Principaux polluants

En bref : Les polluants atmosphériques, d’origine naturelle ou anthropique, comprennent des substances émises directement (les polluants primaires) et d’autres issues de réactions chimiques ultérieures, sous l’action du soleil par exemple (les polluants secondaires).
Toutes ces molécules chimiques et particules diverses forment un véritable cocktail aux effets de plus en plus nocifs sur les êtres vivants, l’environnement et les matériaux.

Caracteristiques des polluants
Polluants primaires
Polluants secondaires

Caracteristiques des polluants

L’atmosphère contient une quantité variable de substances, gaz et aérosols, d’origine naturelle provenant de sources extrêmement diverses : poussières et gaz d’origine volcanique, poussières dues à l’érosion du sol, sels marins, produits des feux de forêts, poussières d’origine extraterrestre, produits d’origine végétale (terpènes, pollens, spores) ou animale (fermentation de bactéries, respiration), etc. Ces émissions d’origine naturelle peuvent difficilement être qualifiées de pollution. Elles sont néanmoins importantes dans la mesure où les quantités émises peuvent être si considérables qu’elles perturbent les cycles biologiques. D’autre part, elles peuvent s’ajouter ou réagir avec les polluants émis par les activités humaines. En fait, il n’existe pas un, mais plusieurs phénomènes de pollution atmosphérique, très difficiles à caractériser du fait de :
- la diversité des origines (naturelles ou anthropiques) ;
- la diversité des polluants qui peuvent former un « cocktail atmosphérique » dont la complexité rend l’identification de ses origines particulièrement délicate ;
- les nombreuses interactions susceptibles de se produire entre les divers polluants : l’addition de leurs effets, voire leur multiplication (par exemple entre le dioxyde de soufre et l’ozone) ;
- le nombre de sources éventuellement issues d’un même lieu ;
- l’ampleur possible des perturbations (de l’habitation à la planète) ;
- la diversité des localisations (zone urbaine, rurale, lieu public, lieu d’activité, habitation…) ;
- la nature des polluants (microbiens, antigéniques, chimiques ou physiques) ;
- leurs effets (inconfort, nuisances, nocivité aiguë voire chronique…).

Polluants primaires

Dioxyde de soufre (SO2)
Gaz toxique qui se transforme en anhydride sulfurique (SO3) en présence d’oxygène et en acide sulfurique (H2SO4) en présence d’eau.

 

Origine naturelle
En l’absence de toute pollution, l’atmosphère comporte une certaine quantité de composés soufrés : du SO2 mais aussi SO42- (sulfate) et H2S (sulfure d’hydrogène) issus essentiellement des volcans et de l’activité de fermentation anaérobie de certaines bactéries. On estime à 20 % les émissions totales de SO2 naturelles.

Les émissions naturelles de composés soufrés

Composé Source Émission annuelle moyenne
(106t de S)
Concentration moyenne dans l’air
SO2
H2S
SO4
Total
Volcanisme
Bactéries
Bactéries
28
57
160
245
0,07 à 0,14 ppb*
0,1 ppb
1,3 ppb
1,47 à 1,54 ppb
* 1 ppb = 1 partie par billion, au sens américain du terme
1 billion = 1 milliard = 1 milliardième = 10-9
Source : Ramade, F., Éléments d’écologie
 

Origine humaine (anthropique)
Le SO2 provient surtout des combustibles fossiles contenant du soufre (gaz naturel très soufré mais souvent désulfuré avant utilisation, charbons pouvant en contenir jusqu’à 8 %, pétroles bruts à teneur en soufre variable allant jusqu’à 3 %), ainsi que de certaines fabrications industrielles comme celle de l’acide sulfurique.

  Effets sur la santé
Irritant des muqueuses et de la peau.
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Effets sur les écosystèmes
Le SO2 qui pénètre dans les feuilles par les stomates, provoque des nécroses entre les nervures et une inhibition de la photosynthèse en raison de :
– l’augmentation de la perméabilité des membranes cellulaires et de la perte d’ions indispensables comme le potassium ;
– la substitution du dioxyde de carbone (CO2) par le SO2 dans la fixation photosynthétique ;
– l’inactivation d’enzymes indispensables.

La pollution chronique par le SO2 peut conduire à la disparition d’espèces sensibles comme le pin sylvestre, surtout dans les régions aux sols pauvres et acides. Elle perturbe également la floraison de certaines plantes (vigne, blé…) et diminue les rendements. Suivant les espèces, le feuillage jaunit progressivement à la suite d’un déficit en chlorophylle et vieillit précocement, entraînant sa chute prématurée. Le SO2, au contact de l’humidité de l’air, se transforme en acide sulfurique (H2SO4) et participe ainsi au phénomène des pluies acides, perturbant ainsi l’ensemble des écosystèmes concernés. Aspect positif : le SO2, à faible dose, compense les carences en soufre de certains végétaux

  Effets sur les matériaux
Le SO2 attaque les fibres textile et corrode certains métaux (fer, aluminium, cuivre, nickel). En se dissolvant dans l’eau des précipitations, il donne de l’acide sulfurique (H2SO4), agent principal de l’altération des calcaires (CaCO3) qu’il transforme en sulfate de calcium ou gypse (CaSO4) : CaCO3 + H2SO4 –> CaSO4 + H2CO3. Le gypse, très soluble dans l’eau, est facilement lessivé par les pluies, dont les passages successifs érodent chaque fois un peu plus la pierre : les façades exposées aux pluies battantes sont les plus détériorées. En l’absence de précipitations, elles absorbent directement le SO2, ce qui provoque une altération superficielle. Les toitures en zinc sont attaquées par l’acide sulfurique (H2SO4). Il se forme alors du sulfate de zinc qui se dissout dans l’eau de pluie.
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Oxydes d’azote (NOx)
Ils regroupent le monoxyde d’azote (NO), gaz incolore et le dioxyde d’azote (NO2), gaz roux et toxique. NO reste peu de temps dans l’air car il s’oxyde rapidement en NO2, lequel est prépondérant dans les atmosphères polluées.

 

Origine naturelle
Les oxydes d’azote sont produits par les microorganismes anaérobies du sol, les éclairs et le volcanisme.

Les émissions naturelles de composés azotés

Composé Source Émission annuelle moyenne
(10 puissance 6t de S)
Concentration moyenne dans l’air
NO et NO2

NH3
N2O
Total
Micro-organismes
Éclairs
Micro-organismes
Diverses

1 à 15
1 à 10
49 à 71
2 à 5
53 à 106

Air continental 0,1 ppb
air continental 0,01 ppb
3 ppb
3 ppb
3,01 à 3,1 ppb
* 1 ppb = 1 partie par billion, au sens américain du terme
1 billion = 1 milliard = 1 milliardième = 10-9
Source : Ramade, F., Éléments d’écologie
  Origine humaine (anthropique)
Les rejets d’oxydes d’azote ont deux origines :
– la combinaison de l’azote et de l’oxygène de l’air à des températures supérieures à 1 200 °C dans les foyers de combustion et les moteurs : oxyde d’azote « thermique » ;
– la présence d’azote dans les combustibles, faible dans le gaz et les fuels, plus élevée dans les combustibles solides.
  Effets sur la santé
Les NOx entraînent en particulier des irritations de l’appareil respiratoire, des crises d’asthme et des bronchiolites.
  Effets sur la végétation
Peu phytotoxique en lui-même, le NO2 peut cependant, lorsqu’il est présent de façon chronique, être responsable d’une diminution du rendement de certaines plantes cultivées. Se transformant en acide nitrique (HNO3) au contact de l’humidité de l’air, le NO2 participe également au phénomène des pluies acides.
  Effets sur les matériaux
Les oxydes d’azote interviennent très peu car ils sont peu solubles dans l’eau et l’acide nitrique (HNO3) n’apparaît presque pas en phase aqueuse ; son action éventuelle ne peut donc être que superficielle.
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  Effets sur l’environnement
Les oxydes d’azote contribuent au sureffet de serre.
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Monoxyde de carbone (CO)
Gaz inodore et incolore, le monoxyde de carbone (CO) a une densité très proche de celle de l’air qui lui confère un haut pouvoir de dispersion. Sa concentration dans l’air pur varie de 0,05 à 0,2 ppm, mais peut atteindre quelques ppm en zone urbaine sans trafic automobile important, voire quelques dizaines de ppm sur un site d’intense trafic.

  Origine naturelle
Les sources naturelles de CO sont nombreuses, principalement le volcanisme, les éclairs, les fermentations en milieu anaérobie, certains organismes marins (algues brunes), les incendies de forêts ou de savanes et surtout l’oxydation des terpènes volatils émis par les végétaux (production annuelle de 850 millions de tonnes de CO sur un total estimé à un milliard de tonnes par an).
  Origine humaine (anthropique)
Le CO se forme lors de combustions incomplètes en présence d’une quantité trop faible d’air, donc de dioxygène, par rapport au combustible. La principale source de monoxyde de carbone est le parc automobile dont les moteurs, mal réglés ou fonctionnant dans de mauvaises conditions, n’assurent qu’une combustion incomplète des hydrocarbures. Ces émissions de CO avoisineraient 100 millions de tonnes.
  Effets sur la santé
Le CO n’est pas un gaz irritant, mais il se fixe à la place du dioxygène sur l’hémoglobine du sang, conduisant à un manque d’oxygénation des organes (système nerveux en particulier) qui entraîne maux de tête, vertiges et, si l’exposition se prolonge, coma et mort.
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Dioxyde de carbone (CO2)
Le dioxyde de carbone CO2 ou gaz carbonique a une concentration dans l’air de 0,035 % en volume. Ce gaz possède la propriété d’absorber le rayonnement infrarouge vers la longueur d’onde de 15 µm environ.

  Origine naturelle
Le CO2 atmosphérique provient essentiellement de la respiration ou de la fermentation des êtres vivants, de la précipitation des carbonates dans les océans, de l’altération des silicates sur les continents et du volcanisme.
  Origine humaine (anthropique)
L’augmentation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère est essentiellement due aux activités humaines : la combustion des énergies fossiles, la déforestation et les changements d’affectation des sols.
  Effets sur la santé
Le CO2 qui n’est pas nocif par lui-même mais les concentrations élevées peuvent provoquer, dans les locaux mal ventilés, des gênes ou tout au moins raréfier la quantité d’oxygène.
  Effets sur les matériaux
La dissolution du CO2 dans les eaux de pluie aboutit à la formation d’un acide faible, l’acide carbonique (H2CO3), qui dissout le calcaire et conduit à la formation de Ca (HCO3)2 soluble, facilement éliminé par les précipitations : CaCO3 + H2CO3 –> Ca (HCO3)2.
  Effets sur l’environnement
Le CO2 représente la seule source de carbone dans l’air utilisée par les plantes pour leur photosynthèse. Son augmentation contribue fortement au sureffet de serre.
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Hydrocarbures et composés organiques volatils (COV)
Les composés organiques volatils sont des substances de faible masse moléculaire correspondant à des solvants et à divers liquides de faible tension de vapeur. Très présents dans la nature, notamment dans les pétroles, les hydrocarbures sont des composés organiques formés exclusivement d’hydrogène et de carbone.

  Origine naturelle
Chauffées par le soleil, les feuilles de certains végétaux des forêts de conifères et des zones humides exhalent des substances constituées d’une agglomération de molécules d’hydrocarbures lourds et de composés oxygénés : les terpènes (polymères de l’isoprène C5H8). Ces substances sont pour la plupart aromatiques (odeurs caractéristiques des maquis, des forêts de résineux…) et donnent une couleur bleutée à la brume qui se forme au-dessus de la végétation. Les terpènes sont extraits des végétaux sous la forme d’ « huiles essentielles » :
- le pinène ou térébenthine (C10H16) qui constitue environ 20 % de la résine de pin et que l’on utilise comme solvant ;
- le menthol (C10H19OH), alcool terpénique extrait de l’essence de menthe poivrée et utilisé comme anesthésique local ;
- le camphre ;
- la citronnelle, etc.
Certains donnent leur couleur aux végétaux (carotène), d’autres constituent des vitamines (A) ou des hormones. Les émissions naturelles d’hydrocarbures dans l’atmosphère (environ 1 milliard de tonnes par an dans le monde) constituent une part très importante des émissions totales de composés organiques volatils (COV) et seraient dix fois supérieures à celles des hydrocarbures d’origine anthropique. En revanche, dans un pays fortement développé comme la France, les COV naturels ne représentent que le tiers du total des émissions d’origine humaine.
  Origine humaine (anthropique)
Les hydrocarbures sont émis par les automobiles (présence d’hydrocarbures imbrûlés à la sortie du pot d’échappement), et par certaines activités telles que l’imprimerie, les ateliers de peinture, l’utilisation de solvants et de colles, les raffineries et unités pétrochimiques, le stockage et la distribution d’hydrocarbures, le traitement des déchets… Ces COV sont en particulier le benzène, le toluène, les xylènes, le chlorure de vinyle, les dioxines, les furannes, le formaldéhyde. Ils sont dégagés par les incinérateurs, les pots d’échappement, la fumée de cigarette, les feux de bois, les climatiseurs, le stockage et l’évacuation des déchets, certains mobiliers et revêtements de sol et de murs, des tissus, des cosmétiques, des produits d’entretien, la cuisine, les activités de bureau et de bricolage…
  Effets sur la santé
Les hydrocarbures sont peu dangereux en raison de leurs teneurs très faibles dans l’atmosphère. Seuls le benzène et ses dérivés, ainsi que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), présentent un risque notable pour la santé. Par exemple, le formaldéhyde peut déclencher une irritation des yeux et des voies respiratoires supérieures, des allergies, des crises d’asthme. Il a des effets neurophysiologiques et cancérigènes (cancer du poumon en particulier).
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Composes halogenes
Ce sont des composés à base de fluor, brome, chlore, iode, etc. Doués d’une forte stabilité chimique, ils constituent souvent de redoutables contaminants de l’environnement.

  Origine humaine (anthropique)
La pollution au fluor est due principalement à :
- la production de l’aluminium par électrolyse c’est-à-dire l’incorporation à la bauxite (Al2O3) d’un fondant, la cryolite (fluorure double d’aluminium et de sodium), est responsable d’émanations allant de la cryolite en l’état, aux composés gazeux (acide fluorhydrique HF) ;
- la fabrication des engrais phosphatés. L’attaque par l’acide sulfurique des phosphates naturels, contenant presque toujours du fluor en proportion variable, donne lieu à des dégagements d’acide fluorhydrique et de fluorure acide de silicium (H2SiF6), pouvant représenter jusqu’à 10 g de fluor par m3 d’air. Du chlore et de l’acide chlorhydrique (HCl) sont rejetés dans l’atmosphère lors de l’incinération de certains déchets plastiques à base de polychlorure de vinyle (PVC), lors d’un dysfonctionnement dans la fabrication de chlore ou lors de la combustion du charbon.
  Effets sur la santé
Chlore et fluor sont tous deux très irritants, en particulier pour l’appareil respiratoire. [ Consulter également ]
  Effets sur les animaux
Intoxication chronique qui se développe près des usines fabriquant l’aluminium, la « fluorose industrielle » est due à l’ingestion répétée de fourrage dans lequel le fluor s’est accumulé ou à l’absorption d’eau fortement fluorée. Il semble que l’inhalation d’air contenant du fluor ne jouerait qu’un rôle très minime dans l’évolution de ce type d’intoxication. Les ruminants atteints présentent des symptômes tels que la baisse de la productivité et de la fécondité, ainsi que l’altération grave des dents et du squelette. Les insectes sont également très sensibles à la pollution par le fluor : les vers à soie en se nourrissant des feuilles de mûrier contaminées et les abeilles via le pollen et le miel ; l’intoxication peut alors gagner toute la ruche. Le seul effet « positif » de la pollution par le fluor est la destruction du doryphore, parasite de la pomme de terre présentant une grande sensibilité à ce polluant.
  Effets sur la végétation
La pollution au fluor ralentit la croissance de certaines plantes (pin sylvestre, épicéa, prunier, poireau…) et inhibe leurs fonctions d’assimilation et de reproduction. En agissant sur les hormones de croissance comme l’auxine, le fluor perturbe le développement des organes qui présentent alors des nécroses et provoque la chute des feuilles ou des aiguilles. Le fluor bloque également le calcium et le magnésium sous forme de complexes insolubles, entraînant ainsi des carences en sels minéraux. La fluorose peut aboutir à la mort du végétal.
  Effets sur l’environnement
HCl contribue à l’acidification de l’air. Les chlorofluorocarbones ou CFC et les halons (composés chlorobromofluorés) interviennent dans la destruction de l’ozone stratosphérique et participent également au sureffet de serre.
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Metaux
Les principaux métaux toxiques sont le plomb (Pb), le mercure (Hg), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), l’étain (Sn), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le vanadium (V), le zinc (Zn), le cuivre (Cu)… La toxicité de ces métaux dépend de leur polymorphisme chimique, lié à leur forme et au composé minéral ou organique dans lequel ils sont incorporés.

  Origine humaine (anthropique)
Des métaux peuvent être présents dans les poussières émises par les foyers de combustion, la circulation automobile, les activités de fabrication et de traitement des métaux (grillage du minerai en particulier), l’incinération des déchets. Le plomb, quant à lui, provenait surtout de l’ajout d’antidétonants dans les essences destinées aux véhicules automobiles.
  Effets sur la santé
La plupart des métaux provoquent entre autres des lésions pulmonaires.
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  Effets sur les matériaux
Les métaux présents dans les gaz d’échappement comme le plomb, le fer, l’aluminium, le manganèse ou le nickel, peuvent servir de catalyseurs dans les phénomènes de dissolution du calcaire par les acides gazeux de l’atmosphère.
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  Effets sur la végétation
Les métaux se déposent sur les sols, dans les eaux et s’accumulent dans les végétaux, contaminant ainsi les chaînes alimentaires.

Particules
Les particules en suspension dans l’air regroupent les poussières et les fumées noires. On distingue les PM10, particules de diamètre < 10 microns, et les PM2,5 de diamètre < 2,5 microns. Ces particules représentent des noyaux de condensation et peuvent être le support d’autres polluants (le dioxyde de soufre et les hydrocarbures aromatiques polycycliques par exemple).

  Origine naturelle
Le volcanisme est à l’origine de l’injection de masses considérables de particules dans l’atmosphère, créant des nuages de cendres qui résultent de la pulvérisation de laves au cours d’explosions violentes. Ces nuages de haute altitude peuvent parcourir des distances considérables : en 1883, la grande éruption du Krakatoa, volcan d’Indonésie, a injecté 18 km3 de roches dans l’atmosphère et les cendres projetées auraient fait plusieurs fois le tour de la Terre ! Les quantités de particules dégagées sont tellement considérables qu’elles peuvent, en voilant le ciel, provoquer un refroidissement momentané des températures moyennes du globe. Ainsi en 1815, à la suite de la gigantesque explosion du volcan Tambora en Indonésie, l’été 1816 fut anormalement froid.

L’érosion éolienne est également source de poussières, lors des tempêtes de sable par exemple, et peut donner lieu à des manifestations spectaculaires telles que les célèbres « pluies de sang », chargées de sable fin de couleur ocre ou rouge, soulevé des déserts et emporté au loin par les vents. Dans les régions du sud de l’Europe, le sirocco apporte des nuages de sable jaune rougeâtre en provenance du Sahara. Les feux de forêts ou de prairies, dont la foudre est souvent la cause naturelle, peuvent s’étendre sur des centaines, voire des milliers d’hectares et engendrer des nuages de fumées qui parcourent parfois plusieurs centaines de kilomètres. Les embruns marins, transportés par les vents sur de grandes distances à l’intérieur des terres, apportent dans l’atmosphère continentale des cristaux de sels qui s’agglomèrent en noyaux de condensation, principalement composés de chlorure de sodium (NaCl), de magnésium (MgCl2), de calcium (CaCl2) et de bromure de potassium (KBr). Des poussières d’origine extraterrestre pénètrent en permanence dans l’atmosphère. Provenant de météorites, leur quantité est estimée entre 5 105 et 5 107 tonnes par an.

  Origine humaine (anthropique)
Elles proviennent soit des combustions (suies par exemple), soit de certains procédés industriels (cimenteries, fabrication d’engrais…), soit de la circulation automobile (véhicules diesel essentiellement). L’érosion éolienne, renforcée par la présence de grandes plaines cultivées, peut être source de poussières (exemple du « Dust Bowl » aux États-Unis où la terre de champs entiers a été emportée par les vents).
  Effets sur la santé
Les particules les plus fines peuvent irriter les voies respiratoires inférieures. Certaines sont cancérigènes.
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  Effets sur les matériaux
En ville, les dépôts de salissures sur les façades et les monuments sont essentiellement dus aux rejets de particules par les activités humaines : poussières, imbrûlés des gaz d’échappement provenant en particulier des installations de chauffage au fioul et des moteurs diesel (fumées noires).
  Effets sur l’environnement
Les particules contribuent au sureffet de serre.
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Methane (CH4)
Le méthane, appelé aussi gaz des marais, inodore et peu dense, se trouve naturellement présent sous forme de traces dans l’atmosphère et constitue d’importants gisements dans la lithosphère.

  Origine naturelle
Le méthane provient de la fermentation, c’est-à-dire la décomposition incomplète de substances organiques par des micro-organismes en milieu anaérobie (marais, tourbières…) Il est également produit par le métabolisme digestif des herbivores et des termites.
  Origine humaine (anthropique)
Le CH4 provient de la putréfaction au niveau des décharges (biogaz) ainsi que des activités agricoles : rizières, élevage de ruminants…
  Effets sur l’environnement
Le CH4 contribue fortement au sureffet de serre.
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Sulfure d’hydrogène (H2S)
Gaz incolore et acide, facilement identifiable à son odeur « d’œuf pourri ».

  Origine naturelle
H2S provient de la fermentation, c’est-à-dire la décomposition incomplète de substances organiques par des microorganismes en milieu anaérobie.
  Origine humaine (anthropique)
H2S provient de certaines activités : industrie du papier, cimenteries…
  Effets sur les matériaux
Les peintures des façades contenant du plomb peuvent être, en présence de faibles concentrations d’H2S, rapidement noircies par la formation de sulfure de plomb.

Ammoniac (NH3)
Gaz incolore, à odeur piquante perceptible à des concentrations très faibles dans l’atmosphère. Par réaction avec l’eau, il donne une base : l’ammoniaque NH4OH.

  Origine naturelle
NH3 provient de la fermentation, c’est à dire la décomposition incomplète de substances organiques par des microorganismes en milieu anaérobie.
  Effets sur la santé
NH3 est un irritant des muqueuses, en particulier respiratoires.

Pesticides
Ce sont pour la plupart des composés organiques à base de chlore, de fluor ou de brome.

  Origine naturelle
Les pesticides ou produits phytosanitaires regroupent les herbicides, les insecticides et autres fongicides utilisés pour protéger les cultures et améliorer leur rendement. Leur usage excessif (la France occupe le 2e rang mondial pour le volume de pesticides consommés) entraîne une contamination des nappes phréatiques et de l’air environnant. Ces pesticides peuvent être transportés par les vents sur de grande distances.
  Effets sur la santé
Les pesticides contribueraient à l’infertilité, voire la stérilité de certains ouvriers agricoles particulièrement exposés. Ils augmenteraient également la mortalité fœtale et les malformations congénitales. Les pesticides seraient aussi responsables de cancers (lymphomes, leucémies) et de troubles neurologiques (dépressions).

Pollens
Pour assurer leur reproduction, les végétaux libèrent en grandes quantités dans l’atmosphère des grains de pollens et des spores qui constituent des pneumallergènes puissants susceptibles de provoquer des réactions plus ou moins graves chez certains individus.

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Amiante
L’amiante, silicate de calcium et de magnésium, est un minéral résistant au feu et aux acides, qui se présente sous forme de fibres microscopiques.

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