Recommandations pour la qualité de l'eau potable au Canada : document technique – les sulfates

Généralités

Le soufre est un élément non métallique dont les valences les plus fréquentes sont -2, -1, 0, +4 et +6. Les trois sources les plus importantes de soufre pour les utilisations commerciales sont le soufre élémentaire,

le sulfure d'hydrogène (H₂S, qui se trouve dans le gaz naturel et le pétrole brut) et les sulfures métalliques comme la pyrite de fer. En se combinant à l'oxygène, le soufre hexavalent donne l'ion sulfate, qui est bivalent (SO₄^2-). Les sulfates existent à l'état naturel dans de nombreux minéraux, dont la baryte (BaSO₄), l'epsomite (MgSO₄·7H₂O) et le gypse (CaSO₄·2H₂O).^{Note de bas de page 1} L'interconversion réversible des sulfates et des sulfures dans le milieu naturel est appelée «cycle du soufre».^{Note de bas de page 2 Note de bas de page 3} Le soufre, principalement sous la forme d'acide sulfurique, est l'un des produits chimiques les plus utilisés dans les sociétés industrialisées. La majeure partie du soufre est transformée en acide sulfurique, dont près de 60 % sert à la production d'engrais au phosphate et au sulfate d'ammonium. La production mondiale de sulfate de sodium en 1988 a été estimée à environ 4 millions de tonnes métriques; 342 076 t étaient produites au Canada en 1987, alors que les États-Unis et l'Europe en produisaient respectivement 985 000 t et 1,8 million de tonnes.^{Note de bas de page 4}

Des produits à base de sulfates ou d'acide sulfuri-que servent aussi dans la fabrication de nombreux produits chimiques, teintures, verres, papiers, savons, textiles, fongicides, insecticides, composés astringents et émétiques. Ils servent aussi dans les industries des mines, de la papeterie, de la métallurgie et du placage, dans l'épuration des eaux d'égout et dans la transformation du cuir.^{Note de bas de page 1} Le sulfate d'aluminium (alun) sert d'agent de sédimentation dans le traitement de l'eau potable; le sulfate de cuivre a servi aux États-Unis pour la limitation des algues bleues dans les eaux brutes et les réserves publiques d'eau.^{Note de bas de page 5 Note de bas de page 6}

Des gâteaux de sel (sulfate de sodium anhydre) se forment souvent dans les régions où existent des dépôts naturels de saumure. La consommation des gâteaux de sel a diminué au cours des dernières années à cause de l'introduction de nouvelles méthodes de cuisson chimique de la pâte de bois (c'est là le principal usage fait de ce minéral) nécessitant l'emploi de quantités moins importantes de gâteaux de sel. En 1975, le Canada en consommait 256 385 t; il en a utilisé 188 626 t en 1984. L'utilisation de gâteaux de sel comme diluant dans les détergents a été estimée à 10 % de l'ensemble de la consommation.^{Note de bas de page 4}

Présence dans l'environnement

Les sulfates de sodium, de potassium et de magnésium sont tous hydrosolubles, alors que les sulfates de calcium, de baryum et des métaux lourds ne le sont pas. Les sulfates dissous peuvent être réduits en sulfures, qui se volatilisent dans l'air sous forme de sulfure d'hydrogène, ou sont précipités sous forme d'un sel insoluble ou incorporés dans les organismes vivants.^{Note de bas de page 7}

Des sulfates sont rejetés dans l'environnement aquatique avec les déchets des industries qui emploient des sulfates et de l'acide sulfurique, comme les industries minières et les fonderies, les usines de papeterie kraft, les usines textiles et les tanneries.^{Note de bas de page 7 Note de bas de page 8} Le dioxyde de soufre (SO₂) atmosphérique, formé par la combustion des carburants fossiles et les procédés de grillage utilisés en métallurgie, peut aussi contribuer à la teneur en sulfates des eaux de surface. On a souvent noté une corrélation entre les teneurs en sulfates des eaux de surface et les teneurs en dioxyde de soufre des émissions d'origine anthropique. Par exemple, dans la région de Sudbury, en Ontario, on a trouvé que des changements de la qualité de l'eau, comme l'augmenta-tion de son pH et la diminution des teneurs en sulfates, en nickel et en cuivre, ont coïncidé avec la réduction des émissions de dioxyde de soufre par les fonderies de Sudbury.^{Note de bas de page 9}

Le trioxyde de soufre (SO₃), produit par oxydation photolytique ou catalytique du dioxyde de soufre, se combine aux vapeurs d'eau en donnant de l'acide sulfurique dilué, qui retombe en «pluie acide» ou en «neige acide».^{Note de bas de page 7} Au Canada, la teneur des pluies en sulfates variait de 1,0 à 3,8 mg/L en 1980,^{Note de bas de page 10} alors que l'on avait mesuré auparavant à Toronto des concentrations allant de 3 à 7 mg/L.^{Note de bas de page 11} Les retombées de sulfates mesurées dans le manteau nival (mars) et les pluies (en mars et en avril) dans le région d'Algoma, en Ontario, montrent des teneurs respectives de 7,81 et de 11,01 meq/m².^{Note de bas de page 12}

La teneur en sulfates caractéristique des lacs canadiens va de 3 à 30 mg/L.^{Note de bas de page 13} Des données récentes recueillies en Ontario montrent des teneurs semblables dans de petits lacs (12,7 ± 11,3 mg/L); la concentration de sulfates était de 7,6 mg/L dans le lac Supérieur à Thunder Bay et de 19 mg/L dans le lac Huron à Goderich.^{Note de bas de page 14} Lors d'un relevé des eaux fluviales naturelles fait dans l'Ouest du Canada, la concentration de sulfates variait de 1 à 3 040 mg/L; la plupart du temps, elle était inférieure à 580 mg/L.^{Note de bas de page 15}

Les données colligées par trois provinces canadiennes (la Nouvelle-Écosse, la Saskatchewan et l'Alberta) indiquent que, lors des années 1976 et 1977, la concentration de sulfates dans les approvisionnements en eau des municipalités variait de moins de 10 mg/L à 1 795 mg/L.^{Note de bas de page 16} Les teneurs étaient particulièrement élevées dans le Centre du Canada : à 13 % à peu près des 428 endroits ayant fait l'objet d'un échantillonnage en Saskatchewan et en Alberta, la concentration de sulfates dépassait 500 mg/L. En Saskatchewan, de 1970 à 1989, des teneurs moyennes respectives de 368 mg/L et de 97 mg/L furent trouvées dans l'eau potable traitée provenant de réserves d'eaux souterraines et d'eaux de surface, la plage allant de 3 à 2 170 mg/L.^{Note de bas de page 19} La teneur moyenne en sulfates des réserves d'eau potable de 78 municipalités de la Nouvelle-Écosse en 1987 et en 1988 était de 14,2 mg/L (plage de 2,0 à 110,0 mg/L).^{Note de bas de page 20} Lors d'une enquête faite en Nouvelle-Écosse en 1989 sur les réserves d'eau des municipalités, la concentration moyenne de sulfates était de 12,1 mg/L (N=102) dans les réserves traitées et de 15,0 mg/L (N=87) dans les réserves brutes; un maximum de 79,0 mg/L fut noté.^{Note de bas de page 21} L'inspection de 17 réserves d'eaux municipales en Ontario en 1985 et en 1986 a montré que la concentration moyenne de sulfates dans les eaux non traitées était de 12,5 mg/L, mais qu'elle augmentait à 22,5 mg/L après le traitement; une concentration maximale de 83,6 mg/L fut notée dans le réseau de distribution d'une usine d'épuration de l'eau où la concentration de sulfates avant le traitement n'était que de 1,9 mg/L.^{Note de bas de page 14}

L'eau de mer contient quelque 2 700 mg de sulfate par litre^{Note de bas de page 22} et l'on estime que les embruns marins ajoutent 1,7 million de tonnes de sulfates chaque année dans l'atmosphère canadienne.^{Note de bas de page 13} D'après des estimations, les sources anthropiques canadiennes, comme la fonte des métaux de base, le traitement des gaz acides et la combustion de carburants, libèrent 3,0 millions de tonnes de sulfates dans l'atmosphère, et le transport transfrontalier à partir de 20 localités principales du Nord des États-Unis, un autre 3,4 millions de tonnes.^{Note de bas de page 13}

La teneur de l'air en sulfates a été suivie de près dans un certain nombre de localités canadiennes. Une étude temporelle entreprise à Edmonton en 1978 et 1979 a montré que la concentration moyenne dans l'air était 2,1 ± 1,1 µg/m³ (N=15, plage de 0,3 à 4,1 µg/m³), la valeur la plus faible étant enregistrée en novembre (1,7 µg/m³) et la plus élevée, en juillet/août (2,7 µg/m³).^{Note de bas de page 10} Durant l'hiver 1983-1984, une concentration de sulfates de 0,72 µg/m³ fut mesurée à Portage la Prairie, au Manitoba, et une concentration de 2,75 µg/m³, à Tillsonburg, en Ontario.^{Note de bas de page 23} La concentration moyenne de sulfates enregistrée dans l'air à 52 stations de l'Ontario durant 1985 fut 7,0 ± 1,7 µg/m³, avec une plage totale allant de 3,0 à 12,6 µg/m³.^{Note de bas de page 24} Lors d'une étude récente sur la concentration de sulfates effectuée dans 31 endroits, pour la plupart urbains, dans l'ensemble du Canada entre 1984 et 1993, la concentration moyenne (N=8 123) variait de 1,6 µg/m³(Edmonton) à 6,3 µg/m³ (Windsor); un maximum de 41,5 µg/m³ fut enregistré à Windsor.^{Note de bas de page 25} Les données indiquent aussi que la concentration moyenne de sulfates est presque deux fois plus élevée dans l'Est que dans l'Ouest du Canada. Lors d'une enquête effectuée dans l'ensemble des États-Unis, la concentration de sulfates de 23 664 échantillons d'air ambiant prélevés à 405 postes durant la période allant de 1976 à 1981 variait entre 0,5 et 228,4 µg/m³, la moyenne variant dans chaque ville de 0,82 à 31,49 µg/m³.^{Note de bas de page 26}

Aucune donnée ne fut relevée sur la teneur en sulfates des produits alimentaires; toutefois, on se sert tant de sulfites que de sulfates comme agents de raffermissement et de préservation dans l'industrie de l'alimentation.^{Note de bas de page 27 Note de bas de page 28} Les sulfures présents dans les aliments peuvent aussi être en partie oxydés en sulfates dans le tractus gastro-intestinal.^{Note de bas de page 29}

Exposition des Canadiens

On n'a repéré aucune donnée concernant les quantités de sulfates absorbées chaque jour par les Canadiens. Il existe des tables de l'apport alimentaire possible en divers composés de type sulfate servant d'additifs dans les aliments aux États-Unis. Des estimations faites à partir de ces données, en fonction des indices de consommation alimentaire et des emplois signalés de sulfates comme additifs, indiquent que ces substances fournissent aux Américains un apport quotidien moyen de 453 mg de sulfates.^{Note de bas de page 30 Note de bas de page 31} Chez les adultes, l'apport alimentaire quotidien moyen de soufre est estimé à 930 mg, d'après des enquêtes sur l'alimentation et des données sur la composition des aliments, et à 1 100 mg d'après l'hypothèse que la teneur en soufre des aliments vient des protéines et qu'elle est directement liée à la teneur en azote.^{Note de bas de page 32}

Dans l'hypothèse d'une consommation quotidienne d'eau potable de 1,5 L et d'une concentration de sulfates dans l'eau potable de 22,5 mg/L (concentration moyenne trouvée dans l'eau potable lors de l'étude faite en Ontario),^{Note de bas de page 14} l'apport quotidien de sulfates dû à cette source serait inférieur à 35 mg. Cependant, dans les régions où la teneur de l'eau potable en sulfates est beaucoup plus élevée (p. ex. en Saskatchewan),^{Note de bas de page 19} l'apport quotidien ayant cette origine pourrait dépasser 3 000 mg.

Dans l'hypothèse d'une concentration atmosphéri-que de sulfates de 0,006 mg/m³ dans l'Est et de 0,002 mg/m³ dans l'Ouest du Canada,^{Note de bas de page 25} et d'un volume respiratoire quotidien de 20 m³ d'air, un adulte serait exposé quotidiennement, par inhalation, à 0,1 mg de sulfates dans l'Est et à 0,04 mg dans l'Ouest du Canada.

L'apport quotidien moyen de sulfate dû à l'eau potable, à l'air et aux aliments est donc de 500 mg à peu près, les aliments étant ici la principale source. Cependant, dans les régions, comme la Saskatchewan, où les réserves d'eau potable ont une teneur élevée en sulfates, l'eau potable peut constituer la principale source de l'apport.

Méthodes d'analyse et techniques de traitement

Il est possible de doser les sulfates en solution aqueuse par chromatographie ionique avec un détecteur conductimétrique; la limite de détection de cette méthode est environ 0,05 mg/L.^{Note de bas de page 33} Comme les sulfates sont très solubles et relativement stables dans l'eau, on ne peut pas les éliminer efficacement par les procédés classiques d'épuration de l'eau. Il est cependant possible de réduire, voire d'éliminer l'addition de produits chimiques contenant des sulfates durant l'épuration de l'eau.^{Note de bas de page 34} En général, seules les techniques de déminéralisation sont efficaces pour éliminer les sulfates.^{Note de bas de page 35}

Effets sur la santé

Besoins essentiels

Aucun symptôme de déficience en sulfates n'a été signalé chez l'humain. On n'a proposé aucun apport alimentaire optimum de sulfates inorganiques, surtout parce que la cystéine et la méthionine contenues dans les protéines peuvent être oxydées en sulfates.

Absorption, distribution et excrétion

Lors d'une étude réalisée chez sept volontaires, on a trouvé qu'une proportion d'au moins 30 % environ d'une dose de 13,9 g de sulfate de magnésium heptahydraté radioactif administrée par voie orale était récupérée dans les urines dans les 24 heures.^{Note de bas de page 36} Lors d'une étude semblable, au cours de laquelle cinq hommes en santé absorbèrent 18,1 g de sulfate de sodium décahydraté, la dose était récupérée à 43,5 % dans les urines dans les 24 heures.^{Note de bas de page 37} La dose alimentaire de sulfates de calcium ou de magnésium administrée à des rats mâles adultes Wistar était absorbée à 73 % environ.^{Note de bas de page 38} Mais la quantité ingérée, la nature du contre-anion et la présence de certaines composantes alimentaires influent sur l'absorption des sulfates.^{Note de bas de page 38} Les faibles doses sont généralement bien absorbées; cependant, quand la dose augmente (comme, par exemple, pour provoquer une purgation), la capacité d'absorption est probablement dépassée et une bonne partie de la dose est excrétée dans les selles.

La teneur sérique en sulfates va chez l'humain de 1,4 à 4,8 mg/100 mL, la moyenne étant environ de 3,1 mg/100 mL. Les sulfates sont présents dans tous les tissus organiques; les concentrations les plus élevées se rencontrent dans les tissus conjonctifs, sous forme de chondroïtine-sulfate,^{Note de bas de page 39 Note de bas de page 40} et dans les régions qui participent activement au métabolisme de la formation des os et des dents. On a fait l'hypothèse de la participation de polysaccharides protéiques sulfatés dans la régulation du développement des os.^{Note de bas de page 41}

Les excédents de sulfate sanguin sont rapidement éliminés par excrétion dans les urines,^{Note de bas de page 42 Note de bas de page 43} mais une partie peut être excrétée dans la bile^{Note de bas de page 44 Note de bas de page 45} et le fluide pancréatique;^{Note de bas de page 44} par ailleurs, il peut se produire une certaine réabsorption dans le tube urinifère proximal,^{Note de bas de page 46} en particulier quand les quantités de sulfates ingérées sont assez grandes pour saturer les sites de réabsorption tubulaire.^{Note de bas de page 47} Chez l'humain, environ 800 mg de soufre élémentaire sont éliminés chaque jour dans les urines, en comparaison de 140 mg dans les selles.^{Note de bas de page 32} À peu près 85 % du soufre urinaire consiste en sulfates inorgani-ques et un autre 10 % en sulfates organiques : le reste est excrété sous forme de sulfates d'alkyles conjugués.^{Note de bas de page 48} Chez l'humain, l'excrétion des sulfates se fait habituellement à raison de 0,20 à 0,25 mmol/kg p.c./j,^{Note de bas de page 49} mais la vitesse d'excrétion est beaucoup plus rapide par rapport au poids chez les enfants.

Effets nocifs

L'ion sulfate est l'un des anions les moins toxiques. La dose létale chez l'humain est de 45 g sous forme de sulfate de potassium ou de zinc. La dose létale minimale de sulfate de magnésium signalée chez des mammifères est 200 mg/kg.^{Note de bas de page 50}

Les doses de sulfates de 1 000 à 2 000 mg (de 14 à 29 mg/kg p.c.) ont, chez l'humain, un effet cathartique entraînant la purgation du tube digestif.^{Note de bas de page 8} L'eau ayant une concentration de sulfate de magnésium de 1 000 mg/L a un effet purgatif chez l'humain normal, mais les concentrations inférieures sont apparemment sans danger physiologique pour la population en général.^{Note de bas de page 8 Note de bas de page 50} On a signalé que l'humain peut, avec le temps, s'adapter à des concentrations plus élevées.^{Note de bas de page 51} On a aussi signalé que la déshydratation est un effet secondaire fréquent de l'ingestion de grandes quantités de sulfate de magnésium ou de sodium.^{Note de bas de page 52}

Lors d'études à court terme (28 jours), des porcelets fraîchement sevrés consommant de l'eau potable ayant une teneur en sulfates de 3 000 mg/L ne présentaient aucun effet nocif sinon une diarrhée.^{Note de bas de page 53} Le bétail peut tolérer une eau potable dont la concentration de sulfate de sodium atteint 2 610 ppm (l'équivalent de 527 mg/kg p.c./j) pendant des périodes allant jusqu'à 90 jours sans signes de toxicité si ce n'est des change-ments des niveaux de méthémoglobine et de sulfhémoglobine.^{Note de bas de page 54} Cependant, 69 veaux d'un an sur 200, dont 22 moururent par la suite, furent atteint de polioencéphalomalacie après ingestion d'un supplément protéique contenant 1,5 % de sulfates organiques et de l'eau potable ayant une teneur en sulfates de 1 814 ppm.^{Note de bas de page 55}

Autres considérations

Le seuil gustatif des sulfates (sels) les plus communs va de 250 à 500 mg/L (moyenne 350 mg/L) pour le sulfate de sodium, de 250 à 900 mg/L (moyenne 525 mg/L) pour le sulfate de calcium et de 400 à 600 mg/L (moyenne 525 mg/L) pour le sulfate de magnésium.^{Note de bas de page 35} La concentration à laquelle 50 % des membres d'un groupe d'experts jugeaient que l'eau avait un «goût déplaisant» était à peu près 1 000 et 850 mg/L pour le sulfate de calcium et le sulfate de magnésium, respectivement.^{Note de bas de page 56}

Les sulfates peuvent nuire à la désinfection de l'eau en piégeant le chlore résiduel dans les réseaux de distribution.^{Note de bas de page 57} La présence de sulfates (sels) dans l'eau pourrait favoriser la corrosion de l'acier doux dans les systèmes d'alimentation.^{Note de bas de page 58} Les bactéries sulfatoréduc-trices peuvent jouer un rôle dans la tuberculisation des tuyaux métalliques. Le sulfure d'hydrogène produit par ces bactéries peut réduire la qualité esthétique de l'eau en lui donnant une odeur et un goût déplaisants, et accélérer la corrosion des tuyaux de métal et de béton.^{Note de bas de page 59 Note de bas de page 60}

Justification

1. Les principaux effets physiologiques provoqués par l'ingestion de grandes quantités de sulfates sont la purgation et l'irritation gastro-intestinale. Les eaux ayant des teneurs en sulfate de magnésium supérieures à 1 000 mg/L ont un effet purgatif chez les adultes. Des concentrations plus faibles peuvent agir sur les bébés nourris à la bouteille et sur les adultes qui n'ont pas l'habitude d'une eau sulfatée.
2. La présence de sulfates dans l'eau potable peut aussi donner à celle-ci un goût perceptible. Le seuil gustatif des divers sulfates (sels) semble être égal ou supérieur à 500 mg/L pour la population en général, mais les personnes sensibles peuvent trouver un goût déplaisant à une eau ayant une teneur moins élevée en sulfates.
3. L'objectif fixé à des fins esthétiques pour les sulfates est donc ≤500 mg/L. Vu la possibilité d'effets physiologiques nocifs à une concentration plus élevée, il est aussi recommandé d'avertir les autorités compétentes si la concentration de sulfates d'une source d'eau potable dépasse 500 mg/L.

Références bibliographiques