Auteurs(es) : Sandrine Breton – Guillaume Desmarais-Fyfe – Olivier Langlois – Sandrine Tremblay
Les éléments de terres rares sont des métaux qui suscitent autant l’intérêt des développeurs de nouvelles technologies que de la communauté scientifique. Leurs qualités physico-chimiques hors pair font d’eux des candidats de choix pour le développement de technologies modernes. Cependant, la demande grandissante et les divers projets miniers d’exploration au Canada inquiètent les experts en santé environnementale. Il suffit de penser à la découverte du pétrole ! Elle a donné lieu à une surexploitation hallucinante et a entraîné de graves répercussions sur les milieux naturels. L’exploitation des éléments de terres rares reviendrait-elle à répéter ces erreurs faites dans le passé?
Qu’est-ce que les éléments de terres rares ?
Avez-vous déjà entendu parler des éléments de terres rares ? Probablement pas… mais ils sont tout autour de vous ! Les éléments de terres rares, aussi appelés « terres rares », sont des métaux faisant partie d’un groupe d’éléments du tableau périodique qui sont étudiés depuis peu de temps par les scientifiques. Nous comptons 17 éléments de terres rares, dont 15 qui sont nommés les lanthanides. Le Scandium et l’Yttrium sont également considérés comme étant des terres rares, puisqu’ils possèdent des caractéristiques très similaires aux lanthanides. Les terres rares sont divisées en deux groupes, les légers et les lourds, en fonction de leur densité. Les légers sont les plus abondants et les plus exploités. En ce qui concerne les lourds, la Chine possède le quasi-monopole de leur production. Ce pays est d’ailleurs le plus grand producteur de terres rares au monde. Le Canada est, de son côté, considéré comme l’une des plus grandes réserves de ces ressources.
Certains sont très abondants dans la croûte terrestre, donc pourquoi les qualifier de « rares » ? Effectivement, ces éléments ne sont pas rares en termes de présence dans le sol, car ils sont retrouvés partout dans le monde. Peut-être pourriez-vous même en retrouver sous votre terrain ! Cependant, ils sont difficiles à extraire du sol puisqu’ils sont retrouvés en concentrations faibles dans les gisements et, surtout, mélangés ou agglomérés à d’autres minéraux : leur séparation requiert donc des méthodes complexes et coûteuses.
Les éléments de terres rares sont utilisés depuis les années 1950 dans de multiples domaines, comme le raffinage du pétrole et la production de céramiques ou de verre. Leur utilisation la plus importante se voit dans la production des aimants permanents. Ces aimants sont retrouvés dans les technologies modernes comme les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les automobiles électriques, puisqu’ils possèdent des propriétés physico-chimiques très particulières. On emploie aussi les terres rares dans le domaine de l’agriculture, plus précisément dans la production d’engrais.
Les effets de l’utilisation d’éléments de terres rares ne sont étudiés que depuis récemment. Plusieurs études sont en cours afin d’approfondir nos connaissances sur les défis financiers, techniques et surtout environnementaux que peuvent impliquer leur exploitation. En effet, les risques, autant pour l’homme que pour les autres vivants et leur habitat, ne doivent pas être ignorés.
L’exploitation, une histoire de pollution
L’exploitation des terres rares a connu son premier élan dans les années 1950 dans la mine « The Mountain Pass », en Californie. Après quelques années de fonctionnement, la mine a dû fermer à cause des énormes quantités de pollution émises, qui entravaient les mesures environnementales. Dans les années 1970, la France a également participé à l’exploitation de ces éléments de terres rares, mais a été obligée de l’arrêter pour les mêmes raisons que la Californie. C’est ainsi que la Chine, dans les années 1990, a pu prendre le monopole de la production des terres rares.
La Chine est devenue le pays ayant les plus grands taux d’exploitation de terres rares, fournissant les autres pays à petits prix. Néanmoins, en 2005, ce pays a commencé à émettre certaines restrictions par rapport à leur exportation, afin de pouvoir fabriquer des produits à l’intérieur de ses frontières. La Chine a également augmenté ses prix d’exportation, puisqu’elle contrôle l’offre. Par exemple, le prix du Néodyme, un des éléments de terres rares, était de 14$ US/kg en 2009, mais a connu un pic à 318$ US/kg en 2012.
Les terres rares sont de plus en plus utilisées et il a été suggéré que d’ici 2025, la demande pourrait augmenter jusqu’à 2 600%. Face à cette importante augmentation de la demande en vue, le Canada veut donc débuter sa propre exploitation de terres rares. En 2014, il était possible de compter environ 200 projets d’exploration minière au Canada, dont plusieurs au Québec. Les mines au Canada ne sont pas encore en fonction, mais il a été possible d’estimer la réserve en éléments de terres rares à plus de 15 millions de tonnes, soit environ 2 millions de tonnes de plus qu’aux États-Unis. C’est pourquoi le Canada pourrait devenir un grand compétiteur s’il utilisait son propre potentiel de ressources. Toutefois, les terres rares sont très difficiles à extraire, particulièrement au Canada, puisqu’elles sont emprisonnées dans des minerais plus compliqués à traiter.
De ce fait, l’enjeu écologique est d’autant plus important. L’extraction, la séparation et le raffinage des terres rares impliquent d’importantes quantités de matériaux chimiques, qui génèrent d’énormes quantités de gaz résiduaires, d’eaux usées, ainsi que des déchets radioactifs. Le Canada doit donc se pencher sur toutes les potentielles conséquences que peut engendrer cette pollution, afin de ne pas se voir vite confronté aux mêmes problèmes que certaines provinces de la Chine…
Les villages du Cancer
La production d’éléments de terres rares en Chine entraîne des conséquences désastreuses sur la vie des habitants du pays . À Fujian, une province côtière, on retrouve près d’une cinquantaine de sites miniers. Ces sites, où les eaux et les sols sont contaminés par les déchets de l’exploitation des terres rares, sont souvent situés à proximité de villages. Fujian possède également une importante production agricole, soit un sixième de la production de tout le pays. Étant donnée la pollution intense, c’est sans surprise que l’on retrouve de grandes quantités de terres rares dans l’assiette d’une grande proportion de Chinois. L’inhalation de poussières atmosphériques, contenant environ 60% d’éléments de terres rares, est aussi une importante source de contamination.
Certains villages de provinces comme Fujian et Jiangxi ont même été rebaptisés « villages du cancer ». Les terres rares s’accumulent dans les os, dans le sang et dans le cerveau des résidents, ce qui entraîne énormément de problèmes de santé. En effet, une exposition chronique à ces métaux et leurs déchets d’exploitation sont reliés à une augmentation de l’incidence des cancers, notamment celui du poumon. Les travailleurs miniers sont certainement les plus à risque. En effet, différents types d’acides forts sont utilisés pour extraire les éléments de terres rares des minerais, générant des déchets fortement toxiques. De plus, les minerais contiennent naturellement des éléments radioactifs, qui sont extraits involontairement mais se retrouvent néanmoins dans l’environnement. Encore aujourd’hui, certains mineurs travaillent sans protection contre ces sous-produits néfastes.
Pour ces villages, il est donc presqu’impossible d’éviter les problèmes de santé reliés à une exposition chronique aux terres rares, étant donnée leur omniprésence dans l’environnement.
Le Saviez-vous ?
Un cancer se forme à la suite de dommages ou d’altérations dans l’ADN, qui peuvent être causés par divers agents tels que les rayons UV, le tabac et les déchets radioactifs. Certains gènes, qui sont des segments d’ADN, dirigent un cycle cellulaire finement régulé qui indique à la cellule quand se diviser et quand se multiplier. Normalement, le corps essaie de réparer l’ADN endommagé, mais si ce n’est pas possible, un programme de mort cellulaire est enclenché; l’apoptose. Une des particularités des cellules cancéreuses est leur capacité à échapper à l’apoptose. En plus de ne pas mourir, ces cellules se divisent de façon incontrôlée, pouvant ainsi former une tumeur. Attention ! Une tumeur n’est pas nécessairement un cancer. Il existe des tumeurs dites bénignes, qui prennent peu d’expansion, alors que les tumeurs dites malignes prennent davantage d’expansion. En effet, la tumeur maligne peut grossir de plus en plus en se nourrissant grâce aux vaisseaux sanguins voisins et peut même, à un certain moment, fabriquer de nouveaux vaisseaux sanguins pour son propre développement. Lorsque celle-ci devient trop grosse et qu’elle pousse sur un autre tissu, les cellules peuvent envahir ce tissu voisin. Plus tard dans l’évolution de la maladie, les cellules cancéreuses peuvent voyager par le biais de la circulation sanguine et/ou lymphatique et se propager dans d’autres organes : c’est ce qu’on appelle des métastases.
Des métaux dans l’eau
Les terres rares ont de plus en plus d’applications médicales, surtout dans le domaine de l’imagerie,. Par exemple, les agents contrastants à base de Gadolinium (Gd), un élément de terres rares, peuvent être injectés de façon intraveineuse (à dose non-toxique, bien sûr) lors d’une résonance magnétique, dans le but d’obtenir des images claires des structures à visualiser. Après l’injection, le corps filtre le Gadolinium par les reins, puis l’excrète dans l’urine. L’urine se retrouve toutefois ensuite dans les eaux usées, puis dans les cours d’eau. Entre 22 et 66 tonnes de Gadolinium sont utilisées mondialement dans le domaine médical chaque année et, puisque les rejets ne sont pas réglementés, ils se retrouvent dans l’environnement.
L’eau d’un lac ou d’un fleuve peut sembler être seulement… de l’eau. Cependant, cette eau est beaucoup plus que ce que l’on voit! Elle contient, entre autres, des particules, de la matière organique et un pH spécifique. Les contaminants, comme le Gadolinium, sont influencés par tous ces éléments. Selon Marc Amyot, professeur en sciences biologiques à l’Université de Montréal et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en écotoxicologie, les terres rares sont rarement retrouvées seules dans l’eau, ils tendent à s’associer à la matière organique. « Dans notre labo ce qu’on a beaucoup regardé c’est le carbone organique dissous, ce qui colore l’eau. En général on trouve de très fortes associations lorsqu’on regarde nos données à travers le fleuve Saint-Laurent et ses tributaires ». Ces associations font précipiter les terres rares au fond de l’eau. Ce sont donc les organismes retrouvés dans les sédiments qui entrent le plus souvent en contact avec ces derniers. « En général, on va voir que les invertébrés associés aux sédiments risquent d’être […] les plus à risque au niveau de la bioaccumulation », évoque M. Amyot.
La bioaccumulation est la capacité d’un organisme à accumuler un contaminant. La bioamplification, quant à elle, se produit lorsque les concentrations d’un contaminant augmentent quand on monte la chaîne alimentaire : le plancton au bas de la chaîne alimentaire contient un contaminant, ce plancton est mangé par un poisson et le poisson est mangé par un humain qui va alors accumuler une grande quantité du contaminant. Un exemple de bioamplification commun est celui observé avec le méthylmercure retrouvé dans le poisson de consommation, dont vous avez probablement déjà entendu parler. Néanmoins, dans le cas des terres rares, c’est l’inverse qui est observé. « Comme plusieurs métaux, il y a plus un effet de biomignification trophique, c’est-à-dire que plus on va haut dans le réseau alimentaire, moins les concentrations sont élevées », affirme Marc Amyot.
On retrouve peut-être moins de terres rares chez les poissons que les invertébrés dans les sédiments, mais cela ne veut pas dire qu’ils sont moins affectés… « Au niveau des poissons, il va y avoir beaucoup moins de terres rares assimilées, mais [elles] vont se retrouver dans des fractions subcellulaires sensibles », dit M. Amyot. Les fractions dites « sensibles » sont des parties dans la cellule, comme les mitochondries, dans lesquelles le contaminant peut entraîner des effets toxiques, lorsqu’il s’y accumule. De ce fait, même si les poissons accumulent moins de terres rares, ils risquent tout de même de subir des effets néfastes puisqu’ils sont sensibles à leur présence.
Donc si les terres rares peuvent être toxiques, savons-nous à quelles concentrations elles le deviennent ? Claude Fortin, professeur au Centre Eau Terre Environnement de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), explique que l’information sur cette question reste manquante: « Il y a très peu de données toxicologiques. Le Fédéral et le Provincial doivent développer des critères pour les eaux de surface ». Les recherches en cours, menées par plusieurs laboratoires, tentent de mieux comprendre le comportement des terres rares dans les écosystèmes afin de pouvoir établir des lignes directrices sur les seuils maximums qui doivent être retrouvés dans notre environnement.
Tout est une question de balance
Nous savons que les terres rares peuvent s’accumuler dans les fractions sensibles des cellules, engendrant des effets toxiques. Mais qu’est-ce que nous connaissons de plus de leur potentiel toxique ?
Il est connu que les terres rares agissent sur la balance oxydative. En interagissant avec diverses composantes d’une cellule, particulièrement les enzymes, les terres rares vont générer soit des antioxydants, des molécules comme les anthocyanes retrouvées dans les bleuets, ou des pro-oxydants, retrouvés dans la fumée de cigarette. Cette balance, ou équilibre, est une sorte de combat entre les pro-oxydants et antioxydants. Elle peut être affectée positivement ou négativement par les terres rares.
Certains éléments de terres rares comme le Néodyme ou le Lanthane vont générer des pro-oxydants, qui, eux, produisent des radicaux libres. Ces derniers sont des molécules ayant la capacité de détruire les membranes cellulaires, ce qui leur permettrait ensuite d’avoir accès à l’ADN de la cellule et de l’endommager. En revanche, d’autres éléments de terres rares génèrent des antioxydants. Ceci procure un effet de protection à la cellule contre les pro-oxydants, car le rôle des antioxydants est de les neutraliser. Quelques terres rares, comme le Lanthane, peuvent générer les deux types de molécules, et cela se produit lorsqu’il y a différentes concentrations d’un même élément dans la cellule. C’est ce qu’on appelle le phénomène d’hormèse. Par exemple, chez les plantes, lorsque le Lanthane est présent à petites doses, il aide la plante à grandir plus vite en stimulant la production d’antioxydants. Cependant, en grandes doses, cet élément entraînera des effets pro-oxydants trop grands pour être neutralisé par les antioxydants, ce qui va retarder la croissance de la plante. Vous avez probablement déjà entendu parler des propriétés antioxydantes que peut offrir une coupe de vin rouge. À l’inverse, boire une bouteille de vin par jour, ce n’est pas bon pour la santé.
50 nuances de vert
En plus d’être essentiels à la production de ces bidules électroniques, les terres rares sont utilisées dans nos efforts pour transformer certaines technologies en technologies dites « vertes », afin de contrer le problème mondial de pollution auquel nous faisons face. La surconsommation humaine n’est plus un secret pour qui que ce soit. Les avancées technologiques se font de plus en plus puissantes, rapides et impressionnantes. Parmi celles-ci se trouvent les ordinateurs portables, les télévisions et les téléphones cellulaires, qui deviennent plus performants d’années en années et, surtout, primordiaux pour l’humain. Les éléments de terres rares sont utilisés afin de produire les écrans, ainsi que les batteries rechargeables dans ce genre d’appareils.
En effet, ils sont utilisés dans la production d’éoliennes, d’ampoules DEL ou de voitures hybrides et électriques, par exemple. Ces technologies sont destinées à remplacer celles qui polluent, comme les voitures à essence. Mais à quel point ces technologies sont-elles réellement vertes ? Selon M. Amyot, il est difficile d’obtenir une réponse exacte à cette question, car selon lui, « les technologies vertes sont vertes pendant qu’on les conçoit et qu’on les pense vertes avant de se rendre compte qu’elles ne le sont pas ». Le résultat de l’utilisation finale de ces technologies semble être bénéfique pour l’environnement, mais ce résultat n’est pas la seule valeur environnementale qui doit être prise en compte.
« Créer des batteries où l’on met beaucoup de terres rares cause une hausse de l’exploitation minière avec tout ce qui vient avec. Il faut voir le processus comme un cycle de vie de ce que l’on produit. Lorsque l’on produit des éoliennes dans le but de réduire les gaz à effets de serre, il faut comptabiliser toutes les retombées que l’éolienne aura causées depuis sa production jusqu’à la fin »
Marc Amyot
L’après-utilisation de ces technologies, qui se retrouvent dans les dépotoirs, doit bien sûr aussi être considérée. Selon l’étude de thèse de Céline Bonnaud faite en 2016 sur le recyclage des aimants permanents, seulement 1% des éléments de terres rares étaient recyclés en 2011. Plusieurs études sont aujourd’hui menées afin de valoriser le recyclage des terres rares. Les produits qui sont les plus intéressants et simples à recycler semblent être les aimants retrouvés dans les turbines d’éoliennes et les voitures hybrides ou électriques, puisqu’ils sont entiers et faciles à isoler. Pour ce faire, des méthodes comme la réutilisation directe ou la décrépitation à l’hydrogène, qui consomment peu d’énergie et ne produisent pas de déchets, semblent environnementalement prometteuses. La décrépitation à l’hydrogène consiste à transformer les aimants en poudre en y introduisant de l’hydrogène qui crée de petites fissures, affaiblit et « brise » l’aimant. L’utilisation des terres rares est relativement récente, et le développement de filières de recyclage, un long procédé qui commence tout juste à être abordé. Il serait primordial d’avoir un procédé de recyclage établi, car ces déchets pourraient être un grand risque pour l’environnement aquatique, notamment. « D’un point de vue déchets, c’est quelque chose qui risque de venir avec le temps. C’est au fur et à mesure que nos écrans plasma et autres bidules électroniques se retrouvent dans les décharges que ces éléments peuvent être lixiviés et se retrouver dans l’environnement. », dit Claude Fortin.
Il en reste encore à découvrir…
Serions-nous alors déjà dépendants de ces métaux ? Certes, les avancées technologiques qu’ils permettent d’atteindre sont intéressantes, mais à quel coût ? Les terres rares entraînent des effets toxiques connus, mais leur comportement dans les organismes est peu compris par les chercheurs… Le marché des terres rares explosera-t-il avant que la communauté scientifique ne puisse trouver des réponses ?
Le Point Biologique 
This was very well written and I gained a lot more knowledge on the subject than I expected. Keep up the great work!
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Wow quel bel article! Je n’avais aucune idée que les éléments traces rares se trouvaient dans nos cellulaires, très intéressant !
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Très intéressant! Digne du Pulitzer! Très fier de toi mon Oli !!!!
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Superbe travail de recherche et d’écriture. Vraiment intéressant comme sujet. Votre style d’écriture est fluide et accessible.
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