Quizz Clermont Innovation Week 2021 – Cendres et Santé (J. Eychenne et L. Sauzéat)

Vivre à proximité d’un volcan actif: Quels risques pour la santé et comment les évaluer ?

Attention, plusieurs réponses sont parfois possibles.

Il y a environ 1500 volcans actifs dans le monde, c’est-à-dire des volcans qui sont entrés en éruption au cours des 10 000 dernières années. Chaque année, il se produit en moyenne entre 50 et 70 éruptions volcaniques dans le monde.

Les plaques tectoniques se déplacent à des vitesses de quelques centimètres par an. Elles peuvent s’écarter, s’affronter ou coulisser les unes contre les autres. C’est ce qui explique que les limites de plaques tectoniques soient le lieu d’une activité sismique et volcanique intense, où se concentre la majorité des volcans. Il existe également du volcanisme intra-plaque à l’origine de volcans au milieu des continents et des océans, mais ces derniers sont moins nombreux.

Le magma représente le « liquide » stocké sous le volcan à l’origine des éruptions volcaniques. Quand ce magma atteint la surface, les volcans génèrent des coulées de lave (magma qui s’écoule à la surface), du gaz (qui s’est échappé du magma alors qu’il chemine sous le volcan), des panaches de cendres (fragments de magma solidifié) qui se dispersent dans l’air, et des nuées ardentes (écoulements chaud de gaz et de cendres) qui dévalent les pentes des volcans. Les lahars sont des coulées de boues qui se produisent sur les volcans, parfois en dehors de périodes d’activité éruptive. Il ne s’agit donc pas d’émissions volcaniques.

Les panaches de cendres interrompent le trafic aérien car les avions ne peuvent pas traverser un nuage de cendres sans subir des dommages sévères. Quand les cendres retombent au sol, elles peuvent provoquer l’effondrement des toits des bâtiments si leur quantité est importante. Même en faible quantité les cendres peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, du fait de leurs caractéristiques physiques (forme, taille) et chimiques. Les populations vivant dans un environnement volcanique sont exposées aux cendres volcaniques car elles se trouvent en suspension dans l’air, mais aussi parce qu’elles constituent les sols sur lesquels vivent les populations.

Les cendres ne provoquent pas d’incendie car elles ont refroidi avant d’atteindre le sol. Elles n’ensevelissent pas les villes comme le font les nuées ardentes. Elles peuvent provoquer une asphyxie de la végétation et contaminer les réseaux d’eau potable.

Dans certaines régions volcaniques (ex: Sicile, Azores, Caraïbes), un taux plus élevé de maladies respiratoires aigues non infectieuses (ex: bronchite, asthme) et de certains cancers (ex: thyroïde) a été documenté. Des irritations des yeux et de la gorge sont également décrites dans la majorité des populations exposées aux gaz et cendres volcaniques. Des lésions testiculaires pouvant induire des problèmes d’infertilité ont également été observées, mais seulement chez des souris sauvages et non chez l’humain. Une augmentation du taux de maladies neurodégénératives en milieu volcanique n’a jamais été mise en évidence.

En dehors des sources naturelles comme les volcans, les sources de particules fines dans l’air sont essentiellement anthropiques (ex: chauffage au bois, trafic routier, activités industrielles). La quantité de particules fines que nous inhalons chaque jour est donc très variable, et dépend de notre environnement de vie et de nos activités. Elle est de l’ordre d’une centaine de microgrammes (µg) par jour. Dans certaines villes où la pollution de l’air est importante, elle peut atteindre 1 milligramme par jour. On considère que l’air est pollué quand la concentration en particules fines dans l’air dépasse 50 µg/m3 (seuil préconisé par l’Organisation Mondiale de la Santé). En région volcanique, ce seuil de concentration en particules fines est dépassé plusieurs fois par an (voir figure), soit parce que des éruptions produisent des panaches de cendres, soit parce que les sols volcaniques, peu denses et constitués de cendres, sont remobilisés par les vents ou l’activité humaine.

Des données épidémiologiques (observations à l’échelle de populations exposées aux particules fines) et toxicologiques (études en laboratoire sur des modèles cellulaires ou animaux) permettent aujourd’hui d’identifier certains dérèglements engendrés par l’inhalation de particules fines à l’échelle de l’organisme (voir figure). Les particules fines n’obstruent pas les voies respiratoires au sens strict. Les dérèglements observés découlent d’une incapacité du système immunitaire à éliminer ces particules, qui peuvent s’accumuler dans les alvéoles, passer dans la circulation sanguine, ou déclencher une réaction inflammatoire chronique. Du fait de leur forme, de l’organisation du réseau atomique, et de leur composition chimique, les cendres volcaniques peuvent provoquer des dérèglements similaires, et peuvent aussi générer une lésion tissulaire appelée fibrose.

Le risque que les cendres volcaniques, et les particules fines en général, transmettent des maladies virales est faible (jamais démontré scientifiquement pour les cendres) comparé aux risques précédemment cités.

En moyenne, un être humain peut ingérer entre 3 et 300 g de particules de sols par an. Ces taux d’ingestion dépendent de plusieurs paramètres (ex: âge, temps et fréquence d’exposition, niveau de vie social, type d’habitat, nature du sol) et sont plus élevés chez les enfants et les populations vivant dans des habitats précaires. A noter qu’en milieu volcanique, les sols sont peu denses et facilement remobilisés par l’activité humaine, ce qui favorise l’ingestion de sols.

De par leur processus de formation, les sols volcaniques concentrent certains métaux comme le zinc (Zn), le cuivre (Cu), l’arsenic (As) et le cadmium (Cd). Les concentrations peuvent être jusqu’à 7 fois supérieures aux valeurs moyennes présentes dans les sols des régions non volcaniques comme observé pour le Cd.

Les métaux comme le cuivre (Cu) sont impliqués dans un grand nombre de protéines et d’enzymes régulant des réactions métaboliques essentielles au fonctionnement de l’organisme. Le cuivre est par exemple impliqué dans la synthèse de neurotransmetteurs qui assurent la transmission des messages nerveux entre les neurones. Il permet également d’assurer le maintien des fonctions cardiaques et de la coagulation sanguine. Tout dérèglement de la concentration en métaux dans l’organisme (excès ou déficit) représente un réel danger et est soupçonné de favoriser l’émergence de maladies neurodégénératives. De tels dérèglements favorisent également le développement de cancers et accélèrent le vieillissement de l’organisme.

Etudier les effets sanitaires des cendres volcaniques requiert d’adopter une méthodologie interdisciplinaire, qui combine des approches volcanologiques, chimiques, biologiques, épidémiologiques et sociologiques. Analyser les propriétés physiques et chimiques des cendres volcaniques, qui sont variables d’un environnement volcanique à un autre, est essentiel car ce sont-elles qui contrôlent leur réactivité biologique. Effectuer des expositions sur des individus est contraire aux règles d’éthiques qui régissent la recherche scientifique. Mais les populations vivant dans un environnement volcanique et naturellement exposées aux cendres font l’objet d’une surveillance épidémiologique pour identifier l’émergence de pathologies potentielles, et évaluer leur sur-incidence par rapport à des populations non exposées. Le traçage des cendres volcaniques dans l’organisme de ces individus naturellement exposés n’a jamais été réalisé, car cela nécessite des moyens logistiques et économiques substantiels, particulièrement difficiles à obtenir dans les régions du monde où le volcanisme est le plus intense.  L’identification des mécanismes biologiques engendrés par les cendres volcaniques lorsqu’elles sont inhalées ou ingérées se fait par des études in-vivo (exposition d’animaux) et in-vitro (exposition de souris) en laboratoire. Ces types de travaux sont aujourd’hui les plus robustes pour comprendre les processus cellulaires et moléculaires à l’origine de la toxicité des cendres volcaniques.

L’isotopie est une technique analytique qui repose sur la mesure des isotopes d’un même élément chimique. Par définition, deux isotopes sont deux atomes qui diffèrent de par leur configuration atomique (ils n’ont pas le même nombre de neutrons). Le cuivre a par exemple deux isotopes stables notés 63Cu (isotope léger) et 65Cu (isotope lourd). Ces deux isotopes ont des masses variables ce qui leur confèrent des propriétés physico-chimique différentes. Lors de dérèglements biologiques, un isotope sera préférentiellement enrichi dans une partie du corps (ex: sang, cellules cancéreuses) par rapport à d’autres. Cette localisation préférentielle est à l’origine de variations isotopiques. Récemment, la mesure de ces variations isotopiques a permis de mieux percevoir la complexité des mécanismes sous jacents du vieillissement et de certaines pathologies neurodégénératives. Leur mesure s’est également avérée prometteuse pour diagnostiquer des maladies comme les cancers. Une personne atteinte de cancer du sein aura par exemple des compositions isotopiques sanguines en cuivre plus faibles qu’une personne saine, ce qui s’explique par une accumulation préférentielle de l’isotope lourd du cuivre (65Cu) dans les cellules cancéreuses. En milieu volcanique, la mesure des compositions isotopiques sanguines des populations est une méthode en cours de développement qui pourrait permettre de prévenir l’émergence de maladies induites par une exposition chronique aux particules volcaniques riches en métaux.