Multi-isotopic tracing of historical mining pollution in European environmental archives and their impact on the population
Traçage multi-isotopique des pollutions minières historiques dans des archives environnementales européennes et de leur impact sur les populations
Résumé
Metal pollution is a major health problem whose origins predate industrialization. Environmental and physiological levels of lead (Pb) exposure in the population are a global public health concern, because exposure even at low levels, can have complex and serious effects on health, including developmental delays, cancers, metabolic disorders, and even death.Lead (Pb) had considerable industrial importance in the Roman world and was used for the development of urban centers, particularly in the production of lead pipes (i.e., fistulae) for urban freshwater supply. Other applications included the manufacture of ordinary objects like household and cooking utensils, and its use as an ingredient in food, cosmetics, and medicine. Once processed and transformed into ingots, Pb was shipped to several metallurgical centers in the Roman world, such as the city of Vienna (Vienne, France) for the manufacture of Pb artifacts.First, we studied the provenance of the lead used for the production of Pb artifacts at the Roman capital of Vienna. We analyzed the Pb isotope composition of twenty-two Roman artifacts as well as twenty-nine galena ores collected from 9 local mining areas and compared them to end-members (ores) derived from a new database using a newly developed algorithm that takes into account the three-dimensional space of Pb isotope compositions. Our results suggest that that most of the lead used by the manufacturers at Vienna was of distant origin, with the most probable source attributed to the mines in the Rhenish massif, with local and regional mines appearing to be secondary in the composition of Pb production.Second, we studied the historical environmental exposure and health degradation of Vienna’s human population related to its Pb manufacturing industry. We innovatively combined the analysis of both the Pb and Cu isotope composition and multi-elemental concentrations of ancient human bones. Our results show negligible diagenetic perturbation on the bones, and higher Pb and Hg concentrations in bones of Roman compared to Post-Roman individuals, in agreement with historical chronology. The lack of correlations with gender and age suggests a widespread Pb contamination, likely linked to the use of lead artifacts (especially pipes) and high background atmospheric Hg levels. The Cu isotope ratios (new diagnostic tool to assess health degradation) were lower than those observed for a population not exposed to metallurgical pollution, suggesting a deterioration of health related to the negative consequence of human exposure to Pb.Diagenesis is a major issue when reconstructing past human exposure from the osteoarcheological record. Thus, we studied the reliability of archaeological human remains as archives of past environmental conditions in a highly contaminated medieval graveyard. We analyzed the multi-elemental composition of ancient human bones recovered from the medieval mining town of Brandes (Oisans, France) and from two towns located downhill of Brandes that were not involved in any mining activity. Our results show high elemental concentrations of essential and mining pollution elemental proxies in Brandes compared to the control sites. When the diagenetic effect is strong, the type of bone makes no big difference.This study supports the use of archaeological bones as environmental archives to reconstruct the metallic exposure of ancient human populations when metal pollution and the environmental background are low. Diagenesis must be systematically evaluated before trying to attempt any past reconstruction. This study reports, for the first time, the use of Cu isotope ratios to explore the potential physiological consequences of Pb exposure in ancient skeletal remains.
La pollution par les métaux est un problème de santé majeur. Les niveaux environnementaux et physiologiques d'exposition au plomb (Pb) dans la population constituent un problème mondial de santé publique, car l'exposition, même à de faibles niveaux, peut avoir des effets complexes et graves sur la santé.Le plomb (Pb) avait une importance industrielle considérable dans le monde romain et était utilisé pour le développement des centres urbains, en particulier dans la production de tuyaux en plomb (c'est-à-dire de fistules) pour l'approvisionnement en eau douce des villes. D'autres applications comprenaient la fabrication d'objets ordinaires tels que des ustensiles de cuisine, et son utilisation comme ingrédient dans l'alimentation, les cosmétiques et la médecine. Une fois traité et transformé en lingots, le Pb était expédié vers plusieurs centres métallurgiques du monde romain, comme la ville de Vienna (Vienne, France) pour la fabrication d'objets en Pb.On a étudié la provenance du plomb utilisé pour la production d'artefacts en Pb dans la capitale romaine de Vienne. On a analysé la composition isotopique en Pb de vingt-deux artefacts romains ainsi que de vingt-neuf minerais de galène collectés dans neuf zones minières locales et les a comparés avec une nouvelle base de données à l'aide d'un algorithme nouvellement développé qui prend en compte l'espace tridimensionnel des compositions isotopiques en Pb. Nos résultats suggèrent que la source du plomb la plus probable utilisé par les fabricants de Vienne était le massif rhénan, les mines locales et régionales apparaissant comme secondaires dans la composition de la production de Pb.On a étudié l'exposition environnementale historique et la dégradation de la santé de la population viennoise liée à l'industrie manufacturière du plomb, en combinant l'analyse de la composition isotopique du Pb et du Cu et des concentrations multiélémentaires d'anciens ossements humains. Nos résultats montrent des perturbations diagénétiques négligeables sur les os, et des concentrations de Pb et de Hg plus élevées dans les os des individus romains que dans ceux des individus post-romains, en accord avec la chronologie historique. L'absence de corrélation avec le sexe et l'âge suggère une contamination généralisée par le Pb, probablement liée à l'utilisation d'artefacts en plomb (les tuyaux) et des niveaux élevés de Hg dans l'atmosphère. Les rapports isotopiques du Cu (nouvel outil de diagnostic pour évaluer la dégradation de la santé) étaient inférieurs à ceux observés pour une population non exposée à la pollution métallurgique, ce qui suggère une détérioration de la santé liée aux conséquences négatives de l'exposition humaine au Pb.La diagenèse est un problème majeur lorsqu'il s'agit de reconstituer l'exposition humaine passée à partir des archives ostéoarchéologiques. On a étudié la fiabilité des restes humains archéologiques en tant qu'archives environnementales passées dans un cimetière médiéval hautement contaminé. On a analysé la composition multiélémentaire d'ossements humains anciens récupérés dans la ville minière médiévale de Brandes (Oisans, France) et dans deux villes situées en aval de Brandes qui n'étaient pas impliquées dans une activité minière. Nos résultats montrent des concentrations élémentaires élevées à Brandes par rapport aux sites de contrôle. Lorsque l'effet diagénétique est important, le type d'os ne fait pas de grande différence.Cette étude soutient l'utilisation des os archéologiques en tant qu'archives environnementales pour reconstituer l'exposition métallique des populations humaines anciennes lorsque la pollution et le fond geochimique sont faibles. La diagenèse doit être évaluée systématiquement avant d'essayer de reconstruire le passé. Cette étude rapporte, pour la première fois, l'utilisation des rapports isotopiques de Cu pour explorer les conséquences physiologiques potentielles de l'exposition au Pb dans les restes squelettiques anciens.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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