ISO 17402:2008
(Main)Soil quality — Requirements and guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability of contaminants in soil and soil materials
Soil quality — Requirements and guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability of contaminants in soil and soil materials
ISO 17402:2008 provides guidance for the selection and application of methods to assess bioavailability for the characterisation of contaminated soil and soil materials. ISO 17402:2008 does not give a selection of the best applicable methods, but specifies boundary conditions and principles of methods to be used and gives the minimal requirements for the development of methods. The results obtained from such methods can be used as an estimate of bioavailability in a risk-assessment approach. The contaminants considered in ISO 17402:2008 are metals, including metalloids, and organic contaminants, including organometal compounds. This International Standard is also applicable to metals originating from natural geological and pedological processes (natural pedo-geochemical content). ISO 17402:2008 can also be applied to sediments.
Qualité du sol — Lignes directrices pour la sélection et l'application des méthodes d'évaluation de la biodisponibilité des contaminants dans le sol et les matériaux du sol
L'ISO 17402:2008 donne des lignes directrices pour la sélection et l'application des méthodes permettant d'évaluer la biodisponibilité pour la caractérisation du sol et des matériaux du sol contaminés. L'ISO 17402:2008 ne fournit pas une sélection des meilleures méthodes applicables, mais spécifie les principes et les conditions limites des méthodes à utiliser et indique les exigences minimales relatives au développement de méthodes. Les résultats obtenus à partir de telles méthodes peuvent être utilisés en tant qu'estimation de la biodisponibilité dans une approche d'évaluation du risque. Les contaminants considérés dans l'ISO 17402:2008 sont les métaux, y compris les métalloïdes et les contaminants organiques, notamment les composés organométalliques. La présente Norme internationale s'applique également aux métaux issus de processus géologiques et pédologiques naturels (teneur pédogéochimique naturelle). L'ISO 17402:2008 peut également s'appliquer aux sédiments.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17402
First edition
2008-06-15
Soil quality — Requirements and
guidance for the selection and
application of methods for the
assessment of bioavailability of
contaminants in soil and soil materials
Qualité du sol — Lignes directrices pour la sélection et l'application des
méthodes d'évaluation de la biodisponibilité des contaminants dans le
sol et les matériaux du sol
Reference number
©
ISO 2008
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Contents Page
Foreword .v
Introduction.vi
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .2
4 Bioavailability in relation to assessment of soil function.6
4.1 Soil functions and organisms to protect .6
4.2 Risk assessment .6
4.3 Protection goals .7
5 Concepts of bioavailability.8
5.1 Definitions .8
5.2 Links between bioavailability and biological effects and/or bioaccumulation.10
6 Description of methods to assess bioavailability.11
6.1 General .11
6.2 Assessment of bioavailability using chemical test methods .12
6.3 Assessment of bioavailability using ecotoxicological test methods .13
7 Pathways related to soil quality (both organism and soil).14
7.1 General .14
7.2 Human.14
7.2.1 General .14
7.2.2 Soil ingestion .14
7.2.3 Dermal contact.15
7.2.4 Inhalation of soil .15
7.2.5 Groundwater used for drinking water .15
7.3 Exposure of higher animals .15
7.4 Exposure of soil organisms .15
7.4.1 General .15
7.4.2 Exposure of soil micro-organisms .15
7.4.3 Exposure of soil invertebrates (micro-, meso- and macro-fauna) .16
7.5 Exposure of plants .16
8 Available methods to measure bioavailability .17
8.1 General .17
8.2 Chemical methods to measure environmental availability.17
8.2.1 General .17
8.2.2 Methods for soil ingestion.18
8.2.3 Methods for dermal uptake.19
8.2.4 Methods for plants .19
8.2.5 Methods for leaching from the solid phase to the soil solution.19
8.2.6 Methods for biodegradation.20
8.2.7 Methods for soil organisms.20
8.2.8 Available and promising chemical methods to measure bioavailability .20
8.3 Ecotoxicological test methods to measure bioavailability .22
9 Requirements.25
9.1 General .25
9.2 Requirements for selection and application.25
9.2.1 Requirements for selection .25
9.2.2 Requirements for application.26
9.3 Requirements for development.27
Annex A (informative) Bioavailability in relation to biodegradability .29
Annex B (informative) International Standards for the determination of the toxicity of chemicals
on sediment organisms (laboratory tests).30
Bibliography .31
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 17402 was prepared by Technical Committee ISO/TC 190, Soil quality, Subcommittee SC 7, Soil and site
assessment.
Introduction
Laboratory and field studies have demonstrated that biological effects are not related to the total concentration
of a contaminant in the soil. Instead, an organism responds only to the fraction that is biologically available
(bioavailable) for that organism. This is particularly true in soils that undergo interaction of contaminant
molecules with the soil, in such a way that the contaminant is not attainable anymore by the organism or is
present in a non-available form (sometimes referred to as sequestration or irreversible sorption). The
bioavailable fractions of contaminants are dependent on soil properties and various processes varying with
time and on the biological receptors. The conservative approach of exposure assessment, as typically
described in a regulatory context, assumes that the total concentration of a contaminant present in a soil or
soil material is available for uptake by organisms, including man, and as such will overestimate the risks.
Therefore, a risk assessment can be optimised by using an approach that is based on estimated exposure
representing the available, effective concentration of the contaminant(s) and on (existing) intrinsic toxicity data.
This assumption is not new as, already in the last half of the nineteenth century, agronomists and soil
scientists began to search for chemical methods to determine the concentration of individual plant-available
nutrients in agricultural soils. The impetus for this search was the need for recommended nutrient additions to
[1]
achieve maximum crop yield. Mulder stated already in 1860: “The unnecessary full analysis of soil to learn
if it is fertile or not cannot be argued enough. The long and short of it is availability, which cannot be derived
beforehand. The analysis shows what there is, agriculture must draw its own conclusions from that.” Chemical
methods were devised to reasonably predict the availability of inorganic ions necessary for plant development.
Chemical partial extraction methods are now commonly used to evaluate available levels of nutrients in soils.
Extraction methods have been optimised by correlating extraction results with response of susceptible crop
species to the addition of fertilisers.
The concept of availability is nowadays applied to the risk assessment of contaminants and can be tailored to
the specific protection goals. Depending on the intended use of a soil or soil material, soil characterisation for
different purposes (e.g. assessment of habitat and retention functions, risk assessment and compliance with
regulatory values) may include chemical testing and ecotoxicological testing with selected representative test
organisms. These tests will, in many cases, be soil- or site-specific at a given point in time, and cannot be
extrapolated to other soils or points in time where other factors may control bioavailability.
Bioavailability may be assessed in two complementary ways (see also Figure 1):
⎯ Chemical methods (e.g. extraction methods) which determine the fraction of a well-defined class of
contaminants available for defined specific biotic receptors or the mobility of the contaminants in the soil.
Usually these chemical methods were developed to predict the amount of contaminants taken up by the
organisms. Nevertheless, these analytically determined values can also be correlated with effects. In a
routine assessment of soil quality, chemical measurements may replace biological testing, if a correlation
between the resulting chemical values and effect or accumulation has been demonstrated.
⎯ Biological methods which expose organisms to soil or soil eluates in order to monitor effects. If
accumulation and/or effects (e.g. mortality, growth inhibition) are encountered, bioavailable contaminants
are likely to be present even if they cannot be chemically identified. More knowledge on processes
controlling bioavailability can close the still existing gap between chemical measurements and biological
effects.
vi © ISO 2008 – All rights reserved
Figure 1 — Methods to assess bioavailability — Relation between chemical
and biological assays and bioaccumulation
Under regulatory aspects of soil protection, the risk assessment should be based upon the same common
concept with regard to determination/assessment of exposure and measurement/assessment of effects. Thus,
existing concepts and derived trigger values based on total concentrations of pollutants in soils or soil
materials can be transferred to the proposed concept based on the prediction of the bioavailable fraction by
using the more accurate description of exposure. For instance, the translation of information on bioavailability
into acceptable evaluations of “how clean is clean” (e.g. site-specific limits for regulating the extent to which
the remediation of soil is required) is essential for establishing realistic risk assessments and the
determination of proper endpoints for remediation.
A harmonised framework on bioavailability is considered in order to promote the development and introduction
of workable standard methods to be used in soil and site assessment. In addition, methods for the estimation
of bioavailable effective concentrations of contaminants according to the protection goals envisaged are
required. These methods should preferably be described in International Standards and that standardization
[2]
process should result in a limited set of established methods for the measurement of bioavailability . As
described in this International Standard, this process will not lead to one single method to measure
bioavailability, because bioavailability depends on variables such as the contaminant, the target and the actual
soil properties. Therefore, methods should not only use the word bioavailability but also refer to these
variables (bioavailable for).
In this International Standard, requirements and guidance are given to select methods to assess bioavailability
for different target species with regard to several classes of contaminants. Methods to assess bioavailability
are not described in this International Standard. Reference is made to existing International Standards and
additional principles of measurement, which may need to be worked out in these International Standards. As
only a few standards exist, reference is also made to measuring principles. Guidance is also provided for
further standardization of a method where promising first results are reported.
After a short description of methods (Clause 6), the pathways of a contaminant to the target organism are
discussed (Clause 7). A summary of existing methods and promising methods that should be further
developed is given in Clause 8. Clause 9 gives recommendations and includes the minimal requirements for
application and further development.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 17402:2008(E)
Soil quality — Requirements and guidance for the selection and
application of methods for the assessment of bioavailability of
contaminants in soil and soil materials
1 Scope
This International Standard provides guidance for the selection and application of methods to assess
bioavailability for the characterisation of contaminated soil and soil materials. This International Standard does
not give a selection of the best applicable methods, but specifies boundary conditions and principles of
methods to be used and gives the minimal requirements for the development of methods. The results
obtained from such methods can be used as an estimate of bioavailability in a risk-assessment approach.
In this International Standard, when the term “soil” is only quoted for simplification, the broader term “soil and
soil material” shall be considered.
The contaminants considered in this International Standard are metals, including metalloids, and organic
contaminants, including organometal compounds. This International Standard is also applicable to metals
originating from natural geological and pedological processes (natural pedo-geochemical content).
This International Standard can also be applied to sediments.
NOTE An assessment procedure based on the bioavailable fraction of the total amount of contaminants in the soil or
soil material can contribute to the development of regulatory requirements of risk-based assessment procedures for soils.
According to the protection goals envisaged, applications of existing methods are recommended and their
limitations discussed, with the intention of promoting the development and introduction of workable standard
methods to be used in soil and site assessment. These methods are required to allow for the quantification of
factors influencing bioavailability.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 11074:2005, Soil quality — Vocabulary
ISO/TS 21268-1:2007, Soil quality — Leaching procedures for subsequent chemical and ecotoxicological
testing of soil and soil materials — Part 1: Batch test using a liquid to solid ratio of 2 l/kg dry matter
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11074 and the following apply.
3.1
bioavailability
degree to which chemicals present in the soil may be taken up or metabolised by human or ecological
receptors or are available for interaction with biological systems
NOTE 1 Adapted from ISO 11074:2005.
NOTE 2 The concept of bioavailability is further explained in Clause 5.
NOTE 3 In ISO/TS 17924, a definition specific for human uptake through ingestion is given as the fraction of a
substance present in ingested soil that reaches the systemic circulation (blood stream).
3.2
contaminant
substance or agent present in the soil as a result of human activity
[ISO 11074:2005]
NOTE There is no assumption in this definition that harm results from the presence of the contaminant.
3.3
critical body residues
CBR
internal concentration accumulated in a tissue, organ or all of the body that is correlated with an adverse effect
3.4
environmental availability
fraction of contaminant physico-chemically driven by desorption processes potentially available to organisms
NOTE 1 See also Figure 2.
NOTE 2 Environmental availability contains
1) an actual available fraction or the actual dissolved amount of pollutant at ambient conditions, or
2) a potentially available fraction, which is the maximum amount that can be released under (predefined) worst-case
conditions. The potentially available fraction includes the actual available fraction.
3.5
environmental bioavailability
fraction of the environmentally available compound which an organism takes up through physiologically driven
processes
NOTE See also Figure 2.
3.6
habitat function
ability of soil/soil materials to serve as a habitat for micro-organisms, plants, soil-living animals and their
interactions (biocenosis)
[ISO 11074:2005]
2 © ISO 2008 – All rights reserved
3.7
leaching test
test during which a material is put into contact with a leachant under strictly defined conditions and some
constituents of the material are extracted
[ISO/TS 21268-1:2007]
3.8
leachant
liquid used in a leaching test
[ISO/TS 21268-1:2007]
3.9
natural pedo-geochemical content
concentration of a substance in soils, resulting from natural geological and pedological processes, excluding
any addition of human origin
[ISO 11074:2005]
NOTE In the background content [concentration of a substance in soil, resulting from natural geological and
pedological processes, including diffuse source inputs (ISO 19258)], the natural pedo-chemical content is combined with
the content resulting from diffuse pollution.
3.10
pollutant
substance or agent present in the soil (or groundwater), which due to its properties, amount or concentration
causes adverse impacts on soil functions or soil use
NOTE Adapted from ISO 11074:2005.
3.11
potentially harmful substance
substance which, when present in a sufficient concentration or amount, may be harmful to humans or the
environment
NOTE It may be present as a result of human activity or naturally.
3.12
receptor
potentially exposed person or part of ecosystem
3.13
retention function
ability of soils/soil materials to adsorb pollutants in such a way that they cannot be mobilised via the water
pathway and translocated into the terrestrial food chain
[ISO 11074:2005]
NOTE In this International Standard, reversible adsorption and desorption processes are also considered.
3.14
sediment or subhydric soil
soil and its parent material beneath the surface water body
3.15
soil
upper layer of the Earth's crust composed of mineral particles, organic matter, water, air and living organisms
NOTE 1 In a broader civil engineering sense soil includes top-soil and subsoils; deposits such as clays, silts, sands,
gravels, cobbles, boulders and organic deposits such as peat; and materials of natural origin or of human origin (e.g. fills
and deposited wastes).
NOTE 2 Adapted from ISO 11074:2005.
3.16
soil material
material coming from soil and displaced and/or modified by human activity, including excavated soil, dredged
materials, manufactured soils, and treated soils and fill materials
NOTE For the purposes of this International Standard, sediments are considered as soil material.
3.17
soil organisms
all organisms living completely, or during specific parts of their lifetime, in the soil or on the soil surface
(including the litter layer) and which contribute to soil processes (e.g. nutrient cycling), including plants
(including soil algae), microflora, invertebrate and (a few) vertebrate species
3.18
toxicological bioavailability
internal concentration of pollutant accumulated and/or related to a toxic effect
NOTE 1 See also Figure 2.
NOTE 2 This definition refers to internal concentrations in humans, mammals and other organisms.
4 © ISO 2008 – All rights reserved
Figure 2 — From total concentration in soil to effect
(modified after Reference [7] in the Bibliography)
4 Bioavailability in relation to assessment of soil function
4.1 Soil functions and organisms to protect
Assessment of soil quality is relevant in a number of situations, for example, when contaminated soil and soil
materials have to be evaluated for the degree of necessary clean-up, when excavated soil is to be reused for
a specific purpose, or when land areas are to be evaluated with respect to proper land use. This assessment
is very dependent on the availability of the contaminants in question, but other important factors are the
presence or absence of a relevant type of receptor and its sensitivity to the contaminant. Bioavailability cannot
be discussed without stating for whom the availability is relevant. In ISO 11074, the retention and habitat
functions (see Clause 3) are distinguished. They include the following specific soil functions:
⎯ control of substance and energy cycles as components of ecosystems;
⎯ basis for the life of plants, animals and man;
⎯ carrier of genetic reservoir;
⎯ basis for the production of agricultural products;
⎯ buffer inhibiting movement of water, contaminants or other agents into groundwater.
Apart from the retention and habitat functions and risk-assessment schemes derived, other scenarios,
including the uptake of soil by humans (children's playgrounds) (see ISO/TS 17924) or by higher animals like
grazing cattle, may be considered in an assessment procedure.
This can be described more specifically as follows:
⎯ (bio)availability for different but defined target soil organisms or biotopes (habitat or retention);
⎯ (bio)availability for organisms able to transform or mineralise the contaminant (habitat);
⎯ (bio)availability for plant uptake (habitat);
⎯ (bio)availability for human uptake (ingestion, inhalation, dermal contact) (habitat);
⎯ (bio)availability for leaching processes (retention).
4.2 Risk assessment
Characterisations of bioavailability should be performed as a part of a risk and/or compliance assessment. A
risk assessment comprises the following steps.
Step 1 The hazard identification: which in this context is the recognition of the potential of a substance to
cause harm to human health or the environment.
Step 2 The exposure assessment: which is the process of establishing whether, and how much, exposure
will occur between a receptor and a contaminated source. The contact time or exposure time is an
important parameter for the exposure.
Step 3 The dose-response assessment: which is the characterisation of the relationship between the dose
(exposure) of a chemical and the anticipated incidence of an adverse health or environmental effect
in an exposed population. Dose-response assessments are typically carried out at national level as a
part of the setting of criteria and are thus usually not undertaken as a part of the assessment of a
specific site.
Step 4 Finally, and based on the above: the risk characterisation, a description of the nature and magnitude
of a health or environmental risk. The description combines results of exposure assessment and
hazard identification and describes the uncertainty associated with each step.
6 © ISO 2008 – All rights reserved
The exposure assessment (step 2) is the process wherein the intensity, frequency, and duration of the
exposure of the receptor in question to a contaminant are estimated, and it comprises:
⎯ source identification and characterization;
⎯ identification of exposure routes;
⎯ identification of relevant receptors/target groups;
⎯ and, based on this, the actual exposure assessment.
Exposure assessments can be carried out in order to assess either the total exposure of a given receptor
group (e.g. the population at risk) or the additional exposure from a given source or activity. Since, in this
International Standard, only the risk resulting from the exposure to soil contaminants is addressed, it is limited
to the direct contact of the target with soil. Other indirect effects like consumption of crops growing on
contaminated land are part of an assessment procedure, but the bioavailability of contaminants in consumed
crops is not a subject of this International Standard.
The actual exposure routes will depend on the site use. Both the actual and planned use of a contaminated
area may be included in the assessment, as this may define which exposure routes are of relevance. Average,
worst or reasonable-case exposure can be evaluated, and depending on the purpose of the exposure
assessment, the data needs can differ for these situations.
The actual exposure time can differ between similar site uses due to differences in climate and actual site use
patterns (e.g. number of days per week that the site is in use).
4.3 Protection goals
In soil assessment, the protection goal is a leading principle. The following protection goals can be
distinguished.
⎯ Human and higher animals:
⎯ humans;
⎯ grazing animals, e.g. cattle;
⎯ wildlife.
⎯ Soil habitat function:
⎯ invertebrates;
⎯ soil micro-organisms;
⎯ vegetation;
⎯ food web (food web should be a protection goal, but as follows from this International Standard, it is
not possible to have one single method to establish bioavailability for the whole foodweb).
⎯ Soil retention function:
⎯ water organisms;
⎯ groundwater and surface water.
NOTE With regard to exposure in connection with groundwater, reference is made to ISO 15175. In ISO 15175, it is
also considered that the mobile fraction of the total contaminant concentration controls groundwater exposure based on a
similar hypothesis to that used in the bioavailability concept. Because the mobile contaminant fraction can also provide a
good prediction of the bioavailable fraction for organisms in contact with the pore water, the mobile fraction is also
described in this International Standard on bioavailability.
Depending on the potential use of the land — nature conservation, forests, pastures, arable land, paddy fields,
horticulture, allotments, playgrounds, parks, below sealed areas, industrial areas or landfill covering —
protection goals may differ. For instance, in playgrounds, human beings are the protection goals, while in
nature conservation the goals mentioned under the habitat and retention function have to be considered. In
industrial areas, it is usually most important to protect the groundwater (retention function). Defining the
protection goals is a part of the assessment procedure and is not described in this International Standard.
5 Concepts of bioavailability
5.1 Definitions
The definition of bioavailability (3.1) is comprehensive, but is not explicit enough as a definition of
bioavailability as a measurable quantity. Bioavailability depends on a specific target organism and specific
contaminants and includes the following aspects: exposure time, transfer of contaminants from soil to
organisms, their accumulation in the target organisms and the subsequent effects. For practical purposes,
more specific definitions have been derived, for example as follows:
[3]
⎯ bioavailability is the flux of contaminants to biota ;
⎯ bioavailability is the amount of chemicals in the soil that are present in forms and amounts that plants or
[4]
other organisms can take up during the time they are alive ;
⎯ bioavailability is the rate at which a chemical compound can be transported to the specified biological
[5]
population .
These definitions can be grouped into two categories, for example, the bioavailability defined in terms of flux
−2 −1 −1
or rate (mol⋅m ⋅s ) and that defined in terms of content (mol⋅kg ). Theoretically, the content-based
bioavailability is obtained by integrating the rate- or flux-based bioavailability over a period of interaction. In
practice, it is difficult to directly measure the rate of processes, and the flux- or rate-based bioavailability is
estimated from content-based bioavailability. Therefore, the content-based bioavailability is of primary
importance from an evaluation point of view.
It should be realised that a content-based bioavailability is based on a net flux of the chemical to the target
organism or organ. Bioavailability can conceptually be defined as a dynamic process, which can be described
by the following three steps (Figure 2):
a) availability of the contaminant in the soil (e.g. environmental availability);
b) uptake of the contaminant by the organism (e.g. environmental bioavailability);
[6], [7]
c) within the organisms, accumulation and/or effect of the contaminant (e.g. toxicological bioavailability) .
Bioavailability is considered as soil- or organism-dependent but many organisms, as is the case for plants,
may also modify soil characteristics (e.g. pH changes in the rhizosphere) making contaminants more or less
available.
Because the total exposure of organisms depends on time, the available fraction is not a fixed fraction, but
should be divided into more fractions or described as a continuum. The release of the contaminants (see
Figure 3) depends on local environmental conditions (e.g. pH). The simplest approach is to define
⎯ an actual available fraction or the actual dissolved amount at ambient conditions,
⎯ a potentially available fraction, which is the maximum amount that can be released under (predefined)
worst-case conditions, and
⎯ a non-available fraction.
8 © ISO 2008 – All rights reserved
The potentially available fraction includes the actual available fraction but cannot exceed the total
concentration. To establish the potential bioavailability, it is important to define the total system: soil, including
the organisms, and environmental conditions that influence the fate of a contaminant in the soil or the activity
of organisms. The subdivision in terms of actual and potential availability is important because it broadens the
role of the pore water. Bioavailability covers not only the amount in the pore water, but may include the
amount that desorbs during the time an organism is in contact with the soil. Regarding the organisms, a
[8]
“bioinfluenced” zone could be defined . This zone comprises the pore water and, depending on the
organism, parts of the soil matrix. Consequently, the available concentration may have different values
depending on the type of target organisms and time scale and, in turn, there could be numerous specific
definitions (operational definition).
The bioavailability processes are also discussed in Reference [9] in the Bibliography. This description
combines the conceptual and operational definition as used in this International Standard.
Bioavailability is also used to predict the amount of degradation of organic contaminants in a remediation
process (see Annex A). With biodegradation, it is assumed that organisms degrade the contaminant.
Bioavailability is used to predict a decrease of contaminant concentration. In a successful approach, the
conceptual definition, the operational definition and the used tool should have relations as indicated in
Annex A.
Key
X total concentration CBR
Y chemical response, bioaccumulation, biological response
A Zone A: the contaminant is detected, but there is no detectable effect
B Zone B: concentration-response curves parallel for chemical and biological assays: then the chemical assay
constitutes a useful surrogate test
C Zone C: assays become non-linear and correlation is lost
1 chemical assay
2 bioaccumulation
3 biological effect
4 bioassay
a
Possible correlation between biological/chemical; chemical assay = useful surrogate test.
Figure 3 — Response of chemical assays and bioassays as a function of the total concentration
(modified after Reference [8] in the Bibliography)
5.2 Links between bioavailability and biological effects and/or bioaccumulation
Whichever definition is used, the only direct way of measuring bioavailability for an organism to be protected is
the use of that organism to measure the accumulation and/or effect (e.g. toxicological bioavailability). If this is
not possible because of ethical (e.g. with higher organisms like human beings) or ecological (e.g. too many
species in the ecosystem to be tested) reasons, one way could be to use surrogate species. They can then be
used as indicators to study potential effects on and/or accumulation in the organism to be protected or the
functional groups or total ecosystem. It should be kept in mind that, due to intra- and inter-species variations,
the results obtained with the surrogate may not be extrapolated to the specific receptor to be protected.
As an example, if the protected organisms are human beings, the surrogate organism to assess toxicological
bioavailability may be a pig, and a chemical test may also be developed in order to determine environmental
availability. If one considers the protection of plants or soil invertebrates, surrogate species may be used (e.g.
lettuce, earthworms) for which a chemical test may also be developed.
If environmental bioavailability (i.e uptake of the contaminant) for an organism or a group of organisms in a
soil can be mimicked by a chemical process, then a chemical test can be used. The required condition to
approximate environmental bioavailability with a chemical test which estimates the environmental availability
is that a function exits between both in a statistical sense (Figure 3, Zone B). In general, since the rate of the
mimicking chemical process is not the same to that of actual uptake processes, the time needed to estimate
environmental availability is not the same (usually less time is necessary) compared to that for environmental
bioavailability.
Figure 3 shows the relationship between chemical assays, biological effects and bioaccumulation. Only in
Zone B do chemical and biological tests give parallel responses, meaning that the chemical method can be a
surrogate of the biological one. The internal concentration which results from the uptake and accumulation
can be used as a link to the observed effect, providing that the organism is not able to eliminate the
[8]
contaminant. This concentration is defined as critical body residues .
As shown previously, we cannot have a general definition of bioavailability.
⎯ For this International Standard, the content- or concentration-based bioavailability is of primary
importance from the experimental point of view.
⎯ Bioavailability is strongly linked to the exposure routes of an organism or a group of organisms, and to the
habitat and feeding behaviour of these organisms.
⎯ Therefore, correlations can be established between environmental availability obtained by chemical
methods which mimic a specific exposure route (e.g. concentration of pollutants in pore water) and
environmental bioavailability (e.g. bioaccumulation) or toxicological bioavailability obtained by observing
effects in organisms (e.g. toxicity, reproduction).
⎯ As these correlations also depend on substance properties, they may be restricted to substance classes
(e.g. valid for substances with a certain range of water solubility).
ISO/TS 17924, the International Standard for the assessment of human exposure from ingestion of soil, also
uses the term “bioaccessibility”, for the purposes of that standard defined as “proportional transfer of a
substance into a human or ecological receptor”. It includes all physical, chemical and microbiological
processes in the human body, from grinding in the mouth to precipitation in the intestine. The term
bioaccessibility as included in the conceptual definition used in this International Standard would, in terms of
ISO/TS 17924, refer to the amount available for uptake by the human intestine system.
NOTE In the literature, other definitions are also used. The environmental availability (upper part of Figure 2) is also
[10]
referred to as bioaccessibility, as introduced by Semple et al. to clarify which part of the soil/organism system was
[11]
investigated. In addition to the accessibility, Reichenberg and Mayer proposed to use chemical activity of the free ion
or molecule as a complementary approach to explain environmental availability.
10 © ISO 2008 – All rights reserved
When considering bioavailability in an exposure assessment, the terms absolute and relative bioavailability
are distinguished. In that context, the term absolute bioavailability is used to refer to the fraction of the applied
dose that is absorbed by an organism and reaches a relevant target organ (and can never be greater than
100 %). Relative bioavailability refers to the comparison of bioavailability between two different sets of
conditions, for example, from a soil sample vs. food or another matrix used in a toxicity study, and can be
greater than or less than 1. This factor can be used in exposure assessments, for example, to assess the
exposure by direct ingestion of soil, if the absolute bioavailability of the contaminant in the specific soil is
expected to differ significantly from the absolute bioavailability in the matrix used when determining the toxicity
value to which the exposure should be compared.
6 Description of methods to assess bioavailability
6.1 General
In most cases, the bioavailable fraction will be less than the total concentration as measured with traditional
methods. Several chemical and biological methods have been developed independently already and some of
them make use of common principles.
For a risk assessment, it seems more appropriate to determine the fraction of the pollutant that interacts with
the water or another solution relevant in the context (see also Figure 2). Interaction can be direct equilibrium
(actual availability) and equilibrium within the time frame of risk that is to be established (potential availability).
This approach includes complex and interacting processes depending on soil properties, environmental and
anthropogenic factors, such as pH, dissolved organic carbon (DOC) (concentration and quality), redox
potential and specific properties of contaminants. The presence of dissolved organic matter, for instance, m
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17402
Première édition
2008-06-15
Qualité du sol — Lignes directrices pour
la sélection et l'application des méthodes
d'évaluation de la biodisponibilité des
contaminants dans le sol et les matériaux
du sol
Soil quality — Requirements and guidance for the selection and
application of methods for the assessment of bioavailability of
contaminants in soil and soil materials
Numéro de référence
©
ISO 2008
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Publié en Suisse
ii © ISO 2008 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction.vi
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Biodisponibilité relative à l'évaluation de la fonction du sol.6
4.1 Fonctions du sol et organismes à protéger.6
4.2 Évaluation du risque .6
4.3 Objectifs de protection .7
5 Concepts de biodisponibilité .8
5.1 Définitions .8
5.2 Liens entre la biodisponibilité et les effets biologiques et/ou la bioaccumulation.10
6 Description des méthodes d'évaluation de la biodisponibilité .12
6.1 Généralités .12
6.2 Évaluation de la biodisponibilité par des méthodes d'essais chimiques .12
6.3 Évaluation de la biodisponibilité par des méthodes d'essais écotoxicologiques .14
7 Voies d'exposition relatives à la qualité du sol (organisme et sol).15
7.1 Généralités .15
7.2 Être humain.15
7.2.1 Généralités .15
7.2.2 Ingestion de sol .15
7.2.3 Contact dermique .16
7.2.4 Inhalation de sol .16
7.2.5 Eaux souterraines utilisées pour l'eau potable.16
7.3 Exposition des animaux supérieurs.16
7.4 Exposition des organismes du sol .16
7.4.1 Généralités .16
7.4.2 Exposition des micro-organismes du sol.16
7.4.3 Exposition des invertébrés du sol (micro-, méso- et macrofaune).17
7.5 Exposition des végétaux .17
8 Méthodes disponibles pour mesurer la biodisponibilité.18
8.1 Généralités .18
8.2 Méthodes chimiques pour mesurer la disponibilité environnementale .18
8.2.1 Généralités .18
8.2.2 Méthodes pour l'ingestion de sol .20
8.2.3 Méthodes pour l'absorption dermique.20
8.2.4 Méthodes pour les végétaux .20
8.2.5 Méthodes pour la lixiviation de la phase solide vers la solution de sol.21
8.2.6 Méthodes pour la biodégradation.21
8.2.7 Méthodes pour les organismes du sol.22
8.2.8 Méthodes chimiques disponibles et prometteuses pour mesurer la biodisponibilité.22
8.3 Méthodes d'essais écotoxicologiques pour mesurer la biodisponibilité.24
9 Exigences.27
9.1 Généralités .27
9.2 Exigences pour la sélection et l'application.27
9.2.1 Exigences pour la sélection .27
9.2.2 Exigences pour l'application.29
9.3 Exigences pour le développement.29
Annexe A (informative) Biodisponibilité relative à la biodégradabilité .31
Annexe B (informative) Normes internationales pour la détermination de la toxicité des
substances chimiques sur les organismes des sédiments (essais de laboratoire).32
Bibliographie .33
iv © ISO 2008 – Tous droits réservés
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 17402 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 7, Évaluation
des sols et des sites.
Introduction
Des études conduites en laboratoire et sur le terrain ont démontré que les effets biologiques ne sont pas liés à
la concentration totale d'un contaminant dans le sol. En fait, un organisme répond seulement à la fraction qui
est biologiquement disponible (biodisponible) pour cet organisme. Cela est particulièrement vrai dans les sols
qui subissent l'interaction de molécules de contaminant avec le sol de telle sorte que le contaminant ne peut
plus être atteint par l'organisme ou se présente sous une forme non disponible (à laquelle il est parfois fait
référence sous le nom de séquestration ou sorption irréversible). Les fractions biodisponibles de contaminants
dépendent des propriétés du sol et de différents processus variant dans le temps ainsi que des récepteurs
biologiques. L'approche conservatrice de l'évaluation de l'exposition telle qu'elle est typiquement décrite dans
un contexte réglementaire suppose que la concentration totale d'un contaminant présent dans un sol ou un
matériau du sol est disponible pour être absorbée par des organismes, y compris l'homme, ce qui surestimera
les risques. Par conséquent, une évaluation du risque peut être optimisée en utilisant une approche basée sur
une exposition estimée représentant la concentration disponible efficace du ou des contaminant(s) et sur des
données de toxicité intrinsèque (existantes).
e
Cette hypothèse n'est pas nouvelle car dès la dernière moitié du XIX siècle, les agronomes et les
scientifiques du sol avaient commencé à chercher des méthodes chimiques permettant de déterminer la
concentration des nutriments individuels disponibles pour les végétaux dans les sols agricoles. Cette
recherche était motivée par le besoin d'ajouter des nutriments recommandés pour obtenir un rendement de
[1]
culture maximal. En 1860, Mulder indiquait déjà: «L'analyse de la composition du sol pour établir la fertilité
n'a aucun sens. Le problème est la disponibilité qui ne peut être définie à l'avance. L'analyse montre la réalité
des faits et c'est l'agriculture qui doit en tirer ses propres conclusions.» Des méthodes chimiques qui prédisent
raisonnablement la disponibilité des ions inorganiques nécessaires au développement des végétaux ont été
conçues. Les méthodes chimiques d'extraction partielle sont désormais communément utilisées pour évaluer
les niveaux disponibles de nutriments dans les sols. Les méthodes d'extraction ont été optimisées en
corrélant les résultats d'extraction avec la réponse des espèces de cultures sensibles à l'ajout d'engrais.
Le concept de disponibilité est de nos jours appliqué à l'évaluation du risque des contaminants et peut être
adapté à des besoins de protection spécifiques. Selon l'utilisation prévue d'un sol ou d'un matériau du sol, la
caractérisation du sol pour différents besoins (par exemple l'évaluation des fonctions d'habitat et de rétention,
l'évaluation du risque et la conformité aux valeurs réglementaires) peut inclure des essais chimiques et des
essais écotoxicologiques avec une sélection d'organismes d'essai représentatifs. Ces essais seront dans de
nombreux cas spécifiques au sol ou au site à un point donné dans le temps et ne peuvent pas être extrapolés
à d'autres sols ou temps pour lesquels d'autres facteurs peuvent contrôler la biodisponibilité.
La biodisponibilité peut être évaluée selon deux manières complémentaires (voir également la Figure 1).
⎯ Les méthodes chimiques (par exemple méthodes d'extraction) qui déterminent la fraction disponible
d'une classe de contaminants bien définie pour des récepteurs biologiques spécifiques ou leur mobilité
dans le sol. Ces méthodes chimiques ont généralement été développées pour prédire la quantité de
contaminants absorbée par les organismes. Néanmoins, ces valeurs déterminées de manière analytique
peuvent également être corrélées avec les effets. Dans une évaluation de routine de la qualité du sol, il
est possible de remplacer les essais biologiques par des mesurages chimiques si une corrélation a été
démontrée entre les valeurs chimiques résultantes et l'effet ou l'accumulation.
⎯ Les méthodes biologiques qui exposent les organismes au sol ou aux éluats du sol afin de surveiller les
effets. En cas d'accumulation et/ou d'effets (par exemple la mortalité, l'inhibition de la croissance), des
contaminants biodisponibles sont susceptibles d'être présents même s'ils ne peuvent pas être
chimiquement identifiés. Des connaissances supplémentaires sur les processus de contrôle de la
biodisponibilité peuvent combler la brèche qui existe encore entre les mesurages chimiques et les effets
biologiques.
vi © ISO 2008 – Tous droits réservés
Figure 1 — Méthodes d'évaluation de la biodisponibilité — Relation entre les essais chimiques,
biologiques et la bioaccumulation
Dans le cadre des aspects réglementaires de la protection du sol, il convient que l'évaluation du risque soit
basée sur le même concept commun relatif à la détermination/l'évaluation du degré d'exposition et à la
mesure/évaluation des effets. Les concepts existants et les valeurs de seuil d'action obtenues à partir des
concentrations totales de polluants dans les sols ou les matériaux du sol peuvent donc être transférés au
concept proposé basé sur la prédiction de la fraction biodisponible en utilisant la description d'exposition la
plus exacte. Par exemple, la traduction d'informations sur la biodisponibilité en évaluations acceptables de
«dans quelle mesure propre est propre» (par exemple, les limites spécifiques au site pour réglementer dans
quelle mesure la remédiation du sol est nécessaire) est essentielle afin d'établir des évaluations du risque
réalistes et de déterminer des critères d'effet adéquats pour la remédiation.
Un cadre harmonisé sur la biodisponibilité est envisagé afin de promouvoir le développement et l'introduction
de méthodes normalisées exploitables à utiliser dans le cadre de l'évaluation du sol et du site. Des méthodes
permettant d'estimer les concentrations biodisponibles efficaces de contaminants en fonction des objectifs de
protection envisagés sont également nécessaires. Il convient que ces méthodes soient de préférence décrites
dans des Normes internationales et il convient que ce processus de normalisation donne lieu à un ensemble
[2]
limité de méthodes établies pour la mesure de la biodisponibilité . Comme cela est décrit dans la présente
Norme internationale, ce processus ne conduira pas à une seule méthode de mesure de la biodisponibilité,
puisque la biodisponibilité dépend de variables telles que le contaminant, la cible et les propriétés réelles du
sol. Il convient par conséquent que ces méthodes n'utilisent pas seulement le mot biodisponibilité, mais
qu'elles se réfèrent également à ces variables (biodisponible pour).
La présente Norme internationale propose des conditions et des lignes directrices permettant de sélectionner
des méthodes d'évaluation de la biodisponibilité pour différentes espèces cibles par rapport à plusieurs
classes de contaminants. Les méthodes permettant d'évaluer la biodisponibilité ne sont pas décrites dans la
présente Norme internationale. Il est fait référence à des Normes internationales existantes et à d'autres
principes de mesure qui pourraient être développés dans des Normes internationales. Comme il existe peu de
normes dans ce domaine, il est également fait référence à des principes de mesure. Les lignes directrices
indiquent donc également des méthodes pour lesquelles des premiers résultats prometteurs sont rapportés
en vue d'une normalisation ultérieure.
Après une brève description des méthodes (Article 6), les voies d'exposition d'un contaminant à l'organisme
cible sont examinées (Article 7). Un résumé des méthodes existantes et des méthodes prometteuses qu'il
convient de développer ultérieurement est donné à l'Article 8. L'Article 9 donne des recommandations et
présente les conditions minimales relatives à l'application et au développement ultérieur.
NORME INTERNATIONALE ISO 17402:2008(F)
Qualité du sol — Lignes directrices pour la sélection et
l'application des méthodes d'évaluation de la biodisponibilité
des contaminants dans le sol et les matériaux du sol
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale donne des lignes directrices pour la sélection et l'application des méthodes
permettant d'évaluer la biodisponibilité pour la caractérisation du sol et des matériaux du sol contaminés. Elle
ne fournit pas une sélection des meilleures méthodes applicables, mais spécifie les principes et les conditions
limites des méthodes à utiliser et indique les exigences minimales relatives au développement de méthodes.
Les résultats obtenus à partir de telles méthodes peuvent être utilisés en tant qu'estimation de la
biodisponibilité dans une approche d'évaluation du risque.
Dans la présente Norme internationale, lorsque le terme «sol» n'est utilisé qu'à des fins de simplification, le
terme plus large «sol et matériau du sol» doit être considéré.
Les contaminants considérés dans la présente Norme internationale sont les métaux, y compris les
métalloïdes et les contaminants organiques, notamment les composés organométalliques. La présente Norme
internationale s'applique également aux métaux issus de processus géologiques et pédologiques naturels
(teneur pédogéochimique naturelle).
La présente Norme internationale peut également s'appliquer aux sédiments.
NOTE Une procédure d'évaluation basée sur la fraction biodisponible de la quantité totale de contaminants dans le
sol/matériau du sol peut contribuer au développement d'exigences réglementaires de procédures d'évaluation basées sur
le risque pour les sols.
Selon les objectifs de protection envisagés, des applications de méthodes existantes sont recommandées et
leurs limites sont discutées de façon à promouvoir le développement et l'introduction de méthodes
normalisées exploitables, à utiliser pour l'évaluation des sols et des sites. Ces méthodes sont nécessaires
pour permettre de quantifier les facteurs influençant la biodisponibilité.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11074:2005, Qualité du sol — Vocabulaire
ISO/TS 21268-1:2007, Qualité du sol — Modes opératoires de lixiviation en vue d'essais chimiques et
écotoxicologiques ultérieurs des sols et matériaux du sol — Partie 1: Essai en bâchée avec un rapport
liquide/solide de 2 l/kg de matière sèche
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11074 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
biodisponibilité
degré auquel des substances chimiques présentes dans le sol peuvent être absorbées ou métabolisées par
un récepteur humain ou écologique, ou être disponibles pour une interaction avec les systèmes biologiques
NOTE 1 Adapté de l'ISO 11074:2005.
NOTE 2 Le concept de biodisponibilité est plus amplement expliqué à l'Article 5.
NOTE 3 Dans l'ISO/TS 17924, une définition spécifique à l'absorption humaine par ingestion est donnée comme la
fraction d'une substance présente dans le sol ingéré qui atteint la circulation systémique (circulation sanguine).
3.2
contaminant
substance ou agent présent(e) dans le sol du fait de l'activité humaine
[ISO 11074:2005]
NOTE La présente définition ne présuppose pas l'existence d'un danger dû à la présence du contaminant.
3.3
charge critique du corps en résidu
CCCR
concentration interne accumulée dans un tissu, un organe ou le corps entier qui est corrélée avec un effet
préjudiciable
3.4
disponibilité environnementale
fraction du contaminant potentiellement disponible pour des organismes et qui résulte de processus physico-
chimiques de désorption
NOTE 1 Voir également la Figure 2.
NOTE 2 La disponibilité environnementale comprend
1) une fraction disponible réelle ou la quantité réelle dissoute de polluant dans des conditions ambiantes, ou
2) une fraction potentiellement disponible, c'est-à-dire la quantité maximale qui peut être libérée dans les conditions
(prédéfinies) du cas le plus pessimiste. La fraction disponible potentielle comprend la fraction disponible réelle.
3.5
biodisponibilité environnementale
fraction du composé environnementalement disponible qu'un organisme absorbe par des processus
physiologiques
NOTE Voir également la Figure 2.
3.6
fonction d'habitat
capacité du sol/des matériaux du sol à servir d'habitat aux micro-organismes, aux végétaux, aux animaux
vivant dans le sol et leurs interactions (biocénose)
[ISO 11074:2005]
2 © ISO 2008 – Tous droits réservés
3.7
essai de lixiviation
essai au cours duquel un matériau est mis en contact avec un lixiviant dans des conditions strictement
définies et durant lequel certains des constituants du matériau sont extraits
[ISO/TS 21268-1:2007]
3.8
lixiviant
liquide utilisé lors d'un essai de lixiviation
[ISO/TS 21268-1:2007]
3.9
teneur pédogéochimique naturelle
concentration d'une substance dans les sols, due aux processus géologiques et pédologiques naturels, à
l'exclusion de tout apport supplémentaire d'origine humaine
[ISO 11074:2005]
NOTE Dans la teneur de fond [concentration d'une substance dans les sols, due aux processus géologiques et
pédologiques naturels, y compris les sources diffuses (ISO 19258)], la teneur pédogéochimique naturelle est combinée à
la teneur due à une pollution diffuse.
3.10
polluant
substance ou agent présent(e) dans le sol (ou les eaux souterraines) qui, du fait de ses propriétés, de sa
quantité ou de sa concentration, a des effets préjudiciables sur les fonctions du sol ou l'utilisation du sol
NOTE Adapté de l'ISO 11074:2005.
3.11
substance potentiellement dangereuse
substance qui, lorsqu'elle est présente en concentration ou en quantité suffisante, peut être dangereuse pour
les êtres humains ou l'environnement
NOTE Elle peut être présente soit du fait de l'activité de l'homme, soit naturellement.
3.12
récepteur
personne ou partie de l'écosystème potentiellement exposée
3.13
fonction de rétention
capacité des sols/des matériaux du sol à adsorber les contaminants de sorte qu'ils ne puissent pas être
entraînés par le mouvement de l'eau ni transférés à la chaîne alimentaire terrestre
[ISO 11074:2005]
NOTE Dans la présente Norme internationale, les processus d'adsorption et de désorption réversibles sont
également pris en compte.
3.14
sédiment ou sol subhydrique
sol et son matériau d'origine sous la masse d'eau superficielle
3.15
sol
couche supérieure de la croûte terrestre composée de particules minérales, de matière organique, d'eau, d'air
et d'organismes
NOTE 1 Dans un sens plus large utilisé en génie civil, le terme «sol» inclut le sol superficiel et le sous-sol; les dépôts
tels que les argiles, limons, sables, graviers, gravillons, pierres ainsi que les dépôts organiques tels que la tourbe; mais
aussi les matériaux d'origine naturelle ou d'origine humaine (par exemple remblais et déchets des décharges).
NOTE 2 Adapté de l'ISO 11074:2005.
3.16
matériau du sol
matériau provenant du sol et déplacé et/ou modifié par l'activité humaine, comprenant les terres excavées, les
matériaux de dragage, les sols artificiels, les sols traités et les matériaux de remblai
NOTE Pour les besoins de la présente Norme internationale, les sédiments sont considérés comme matériau du sol.
3.17
organismes du sol
tous les organismes vivant complètement ou durant des parties spécifiques de leur vie dans le sol ou à la
surface du sol (y compris la couche de litière) et qui contribuent aux processus du sol (par exemple le
recyclage des nutriments), comprenant des végétaux (y compris des algues du sol), une microflore, des
espèces invertébrées et (quelques) espèces vertébrées
3.18
biodisponibilité toxicologique
concentration interne accumulée et/ou liée à un effet toxique
NOTE 1 Voir aussi Figure 2.
NOTE 2 Cette définition se réfère aux concentrations internes chez les humains, les mammifères et autres organismes.
4 © ISO 2008 – Tous droits réservés
Figure 2 — De la concentration totale dans le sol à l'effet
(modifié d'après la Référence [7] de la Bibliographie)
4 Biodisponibilité relative à l'évaluation de la fonction du sol
4.1 Fonctions du sol et organismes à protéger
L'évaluation de la qualité du sol est pertinente dans un certain nombre de situations, par exemple lorsqu'il faut
évaluer le degré de nettoyage nécessaire pour des sols contaminés et des matériaux du sol contaminés, que
de la terre excavée va être réutilisée pour un besoin spécifique, ou que des zones d'un terrain vont être
évaluées par rapport à l'utilisation propre du terrain. Cette évaluation dépend fortement de la disponibilité des
contaminants en question, mais la présence ou la possible absence d'un type de récepteur pertinent et sa
sensibilité au contaminant constituent d'autres facteurs importants. Il n'est pas possible de traiter de la
biodisponibilité sans indiquer pour qui/quoi cette disponibilité est pertinente. Les fonctions de rétention et
d'habitat (voir l'Article 3) sont distinguées dans l'ISO 11074. Elles incluent les fonctions du sol spécifiques
suivantes:
⎯ contrôle des cycles des substances et de l'énergie en tant que composants d'écosystèmes;
⎯ base de la vie pour les végétaux, les animaux et l'homme;
⎯ vecteur de réserve génétique;
⎯ base de production de produits agricoles;
⎯ tampon empêchant le transfert via l'eau, de contaminants ou d'autres agents vers les nappes phréatiques.
Hormis les fonctions de rétention et d'habitat et les programmes d'évaluation du risque obtenus, d'autres
scénarios comprenant l'absorption de sol par des êtres humains (aires de jeux pour enfants) (voir
l'ISO/TS 17924) ou par des animaux supérieurs tels que les animaux de pâturage peuvent être pris en
compte dans une procédure d'évaluation.
Cela peut être décrit plus spécifiquement comme suit:
⎯ la (bio)disponibilité pour différents organismes cibles du sol ou des biotopes définis (habitat ou rétention);
⎯ la (bio)disponibilité pour les organismes capables de transformer ou de minéraliser le contaminant
(habitat);
⎯ la (bio)disponibilité pour l'absorption par les végétaux (habitat);
⎯ la (bio)disponibilité pour l'absorption par les êtres humains (ingestion, inhalation, contact dermique)
(habitat);
⎯ la (bio)disponibilité pour les processus de lixiviation (rétention).
4.2 Évaluation du risque
Il convient que les caractérisations de la biodisponibilité soient effectuées en tant que partie d'une évaluation
du risque et/ou de la conformité. Une évaluation du risque comprend les étapes suivantes.
Étape 1 L'identification de la dangerosité qui dans ce contexte est la reconnaissance du potentiel d'une
substance à provoquer un danger pour la santé humaine ou pour l'environnement.
Étape 2 L'évaluation de l'exposition qui est le procédé de détermination de la réalité et de l'intensité de
l'exposition, entre un récepteur et une source contaminée. Le temps de contact ou d'exposition est
un paramètre important pour l'exposition.
6 © ISO 2008 – Tous droits réservés
Étape 3 L'évaluation de la relation dose-réponse qui est la caractérisation de la relation entre la dose
(exposition) d'un agent chimique et l'incidence anticipée d'un effet préjudiciable à la santé ou à
l'environnement dans une population exposée. Les évaluations de la relation dose-réponse sont
généralement conduites au niveau national comme une partie de l'établissement des critères et ne
sont par conséquent pas habituellement effectuées comme une partie de l'évaluation d'un site
spécifique.
Étape 4 Enfin, et sur la base des étapes susmentionnées: la caractérisation du risque, une description de
la nature et de l'ampleur du risque sanitaire ou environnemental. La description combine les
résultats de l'évaluation de l'exposition et l'identification d'un danger et décrit l'incertitude associée
à chaque étape.
L'évaluation du degré d'exposition (étape 2) est le procédé dans lequel l'intensité, la fréquence, et la durée
d'exposition du récepteur concerné à un contaminant sont estimées et elle comprend:
⎯ l'identification et la caractérisation de la source;
⎯ l'identification des voies d'exposition;
⎯ l'identification des récepteurs/groupes cibles pertinents;
⎯ et elle se base sur l'évaluation de l'exposition réelle.
Les évaluations du degré d'exposition peuvent être conduites afin d'évaluer l'exposition totale d'un groupe
récepteur donné (par exemple la population à risque) ou l'exposition supplémentaire à partir d'une source ou
d'une activité donnée. Dans la présente Norme internationale, seul le risque dû à l'exposition aux
contaminants du sol est étudié. Il se limite donc au contact direct de la cible avec le sol. D'autres effets
indirects tels que la consommation de cultures poussant sur un terrain contaminé font partie d'une procédure
d'évaluation, mais la biodisponibilité des contaminants dans les cultures consommées ne fait pas partie de
l'objet de la présente Norme internationale.
Les voies d'exposition réelles dépendront de l'utilisation du site. L'utilisation réelle et l'utilisation prévue d'une
zone contaminée peuvent toutes deux être incluses dans l'évaluation car elles peuvent permettre de définir
les voies d'exposition pertinentes. Il est possible d'évaluer l'exposition moyenne, l'exposition la plus grave ou
l'exposition raisonnable; et selon l'objectif de l'évaluation de l'exposition les besoins en termes de données
peuvent différer pour ces situations.
Le temps d'exposition réel peut différer entre des utilisations de site similaires en raison des différences
climatiques et des schémas d'utilisation réelle du site (par exemple le nombre de jours par semaine où le site
est utilisé).
4.3 Objectifs de protection
L'objectif de protection est un principe prépondérant dans l'évaluation du sol. Les objectifs de protection
suivants peuvent être distingués:
⎯ êtres humains et animaux supérieurs:
⎯ êtres humains;
⎯ animaux de pâturage, par exemple le bétail;
⎯ animaux sauvages;
⎯ fonction d'habitat du sol:
⎯ invertébrés;
⎯ micro-organismes du sol;
⎯ végétation;
⎯ chaîne alimentaire (la chaîne alimentaire est un objectif de protection mais, conformément à la
présente Norme internationale, il n'est pas possible de disposer d'une seule méthode pour établir la
biodisponibilité pour l'ensemble de la chaîne alimentaire);
⎯ fonction de rétention du sol:
⎯ organismes aquatiques;
⎯ eaux souterraines et eaux superficielles.
NOTE Pour l'exposition liée aux eaux souterraines, il est fait référence à l'ISO 15175. Dans l'ISO 15175, on
considère également que la fraction mobile de la concentration totale en contaminants contrôle l'exposition aux eaux
souterraines sur la base d'une hypothèse similaire à celle utilisée dans le concept de biodisponibilité. Étant donné que la
fraction de contaminants mobile peut également fournir une bonne prédiction de la fraction biodisponible pour les
organismes en contact avec l'eau interstitielle, la fraction mobile est également décrite dans la présente Norme
internationale sur la biodisponibilité.
Les objectifs de protection peuvent différer selon l'utilisation potentielle du terrain, la protection de la nature, la
forêt, les pâturages, la terre arable, les rizières, l'horticulture, les lotissements, les aires de jeux, les parcs, les
zones imperméables sous-jacentes, les zones industrielles ou la couverture de décharge. Dans une aire de
jeux, par exemple, les êtres humains constituent les objectifs de protection, tandis que dans la protection de la
nature il faut prendre en compte les objectifs mentionnés dans le cadre des fonctions d'habitat et de rétention.
Dans les zones industrielles, le plus important est généralement de protéger les eaux souterraines (fonction
de rétention). La définition des objectifs de protection fait partie de la procédure d'évaluation et n'est pas
décrite plus en détail dans la présente Norme internationale.
5 Concepts de biodisponibilité
5.1 Définitions
Même si la définition de la biodisponibilité (3.1) est claire, elle n'est pas suffisamment explicite pour définir la
biodisponibilité en tant que quantité physique mesurable. La biodisponibilité dépend d'un organisme cible
spécifique et de contaminants spécifiques et inclut les aspects suivants: le temps d'exposition, le transfert de
contaminants du sol vers les organismes, leur accumulation dans les organismes cibles et les effets ultérieurs.
Pour des besoins pratiques, des définitions plus spécifiques ont été obtenues, par exemple les suivantes:
[3]
⎯ la biodisponibilité est le flux de contaminants vers les organismes ;
⎯ la biodisponibilité est la quantité de substances chimiques dans le sol qui sont présentes sous des formes
[4]
et en quantités que des végétaux ou d'autres organismes peuvent absorber au cours de leur vie ;
⎯ la biodisponibilité est le taux auquel un composé chimique peut être transporté vers la population
[5]
biologique spécifiée .
Ces définitions peuvent être regroupées en deux catégories, c'est-à-dire la biodisponibilité définie en termes
−2 −1 −1
de flux ou de taux (mol⋅m ⋅s ) et celle définie en termes de teneur (mol⋅kg ). Théoriquement, la
biodisponibilité basée sur la teneur est obtenue en intégrant la biodisponibilité basée sur le taux — ou le
flux — sur une période d'interaction. En pratique, il est difficile de mesurer directement le taux des processus
et la biodisponibilité basée sur le flux — ou le taux — est estimée à partir de la biodisponibilité basée sur la
teneur. Par conséquent, la biodisponibilité basée sur la teneur est un élément essentiel du point de vue de
l'évaluation.
8 © ISO 2008 – Tous droits réservés
Il convient de garder à l'esprit qu'une biodisponibilité basée sur la teneur repose sur un flux net de l'agent
chimique vers l'organisme ou l'organe cible. La biodisponibilité est un procédé dynamique qui peut être décrit
à l'aide des trois étapes suivantes (Figure 2):
a) disponibilité du contaminant dans le sol (c'est-à-dire disponibilité environnementale);
b) absorption du contaminant par l'organisme (c'est-à-dire biodisponibilité environnementale);
c) dans les organismes, accumulation et/ou effet du contaminant (c'est-à-dire biodisponibilité
[6], [7]
toxicologique) .
La biodisponibilité est considérée comme dépendante du sol ou de l'organisme mais certains organismes
comme les végétaux peuvent également modifier les caractéristiques du sol (par exemple modifications du pH
dans la rhizosphère) rendant ainsi les contaminants plus ou moins disponibles.
Étant donné que l'exposition totale des organismes dépend du temps, la fraction disponible n'est pas une
fraction fixe, mais il convient de la diviser en plusieurs fractions ou de la décrire en tant que continuum. La
libération des contaminants (voir la Figure 3) dépend des conditions environnementales locales (par exemple
le pH). L'approche la plus simple consiste à définir
⎯ une fraction disponible réelle ou la quantité réelle dissoute dans des conditions ambiantes,
⎯ une fraction potentiellement disponible c'est-à-dire la quantité maximale qui peut être libérée dans les
conditions (prédéfinies) du cas le plus pessimiste, et
⎯ une fraction non disponible.
La fraction potentiellement disponible inclut la fraction disponible réelle, mais elle ne peut pas dépasser la
concentration totale. Pour établir la biodisponibilité potentielle, il est important de définir le système total: le sol,
y compris les organismes et les conditions environnementales qui influencent le devenir d'un contaminant
dans le sol ou l'activité des organismes. La subdivision en termes de disponibilité réelle et potentielle est
importante car elle élargit le rôle de l'eau interstitielle. Le terme «biodisponible» ne s'applique pas uniquement
à la quantité dans l'eau interstitielle mais peut comprendre la quantité qui désorbe durant le temps pendant
lequel un organisme est en contact avec le sol. En ce qui concerne les organismes, une zone
[8]
«bio-influencée» peut être définie . Cette zone comprend l'eau interstitielle et, selon l'organisme, des parties
de la matrice du sol. La concentration disponible peut donc avoir différentes valeurs selon le type
d'organismes cibles et l'échelle de temps, et par conséquent il peut y avoir de nombreuses définitions
spécifiques (définition opérationnelle).
Les processus de biodisponibilité sont également traités dans la Référence [9] de la Bibliographie. Cette
description associe la définition conceptuelle et opérationnelle comme dans la présente Norme internationale.
La biodisponibilité est également utilisée pour prédire l'ampleur de la dégradation des contaminants
organiques dans un procédé de remédiation (voir Annexe A). Avec la biodégradation, il est supposé que les
organismes dégradent le contaminant. La biodisponibilité est utilisée pour prédire la diminution de la
concentration en contaminants. Dans une approche réussie, il convient que la définition conceptuelle, la
définition opérationnelle et l'instrument utilisé aient des relations tel qu'indiqué à l'Annexe A.
Légende
X concentration totale CCCR
Y réponse chimique, bioaccumulation, réponse biologique
A Zone A: le contaminant est détecté, mais il n'y a pas d'effet détectable
B Zone B: les courbes concentration-réponse sont parallèles pour les essais chimiques et biologiques: alors l'essai
chimique constitue un essai de substitution utile
C Zone C: les essais ne sont plus linéaires et la corrélation est perdue
1 essai chimique
2 bioaccumulation
3 effet biologique
4 essai biologique
a
Corrélation possible entre l'essai biologique et l'essai chimique; essai chimique = essai de substitution utile.
Figure 3 — Réponse des essais chimiques et des essais biologiques en tant que fonction
de la concentration totale (modifié d'après la Référence [8] de la Bibliographie)
5.2 Liens entre la biodisponibilité et les effets biologiques et/ou la bioaccumulation
Quelle que soit la définition utilisée, la seule manière permettant de mesurer directement la biodisponibilité
pour un organisme à protéger consiste à utiliser cet organisme et à mesurer l'effet et/ou l'accumulation (c'est-
à-dire la biodisponibilité toxicologique). Si cela n'est pas possible pour des raisons éthiques (s'agissant par
exemple d'organismes supérieurs tels que les êtres humains) ou écologiques (par exemple si le nombre
d'espèces dans l'écosystème à soumettre à essai est trop important), une solution peut être d'utiliser des
organismes de substitution. Ils peuvent ensuite être utilisés comme indicateurs pour étudier les effets
potentiels et/ou l'accumulation chez l'organisme à protéger ou sur les groupes fonctionnels ou l'écosystème
total. Il convient de bien noter qu'en raison des variations intra- et inter-espèces, les résultats obtenus avec
les organismes de substitution peuvent ne pas être extrapolés vers le récepteur spécifique à protéger.
À titre d'exemple, si les organismes à protéger sont des êtres humains, l'organisme de substitution utilisé pour
évaluer la biodisponibilité toxicologique peut être un cochon et il est également possible de développer un
essai chimique pour déterminer la disponibilité environnementale. Si l'on considère la protection des végétaux
ou des invertébrés du sol, les espèces de substitution peuvent être utilisées (par exemple des laitues, des
vers de terre) pour lesquelles un essai chimique peut également être développé.
10 © ISO 2008 – Tous droits réservés
Si la biodisponibilité environnementale (c'est-à-dire l'absorption du contaminant) pour un organisme ou un
groupe d'organismes dans un sol peut être reproduite par un procédé chimique, il est alors possible d'utiliser
un essai chimique. La condition nécessaire pour se rapprocher de la biodisponibilité environnementale avec
un essai chimique qui estime la disp
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