Par Robert Thomas
Robert Thomas (Rob), est le directeur de Scientific Solutions, un cabinet d'experts-conseils qui répond aux besoins éducatifs et en matière de publications de l'ensemble des utilisateurs d'analyses de traces (oligo-éléments). Pendant plus de 40 ans, Rob a travaillé dans le domaine de la spectroscopie atomique et de la spectrométrie de masse inorganique, y compris durant 25 ans pour un fabricant d'instrumentation spectroscopique atomique. Il est l'auteur de plus de 100 publications scientifiques, parmi lesquelles une série de tutoriels en 15 parties intitulée A Beginner's Guide to ICP-MS (ICP-MS : un guide du débutant) Il a de plus écrit cinq manuels sur les fondements et les applications du ICP-MS. Son ouvrage le plus récent, édité en livre de poche, s'intitule Measuring Heavy Metal Contaminants in Cannabis and Hemp et a été publié en décembre 2021. Il travaille actuellement sur la 4ème édition de son manuel Practical Guide to ICP-MS: A Tutorial for Beginners (Guide pratique du ICP-MS : un tutoriel pour débutants). Il est l'éditeur et un contributeur régulier à la chronique « Atomic Perspectives » (Perspectives atomiques) du magazine « Spectroscopy » (Spectroscopie), ainsi qu'un membre actif du comité éditorial consultatif de Analytical Cannabis. Rob possède un diplôme d'études supérieures en chimie analytique de l'Université de Wales au Royaume-Uni et il est également un Membre de la Société Royale de Chimie (Fellow of the Royal Society of Chemistry - (FRSC)) ainsi qu'un chimiste reconnu (Chartered Chemist – CChem).
Le cannabis et le chanvre sont connus comme des accumulateurs avides et très puissants des contaminants contenus dans le sol. C'est pour cela qu'ils ont été utilisés pour nettoyer les sites de déchets toxiques, là où d'autres tentatives de remédiation ont échoué. Après le drame nucléaire en Ukraine à Chernobyl, en 1986, du chanvre industriel fut planté pour nettoyer les isotopes radioactifs qui s'étaient infiltrés dans le sol et les eaux souterraines (1). Les propriétés de phytoremédiation des espèces botaniques sont bien reconnues. Il a été documenté que près de 400 plantes, arbustes, fleurs et arbres ont la capacité d'absorber des niveaux très élevés de métaux contaminants dans le sol (2), y compris les métallophytes, qui ne survivent que dans des environnements de croissance riches en métaux (3).
Le désastre nucléaire de Chernobyl
Le 26 avril 1986, une soudaine surtension électrique durant un test de filière des réacteurs détruisit l'unité 4 de la centrale nucléaire de Chernobyl à Pripyat, en Ukraine (qui appartenait à l'ex-Union Soviétique). L'accident et le feu qui suivirent lâchèrent des quantités énormes de matériel radioactif dans l'environnement et ainsi provoquèrent le pire désastre nucléaire jamais vu de par le monde. La retombée de l'empoisonnement radioactif fut tellement atroce, que les fermiers devinrent profondément inquiets que le sol serait à jamais endommagé par les métaux toxiques en lixiviation. La site fut ensuite abandonné pendant un certain nombres d'années pour permettre la diminution de la radioactivité. Puis, au début des années 1990, les scientifiques commencèrent à faire pousser du cannabis et du chanvre industriels autour de l'usine nucléaire abandonnée et il notèrent une réduction très sensible de la toxicité aux radionucléides dans le sol. Dix années plus tard, en 2001, une équipe de chercheurs allemands confirma les résultats de Chernobyl en démontrant que la plante était capable d'extraire le plomb, le cadmium, le nickel et les autres métaux lourds d'une parcelle de terrain contaminée par des boues d'égouts (5). Le cannabis et le chanvre industriels devinrent alors soudainement une option viable pour le nettoyage de nombreux sites industriels contaminés sur la planète, offrant de nombreux avantages par rapport aux approches de remédiation traditionnelles.
La technique de remédiation traditionnelle du sol
L'accumulation des métaux lourds dans le sol a rapidement augmenté en raison des différentes activités industrielles et anthropogènes. Ces métaux étant toxiques et non biodégradables, ils persistent dans l'environnement et peuvent potentiellement affecter la chaîne alimentaire par le biais des cultures et éventuellement s'accumuler dans le corps humain, suite à une exposition prolongée. En conséquence, la contamination aux métaux lourds a présenté un sérieux danger à la santé humaine et à l'écosystème. Il est donc nécessaire de prendre des mesures de remédiation afin d'empêcher les métaux lourds de pénétrer dans les environnements terrestres, atmosphériques et aquatiques.
Une variété de méthodes de remédiation a été développée pour récupérer les terres contaminées par des métaux lourds, principalement sur la base de techniques mécaniques ou physio-chimiques, comme l'incinération du sol, l'excavation et l'enfouissement, le lavage du sol, la solidification et l'application de champ électrique. Ces méthodes ont cependant démontré leurs limites comme un coût élevé, une inefficacité lorsque les contaminants sont présents à des concentrations faibles, la transformation irréversible des propriétés physicochimiques et biologiques des sols, aboutissant à la détérioration de l'écosystème du terrain, et l'introduction de polluants secondaires. Il est donc clairement nécessaire de développer des technologies de remédiation rentables, efficientes et sans danger pour l'environnement afin de récupérer le sol hautement pollué par les métaux lourds.
Les principes de la phytoremédiation
La phytoremédiation est une approche de nettoyage par les plantes permettant d'extraire et de supprimer les contaminants élémentaires ou d'abaisser leur biodisponibilité dans le sol. Les plantes ont la capacité d'absorber les composants ioniques dans le sol, même à concentrations basses, en élargissant leur système racinaire dans la matrice du sol et en créant un écosystème rhizosphère pour accumuler les métaux lourds et moduler leur biodisponibilité, récupérant ainsi le terrain pollué et stabilisant la fertilité du sol. L'utilisation de la phytoremédiation comporte de nombreux avantages :
- Économiquement avantageuse, elle nécessite uniquement une source de carbone, de nitrogène et d'énergie solaire pour la synthèse métabolique, ce qui la rend facile à gérer, avec une installation et une gestion à bas coût.
- Bonne pour l'environnement, elle peut réduire l'impact d'une exposition environnementale et de l'écosystème aux polluants.
- Elle empêche l'érosion et l'infiltration des métaux par la stabilisation des métaux lourds, ce qui réduit le risque de propagation des contaminants.
- Elle permet l'amélioration de la fertilité du sol par l'introduction d'une variété de matières organiques dans la terre.
- Son rôle est extrêmement efficace contre de nombreux contaminants.
- Elle est applicable sur des surfaces étendues, avec une élimination aisée des plantes.
L'efficacité de la phytoremédiation
Une importante partie de la recherche s'est concentrée sur les mécanismes moléculaires pour comprendre la tolérance aux métaux lourds et l'assimilation par les plantes. Ce phénomène a été bien étudié, provoquant une optimisation du processus de phytoremédiation, révélé très efficace. Il existe plus de 400 plantes, appelées hyperaccumulatrices, avec la plupart comprenant des propriétés spécifiques aux métaux. Par exemple, l'alfalfa est une plante efficace pour la remédiation des métaux lourds classiques et les études ont démontré qu'elle peut extraire jusqu'à 43 000 mg (43 g) de Pb par kg de son poids, tout en restant en bonne santé. D'autres plantes alpines comme le Tsalpsi advense (Tabouret des champs) seront plus efficaces pour les métaux de transition. Les études ont rapporté qu'elle peut retirer du sol jusqu'à 51 000 mg/kg de Zn (2). Le cannabis et le chanvre ne sont pas aussi efficaces que d'autres plantes utilisées en phytoremédiation spécifiquement contre les métaux et les métallophytes (3) mais elles semblent posséder de bonnes propriétés d'accumulation pour une large gamme de contaminants y compris les métaux lourds, les métaux de transition et les radionucléides. Une étude récente a démontré que le cannabis et le chanvre industriels peuvent absorber jusqu'à 1000 mg/kg de cadmium sans que cela affecte la force de ses fibres (7). Par un système racinaire très étendu et une biomasse élevée, les métaux sont rapidement absorbés et se maintiennent dans les différentes sections de la plante, y compris les racines, les parties aériennes, les tiges, les feuilles, les fleurs et ainsi de suite. En conséquence, ces plantes sont largement utilisées pour nettoyer la contamination de zones comme les sites charbonniers et leurs déchets, les terrains d'affinage des métaux, les centrales électriques, les boues d'eaux usées et des sites de réacteurs nucléaires pollués, comme Chernobyl. Il est également intéressant de noter qu'après la catastrophe nucléaire de Fukushima au Japon en 2011, des tournesols combinés à du chanvre ont été utilisés pour éliminer du sol le césium-137 et le Strontium-90. Les tournesols font partie des plantes hyperaccumulatrices, ayant en plus le bénéfice de pousser à grande hauteur pour une absorption maximum du contaminant. Elles sont en plus de prix abordable, abondantes au Japon et appropriées pour le climat local (8).
Les nombreuses utilisations du cannabis et du chanvre
Avec la méthode e phytoremédiation conventionnelle, une fois que les plantes ont absorbé le niveau maximum de contaminants, elles sont généralement détruites (typiquement incinérées), car elles ne peuvent pas être utilisées pour autre chose. C'est un point très important à souligner, car le cannabis et le chanvre sont utilisés dans le commerce comme source de cannabinoïdes à buts récréatifs et médicinaux. Lorsque ces plantes servent à ce dessein, elles sont strictement régulées par chacun des états américains, avec un processus réglementaire solide sur les limites maximales autorisées pour la plupart des métaux lourds (Pb, Cd, As, Hg), soutenu par des procédures de tests prises en charge par une partie tierce pour garantir la sécurité des consommateurs (9). Le chanvre est d'autre part cultivé comme source nutritionnelle de graines ainsi qu'à des fins industrielles, comme pour les biocarburants, les matériaux de construction et les tissus pour fabriquer des vêtements. Il existe actuellement très peu de réglementations sur les métaux lourds contenus dans ces produits, signifiant qu'ils peuvent potentiellement en avoir des niveaux extrêmement élevés, en fonction de la source et du lieu de culture.
Cela veut dire que, par manque de protocoles régulés pour le cannabis et le chanvre utilisés en remédiation, ces plantes ne peuvent servir dans la production de cannabinoïdes ou comme graines cultivables. Il a cependant été suggéré que le chanvre soit utilisé pour la fabrication d'autres produits comme les biocarburants, les textiles, les plastiques ou le béton de chanvre (un matériau de construction conçu à partir du chanvre). Bien que cette option soit très attractive, l'industrie devrait procéder avec prudence. En fonction de l'élément, il a été démontré que le chanvre et les autres plantes hyperaccumulatrices peuvent extraire du sol jusqu'à 50 000 mg/kg (ppm) de contaminants et rester en bonne santé. Si les niveaux de contaminants sont inférieurs à cette quantité, les risques sont relativement peu élevés mais s'ils sont supérieurs, c'est une bien autre histoire. On pourrait avancer que l'utilisation du chanvre dans la production de béton ne représenterait pas vraiment de risque majeur, particulièrement si c'est pour une construction immobilière extérieure. Mais porter des vêtements contenant du tissu à base de chanvre pourrait ne pas être une si bonne idée. De plus, si du chanvre contaminé au plomb était utilisé dans la production de biocarburants, une quantité importante serait probablement extraite dans le produit final. Lorsque le carburant passe par le moteur thermique, les particules de plomb (Pb) vaporisées sortiront éventuellement du tuyau d'échappement du véhicule, et il est reconnu que le convertisseur catalytique est incapable de supprimer les composants plombés. Ce biocarburant, initialement si bon pour l'environnement, est soudain devenu un un polluant toxique au plomb. Les États-Unis ont banni au milieu des années 90 l'utilisation du plomb tétraéthyle et cela nous a bien servi de leçon!
Une plante à multiples facettes
Avec l'adoption de « l'Agricultural Act » (loi sur l'agriculture) en 2014 (10) et la révision de la loi « Hemp Farming Act » (loi sur l'exploitation agricole du chanvre) en 2018 (également connue sous le nom de « 2018 Farm Bill »), (11) le gouvernement fédéral américain a autorisé la culture légale du chanvre (défini comme du cannabis contenant moins de 0,3 % de THC), en le supprimant de la liste des substances contrôlées. En conséquence, et parce que les cultivateurs ne nécessitent pas de permis de la « Drug Enforcement Administration (DEA) » pour planter du chanvre, il a été utilisé à des applications diverses et variées. Elle sert comme plante prolifique pour la phytoremédiation, pouvant pousser n'importe où, y compris dans un sol contaminé. Dans ce rôle, le chanvre a clairement des capacités uniques à nettoyer les polluants toxiques là où d'autres tentatives ont échoué. C'est d'autre part une formidable source de fibres pour les nouveaux tissus, permettant de fabriquer de nouveaux vêtements ainsi que de produire des composants en plastique et du béton de chanvre pour la construction (12). Son rôle dans la fabrication de produits de consommation de cannabis reste cependant le plus sollicité, car il semble y avoir une demande insatiable de cannabinoïdes destinés à soulager une multitude de maladies comme la gestion de la douleur, le stress, l'anxiété, la dépression, les convulsions, les crises d'épilepsie et bien plus encore (13). Il est cependant très important de préciser que les applications si vastes qui sont faites du cannabis et du chanvre doivent entrainer une gestion conséquente et attentionnée des conditions de culture. Lorsque plantés à l'extérieur, il y a des chances que des contaminants s'accumuleront si la chimie du sol s'y prête. Si ces plantes doivent être utilisées à des fins de phytoremédiation, il est nécessaire de bien prendre en compte leurs usages ultimes. Et si ces plantes sont destinées à des fins de consommation par cannabinoïdes ou comme produits médicinaux, il est impératif de s'assurer que l'environnement de culture soit convenablement caractérisé avant la plantation.
Perspective globale
Il est bon de noter qu'en dehors des USA, la culture, l'approvisionnement et la possession de cannabis ne sont généralement admis que pour des raisons médicales et scientifiques. Ce qui fait que dans la plupart des pays d'Europe et d'Amérique du Sud, la possession de la drogue pour usage personnel est un crime, punissable par emprisonnement. Cependant, dans les années récentes, plusieurs pays ont réduit leurs pénalités pour les utilisateurs de cannabis et certaines juridictions ont même autorisé l'approvisionnement de la drogue pour un usage non médical. Par exemple, aux Pays-Bas, il est illégal d'utiliser du cannabis pour des raisons récréatives mais depuis le début des années 70, le pays tolère un système d'approvisionnement de la drogue (14). De plus, d'autres pays ont relaxé leurs lois sur le cannabis, mais très peu l'ont entièrement légalisé. Au moment de l'écriture de ces lignes, seule une poignée de pays comme Malte, l'Allemagne et le Luxembourg a pris des initiatives pour actuellement le légaliser à des fins récréatives. La plus grande partie de l'Europe opte simplement pour une large décriminalisation du cannabis, ce qui effectivement rend son usage à la maison courant et légal. Cela signifie que si, en théorie, quelqu'un agit contre la loi en utilisant du cannabis, il y a peu de chance que les autorités policières locales interviennent, à moins que l'infraction n'affecte le public, ce qui peut aboutir à une amende (15).
La situation en Amérique du Sud est très similaire. En 2013, l'Uruguay a fait parler de lui dans les médias lorsqu'il est devenu le premier pays au monde à complètement légaliser le cannabis à usage récréatif et, depuis cette date, la majorité des autres pays du continent ont adopté une législation ou réduit les pénalités légales pour la possession, l'usage et la culture du cannabis. Par exemple, le Mexique a uniquement autorisé l'usage du cannabis pour la recherche médicale et scientifique. Cependant, en 2018, la Cour suprême du Mexique a déclaré que les interdictions actuelles sur la plantation, la culture et la récolte du chanvre étaient inconstitutionnelles et ordonné aux législateurs de développer un cadre juridique pour la distribution, la vente et la réglementation du cannabis. De surcroît, le Brésil, le Chili et l'Argentine ont pris des mesures similaires pour l'instauration de programmes légaux et régulés du cannabis médical. Même si sa consommation à un but récréatif était techniquement illégale, ils ont décriminalisé son utilisation, permettant au marché de se développer de façon efficace (16).
La production du chanvre
D'un autre côté, le chanvre est une plante cultivée à travers l'Europe et l'Amérique du Sud pour une multitude de produits, y compris les graines de chanvre, les textiles, les plastiques, les matériaux de construction et bien plus encore. Plus particulièrement aux années récentes, la surface dédiée à la culture de chanvre a fortement augmenté en Europe, en raison de sa contribution aux objectifs du « European Green Deal » (plan vert européen), par une quantité d'avantages environnementaux comme le stockage carbone, la destruction du cycle des maladies, la prévention de l'érosion des sols, la biodiversité et l'usage minimal de pesticides. Cela a abouti, entre 2015 et 2022, à une augmentation de 84,3 % de la production de chanvre, qui est passé de 97 000 à 179 000 tonnes. La France est le producteur le plus large, représentant plus de 60 % de l'Union européenne, suivie par l'Allemagne (17 %) et les Pays-Bas (5 %) (17).
En Amérique du Sud, les pays plus petits comme la Colombie, l'Équateur et le Paraguay ont pris les devants en développant extensivement leurs industries de chanvre pour les graines et les applications industrielles. Grâce à des secteurs agricoles bien établis et des climats favorables, de nombreux autres pays d'Amérique du Sud apparaissent bien positionnés pour ce type de culture et il est attendu qu'ils deviennent, à court terme, des acteurs majeurs sur le marché international du chanvre (18).
Pour plus de lecture...
1. Back to Chernobyl, Lila Guteman, New Scientist, April 10, 1999, https://www.newscientist.com/article/mg16221810-900-back-to-chernobyl/
2. Phytoremediation of radiocesium-contaminated soil in the vicinity of Chernobyl, Ukraine, Slavik Dushenkov et.al., Environmental Science & Technology, 33, 3, 469-475, (1999)
3. Metallophytes: the unique biological resource, its ecology and conservational status in Europe, central Africa and Latin America, A.J.M. Baker, et .al., Chapter in Ecology of Industrial Pollution, Cambridge University Press, June 5, 2012, https://www.cambridge.org/core/books/abs/ecology-of-industrial-pollution/metallophytes-the-unique-biological-resource-its-ecology-and-conservational-status-in-europe-central-africa-and-latin-america/D1AD982F5B31BD21FFDCF0A45F6386E0
4. Phytoremediation: A Promising Approach for Revegetation of Heavy Metal-Polluted Land, A. Yang et al., Front. Plant Sci., 30 April 2020, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.00359/full
5. Health Effects of Chernobyl, German Affiliate of International Physicians for the Prevention of Nuclear War (IPPNW), Sebastian Pflugbeil et. al., April 2011, https://www.ippnw.org/pdf/chernobyl-health-effects-2011-english.pdf
6. Phytoremediation: Principles and Perspectives, Joan Barceló and Charlotte Poschenriede, CONTRIBUTIONS to SCIENCE, 2 (3): 333-344 (2003), https://www.researchgate.net/publication/28076724_Phytoremediation_Principles_and_perspectives
7. Cannabis sativa L. growing on heavy metal contaminated soil: growth, cadmium uptake and photosynthesis. P. Linger et. al., BIOLOGIA PLANTARUM 49 (4): 567-576, 2005,
8. Scientists Are Using Sunflowers To Clean Up Nuclear Radiation, Molly Beauchemin, Garden Collage magazine, May, 12, 2016, https://gardencollage.com/change/sustainability/scientists-using-sunflowers-clean-nuclear-radiation/
9. Cannabis testing regulations: A state-by-state guide, Leafly Magazine, July 28, 2020, https://www.leafly.com/news/health/leaflys-state-by-state-guide-to-cannabis-testing-regulations
10. 2014 Farm Act, US Department of Agriculture, https://www.ers.usda.gov/agricultural-act-of-2014-highlights-and-implications/
11. 2018 Farm Bill, US Department of Agriculture, https://www.usda.gov/farmbil
12. Seven surprising uses for industrial hemp, Cemile Kavountzis, USA Today, January7, 2022, https://www.usatoday.com/story/sponsor-story/generation-hemp/2022/01/07/7-surprising-uses-industrial-hemp/9104429002/
13. What are the forms of hemp and what are their health benefits? Megan Ware, Medical News Today, April 26, 2023, https://www.medicalnewstoday.com/articles/308044
14. Cannabis policy in Europe: status and recent developments, European Center for Drugs and Addiction, https://www.emcdda.europa.eu/publications/topic-overviews/cannabis-policy/html_en
15. Is Marijuana Legal in Europe? Breakdown By Country, Where's the Weed, February 17, 2022, https://wheresweed.com/blog/legalization/2020/jul/is-marijuana-legal-in-europe-breakdown-by-country
16. Where cannabis is legal in South America in 2023, The Cannigma, https://cannigma.com/cannabis-in-south-america/
17. Hemp production in the EU, European Commission, Agriculture and Rural Development, https://agriculture.ec.europa.eu/farming/crop-productions-and-plant-based-products/hemp_en
18. The Latin American Hemp Market: A Work in Progress with Great Potential, Hemp Benchmarks, Feb 7, 2022, https://www.hempbenchmarks.com/hemp-market-insider/the-latin-american-hemp-market/
