Méthode d’essai biologique servant à mesurer des plantes terrestres exposées à des contaminants dans le sol : chapitre 1

Section 1 - Introduction

• 1.1 Contexte
• 1.2 Choix des espèces d’essai
  • 1.2.1 Agropyre du Nord [Elymus lanceolatus (Scribn. et J.G. Sm.) Gould; anciennement Agropyron dasystachyum (Hook.) Scribn.]
  • 1.2.2 Blé dur [Triticum durum (Desf.) ou Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn. ou Triticum pyramidale (Percival)]
  • 1.2.3 Boutelou gracieux [Bouteloua gracilis (HBK) Lag. ex Steud.]
  • 1.2.4 Carotte (Daucus carota L.)
  • 1.2.5 Concombre (Cucumis sativus L.)
  • 1.2.6 Fétuque rouge (Festuca rubra L.)
  • 1.2.7 Laitue (Lactuca sativa L.)
  • 1.2.8 Luzerne (Medicago sativa L.)
  • 1.2.9 Radish (Raphanus sativus L.)
  • 1.2.10 Red Clover (Trifolium pratense L.)
  • 1.2.11 Red Fescue (Festuca rubra L.)
  • 1.2.12 Tomato (Lycopersicon esculentum Mill.)
• 1.3 Historical Use of Terrestrial Plants in Toxicity Tests

1.1 Contexte

La Section de l'élaboration et de l'application des méthodes (SEAM) d'Environnement Canada est responsable de la mise au point, de la normalisation et de la publication (v. annexe A) d'une série de méthodes d'essai biologique recommandées pour la mesure et l'évaluation des effets toxiques de l'exposition d'organismes aquatiques ou terrestres d'une espèce particulière à des échantillons de matières ou de substances d'essai dans des conditions de laboratoire contrôlées et définies. En 1994, la SEAM, l'Association canadienne des producteurs de pétrole et le gouvernement fédéral, par le biais du Programme de recherche et de développement énergétiques, ont lancé un programme pluriannuel afin d'étudier, d'élaborer, de valider et de publier un certain nombre de méthodes d'essai biologique normalisées recommandées pour mesurer la toxicité d'échantillons de solcontaminé ou susceptible d'être contaminé, en faisant appel à des espèces appropriées d'organismes terrestres d'essai. Le but était d'élaborer de nouvelles méthodes d'essai biologique applicables à divers types de sols canadiens en utilisant des espèces terrestres représentatives des écosystèmes de ces sols. La phase initiale de ce programme pluriannuel comprenait un examen exhaustif des méthodes d'essai biologique utilisées dans le monde pour évaluer la toxicité de solscontaminés pour des plantes et des invertébrés terrestres. Les auteurs du rapport rédigé à la suite de cet examen ont recommandé qu'Environnement Canada appuie l'élaboration, la normalisation et la publication d'un certain nombre de méthodes d'essai biologique monospécifiques à utiliser pour mesurer la toxicité des sols, y compris pour des plantes terrestres (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Cette recommandation a reçu l'aval de l'administration centrale et des bureaux régionaux d'Environnement Canada (annexe B) ainsi que du Groupe intergouvernemental de la toxicité environnementale (annexe C).

Depuis 1994, plusieurs années de recherches menées sous la direction de la SEAM ont été consacrées à la sélection d'organismes d'essai sensibles convenant à la mesure de la toxicité des sols pour satisfaire aux exigences canadiennes en matière de réglementation et de surveillance, de même qu'à l'élaboration des méthodes d'essai biologique appropriées. Un rapport technique a été publié, dans lequel sont décrits les critères et procédures de sélection des espèces ainsi que les résultats des essais associés à l'élaboration d'un essai de toxicité sur les plantes terrestres devant servir à l'évaluation de solscontaminés (Aquaterra Environmental, 1998a). D'autres rapports techniques rédigés parallèlement décrivent des essais recommandés pour évaluer la toxicité des sols, en particulier un essai servant à évaluer l'inhibition de la reproduction et la mortalité chez un petit arthropode endogé (vivant dans le sol) (collembole Onychiurus folsomi; Aquaterra Environmental, 1998b) et des essais qui peuvent être utilisés pour évaluer la mortalité, le comportement d'évitement et l'inhibition de la reproduction chez les vers de terre (Aquaterra Environmental, 1998c). Environnement Canada a coordonné ou appuyé de nombreux essais de toxicité des sols réalisés avec diverses espèces de plantes terrestres exposées à des échantillons de sol contaminé par des pesticides, des métaux, des déchets pétrochimiques, des hydrocarbures volatils ou des toxiques de référence éventuels. Ces études (Aquaterra Environmental, 1998a; Stephenson et coll., 1999a,b, 2000a; Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG, 2000, 2001, 2002; ESG et Aquaterra Environmental, 2002) étaient centrées sur l'élaboration et la normalisation de méthodes d'essai biologique à utiliser pour déterminer la toxicité sublétale d'échantillons de sol contaminé pour des plantes. En s'appuyant sur les résultats de ces études et sur les conclusions d'une série d'études interlaboratoires effectuées pour valider les méthodes (EC, 2005a), Environnement Canada a entrepris de préparer et de présenter sous sa forme définitive une méthode d'essai biologique recommandée pour réaliser des essais de toxicité d'un sol, dans laquelle on mesure l'inhibition de la levée et de la croissance de plantes terrestres appartenant à des espèces données. Cette méthode est décrite dans le présent rapport.

Un comité consultatif scientifique (v. annexe D) composé de spécialistes internationaux possédant de l'expérience dans la conception et la réalisation d'essais de toxicité d'un sol avec des plantes terrestres a fourni des documents de référence cruciaux qui ont été examinés et pris en compte au cours du projet. Les membres de ce comité ont également participé activement en tant que pairs relecteurs de la version préliminaire du présent rapport. Tout au long de la préparation de cette méthode d'essai biologique, Environnement Canada s'est appuyé sur l'expérience de la communauté scientifique internationale dans la réalisation d'essais semblables visant à évaluer la toxicité d'un sol à l'aide de plantes terrestres (v. annexes E et F).

Le présent document décrit en détail les procédures et conditions applicables à la préparation et à la conduite de cette méthode d'essai biologique. Sont décrites également des procédures universelles recommandées pour préparer et réaliser des essais de toxicité d'un sol à l'aide d'espèces choisies de plantes agricoles, maraîchères ou herbagères. Les espèces végétales pouvant être utilisées dans les essais sont les suivantes : agropyre du Nord (Elymus lanceolatus; anciennement Agropyron dasystachyum), blé dur (Triticum durum), boutelou gracieux (Bouteloua gracilis), carotte(Daucus carota), concombre (Cucumis sativus), fétuque rouge(Festuca rubra), laitue (Lactuca sativa), luzerne (Medicago sativa), orge (Hordeum vulgare), radis (Raphanus sativus), tomate(Lycopersicon esculentum), trèfle violet (Trifolium pratense). Des conseils sont également fournis au sujet des ensembles particuliers de conditions et de procédures qui sont exigés ou recommandés lorsque cette méthode d'essai biologique est utilisée pour évaluer différents types de substances ou de matières (p. ex. des échantillons de sol ou de déchets particulaires prélevés sur le terrain, ou des échantillons d'une substance ou d'un produit chimique ou plus mélangés ou mis en contact en laboratoire avec un sol naturel ou artificiel). Les paramètres biologiques examinés dans cette méthode sont les suivants : a) levée des plantules et b) croissance de la plante (évaluée d'après la longueur des pousses et des racines vivantes et la masse sèche des pousses et des racines) mesurée à la fin de l'essai.

Le diagramme de la figure 1 indique les aspects universels traités dans le présent document et énumère les aspects particuliers qui concernent expressément les essais sur des échantillons de sol ou de déchets particulaires prélevés sur le terrain (p. ex. boues d'épuration, boues de forage, déblais de dragage), ou de sol enrichi en laboratoire d'une substance ou d'un produit chimique ou plus.

Cette méthode d'essai biologique a été conçue pour évaluer la toxicité sublétale d'échantillons des matières suivantes notamment :

1. un sol prélevé sur le terrain, contaminé ou susceptible d'être contaminé;
2. des sols que l'on envisage d'éliminer ou de soumettre à un traitement de décontamination;
3. des déblais de dragage destinés à être éliminés ou dont on envisage l'épandage sur le sol après déshydratation;
4. des boues industrielles ou ménagères et des déchets particulaires de même origine qui pourraient être déposés sur le sol;
5. un sol contaminé ou non contaminé (naturel ou artificiel), enrichi d'une substance ou d'un produit chimiques ou plus (p. ex. pour une évaluation du risque de substances chimiques nouvelles ou existantes).

Dans l'élaboration de la présente méthode d'essai biologique, on s'est efforcé de trouver un équilibre entre les considérations scientifiques, pratiques et financières et de faire en sorte que les résultats soient suffisamment précis pour la plupart des situations dans lesquelles ils seront utilisés. On suppose que l'utilisateur a une certaine connaissance des essais de toxicité des sols. Les instructions précises qui pourraient être exigées dans un protocole réglementaire ne sont pas fournies dans le présent document, mais celui-ci se veut néanmoins un guide utile à la fois pour la mise en œuvre de protocoles réglementaires et pour d'autres applications.

Le lecteur qui souhaite obtenir des indications sur la mise en œuvre de cette méthode d'essai biologique et d'autres méthodes connexes, de même que sur l'interprétation et l'application des données relatives aux paramètres mesurés afin de déterminer la toxicité d'un sol, est invité à consulter les sous-sections 4.12, 5.5 et 5.6.4 du document d'Environnement Canada intitulé Guide des essais écotoxicologiques employant une seule espèce et de l'interprétation de leurs résultats (EC, 1999a).

1.2 Choix des espèces d'essai

La phase I (Bonnell Environmental Consulting, 1994) du programme d'élaboration de la méthode d'essai de toxicité d'un sol (v. 1.1) a comporté l'établissement d'une liste des espèces potentielles à examiner en vue de leur incorporation dans une future méthode canadienne d'essai biologique servant à mesurer la toxicité d'un sol pour des plantes terrestres. Cette liste comprend à la fois des espèces cultivées traditionnelles et certaines espèces plus « pertinentes du point de vue écologique ».

Dans la phase II (1995-1998) du projet, on a évalué 30 espèces susceptibles d'être utilisées dans les essais de toxicité^{Note de bas de page1.1}. Dans un premier temps, des essais ont été réalisés avec deux sols témoins négatifs (un sol artificiel et un sol naturel prélevé sur le terrain) qui ont été enrichis d'acide borique (Aquaterra Environmental, 1998a; Stephenson et coll., 1997; Stephenson, 2003a). Les résultats de ces essais de référence ont été examinés à la lumière de critères de sélection préétablis afin de réduire la liste de 30 espèces susceptibles d'être utilisées dans les essais, tout en veillant à ce que la diversité biologique et écologique des plantes soit relativement bien représentée dans le choix des espèces d'essai (Stephenson, 2003a). Dans l'établissement des critères de sélection a priori, les caractéristiques des plantes ont été classées en trois catégories :

1. extrêmement importantes [p. ex. type de germination (épigée ou hypogée), classe d'angiosperme (monocotylédone ou dicotylédone), caractéristiques liées à la phénologie et au cycle vital (plante bisannuelle, vivace ou annuelle)];
2. moyennement importantes (p. ex. période de germination, espèce cultivée ou non cultivée, nature du système de photosynthèse);
3. moins importantes (p. ex. espèces cultivées pour leur partie aérienne ou pour leur partie souterraine).

Figure 1. Aspects à considérer dans la préparation et l’exécution d’essais de toxicité

 

Chaque espèce a aussi été évaluée en fonction de six critères relatifs à son aptitude à être utilisée dans la nouvelle méthode d'essai biologique éventuelle et dans les procédures connexes -- durée de l'essai, facilité avec laquelle les racines peuvent être extraites du sol, biomasse suffisante à la fin de l'essai, taille des graines, délai de levée et effet du sol sur la levée et la croissance des jeunes plantules -- et en fonction de sa sensibilité relative à l'acide borique contenu dans le sol. Les espèces recommandées pour les essais définitifs sur les plantes étaient celles présentant une plage connue de sensibilité à l'acide borique, parmi lesquelles il y avait des plantes considérées sensibles (agropyre du Nord, carotte, concombre, luzerne, radis), moyennement sensibles (boutelou gracieux, fétuque rouge, laitue, phléole des prés) et insensibles ou tolérantes (canola et maïs) aux toxiques soumis à l'essai (Aquaterra Environmental, 1998a). La phléole des prés a été abandonnée en raison de la fragilité de ses racines (ce qui compliquait les manipulations) et le maïs a été préféré au canola pour représenter les espèces « tolérantes » (Stephenson, 2003a).

En février 2003, Environnement Canada a tenu un atelier à Vancouver (Colombie-Britannique) sur l'évaluation toxicologique des sols canadiens et l'élaboration de méthodes d'essai normalisées. Les participants ont recommandé notamment d'élargir la panoplie d'organismes d'essai retenue dans l'ébauche de la méthode d'essai sur des plantes élaborée par Environnement Canada afin d'inclure un plus grand nombre d'espèces (EC, 2004a). En conséquence, Environnement Canada a réalisé de nombreux essais de toxicité des sols dans le but d'allonger la liste des espèces d'essai potentielles décrites dans le présent document (EC, 2005b). Par ailleurs, le maïs qui était inclus dans les premières ébauches de cette méthode d'essai a finalement été retiré parce qu'il faisait partie des espèces d'essai les moins sensibles, et les participants à l'atelier ont convenu que cette « espèce tolérante » ne devrait pas être présentée comme une option dans le document décrivant la méthode d'essai (EC, 2004a).

Les douze espèces de plantes terrestres (et les variétés, le cas échéant) choisies pour être utilisées dans la présente méthode d'essai sont décrites en détail dans les sous-sections suivantes. Leurs caractéristiques sont résumées dans le tableau 1.

1.2.1 Agropyre du Nord [Elymus lanceolatus (Scribn. et J.G. Sm.) Gould; anciennement Agropyron dasystachyum (Hook.) Scribn.]

L'agropyre du Nord (Elymus lanceolatus), aussi connu sous le nom de chiendent nordique, est largement répandu dans toute l'Amérique du Nord, depuis l'Alaska jusqu'au nord de la Californie, en passant par le Canada. Il est commun dans la partie nord des montagnes Rocheuses et dans les prairies, de la Colombie-Britannique à l'Ontario (Scher, 2002). L'agropyre du Nord est une graminée indigène longévive de saison fraîche, qui est hautement bénéfique pour les systèmes édaphiques. Le système racinaire profond permet une excellente stabilisation du sol et une robuste formation de gazon (Bonnell Environmental Consulting, 1994; Scher, 2002). Cette graminée peut former des « prairies d'herbes longues » dans les endroits bien drainés. Elle est prisée comme graminée fourragère pour le bétail et la faune et est couramment utilisée pour restaurer la couverture végétale sur les emplacements des puits de pétrole et de gaz, dans les zones de construction des pipelines, le long des routes et autres sites de construction. L'agropyre du Nord constitue une espèce importante pour la restauration de la couverture végétale, car il forme un gazon serré dans des conditions sèches, ses plantules sont résistantes et il pousse bien dans des sols dont la fertilité est faible et dans des endroits touchés par l'érosion (Scher, 2002).

L'agropyre du Nord est une monocotylédone annuelle et vivace de type C3, non cultivée, qui appartient à la famille des poacées. C'est une autre des espèces de « vraies graminées » susceptibles d'être utilisées dans la présente méthode d'essai biologique. L'agropyre du Nord est très résistant à l'hiver en raison de son système racinaire qui comporte trois types de racines (des racines rampantes qui se reproduisent de manière asexuée ou par propagation végétative, des racines denses peu profondes mesurant jusqu'à 25 cm de longueur et des racines profondes mesurant au moins 60 cm de longueur). Cette graminée peut aussi se reproduire de manière sexuée par des graines. Elle est fortement rhyzomatoïde, mais elle se caractérise par une germination hypogée à partir d'une graine mince (7,5 × 1,3 mm) (v. tableau 1). Les graines présentent généralement une bonne viabilité (p. ex. un taux de levée de 95 %; Stephenson, 2003a); toutefois, le taux de levée peut être faible (67-77 %) avec certains lots de graines (EC, 2005b). Les plantules sont vigoureuses et lèvent en 4-5 jours; dans de bonnes conditions, ces plantules peuvent se développer rapidement. L'agropyre du Nord pousse dans une large gamme de types de sol, mais il préfère les sols de texture moyenne à grossière. Il tolère un noyage modéré, mais il est connu pour sa tolérance à la sécheresse (Scher, 2002). Il préfère également les sols basiques (pH compris entre 6,0 et 9,5). Bien qu'il existe peu de données au sujet de la sensibilité de cette espèce aux contaminants, on a observé une forte relation concentration-réponse lorsque l'agropyre du Nord est exposé à de l'acide borique, à du sulfate de cuivre, à du diuron ou à des hydrocarbures pétroliers (p.ex. condensats, pétrole brut, essence automobile) présents dans le sol (Aquaterra Environmental, 1998a; Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG, 2001; ESG et Aquaterra Environmental, 2002; EC, 2005b).

1.2.2 Blé dur [Triticum durum (Desf.) ou Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn. ou Triticum pyramidale (Percival)]

Le blé dur (Triticum durum) est une graminée annuelle semée au printemps et récoltée à la fin de l'été. C'est la seule espèce tétraploïde de blé cultivée de nos jours et le plus dur de tous les blés. Par comparaison avec le Triticum aestivum (blé tendre), on cultive beaucoup moins de blé dur en Amérique du Nord. Il compte pour environ 8 % de la production mondiale de blé et les principaux producteurs sont l'Union européenne, le Canada et les États-Unis (Small, 1999). Le Canada produit une partie du blé dur ambré de la meilleure qualité dans le monde, avec une production annuelle moyenne de quelque 4,09 × 106 tonnes. Approximativement 80 % du blé dur cultivé au Canada entre 1992 et 1995 a été exporté (AFBMI, 1998). En moyenne, le blé dur a une teneur en protéines plus élevée que le blé tendre. Il est cultivé principalement pour la préparation de pâtes alimentaires telles que les spaghettis et les macaronis ainsi que pour la préparation du couscous et du boulgour (Small, 1999; Vaughan et Geissler, 1997).

Le blé dur est une monocotylédone appartenant à la famille des poacées (autrefois appelées graminées) (ou famille des « vraies graminées »). C'est une plante céréalière cultivée pour sa partie aérienne; elle est dotée d'un système photosynthétique de type C3 et se caractérise par une germination hypogée comme la plupart des céréales et par un système racinaire fibreux. Le blé dur est adapté au climat sec avec des journées chaudes et des nuits fraîches; il pousse bien dans des conditions sèches et résiste mal au froid et aux longs hivers (Vaughan et Geissler, 1997). Le blé dur tolère de nombreux types de sol, y compris les sols légers (sableux), moyennement lourds (loameux) et lourds (argileux), mais il exige un bon drainage. Il tolère une large gamme de pH du sol. Le blé dur se caractérise par sa grosse graine (8,0 × 4,0 mm) de forme ovée et de couleur ambre (v. tableau 1), qui devrait être semée à une profondeur d'environ 2,5 cm (MAAO, 2002). Les plantules lèvent en 2-3 jours et on a observé un taux de germination de 83-92 % dans des essais de toxicité réalisés avec des sols artificiels et des sols prélevés sur le terrain. On a également observé une relation concentration-réponse acceptable dans les essais de toxicité avec de l'acide borique (EC, 2005b).

1.2.3 Boutelou gracieux [Bouteloua gracilis (HBK) Lag. ex Steud.]

Le boutelou gracieux (Bouteloua gracilis) est une graminée de prairie qui croît en touffes denses et qui est indigène dans la majeure partie de l'Amérique du Nord. Il est très répandu en Alberta, à l'est jusqu'au Manitoba et, au sud, dans les montagnes Rocheuses, les grandes plaines et les États du Midwest jusqu'au Mexique. Il est peu commun dans les Territoires du Nord-Ouest, en Colombie-Britannique et dans le nord-est des États-Unis. Le boutelou gracieux est une plante fourragère de grande valeur et très appétente pour le bétail ainsi que pour les cervidés et les wapitis. Il peut former une couverture dense et, partant, c'est une importante plante régénératrice de sol (Anderson, 2003).

L'utilisation du boutelou gracieux dans les essais de toxicité des sols en laboratoire est pratiquement inconnue; toutefois, sa valeur en tant qu'espèce d'importance écologique pour les écosystèmes canadiens est évidente, vu sa large répartition.

Le boutelou gracieux, une monocotylédone vivace caractérisée par un métabolisme de type C4 et une germination hypogée, est une autre « vraie graminée » appartenant à la famille des poacées (autrefois appelées graminées). Sa graine de taille moyenne (4,9 x 1,0 mm) donne des plants qui s'établissent facilement (v. tableau 1). La viabilité de la graine semble dépendre de la température et il a été démontré qu'elle augmente avec la température (Aquaterra Environmental, 1998a; Anderson, 2003). La levée se produit au bout de 3 à 5 jours et les plantules se développent rapidement. Le taux de levée varie entre 70 % et 89 % dans divers sols témoins (EC, 2005b). Les plantules forment une racine séminale unique dont la durée de vie est courte et, par conséquent, la survie de la plantule dépend de la formation de racines adventives, qui se produit environ 14 jours après la levée. Le système de racines fibreuses est dense et peu profond et les rapports au sujet de la formation d'un rhizome sont contradictoires (Anderson, 2003). Le boutelou gracieux se reproduit principalement par formation de talles et de touffes (croissance cespiteuse). Il a une capacité d'utilisation de l'eau très élevée, qui augmente dans des conditions climatiques chaudes et qui peut diminuer lorsque la disponibilité de l'eau augmente (Anderson, 2003).

Le boutelou occupe une variété de types de sol de texture fine à grossière : argile, limon, loams fins, loams sableux, sol sableux et sol graveleux. Il pousse facilement dans les sols bien drainés que l'on trouve dans les plaines ouvertes, les contreforts et les mesas (Aquaterra Environmental, 1998a; Anderson, 2003). Le boutelou tolère le froid, la sécheresse et l'ombre; toutefois, il tolère relativement mal le sel. En raison de sa large adaptation, de la facilité avec laquelle il s'établit et de sa valeur économique, le boutelou est très utilisé à des fins de conservation, d'ensemencement des pâturages et d'aménagement paysager (Anderson, 2003). Le boutelou s'est caractérisé par une forte relation concentration-réponse en présence d'acide borique et de sulfate de cuivre lorsqu'on a étudié la possibilité de l'utiliser comme espèce d'essai dans la présente méthode (Aquaterra Environmental, 1998a; Aquaterra Environmental et ESG, 2000; EC, 2005b). Toutefois, lorsqu'on utilise cette espèce comme organisme d'essai, il est recommandé d'exécuter l'essai dans des conditions de température et de durée maximales afin d'obtenir la phytomasse nécessaire pour mesurer les paramètres.

1.2.4 Carotte (Daucus carota L.)

L'espèce Daucus carota comprend à la fois les formes sauvages et domestiquées de la carotte et présente de nombreuses variantes. D'une manière générale, on ne s'entend pas sur la nomenclature la plus appropriée pour les nombreuses formes qui ont été décrites. Cependant, toutes les formes domestiquées appartiennent à la sous-espèce sativus (Hoffm.) Arcangeli (Munro et Small, 1997). La carotte domestiquée est une espèce cultivée pour sa partie souterraine, dans les jardins maraîchers, et est récoltée annuellement. C'est l'un des plus importants légumes-racines de climat frais partout dans le monde et l'un des principaux légumes produits au Canada (Munro et Small, 1997). La carotte est cultivée avant tout pour sa grosse racine pivotante charnue qui est consommée crue, cuite ou sous forme de jus. La carotte est parfois utilisée comme fourrage, huile, agent édulcorant, succédané de café et/ou dans les liqueurs (Munro et Small, 1997).

La carotte, une dicotylédone bisannuelle de type C3, fait partie de la famille des apiacées (autrefois appelées ombellifères). Sa graine de taille moyenne (3,6 × 1,5 mm) devrait être semée à une profondeur de 1-2 cm (v. tableau 1). Elle est adaptée à tous les types de sol, mais elle pousse mieux dans des loams sableux meubles moyennement lourds à légers ayant une bonne capacité de rétention d'eau. La carotte est extrêmement sensible aux conditions du sol et, pour obtenir une bonne racine pivotante épaisse, il faut absolument que cette racine puisse pénétrer facilement dans le sol. La carotte tolère une large gamme de pH (4,2-8,7), mais elle préfère les sols dont le pH se situe entre 6,5 et 7,8 (Duke, 1983) et des températures moyennes de 16-21 °C (Huxley et coll., 1992; Munro et Small, 1997). La carotte ne tolère pas la sécheresse. Cette dicotylédone se reproduit tous les deux ans à partir d'une graine et se caractérise par une germination épigée. En laboratoire, les plantules de carotte apparaissent au bout de 4 à 5 jours environ et le taux de levée varie de 64 % à 87 % dans les sols de référence et de 76 % à 86 % dans les sols témoins artificiels (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b). La toxicité de l'acide borique pour la carotte semble indépendante du type de sol (Stephenson, 2003a). On a observé une relation concentration-réponse classique (c.-à-d. un accroissement de la gravité de l'effet avec l'augmentation de la concentration à laquelle la plante est exposée) à la fois pour la croissance de la racine et pour la croissance de la pousse dans les essais avec l'acide borique et ceux avec le sulfate de cuivre (Aquaterra Environmental, 1998a; Aquaterra Environmental et ESG, 2000; EC, 2005b).

1.2.5 Concombre (Cucumis sativus L.)

Le concombre (Cucumis sativus) est un légume connu depuis l'antiquité dans l'ancien monde, probablement originaire de l'Inde. C'est une plante cultivée importante partout dans le monde et l'un des légumes les plus cultivés au Canada puisqu'il représente environ 5 % de la valeur de l'industrie des légumes frais (Bonnell Environmental Consulting, 1994; Munro et Small, 1997). Le concombre est très répandu au Canada; les grandes régions de production sont la Nouvelle-Écosse, le centre du Nouveau-Brunswick, l'est et l'ouest de l'Ontario, le centre du Manitoba, le sud de la Colombie-Britannique et le nord de l'Alberta.

Le concombre est une plante de type C3 cultivée pour sa partie aérienne, à croissance rapide, qui est récoltée annuellement. Cette dicotylédone appartient à la famille des cucurbitacées, dite aussi « famille des courges ». Le concombre pousse facilement dans la plupart des sols bien drainés, mais il croît encore mieux dans les loams argileux ou les loams salins plus lourds qui ont une forte teneur en matière organique (Munro et Small, 1997). Le concombre préfère les températures élevées et forme des systèmes racinaires profonds. Il exige des sols à pH neutre ou presque neutre, avec une teneur en azote élevée (Munro et Small, 1997). La graine du concombre est relativement grosse (taille moyenne d'environ 7,7 × 3,6 mm; v. tableau 1), ce qui permet à la plante de produire plus de phytomasse dans une courte période de temps en puisant dans ses propres réserves d'énergie. Les plantules se caractérisent par une germination épigée et lèvent en 3-4 jours. Dans les essais de toxicité sur les concombres (var. Marketer) avec de l'acide borique, on observe une relation concentration-réponse à la fois pour la croissance des racines et pour la croissance des pousses en termes de longueur et de masse humide (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b). La croissance des racines était considérablement réduite lorsque le concombre était exposé à l'acide borique, mais l'effet était moindre sur la biomasse de la partie aérienne. Le taux de levée dans les essais de toxicité avec les sols de référence et les sols témoins artificiels se situait entre 90 % et 98 % et la nature du sol n'avait pas d'effet sur la toxicité observée de l'acide borique (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b). Il a été montré que le concombre est relativement sensible aux contaminants organiques et inorganiques présents dans le sol (Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG et Aquaterra Environmental, 2002).

1.2.6 Fétuque rouge (Festuca rubra L.)

La fétuque rouge (Festuca rubra) a une vaste aire de répartition dans toute la zone tempérée septentrionale et pousse partout au Canada, de la Colombie-Britannique à Terre-Neuve (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Elle constitue une importante graminée fourragère en Alberta, où elle pousse mieux que le pâturin ou la phléole des prés dans les sols pauvres; elle peut également évincer la luzerne. En particulier, la fétuque rouge traçante (var.) est une graminée gazonnante dense qui s'implante et s'étale vigoureusement dans la plupart des types de sol (MAAO, 2002). Son système racinaire solide et sa partie aérienne dense en font une excellente graminée pour protéger les berges et les voies d'eau engazonnées. La fétuque rouge est connue pour sa longue période de croissance et sa valeur nutritionnelle rémanente en automne (MAAO, 2002). Elle est considérée comme une précieuse plante stabilisatrice et comme une excellente régénératrice de sol et de gazon.

La fétuque rouge est une espèce monocotylédone de type C3 longévive et fait partie des graminacées (poacées, autrefois appelées graminées). La fétuque rouge est une plante tapissante vivace de saison fraîche qui résiste à la sécheresse, tolère les conditions salines et les sols acides, et résiste aux hivers froids (Walsh, 1995). Elle se reproduit par une graine relativement grosse (6,6 × 0,9 mm) et se caractérise par une germination hypogée (v. tableau 1). La fétuque rouge peut également croître de manière végétative par formation de rhizomes et elle peut former des systèmes importants et profonds de racines fibreuses. La graine se caractérise par une bonne viabilité (78-95 %) (Aquaterra Environmental 1998a; EC, 2005b), mais sa vigueur est moyenne. Les plantules lèvent généralement 4-5 jours après les semis. La fétuque rouge tolère les sols humides et un certain engorgement. Elle peut pousser sur des sols argileux, loameux et sableux à condition qu'ils soient suffisamment humides, mais cette espèce peut aussi tolérer une certaine sécheresse. Elle tolère également les sols peu fertiles et à bas pH (4,5) (Walsh, 1995). On a observé une relation concentration-réponse pour les variables mesurées relatives aux pousses et aux racines dans des essais de sélection réalisés avec la fétuque rouge et l'acide borique (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b).

1.2.7 Laitue (Lactuca sativa L.)

La laitue (Lactuca sativa) est une plante maraîchère cultivée pour sa partie aérienne et récoltée annuellement. C'est la salade la plus recherchée dans le monde occidental, en demande tout au long de l'année. Le Canada produit plus de 50 000 tonnes de laitue par an, la majeure partie au Québec; toutefois, cela représente moins du cinquième de la consommation annuelle de laitue au Canada (Munro et Small, 1997).

La laitue, une annuelle dicotylédone de type C3 à germination épigée, fait partie de la famille du tournesol (c.-à-d. famille des astéracées, autrefois appelées composées). Elle possède une graine de taille moyenne (3,8 × 1,3 mm) et les plantules commencent à lever en 3-4 jours (v. tableau 1). La laitue est une plante cultivée de saison fraîche qui exige des températures basses pour la germination. Les températures optimales pour faire pousser la laitue se situent entre 15 °C et 18 °C (minimum 7 °C, maximum 24 °C) (Munro et Small, 1997). La laitue germe et pousse mieux lorsque l'eau n'est pas limitée et lorsqu'il y a suffisamment de lumière. Il faut choisir avec soin les variétés qui seront utilisées dans les essais de toxicité, car plusieurs cultivars de laitue ont des exigences sensiblement différentes en matière d'intensité lumineuse pour une levée et une croissance optimales. Par exemple, la germination de la graine de certains cultivars de laitue est négativement photoblastique (les graines germent seulement dans l'obscurité et la lumière blanche inhibe la germination) (Stephenson, 2003a). La laitue préfère les sols à haute teneur en matière organique, mais elle poussera dans divers types de sol, dont les loams sableux fins, les loams, les sols argileux et la terre noire. Le pH du sol idéal pour la laitue se situe entre 6,0 et 8,0 (Munro et Small, 1997). La racine pivotante initiale peut devenir relativement fibreuse lorsque la plante est adulte. Dans des essais de toxicité de sols entiers, le taux de levée variait de 75 % à 88 % pour un sol artificiel et de 79 % à 94 % pour des sols prélevés sur le terrain (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b). Avec les variétés Grand Rapid et Butter Crunch utilisées dans ces études, les essais de toxicité avec de l'acide borique ont mis en évidence des relations concentration-réponse acceptables pour les variables mesurées relatives aux pousses et aux racines. Néanmoins, la laitue est sensible aux différences dans certaines caractéristiques physicochimiques du sol artificiel ou du sol non contaminé naturel utilisé dans un essai. On a observé un « effet de sol » dans les essais de levée des plantules réalisés avec des échantillons de sol artificiel et de sol non contaminé prélevé sur le terrain (Stephenson, 2003a).

1.2.8 Luzerne (Medicago sativa L.)

La luzerne (Medicago sativa), qui compte parmi les plus anciennes plantes fourragères cultivées en Amérique du Nord, est l'une des plus appétentes et nutritives (c.-à-d. riches en protéines, vitamines et minéraux). La culture de la luzerne a un très haut rendement par comparaison avec d'autres cultures et fait partie intégrante de nombreuses rotations culturales en raison de la capacité de la luzerne de fixer l'azote, d'améliorer la structure du sol et d'empêcher l'apparition de mauvaises herbes dans les cultures subséquentes (Sullivan, 1992). La luzerne est répandue partout dans le monde. Au Canada, elle est cultivée principalement comme plante fourragère pour le bétail, mais les semences de luzerne servent également à la production de pousses considérées comme des légumes et destinées à la consommation humaine (Munro et Small, 1997). La luzerne est la plus importante légumineuse fourragère du Canada et est cultivée dans la plupart des provinces. La majeure partie de la récolte canadienne est utilisée sous forme de foin (2 × 106 hectares) et une partie de la luzerne est cultivée pour l'ensilage et le pâturage (2-3 × 106 hectares) (Munro et Small, 1997). La luzerne pousse maintenant naturellement un peu partout au Canada.

La luzerne est une légumineuse dicotylédone vivace longévive qui se caractérise par une germination épigée. Elle appartient à la famille des fabacées (famille des pois, ou légumineuses) et est classée dans les plantes cultivées pour leur partie aérienne et dotées d'un système photosynthétique de type C3. Les graines de couleur vive vont du vert olive au jaune et sont de taille moyenne (~ 2,6 × 1,5 mm) (v. tableau 1). Elles doivent être en contact avec un sol humide pour germer; pour maximiser le taux de survie des plantules, il est recommandé de semer les graines à environ 0,6 cm de profondeur. Les plantules sont incapables de sortir du sol si les graines sont semées trop profondément et le taux de levée est considérablement réduit lorsque les graines sont semées à plus de 1,3 cm de profondeur. Les plantules lèvent 3 ou 4 jours après les semis. La luzerne a affiché un taux de levée de 70-90 % dans des sols témoins (ESG et Aquaterra Environmental, 2002; Stephenson, 2003a; EC, 2005b).

En général, la luzerne possède une racine pivotante profonde, mais certaines variétés peuvent avoir des systèmes racinaires différents. Les racines forment des nodules abritant la bactérie Rhizobium, qui fixe l'azote atmosphérique. La luzerne tolère la sécheresse et résiste à l'hiver et, bien qu'elle pousse plus facilement dans des sols loameux bien drainés, elle tolère des sols de diverses textures. La réponse de la luzerne dans des essais de toxicité avec de l'acide borique semble indépendante du type de sol (Stephenson, 2003a). La luzerne ne tolère pas le noyage, l'engorgement ou un sol mal drainé (Sullivan, 1992). Dans les essais de toxicité, on a observé une relation claire entre la concentration et la réponse pour les expositions à l'acide borique, au sulfate de cuivre, au diuron et aux hydrocarbures pétroliers tels que le pétrole brut, les condensats et les amines présents dans le sol (Aquaterra Environmental, 1998a; Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG, 2001; ESG et Aquaterra Environmental, 2002; EC, 2005b).

1.2.9 Orge (Hordeum vulgare L.)

L'orge (Hordeum vulgare) est une plante céréalière cultivée pour son grain (bière, produits alimentaires et fourrage) et pour la paille. C'est l'une des plus anciennes céréales cultivées, les preuves de cette culture remontant à plus de 5 000 ans (Magness et coll., 1971). L'orge est largement cultivée dans tout le Canada et est considérée comme une espèce agricole extrêmement importante à la fois au Canada et aux États-Unis (Duke, 1983; Bonnell Environmental Consulting, 1994). L'espèce Hordeum vulgare L. est une orge à six rangs dotée d'un rachis robuste ou d'une tige à épis (Magness et coll., 1971). L'orge est une espèce couramment utilisée dans les essais de toxicité réalisés dans les laboratoires canadiens.

L'orge, une annuelle monocotylédone de type C3 à germination hypogée, fait partie de la famille des poacées (autrefois appelées graminées), également connue sous le nom defamille des « vraies graminées ». L'orge est une plante cultivée pour sa partie aérienne, à croissance rapide, dont la graine mesure 9,0 × 3,4 mm (v. tableau 1). Les graines sont semées à une profondeur de 1,3-4,5 cm (pas plus de 5 cm). Les plantules sont vigoureuses et lèvent 2 à 3 jours après les semis. L'orge est considérée comme étant tolérante aux sols salins, à la chaleur et à la sécheresse (Duke, 1983). Elle tolère également un sol dont le pH est compris entre 4,5 et 8,3, mais elle pousse mal dans les sols très acides (pH <6,0) (McLeod, 1982; Duke, 1983; Stoskopf, 1985). L'orge peut être cultivée dans de nombreux types de sol, dont des loams fertiles bien drainés et des sols argileux plus légers. Les sols loameux à lourds sont tolérés, mais pas l'engorgement (Valenzuela et Smith, 2002).

Bien que l'efficacité de la germination diffère selon les variétés, parmi les trois variétés utilisées dans les essais (CDC Buck-huskless, Bedford et Chapais), l'orge Chapais a constamment germé et levé avec un taux supérieur à 96% à la fois dans un sol artificiel et dans un sol témoin négatif prélevé sur le terrain (ESG et Aquaterra Environmental, 2002; Stephenson, 2003a; EC, 2005b). Les racines de l'orge sont robustes et fibreuses et il est facile de les séparer du sol, sans trop les briser. La croissance est rapide et les plantes produisent promptement de grandes quantités de phytomasse, ce qui fait de l'orge une plante de choix pour les essais de toxicité des sols. En général, on observe une relation concentration-réponse classique pour les variables mesurées (p. ex. longueur des pousses et des racines, masse humide et masse sèche des pousses et des racines) dans les essais de toxicité de sols renfermant des hydrocarbures pétroliers (p. ex. essence automobile), des métaux et des pesticides (Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG, 2000, 2001; ESG et Aquaterra Environmental, 2002).

1.2.10 Radis (Raphanus sativus L.)

Le radis (Raphanus sativus) est une plante cultivée mineure du point de vue agricole, mais il est important et répandu dans les jardins et sur les marchés (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Le Canada produit 6 000 tonnes de radis par an, principalement en Ontario, au Québec et en Colombie-Britannique (Munro et Small, 1997). En Amérique du Nord, les radis sont consommés principalement dans les salades, mais, dans d'autres régions du monde, ils entrent dans la préparation de savon et d'huile siccative et sont utilisés comme aliment du bétail.

Le radis est une espèce de saison fraîche cultivée pour sa partie souterraine, une racine pivotante bulbeuse comestible, et il est récolté annuellement. C'est une dicotylédone bisannuelle de type C3 appartenant à la famille de la moutarde (brassicacées ou crucifères). La graine de taille moyenne (2,9 mm de diamètre) germe rapidement et les plantules commencent à lever en 2-3 jours dans des conditions de sol humide (v. tableau 1). La graine se caractérise par une germination épigée et produit une racine robuste qui s'extrait facilement du sol (Stephenson, 2003a). Les radis ne sont pas exigeants en ce qui concerne le type de sol et poussent bien dans une variété de sols (Munro et Small, 1997). Cependant, Stephenson (2003a) a constaté que la nature du sol témoin a une incidence importante sur le rendement de l'espèce. Dans des essais de sélection, elle a observé un taux de levée de 98 % (var. Cherry Belle, Champion) dans le sol artificiel, mais de seulement 65 % dans le sol témoin négatif prélevé sur le terrain (Stephenson, 2003a). Toutefois, dans d'autres essais, on a constaté un taux de levée systématiquement élevé (>92 %) dans tous les types de sol (c.-à-d. sol artificiel et sols sableux, limoneux et argilo-loameux) (ESG et Aquaterra Environmental, 2002; EC, 2005b). Le radis tolère les sols peu fertiles. Il préfère les températures fraîches et les sols à pH neutre (pH 6,0-7,5), mais il peut tolérer les sols légèrement acides (pH 5,5-6,8). Le radis tolère mal les sols salins. Stephenson (2003a) a constaté l'absence d'une relation concentration-réponse pour la longueur de la pousse ou de la racine dans les essais de sélection avec l'acide borique; par contre, la nature du sol témoin avait une incidence importante sur ces deux variables. Dans d'autres études, le radis s'est montré relativement sensible aux métaux et aux pesticides (Aquaterra Environmental et ESG, 2000; ESG et Aquaterra Environmental, 2002). Le radis fait partie des deux espèces d'essai (avec la laitue) actuellement recommandées dans la plupart des protocoles d'essai réglementaires utilisés pour mesurer la toxicité des sols.

1.2.11 Tomate (Lycopersicon esculentum Mill.)

La tomate (Lycopersicon esculentum) est probablement le légume le plus couramment cultivé dans les jardins particuliers au Canada. Elle se classe au deuxième rang dans le monde en ce qui concerne la consommation par habitant, après la pomme de terre (Munro et Small, 1997). Quelque 2 × 106 hectares de tomates sont plantés annuellement dans le monde. Au Canada, la production intérieure représente environ 60 % de la consommation canadienne et plus de 10 % de la valeur commerciale des légumes frais consommés (Munro et Small, 1997).

La tomate est une vivace tropicale de type C3 cultivée comme une annuelle dans les parties tempérées du monde. C'est une dicotylédone appartenant à la famille des solanacées (dite aussi famille des pommes de terre). Les tomates sont cultivées dans des sols sableux légers et chauds pour les récoltes précoces; toutefois, la production est optimale dans les sols plus lourds. La tomate ne tolère pas l'engorgement ou un taux d'humidité trop élevé (>80 %), ces deux conditions favorisant les maladies, mais elle supportera un pH compris entre 5,5 et 7,5 (Munro et Small, 1997). Sa graine de taille moyenne (3,0 × 2,4 mm) se caractérise par une germination épigée et un taux de viabilité relativement bon (74-95 %) (Aquaterra Environmental, 1998a; EC, 2005b). Les plantules commencent à apparaître 4-5 jours après les semis (v. tableau 1). Lorsque la tomate est cultivée à partir d'une graine, elle forme une racine pivotante robuste. Cependant, si la racine pivotante est endommagée durant la transplantation ou l'empotage des plantules, elle a tendance à se transformer en une racine plus fibreuse. Pour une croissance optimale, la tomate a besoin de températures diurnes modérément élevées (21-28 °C) et de températures nocturnes modérément fraîches (15-20 °C) (Munro et Small, 1997). La tomate est sensible à la faible luminosité et aux températures défavorables et elle a montré une bonne relation concentration-réponse dans les essais de toxicité avec l'acide borique (EC, 2005b).

1.2.12 Trèfle violet (Trifolium pratense L.)

Le trèfle violet (Trifolium pratense) est très répandu en Amérique du Nord et partout au Canada, à la fois comme plante cultivée et comme plante sauvage (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Il est cultivé de manière extensive pour les pâturages, le foin et l'engrais vert et représente la légumineuse fourragère la plus couramment semée, après la luzerne. Cependant, par comparaison avec la luzerne, le trèfle violet contient moins de protéines digestibles et légèrement plus d'éléments nutritifs digestibles totaux et il possède une valeur énergétique nette légèrement plus élevée (Duke, 1983; USDA-NRCS, 2000). Le trèfle violet est également considéré comme une espèce très importante pour préserver la structure du sol et il est souvent utilisé dans les études de remise en état des sols (Bonnell Environmental Consulting, 1994).

Le trèfle violet est une légumineuse dicotylédone vivace de type C3 à courte durée de vie, capable de pousser dans des conditions qui sont soit trop humides, soit trop acides pour la luzerne (MAAO, 2002). Dans certaines conditions (climats plus chauds), le trèfle violet est cultivé comme une plante bisannuelle. Comme la luzerne, le trèfle violet fait partie de la famille des pois (fabacées). Sa graine est relativement petite (2,0 × 1,5 mm; v. tableau 1), ses plantules sont vigoureuses et il s'établit plutôt facilement (USDA-NRCS, 2000). Le trèfle violet se caractérise par une germination épigée et a montré un bon taux de levée en laboratoire dans des essais avec soit du sol artificiel (68-90 %), soit des échantillons de sols non contaminés prélevés sur le terrain (88-92%) (EC, 2005b). La levée se produit généralement 3-4 jours après les semis. Le trèfle violet pousse mieux dans un sol loameux bien drainé très fertile, mais il s'est également adapté aux sols plus humides. Pour le trèfle violet, les loams, les loams limoneux et même les sols lourds sont préférables aux sols sableux ou graveleux légers (Duke, 1983). Le trèfle violet tolère une large gamme de pH (4,5-8,2); toutefois, cette espèce préfère un pH presque neutre pour former des nodules et c'est lorsque le pH se situe entre 6,6 et 7,6 qu'elle est le plus productive. Le trèfle violet tolère mieux les sols à pH bas ou les sols peu fertiles et/ou mal drainés que la luzerne. Il possède une racine pivotante profonde et tolère modérément la sécheresse (USDA-NRCS, 2000). Les racines forment naturellement des nodules abritant la bactérie libre Rhizobium. Le trèfle violet n'est pas encore couramment utilisé dans les essais de toxicité en laboratoire, mais il a montré de bonnes relations concentration-réponse dans des essais avec l'acide borique (EC, 2005b).

1.3 Historique de l'utilisation des plantes terrestres dans les essais de toxicité

La mise au point de méthodes d'essai biologique pour mesurer la toxicité des sols accuse un retard en regard des essais portant sur d'autres milieux (p. ex. l'eau et les sédiments) (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Ce retard est dû en partie au fait que les chercheurs et les organismes de réglementation se sont concentrés sur l'environnement aquatique, et en partie au fait que le sol est un milieu complexe qui pose de nombreux problèmes en raison de son manque d'homogénéité. La diversité des voies d'exposition dont les chercheurs doivent tenir compte (p. ex. l'eau interstitielle, les vapeurs émanant du sol ou le contact direct avec les particules de sol), conjuguée au coût élevé de la réalisation des essais de toxicité sur les sols, ont souvent conduit les chercheurs à recourir à des extrapolations à partir de méthodes d'essai portant sur des milieux aquatiques appliquées aux expositions à des sols contaminés (Bonnell Environmental Consulting, 1994).

L'utilisation de pesticides en agriculture a commencé à la fin des années 1940, pour se généraliser vers la fin des années 1960 et le début des années 1970. Il est alors devenu nécessaire d'évaluer les effets des pesticides chimiques organiques sur les espèces végétales cultivées commerciales (Kaputska et coll., 1995; Boutin et Rogers, 2000). Avant 1980, l'évaluation de la qualité des sols consistait principalement en des mesures des propriétés physicochimiques du sol et c'est seulement après 1980 que les organismes responsables de l'homologation et de l'épandage des pesticides ont commencé à utiliser des méthodes d'essai biologique normalisées pour mesurer la toxicité des sols [p. ex. l'United States Environmental Protection Agency (USEPA) et l'Office of Pesticides Programs (Holst et Ellanger, 1982)].

La première méthode normalisée d'essai pour mesurer la toxicité d'un sol entier pour des plantes terrestres, applicable aux expositions à des pesticides et à des substances autres que des pesticides dans un sol artificiel, était un essai de levée des plantules décrit dans une ligne directrice (no 208) publiée par l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE, 1984a). Toutefois, cette méthode servait à évaluer seulement les sols enrichis d'une substance chimique. En 1989, l'USEPA a recommandé des méthodes d'essai pour évaluer la toxicité de sols de sites contaminés, dans lesquelles le sol contaminé était mélangé avec un sol témoin non contaminé dans une série de dilutions (USEPA, 1989). Depuis la parution des premières lignes directrices conjointes de l'OCDE et de la Communauté économique européenne (CEE), plusieurs autres organismes tels que l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et, aux États-Unis, l'American Society for Testing and Materials (ASTM) ont également élaboré des méthodes d'essai de toxicité de sols entiers pour des espèces choisies de plantes terrestres exposées à des échantillons de sol enrichi d'une substance chimique ou de sol contaminé prélevé sur le terrain (ISO, 1993a, 1995; ASTM, 1999b).

La toxicité des sols de site est devenue une « nouvelle » préoccupation au milieu des années 1980 et des programmes de réglementation tels que le Superfund aux États-Unis et le Programme national d'assainissement des lieux contaminés (PNALC) au Canada ont été mis en place pour répondre au besoin impérieux de lignes directrices au sujet de l'évaluation et de la décontamination des sites contaminés hautement prioritaires. Une revue des essais biologiques existants sur des organismes entiers, pour évaluer la toxicité de sols, d'eaux douces et de sédiments d'eau douce (Keddy et coll., 1995), réalisée dans le cadre du PNALC, a mené à l'établissement d'une série d'essais utilisables immédiatement pour évaluer des sites contaminés au Canada (Bonnell Environmental Consulting, 1994). Keddy et coll. (1995) ont conclu que la plupart des méthodes ou procédures existantes pour mesurer la toxicité d'échantillons de sol provenant de sites contaminés étaient inadéquates et ne permettaient pas une évaluation écotoxicologique correcte, et ils ont recommandé que des efforts soient déployés afin d'élaborer une série de méthodes d'essai biologique normalisées pour évaluer la toxicité des sols, méthodes qui feraient appel à des espèces et à des conditions d'essai applicables aux écosystèmes pédologiques canadiens. Le Conseil canadien des ministres de l'environnement (CCME) a publié, en 1994, un cadre de travail pour l'évaluation du risque écologique (ERE) (CCME, 1994) qui a eu subséquemment une incidence sur la gestion des sites contaminés (CCME, 1996, 1997). La démarche adoptée dans l'ERE, qui s'appuyait sur les résultats d'essais de toxicité sur des espèces particulières, a mis en évidence la nécessité d'élaborer des essais de toxicité des sols fiables, reproductibles et réalistes, avec des espèces terrestres pertinentes du point de vue écologique, pour évaluer les sols prélevés sur des sites contaminés (Bonnell Environmental Consulting, 1994). À la fin des années 1990, les évaluations biologiques sous la forme d'essais de toxicité sont devenues un complément utile aux analyses chimiques, en particulier dans les évaluations du risque relatives à un site donné.

Aujourd'hui, les plantes sont largement utilisées comme organismes d'essai dans les essais de toxicité monospécifiques pour mesurer la toxicité de substances chimiques pures, de produits chimiques ou d'échantillons de sol contaminé ou susceptible d'être contaminé par des substances chimiques sur le terrain ou (à des fins expérimentales) en laboratoire. Au Canada, les résultats des essais de toxicité des sols sont utilisés pour:

1. établir des critères nationaux de qualité des sols,
2. fixer des objectifs d'assainissement pour un site donné, fondés sur le risque (p. ex. objectifs de décontamination),
3. évaluer l'efficacité des techniques de décontamination (Stephensonet coll., 2002).

De nombreuses études ont été réalisées au sujet de l'utilisation d'essais de toxicité sur des plantes comme « outils d'évaluation écologique » pour estimer la toxicité de sols contaminés ou susceptibles d'être contaminés (Wang, 1991, 1992; Wang et Freemark, 1995; Kaputska, 1997; Meier et coll., 1997; Saterbak et coll., 1999). Dans certains cas, des méthodes courantes ont été modifiées ou des méthodes spéciales ont été élaborées pour obtenir des données pertinentes (Pfleeger et coll., 1991; Sheppard, 1994; Chaineauet coll., 1997). Des études de bases de données ont été résumées dans des rapports portant sur la sensibilité des plantes à divers contaminants (Kenaga, 1981; Miller et coll., 1985; Boutin et Rogers, 2000). Les effets toxiques de l'exposition de plantes à des sols contaminés ont été documentés dans des études de laboratoire réalisées avec des échantillons de sol enrichis ou contaminés au moyen :

• de pesticides (Fletcher et coll., 1995, 1996; Boutin et coll., 2000, 2004),
• de métaux (Godbold et Hüttermann, 1985; Kaputska et coll., 1995; Kjaer et Elmegaard, 1996; Rader et coll., 1997; Kjaeret coll., 1998; Redente et coll., 2002; Lock et Janssen, 2003),
• d'hydrocarbures pétroliers (Chaineau et coll., 1997; Wong et coll., 1999),
• d'autres substances chimiques (Siciliano et coll., 1997; Kalsch et Römbke, 1999).

Différents organismes de normalisation ont recommandé diverses espèces végétales pour les essais de phytotoxicité (v. annexes E et F; ASTM, 1999b). Les espèces le plus souvent recommandées par les organismes internationaux sont les suivantes : avoine, carotte, chou, concombre, laitue, maïs, ray-grass vivace, riz, soja, tomate. Fletcher et coll. (1985; 1988) ont examiné la base de données PHYTOTOX et dressé une liste des plantes terrestres les plus couramment utilisées. Cette liste comprend l'avoine, le blé, les haricots, le maïs, l'orge, les pois, la pomme, le soja, la tomate.

Le nombre d'espèces recommandées pour une batterie d'essais dépend avant tout du but de l'étude et des exigences réglementaires. L'ISO (1995) recommande un minimum de deux espèces, l'OCDE (1984a), un minimum de trois espèces et l'ASTM (1999b), un minimum de cinq espèces. Aux États-Unis, la Federal Insecticide, Fungicide, and Rodenticide Act (FIFRA), la Toxic Substances Control Act (TSCA) et le dernier projet de l'Office of Prevention, Pesticides and Toxic Substances (OPPTS) de l'USEPA (1996), recommandent tous d'inclure 10 espèces de plantes terrestres dans une batterie d'essais. Dans son projet de méthode d'essai, l'OCDE (2000) recommande 3 espèces pour les essais avec des substances chimiques générales et 6-10 espèces pour les essais avec des produits de protection des cultures. Les lignes directrices canadiennes proposées pour les essais avec des pesticides chimiques sur des plantes non visées (Boutin et coll., 1995) suggèrent 10 espèces pour les essais avec des non-herbicides et 30 espèces pour les essais avec des herbicides. Le rapport entre espèces monocotylédones et dicotylédones recommandé dans une batterie d'essais est généralement de 1 à 2, et ce, par pratiquement tous les organismes internationaux. Boutin et Rogers (2000) ont réalisé une vaste étude des bases de données canadiennes et américaines et constaté que les monocotylédones présentent des sensibilités similaires, ce qui n'est pas le cas des dicotylédones. Par conséquent, dans une batterie d'essais, il pourrait être approprié d'utiliser moins de monocotylédones que ne l'exigerait le rapport recommandé de 1 à 2 (Boutin et Rogers, 2000). Coleet coll. (1993) ainsi que Brown et Farmer (1991) ont également établi des principes pour le choix d'une variété d'espèces afin d'évaluer les effets des pesticides sur des espèces végétales non visées.

De nombreuses espèces végétales et une multitude de paramètres d'évaluation de la phytotoxicité ont été utilisées pour caractériser les effets de toxiques sur la végétation (Markwiese et coll., 2000). À ce jour, l'essai de germination des plantules et l'essai d'allongement des racines constituent les essais de phytotoxicité aiguë les plus largement employés (Kaputska, 1997). Malheureusement, l'essai de germination est relativement insensible à de nombreuses substances, principalement parce que la plante embryonnaire survit en puisant dans les réserves nutritionnelles emmagasinées dans la graine et qu'elle est donc en fait isolée de l'environnement (Kaputska, 1997). Dans les essais classiques d'allongement des racines, ces dernières sont exposées à des extraits à l'eau et à des constituants solubles du sol d'essai, et ces essais ne comportent donc aucune exposition au sol entier.

L'essai de levée des plantules diffère des essais de germination des plantules en ce sens que les paramètres mesurés ne sont pas les mêmes. La plupart des essais de levée des plantules ont été conçus sur le modèle de l'essai de croissance des plantes terrestres de l'OCDE (OCDE, 1984a), dans lequel des graines de l'espèce d'essai recommandée sont exposées à des sols de site potentiellement contaminé, ou à une série de dilutions (c.-à-d. des sols de site auxquels on a ajouté des sols témoins), après quoi on mesure le nombre de plantules qui atteignent au moins 3 mm hors du sol. En général, la levée des plantules ne constitue pas un paramètre aussi sensible que les variables relatives à la croissance (p. ex. longueur et masse des pousses et des racines) que l'on peut obtenir dans des essais de croissance des jeunes plantules. Ces essais de levée et de croissance des jeunes plantules permettent de surmonter certains des problèmes que posent les essais de germination des graines et d'allongement des racines mentionnés précédemment (Kaputska, 1997; Stephenson et coll., 2002). L'ASTM (1999b) a élaboré un essai de croissance des jeunes plantules dont la durée est relativement plus longue que celle de l'essai de levée des plantules (c.-à-d. >14 jours). Les paramètres mesurés dans cet essai sont la longueur des pousses et des racines, la masse humide et la masse sèche des pousses et des racines, le taux de levée des plantules et le taux de survie des plantules à la fin de l'essai (Stephenson et coll., 2002). L'OCDE a entrepris de revoir sa méthode d'essai biologique afin d'inclure à la fois un essai de levée et de croissance des plantules et un essai de vigueur végétative dans lequel la substance d'essai est pulvérisée sur les feuilles et les parties aériennes des organismes d'essai (OCDE, 2000a). L'ASTM a également inclus un essai sur le cycle biologique de Brassica rapa (une variété de navet qui a été génétiquement modifiée pour permettre une évaluation rapide) dans une annexe de sa norme (ASTM, 1999b). Cet essai couvre le cycle complet de l'organisme d'essai, de la graine à la graine.

Les documents décrivant les méthodes résumées à l'annexe E ont orienté l'élaboration de la méthode d'essai biologique normalisée recommandée par Environnement Canada pour mesurer les effets toxiques d'une exposition prolongée à un sol enrichi d'une substance chimique ou à un sol de site sur la levée et la croissance de plantes terrestres. Cette nouvelle méthode d'essai biologique est décrite dans le présent document.