Résumé
Pour prendre les mesures nécessaires à la diminution des rejets de polluants dans l’environnement et appliquer les dispositions légales en la matière (p.ex. le principe du « pollueur payeur »), la Suisse et les différents états doivent pouvoir compter sur des outils et des méthodologies efficaces pour identifier les sources de pollution. Le présent travail de recherche étudie la contribution d’une approche forensique de l’investigation de sources de pollution dans les rivières en choisissant les polychlorobiphényles (PCBs) comme « contaminants modèles ». Il traite des deux principaux défis (distincts mais interconnectés) auxquels tout investigateur forensique est confronté lors d’une investigation criminelle :
1) La détection de la trace (PCBs présents dans l’environnement aquatique). Pour se faire, l’eau a été sélectionnée comme matrice environnementale car, contrairement au biote et aux sédiments, elle permet de mettre en évidence des rejets de PCBs au moment de l’échantillonnage. Les méthodes traditionnelles d’échantillonnage (actif) étant incompatibles avec les très faibles concentrations de PCBs et leurs possibles fluctuation dans le temps, les capteurs passifs ont été retenus car ils permettent de surmonter ces limitations grâce à l’enrichissement des PCBs in-situ et à l’intégration des pollutions épisodiques. De plus, ils ne requièrent pas d’énergie et peuvent être déployés à des sites difficiles d’accès. Parmi les capteurs existants, ceux en polyéthylène de faible densité (LDPE) et ceux en caoutchouc de silicone (SR) se sont avérés être les plus appropriés pour une investigation en rivière. La méthode basée sur ces capteurs a montré une sensibilité, une répétabilité et une flexibilité excellentes. Alors que le SR s’est révélé être très résistant et intégratif sur les six semaines d’échantillonnage, le LDPE a montré une faible résistance lorsqu’il était exposé à de grandes vitesses ainsi qu’une perte de caractère intégratif pour les PCBs les moins hydrophobes. Ces deux désavantages (combinés au fait que le LDPE relâche plus facilement des composés absorbés dans le polymère si le capteur entre en contact avec l’air) ont conduit à suggérer l’utilisation des capteurs SR pour l'investigation de sources de PCBs dans les rivières. Le co-déploiement d’un capteur LDPE à chaque site a toutefois été recommandé pour confirmer les résultats obtenus avec le SR.
Une très grande part de ce travail de recherche a été consacrée à la principale limitation des capteurs passifs pour l’investigation de sources de pollution en rivière, à savoir l’impact de la vitesse de l’eau (turbulences) sur l’absorption des PCBs. Pour tenir compte de cet impact, deux méthodes ont été évaluées dans un système de canaux et en rivière. La première méthode est basée sur l’utilisation des composés de référence et de performance (PRCs) qui sont chargés sur les capteurs avant le déploiement et dont la dissipation permet d’estimer les constantes de vitesses d’absorption des PCBs cibles (« méthode avec PRCs »). La seconde méthode est basée sur l’utilisation de facteurs de correction établis à partir des relations entre l’absorption des PCBs dans les capteurs et la vitesse de l’eau (« méthode sans PRCs »). La « méthode avec PRCs » offre de grands avantages par rapport à la « méthode sans PRCs » (mesure intégrative de l’impact de la vitesse de l’eau et estimation de la concentration des PCBs dissous), mais a montré des limitations lors de grandes différences de vitesses entre les sites. Dans de telles conditions, la « méthode sans PRCs » pourrait être utilisée pour vérifier les résultats car il a été montré qu’avec le LDPE elle offrait une bonne correction de l’impact de la vitesse. L’utilisation des deux méthodes avec le SR (qui permettrait de déployé uniquement celui-ci) nécessite des expériences supplémentaires pour affiner la relation entre l’absorption des PCBs dans le SR et la vitesse de l’eau.
2) L’identification de la source à l’origine de la trace. En se basant sur la littérature forensique, la source (rejet de PCBs provenant d’un site pollué) et les caractéristiques utilisées pour les comparaisons trace-source (situation géographique, charge de chaque PCB et profil des PCBs) ont été définies. Le processus d’identification des sources de PCBs a été assimilé à un processus de réduction dans lequel une population initiale de sources potentielles est réduite jusqu’à atteindre une classe restreinte de sources, ou idéalement une source unique. Ce processus a été décomposé en une phase de localisation (mise en évidence d’augmentations de charges et/ou de différences de profils de PCBs dans la rivière), et une phase d’imputation (imputation des augmentions de charges et des différences de profils aux rejets suspectés). Il a ensuite été évalué quels aspects réduisaient l’unicité et la constance des caractéristiques utilisées pour les comparaisons trace-sources (ou autrement dit leur capacité à distinguer les sources et à être suffisamment stables sur la période d’intérêt). Cette évaluation a été réalisée en déterminant les taux d’erreurs (taux de faux positifs et négatifs) tout en gardant en tête l’objectif de proposer une approche qui soit applicable en routine (approche simple et rapide). Il en est ressorti que l’approche est performante pour la phase de localisation, mais que des études supplémentaires sont nécessaires pour la phase d’imputation. En se basant sur cette évaluation, des recommandations (p.ex. conditions environnementales à éviter lors du déploiement et techniques d’installation dans les rejets) ont été émises afin que l’approche puisse être utilisée en l’état actuel. Des perspectives de recherche concrètes (amélioration de la précision des valeurs de coefficients de partition, dispositif pour l’échantillonnage dans les rejets, études des échanges de PCBs entre la phase dissoute et particulaire) ont été proposées afin d’améliorer l’approche pour les PCBs et d’étendre celle-ci à d’autres types de polluants.
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Abstract
To take necessary actions to decrease pollutant emissions into the environment and apply the legal provisions in this matter (e.g. the “polluter pays” principle), Switzerland and other countries should be able to rely on efficient pollution source identification tools and methodologies. The present research studies the contribution of a forensic approach to investigate pollution sources in rivers by focusing on polychlorobiphenyls (PCBs) as model contaminants. It addresses the two main challenges faced by every forensic investigator in criminal investigation:
1) Detection of traces (i.e. PCBs present in the aquatic environment). Water matrix was selected because, unlike biota and sediments, it can reveal emissions that occur at the time of sampling. As traditional (active) sampling methods are not appropriate for very low PCB concentrations and their potential fluctuations with time, passive samplers were used. They enable to overcome these limitations thanks to in-situ enrichment of PCBs and integration of episodic pollution events. In addition, they do not require a power supply in the field and are flexible enough to be deployed at sites that are difficult to access. Among the existing samplers, polyethylene (LDPE) and silicone rubber (SR) strips showed to be the most appropriate for the investigation of polluted rivers. The approach based on these two types of samplers showed excellent sensitivity, repeatability and flexibility. Whereas SR proved to be very resistant and integrative over the six sampling weeks, LDPE showed low resistance when exposed to high velocities and was no longer integrative for the less hydrophobic PCBs. These two drawbacks (along with the fact that compounds absorbed in LDPE are more easily released if samplers have brief contacts with air) led to the recommendation to use of SR samplers for the investigation of PCB sources in rivers. Co-deployment of one LDPE sampler at each site is however recommended to confirm results obtained with SR.
A significant part of this study is dedicated to the main limitation of the use of passive samplers to investigate pollution sources in rivers, i.e. the impact of water velocity (turbulences) on PCBs uptake in samplers. In order to account for this effect, two methods were tested in a channel system and in a river. The first method is based on the use of performance reference compounds (PRCs) that are loaded on samplers prior to deployment and whose dissipation enables the estimation of absorption rate constants of target PCBs (“method with PRCs”). The second method is based on the use of correction factors established through relationships between absorption of PCBs in samplers and water velocity (“method without PRCs”). The “method with PRCs” offered many advantages compared to the “method without PRCs” (integrative measure of the impact of water velocity and estimation of dissolved PCB concentration) but showed limitations in case of high differences in water velocity. In such conditions, the “method without PRCs” can be used to verify results as it provided a good correction of the impact of water velocity when LDPE was used. The use of the two methods with SR (which would involve using only a single type of polymer) requires further experiments to refine the relationship between PCB absorption in SR and water velocity.
2) Identification of the source at the origin of the trace. Based on forensic literature, the notion of source (i.e. release of PCBs from a polluted site) and characteristics used for trace-source comparisons (i.e. geographical situation, load of each PCB and profile of PCBs) have been defined. Identification process of PCB sources was assimilated to a process of reduction from an initial population of potential sources to a restricted class of sources, or ideally to an individual source. This process is divided into a localization step (assessment of increases of PCBs loads and/or differences in PCB profiles in the river) and an imputation step (imputation of the load increases and/or of differences in profiles to the suspected PCB releases). Then, it was assessed which aspects reduce the unicity and constancy of characteristics used for trace-source comparisons (or in other words, the ability of the characteristics to distinguish sources and to be sufficiently stable over the period of interest). This assessment was carried out by determining error rates (false positive and negative rates) while aiming to develop an approach that can be applicable in routine (simple and fast approach). The approach was found to be effective for the localization step but required further studies for the imputation step. Based on this assessment, recommendations (e.g. environmental conditions to avoid and installation techniques in outfalls) are given so that the approach can be used in the current state. Realistic research perspectives (e.g. experiments to decrease uncertainty in partition coefficient values, device for sampling in outfalls, study of PCB exchange between dissolved and particulate phases) are proposed in order to improve the approach for PCBs and extend it to other types of pollutants.