal of Environmental Quality, 26:278-284..
Impacts écotoxicologiques Comme les organochlorésAlzieu, Claude et Duguy Raymond, Teneurs en composés organochlorés chez les cétacés et pinnipèdes fréquentant les côtes françaises , 12 mai 1978, 64, sur archimer.ifremer.fr. auxquels ils peuvent ajouter leurs effets négatifs, les ETM massivement rejetés par l'Homme dans l'eau, l'air, et sols sont d’importants contaminants des écosystèmes, du réseau trophique. À la différence de la plupart des autres polluants, ils ne sont pas biodégradables ni dégradables.