Presque tout le monde a entendu dire maintenant que nous devrions limiter notre consommation de certains poissons parce qu’ils accumulent des niveaux élevés de mercure toxique. Mais personne – pas même les scientifiques – ne sait comment ce mercure toxique se retrouve dans l’océan en premier lieu.
Voici le mystère : La plupart du mercure qui pénètre dans l’océan à partir de sources terrestres ou aériennes n’est que l’élément mercure, une forme qui présente peu de danger car les êtres vivants peuvent s’en débarrasser rapidement. Le type de mercure qui s’accumule à des niveaux toxiques dans les poissons est appelé monométhylmercure, ou simplement méthylmercure, parce qu’il a un groupe méthyle, CH3, attaché à l’atome de mercure.
Le problème est que nous ne savons pas d’où vient le méthylmercure. Il ne pénètre pas suffisamment dans l’océan pour expliquer les quantités que nous trouvons dans les poissons. Quelque part, d’une manière ou d’une autre, quelque chose dans l’océan lui-même convertit le mercure relativement inoffensif en la forme méthylée beaucoup plus dangereuse. (Voir l’interactivité du cycle du mercure.)
C’est l’énigme que Carl Lamborg, biogéochimiste à la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), tente de résoudre. Lamborg s’est passionné pour le mercure alors qu’il était étudiant en maîtrise à l’université du Michigan, puis a poursuivi son doctorat à l’université du Connecticut avec Bill Fitzgerald, l’un des plus grands spécialistes du mercure dans l’océan. M. Fitzgerald, qui a été le troisième étudiant à être diplômé du programme conjoint MIT/WHOI et le premier en océanographie chimique, a consacré sa carrière au mercure après avoir vu, dans les années 1970, des photographies de personnes empoisonnées par le méthylmercure déversé par une usine chimique dans la baie de Minamata, au Japon. Sur une photo célèbre, publiée à l’origine dans le magazine Life, une femme berce sa fille adolescente, qui a été déformée par une exposition prénatale au méthylmercure. (Le photographe, W. Eugene Smith, a plus tard retiré cette photo et d’autres photos saisissantes de l’exposition publique à la demande des sujets et de leurs familles.)
La baie de Minamata a été l’un des pires cas d’empoisonnement au méthylmercure, mais malheureusement, il n’était pas unique.
« Il y avait beaucoup de mercure déversé à l’époque où les gens n’étaient pas sensibles à ce qui se passait », a déclaré Lamborg. « Le mot à la mode que les gens utilisent pour cela est ‘mercure hérité’. Les sédiments côtiers ont tendance à être très riches en mercure qui a été déversé il y a 30, 40, 50 ou 100 ans à cause d’une industrie. Et cela pourrait encore être en jeu, parce qu’il y a des vers et des mollusques et des choses qui vivent dans la boue, et ils sont toujours en quelque sorte en train de la remuer. »
La grande question
A la baie de Minamata, la source du méthylmercure était claire. Nous connaissons également la source de la plupart du mercure élémentaire présent dans l’océan. Une partie provient de sources naturelles comme les éruptions volcaniques. Environ deux tiers proviennent d’activités humaines. La source la plus importante est la combustion de combustibles fossiles, en particulier le charbon, qui rejette 160 tonnes de mercure par an dans l’air rien qu’aux États-Unis. De là, les pluies entraînent le mercure dans l’océan.
Nous rejetons également des effluents industriels chargés de mercure directement dans les rivières ou l’océan. Ce n’est pas seulement un fléau de la vie moderne ; Lamborg a déclaré qu’une mine de mercure en Slovénie déverse ses eaux usées dans le golfe de Trieste depuis l’époque romaine.
Mais même des rejets importants comme celui-ci ne constitueraient pas une menace majeure pour la santé humaine si le mercure n’était pas converti en méthylmercure, qui se diffuse dans le phytoplancton et remonte ensuite la chaîne alimentaire en quantités toujours plus importantes. Les grands poissons prédateurs comme le thon, par exemple, contiennent environ 10 millions de fois plus de méthylmercure que l’eau qui les entoure.
« Quelque chose comme un mollusque, qui est un filtreur, qui est très proche du bas de la chaîne alimentaire, n’est généralement pas aussi riche en méthylmercure que quelque chose comme un thon ou un maquereau ou un espadon ou un bar rayé – tous les poissons, en fait, que nous aimons vraiment manger », a déclaré Lamborg.
Alors, où et comment se fait la conversion du mercure en méthylmercure ? Selon M. Lamborg, le processus est probablement biotique, c’est-à-dire réalisé par des êtres vivants. Au-delà de cela, nos connaissances sont sommaires. Nous savons que les poissons ne méthylent pas le mercure, et le phytoplancton et le zooplancton ne le font probablement pas non plus.
Cependant, certaines espèces de bactéries produisent du méthylmercure, comme sous-produit de leur respiration. Cela a été observé chez les bactéries vivant dans les sédiments des fonds marins le long des côtes et sur les plateaux continentaux. Cela pourrait également se produire dans les sédiments des grandes profondeurs, mais personne ne s’y est encore penché.
A la place de l’oxygène
A quelques centimètres de profondeur dans les sédiments, il y a si peu d’oxygène que les microbes qui y vivent doivent utiliser la respiration anaérobie. Un moyen courant est une réaction chimique appelée réduction des sulfates, dans laquelle ils utilisent le sulfate (SO42-) de l’eau de mer environnante pour respirer et excrètent du sulfure (S2-) dans l’eau comme déchet. Si l’eau de mer dans les espaces poreux des sédiments contient également beaucoup de mercure, le terrain est préparé pour la production de méthylmercure.
C’est parce que le sulfure aide le mercure à pénétrer dans les cellules. La plupart des formes de mercure ne peuvent pas passer à travers une membrane cellulaire parce qu’elles sont liées à de grosses molécules ou parce qu’elles portent une charge. Mais lorsque des ions mercure chargés positivement (Hg+2), la forme de mercure la plus courante dans l’océan, rencontrent du sulfure chargé négativement, les deux se lient. Le composé résultant, HgS, est petit et non chargé – juste ce qu’il faut pour pouvoir passer dans les cellules microbiennes.
Une fois à l’intérieur, le mercure est méthylé. Les scientifiques n’ont pas encore découvert les réactions chimiques impliquées dans cette conversion, mais peu après que le HgS ait pénétré dans les cellules bactériennes, celles-ci libèrent du méthylmercure. Une partie du méthylmercure se diffuse à partir des sédiments vers l’eau libre. Là, il est absorbé par le phytoplancton pour commencer son voyage vers le haut de la chaîne alimentaire.
Mais quelle proportion du méthylmercure fabriqué par les bactéries dans les sédiments se retrouve dans l’eau au-dessus ? Est-ce la seule source du méthylmercure qui rend les poissons toxiques ?
Lamborg est sceptique quant à cette idée. Il pense qu’il doit y avoir une autre source de méthylmercure qui s’ajoute au total océanique.
« Ce que j’ai ruminé, c’est la possibilité qu’une grande partie du méthylmercure provienne en fait de l’eau elle-même », a-t-il dit.
Une couche de l’océan riche en mercure
Lamborg a découvert qu’il y a une couche d’eau dans l’océan, entre 100 et 400 mètres d’épaisseur, qui contient des niveaux élevés de méthylmercure. Cette couche se trouve à des profondeurs moyennes, entre 100 et 1 000 mètres sous la surface, selon les différents endroits de l’océan. Il a observé cette couche de méthylmercure dans la mer Noire, relativement isolée, en pleine mer près de la côte ouest de l’Afrique et dans les eaux proches des Bermudes. Ce qui est particulièrement intriguant, c’est que les pics de méthylmercure se produisent à des profondeurs où la quantité d’oxygène dans l’eau diminue fortement.
« Cette baisse d’oxygène est causée par tout le plancton qui se développe plus près de la surface », a-t-il déclaré. « Quand ils meurent, ou quand ils sont mangés par d’autres planctons, ces cellules mortes ou les excréments des autres planctons s’enfoncent et pourrissent. Cette putréfaction consomme de l’oxygène. »
Il est possible que, comme les bactéries dans les sédiments, toute bactérie vivant dans les zones à faible teneur en oxygène de l’océan dépende également du sulfate pour respirer et puisse générer du méthylmercure dans la zone à faible teneur en oxygène des eaux moyennes.
Lamborg poursuit cette hypothèse, mais il a d’abord testé une autre possibilité : si le méthylmercure dans la zone à faible teneur en oxygène provenait de plus haut dans l’eau. Les scientifiques qui étudient le phytoplancton ont découvert que 20 à 40 % du mercure qu’il contient est méthylé. Lamborg s’interroge : Au fur et à mesure que le phytoplancton ou le zooplancton qui les mange meurent, coulent et se dégradent, est-ce qu’une partie de ce méthylmercure est libérée dans l’eau et s’accumule dans les profondeurs moyennes ?
Atteindre une particule qui tombe
Pour le savoir, Lamborg a collecté de minuscules particules qui coulaient dans l’eau et les a testées pour détecter la présence de mercure et de méthylmercure. Il a capturé les particules dans des pièges à sédiments – des tubes en polycarbonate d’environ 3 pouces de diamètre et 2 pieds de long, qui ont été suspendus à un câble à 60 mètres, 150 mètres et 500 mètres sous la surface.
Avant de déployer les pièges, Lamborg a rempli chacun d’eux avec de l’eau de mer exempte de particules. Puis il a ajouté de la saumure extra-salée qui était si dense qu’elle formait une couche distincte au fond du tube, ce qui piège les particules.
Il a laissé les pièges en place pendant quatre jours, puis les a remontés et a fait passer la saumure dans des filtres plats et ronds un peu plus grands en largeur qu’une pièce de 25 cents. Il n’y a aucun doute quand un piège réussit à collecter du matériel, dit Lamborg ; le fin résidu brun laissé sur les filtres a un air de poisson pourri. « Ils sentent assez mauvais », dit-il. « Ce n’est pas comme du caca, mais c’est définitivement « beurk ! ». «
Lamborg a collecté des particules coulantes à plusieurs endroits lors d’une croisière de recherche à travers l’Atlantique, du Brésil à la côte de la Namibie en 2007, et les a ramenées à son laboratoire au WHOI pour les analyser.
Panage du mercure
Pour connaître la quantité de méthylmercure tombée dans un piège, Lamborg a converti tout le mercure sur le filtre en mercure élémentaire. Il a ensuite fait passer l’échantillon sur des grains de sable qui avaient été recouverts d’or. Seul le mercure adhère à l’or ; les autres produits chimiques ne le font pas. Ensuite, Lamborg a chauffé l’amalgame or-mercure pour vaporiser le mercure.
« C’est le même processus que celui qu’utilisaient les gens qui faisaient de l’extraction d’or », dit Lamborg. « Vous connaissez la recherche d’or à la batée ? Vous pressiez un peu de mercure dans votre batée, vous l’éclusiez, vous enleviez les sédiments, puis vous le chauffiez, vous brûliez le mercure et vous laissiez l’or derrière vous. »
Dans la version du processus de Lamborg, le mercure gazeux est le produit de valeur. Il est aspiré dans des tubes en téflon qui l’amènent à un spectromètre à fluorescence atomique qui détermine la quantité de mercure dans l’échantillon. Sur une table voisine, le mercure d’un échantillon parallèle est passé dans un chromatographe en phase gazeuse pour déterminer quelle proportion était méthylée.
« Ce sont certains des échantillons les plus difficiles à analyser que j’ai rencontrés, car les échantillons sont très petits », a déclaré Lamborg. « Il y a très peu de matière. Les techniques que nous utilisons peuvent détecter le méthylmercure dans la gamme femtomolaire. » Une femtomole de méthylmercure correspondrait à 0,000000000000215 gramme par litre d’eau de mer.
Les échantillons contenaient du mercure élémentaire, mais jusqu’à présent, aucun des échantillons provenant des trois profondeurs n’a montré des niveaux substantiels de méthylmercure. Il était présent, mais à des niveaux inférieurs à ceux que l’on trouve dans le phytoplancton – bien trop peu pour expliquer les niveaux de méthylmercure observés dans la zone des eaux moyennes.
Prochaines étapes
Si les organismes des eaux de surface ne sont pas la source du méthylmercure dans la couche des eaux moyennes, d’où vient ce méthylmercure ? Lamborg a déclaré qu’il pourrait être fabriqué par des bactéries dans les sédiments du plateau continental et libéré dans l’eau. Les courants pourraient entraîner ces eaux riches en méthylmercure hors des plateaux continentaux et en pleine mer, à des profondeurs à peu près identiques à celles de la couche d’eau moyenne. D’autres chercheurs explorent cette possibilité.
Lamborg, cependant, favorise l’idée que le méthylmercure trouvé dans les eaux intermédiaires y est fabriqué, tout comme dans les sédiments, par des microbes qui réduisent les sulfates. Il a récemment commencé à travailler avec la microbiologiste Tracy Mincer, une collègue du département de chimie et de géochimie marines de l’OMSI, pour identifier les gènes que les bactéries utilisent pour méthyler le mercure. Leurs recherches pourraient permettre d’identifier des gènes similaires à rechercher chez les microbes de la zone d’eau moyenne à faible teneur en oxygène.
Et il s’intéresse toujours à ces particules qui coulent et au rôle qu’elles pourraient jouer. Les microbes méthylants ne peuvent pas faire leur travail s’ils n’ont pas de mercure avec lequel travailler, et Lamborg pense que les particules offrent un service de navette efficace pour le mercure qui pénètre dans les couches superficielles de l’océan à partir de l’atmosphère, des eaux souterraines ou des rivières.
« Le mercure qui pénètre dans l’océan aujourd’hui atteint cette zone à faible teneur en oxygène d’une manière ou d’une autre », a-t-il déclaré. « Ces particules jouent encore un rôle important dans le déplacement du mercure d’une partie de l’océan où la méthylation ne se produit pas vers une partie de l’océan où elle se produit. »
-Cherie Winner
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation et les Andrew W. Mellon Foundation Awards for Innovative Research at WHOI.
Recommandations sur les fruits de mer
Manger de grandes quantités de fruits de mer sur une longue période de temps augmente le risque d’empoisonnement au mercure. Les enfants et les fœtus sont particulièrement vulnérables. C’est pourquoi l’Agence américaine pour la protection de l’environnement et la Food and Drug Administration recommandent aux femmes enceintes ou qui allaitent, aux femmes qui pourraient devenir enceintes et aux jeunes enfants d’éviter complètement de manger de l’espadon, du requin, du maquereau royal et du tilefish ; de ne pas manger plus de 6 onces par semaine de thon blanc (germon) ; et de ne pas manger plus de 12 onces par semaine d’autres poissons et crustacés. Si vous mangez plus que cela en une semaine, réduisez la semaine suivante pour maintenir votre consommation moyenne dans les limites suggérées.
L’EPA et la FDA recommandent en outre que tous les adultes limitent leur consommation de fruits de mer, en particulier des espèces prédatrices supérieures telles que l’espadon, le requin et le thon ; et que les consommateurs contactent leurs agences locales ou étatiques pour obtenir des avis concernant la sécurité des poissons pêchés dans les lacs, les étangs et les rivières.
La combustion du charbon produit une double peine de polluants
En tant qu’étudiant diplômé, Carl Lamborg a analysé les sédiments de lacs éloignés des activités industrielles et minières. Il a constaté que la quantité de mercure qui s’y déposait avait augmenté de façon spectaculaire à partir du milieu du XIXe siècle – à l’aube de la révolution industrielle, lorsque la combustion de combustibles fossiles est montée en flèche.
Le charbon était probablement le principal coupable. Le charbon à haute teneur en soufre (« sale ») a tendance à être également riche en mercure, et le mercure a tendance à se coller au soufre. Lorsque le charbon sale brûle, le mercure est libéré dans l’atmosphère avec le soufre. De là, ils peuvent être ramenés sur Terre par la pluie ou se diffuser directement dans les masses d’eau.
C’est une mauvaise nouvelle, a déclaré Lamborg, car les bactéries utilisent le soufre dans des réactions biochimiques qui finissent par convertir le mercure en méthylmercure, la forme hautement toxique qui s’accumule jusqu’à des niveaux mortels en remontant la chaîne alimentaire.
« Vous obtenez un double coup dur si vous libérez beaucoup de soufre en même temps que le mercure dans une cheminée, et qu’il atterrit dans un lac, par exemple », a-t-il déclaré. « La bonne nouvelle, c’est que là où des efforts ont été faits pour réduire les émissions de mercure, le niveau de mercure dans l’eau a considérablement diminué. Lamborg a déclaré qu’un excellent exemple de cela s’est produit peu après la chute du mur de Berlin et les industries » sales » et non réglementées d’Europe de l’Est ont soit fermé, soit été soumises à des réglementations environnementales de style occidental.
« Tout d’un coup, la concentration de mercure dans la pluie a commencé à chuter », a-t-il déclaré. « Vous pouviez juste le voir faire un whoosh ! Il est donc clair que dès que vous nettoyez vos cheminées, le mercure commence à diminuer. »
De même, le passage à l’utilisation de charbon « propre » contribue à réduire la quantité de mercure présente dans l’air et dans l’océan. Le charbon propre est appelé ainsi en raison de sa faible teneur en soufre, mais « il y a des raisons de penser qu’il serait également meilleur pour le mercure, car le mercure et le soufre vont de pair », a déclaré M. Lamborg. « Donc si vous pouvez vous débarrasser du soufre, vous faites probablement un assez bon travail pour vous débarrasser du mercure. »
Pourquoi le Chapelier est devenu fou
L’empoisonnement au mercure affecte de nombreuses parties du corps, notamment le cerveau, les reins, les poumons et la peau. Les symptômes comprennent des joues, des doigts et des orteils rouges, des saignements de la bouche et des oreilles, un rythme cardiaque rapide et une pression artérielle élevée, une transpiration intense, la perte des cheveux, des dents et des ongles, la cécité et la perte de l’ouïe, des troubles de la mémoire, un manque de coordination, des troubles de l’élocution et des malformations congénitales.
La forme la plus dangereuse du mercure est le monométhylmercure, dont les êtres vivants comme les poissons et les humains ne peuvent pas se débarrasser facilement et qui s’accumule donc à des niveaux élevés et toxiques dans leurs tissus. Cependant, d’autres formes de mercure peuvent également causer des problèmes, si l’exposition est prolongée ou fréquente.
Lorsque Lewis Carroll a créé le chapelier fou dans Alice au pays des merveilles, il s’est inspiré d’un phénomène courant à son époque, au milieu des années 1800. Les chapeliers agissaient souvent de façon loufoque, tremblant et bafouillant et étant excessivement timides à un moment et très irritables le lendemain. Mais Carroll ne savait peut-être pas que leur « folie » était causée par une exposition au mercure, qui faisait partie du mélange qu’ils utilisaient pour feutrer les fourrures dont étaient faits leurs chapeaux.
Le « syndrome du chapelier fou » se produit encore aujourd’hui, souvent chez les modélistes ou autres amateurs qui chauffent des métaux contenant du mercure, souvent dans des endroits mal ventilés. Heureusement, cette forme de mercure ne s’accumule pas dans l’organisme ; si l’exposition prend fin avant que le système nerveux ne subisse des dommages permanents, les symptômes qu’elle provoque sont totalement réversibles. Si le Chapelier fou avait cessé de fabriquer des chapeaux de feutre, il aurait peut-être fini par retrouver la raison – mais il aurait perdu sa place dans la littérature.