Quels devenir et comportement des nanomatériaux manufacturés dans l'environnement ?

Par l'équipe Avicenn - Dernier ajout février 2021

Cette fiche fait partie de notre dossier Nano et Environnement ; elle a vocation à être complétée et mise à jour avec l'aide des adhérents et veilleurs d'Avicenn. Vous pouvez vous aussi contribuer à l'améliorer en nous envoyant vos remarques à l'adresse redaction(at)veillenanos.fr.

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Sommaire

• Questions sur le devenir et le comportement des nanomatériaux manufacturés dans l'environnement
  
  • Quelle persistance ou transformation des nanomatériaux dans l'environnement ?
    
  • Quelles mobilité et accumulation des nanomatériaux dans l'environnement ?
    
• Travaux de recherche sur le devenir des nanomatériaux dans l'environnement
  
• En savoir plus
  

Questions sur le devenir et le comportement des nanomatériaux manufacturés dans l'environnement

Que deviennent les nanomatériaux ou résidus de nanomatériaux une fois qu'ils sont relargués dans l'environnement ? On sait que du fait de leur petite taille, les nanomatériaux ont une forte propension à se disperser et peuvent atteindre des endroits inaccessibles à des particules plus grandes. Mais jusqu'où et sous quelle(s) forme(s) ?
De nombreux aspects sont encore largement méconnus.

- Quelle persistance ou transformation des nanomatériaux dans l'environnement ?

Une fois relargués, les nanomatériaux ou résidus de nanomatériaux peuvent subir des transformations : lesquelles et dans quelles conditions ? Beaucoup de paramètres peuvent intervenir et entraîner par exemple leur dispersion ou sédimentation dans les milieux aquatiques, selon qu'ils restent isolés ou s'agrègent. Que se passe-t-il lorsqu'ils entrent en contact avec la matière en suspension naturellement présente (matériaux minéraux, chimiques ou biologiques) ? Beaucoup de questions... mais peu de réponses.

- Quelles mobilité et accumulation des nanomatériaux dans l'environnement ?

• dans l'air : les nanomatériaux relargués dans l'air peuvent se disperser facilement et sur de longues distances dans l'atmosphère avant de retomber¹

• dans les sols² : migrent-ils jusque dans les eaux souterraines ou sont-ils bloqués dans le sol avant d'atteindre les nappes phréatiques ? se retrouvent-ils dans les sols après l'épandage sur les terres agricoles de boues des stations d'épuration en contenant (réalisé pour achever l'épuration tout en servant d'engrais) ?

• dans les milieux aquatiques, les nanoparticules peuvent³ :
  • sédimenter par gravité (notamment dans le cas de nanomatériaux agrégés et/ou hydrophobes comme les nanotubes de carbone) ce qui augmente les risques de contact avec des microorganismes qui vivent sur les sédiments aquatiques
  • ou au contraire rester en suspension (notamment si elles sont fonctionnalisées en surface ou enrobées) et se disperser facilement, augmentant le risque d'exposition ; on retrouverait déjà des nanomatériaux dans les stations d'épuration urbaines et de traitement des eaux industrielles, mais les traitements en place n'ont pas été conçus pour les filtrer⁴ : une part non négligeable d'entre eux se retrouve donc dans les eaux superficielles, quant aux autres, ils s'accumulent dans les boues des stations d'épuration épandues sur les terres agricoles !

• concernant la flore et la faune, les nanomatériaux ou résidus de nanomatériaux peuvent également :
  • pénétrer et s'accumuler dans différentes espèces bactériennes, végétales, animales, terrestres et ou aquatiques,
  • être transférés de génération en génération, et remonter la chaîne alimentaire : des chercheurs ont en effet mis en évidence le transfert de nanomatériaux :
    • des racines vers les feuilles

      

      ⁵ et graines des végétaux (par exemple dans des germes de soja)⁶
    • de l'eau de mer vers l'appareil digestif des moules⁷, ou des algues au zooplancton puis aux poissons qui s'en nourrissent

      

      Source : Cedervall et. al, 2012⁸.

D'autres travaux plus récents ont depuis confirmé les craintes de transfert des nanomatériaux dans les chaînes alimentaires⁹, tout en montrant que ces questions ne peuvent avoir de réponse simple tant les facteurs qui entrent en jeu sont nombreux et variables (le degré d'acidité¹⁰ ou de salinité¹¹ par exemple). Avec, en conséquence, une grande difficulté pour déterminer, dans chacun des cas, les effets sur les écosystèmes. Car beaucoup d'études ont longtemps été réalisées sur des nanoparticules de synthèse et dans des conditions différentes de celles rencontrées dans la réalité ; le comportement des nanomatériaux observé dans les expériences ne reflète pas celui (ou ceux) des résidus de nanomatériaux réellement présents dans l'environnement. Les résultats sont donc encore peu généralisables et à considérer avec prudence.

Des recherches sont en cours pour en savoir plus. Ces questions sont importantes à élucider car outre les effets cytotoxiques qu'ils peuvent directement entraîner au sein des espèces bactériennes, végétales, animales, terrestres et ou aquatiques dans lesquelles ils peuvent pénétrer, les nanomatériaux peuvent y apporter des molécules extérieures (c'est l'effet "cheval de Troie") ; on redoute donc notamment qu'ils favorisent le transport de polluants¹² - métaux lourds ou pesticides par exemple.

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Travaux de recherche sur le devenir des nanomatériaux dans l'environnement

Rares sont les travaux qui portent spécifiquement et quasi-exclusivement sur le devenir des nanomatériaux dans l'environnement. En 2012, nous avions repéré les projets suivants (contribuez à compléter cette liste, en nous signalant les projets à l'adresse redaction(at)veillenanos.fr) :

• En France :
  • Gestion des déchets et des effluents contenant des nanomatériaux. Devenir et impact dans les filières de traitement et valorisation - Synthèse , RECORD, 2019
  • le programme Aquanano :
    • objet : le transfert et le devenir des nanoparticules vers les eaux souterraines
    • financement : 1,6 million d'euros de l'Agence Nationale de la Rercherche
    • période : 2007-2010
    • partenaires : le CEREGE, l'INERIS, le Centre de recherche de Suez-Environnement, le BRGM (coordinateur), organisme public référent dans le domaine des sciences de la Terre pour la gestion des ressources et des risques du sol et du sous-sol.
  • le projet AgingNano&Troph :
    • objet : l'impact environnemental des résidus de dégradation des nanomatériaux commercialisés : devenir, biotransformation et toxicité vis-à-vis d'organismes cibles d'un milieu aquatique
    • financement : 500 000 € de l'Agence Nationale de la Rercherche
    • période : 2009-2011
    • partenaires : CEREGE, IRSTEA, CEA, DUKE University, INERIS, IRCELYON, LBME, LIEBE
  • le projet MESONNET
    • objet : les conséquences potentielles des nanoparticules sur les écosystèmes ; l'approche utilise des "mésocosmes" : énormes aquariums reproduisant un mini éco-système dans lesquel est étudié à différents dosages le comportement des nanoparticules en contact avec des plantes, des poissons, du sol et de l'eau. Le transfert des nanoparticules en milieu poreux de composition plus complexe doit y être étudié.
    • financement : près de 2 millions d'euros de l'ANR
    • période : fin 2010-fin 2014
    • partenaires : CEREGE, IMEP, LCMCP, ECOLAB, CIRIMAT, CEA, LIEBE, Institut Néel/FAME, CINaM, LHYGES, DUKE University
  • le projet d'évaluation de la phytodisponibilité de nanomatériaux
    • objet : si la présence de nanomatériaux dans les sols cultivés est probable à court terme, le risque de leur passage dans la chaine alimentaire via les cultures reste à préciser : il s'agit d'évaluer quantitativement la phytodisponibilité de nanomatériaux vis-à-vis de cultures destinées à l'alimentation des animaux ou des humains.
    • période : 2013
    • partenaires : le CEREGE et le CIRAD

• En Suisse
  • Des chercheurs de l'EMPA travaillent sur la modélisation des nanomatériaux dans l’environnement
  • Voir notamment la page "Le comportement des nanoparticules dans les cours d'eau", 28 février 2013
  • Des chercheurs de Zurich ont réitéré en 2017 le constat de la difficulté à appréhender le devenir des nanomatériaux dans l'environnement : Nanoparticles remain unpredictable, ETH Zurich, avril 2017

• Au niveau européen :
  • le projet NanoFATE est dédié à l'évaluation du devenir des nanoparticules dans l'environnement. Initié en avril 2010, il est financé à hauteur de 2,5 millions d'euros par la Commission européenne (pour un budget global de 3,25 millions d'euros) jusqu'en avril 2014. Sur les douze partenaires impliqués, un seul est français : l'Institut Symlog. Les conclusions publiées en novembre 2014 ont été relayées par Science for Environment Policy, service de la Commission Européenne dans une fiche synthétique.
  • Le projet FP7 nanoMILE (2013-2017) : Engineered nanomaterial mechanisms of interactions with living systems and the environment : a universal framework for safe nanotechnology. Il vise à documenter les interactions entre nanoparticules et organismes vivants tout au long du cycle de vie.
  • Le projet européen NANOFASE coordonné par NERC (Natural Environment Research Council) et qui vise à comprendre et maitriser le comportement des nanomatériaux dans l'environnement, en proposant une approche intégrée de maitrise des risques et des protocoles. L'INERIS y participe pour la France.

• D'autres projets abordent le devenir des nanomatériaux parmi d'autres aspects liés à l'analyse des risques associés aux nanomatériaux. Pour en savoir plus, on peut se reporter notamment à la liste des projets européens sur la sécurité sanitaire ou environnementale des nanotechnologies réalisée en mai 2012 par l'Institute of Technology Assessment de l'Académie des Sciences autrichiennes, ou le document plus détaillé "Compendium of Projects in the European NanoSafety Cluster" publié en février 2012.

• Aux Etats-Unis, le consortium américain "Center for Environmental Implications of Nanotechnology" (CEINT) dirigé par Marc Wiesner étudie notamment sur le transfert des nanomatériaux dans l'environnement.

• Au sein de l'OCDE, le Groupe de Travail sur la Productivité des Ressources et les Déchets (GTPRD) a travaillé sur le devenir et les impacts des nanomatériaux contenus dans les produits et libérés lors du traitement de ces produits en fin de vie (incinération, mise en décharge, épandage des boues de stations d'épuration).

En savoir plus

LIRE AUSSI sur notre site :

• Nanomatériaux et Environnement et la bibliographie associée
• Quel relargage des nanomatériaux dans l'environnement ?
• Relargage et devenir des nanomatériaux dans l'eau
• Comment financer les études de risques ?
• Détecter et mesurer les nanomatériaux ?
• Nanos et stations d'épuration

Ailleurs sur le web :

• En français :
  • Que deviennent les nanoparticules d'or dans l'environnement ?, Labex Serenade, 16 janvier 2019
  • Sources et devenir des nanoparticules manufacturées et anthropiques : transport, accumulation et réactivité aux interfaces, Julien Gigault, Géochimie, Université de Rennes 1, 2017
  • Le transfert des nanoparticules de TiO2 dans la chaîne alimentaire dépend de la texture du sol, Synchrotron Soleil, 3 mai 2018
  • Potentiel d'émission et de transfert de colloïdes et nanoparticules manufacturées issus de lixiviats de déchets solides et nanomatériaux, Amandine Anderson, thèse de Chimie organique, Université de Toulon, 2016
  • Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement, 83e du Congrès de l'Acfas, Colloque 210, mai 2015
  • Nanoparticules : une méthode pour étudier les faibles doses, CEA, 16 avril 2015
  • Quelles interactions entre les nanoparticules et les autres contaminants de l'environnement ?, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique (BVS), Anses, décembre 2014
• En anglais :
  • Morphological transformation of silver nanoparticles from commercial products: modeling from product incorporation, weathering through use scenarios, and leaching into wastewater, Mohan S et al., Nanomaterials, 9(9), 1258, 2019
  • Displacement reactions between environmentally and biologically relevant ligands on TiO2 nanoparticles: insights into the aging of nanoparticles in the environment, Wu, A et al., Environmental science : Nano, 2019, Advance Article
  • Gold nanoparticle biodissolution by a freshwater macrophyte and its associated microbiome, Avellan A et al., Nature Nanotechnology, (13) : 1072–1077, 2018
  • Towards operando and real time 3D analysis of nanomaterials in environmental TEM, Thierry Epicier (MATEIS - Lyon), octobre 2018
  • Nanoparticles remain unpredictable, ETH Zurich, avril 2017
  • Nanoecotoxicology: Nanoparticle behaviour dissected, Nature Nanotechnology, Vanhaecke F, 11, 656-657, août 2016
  • Emerging patterns for engineered nanomaterials in the environment: a review of fate and toxicity studies, Garner KL, Keller AA, Journal of Nanoparticle Research, juillet 2014
  • Assessing the Fate of Silver Nanoparticles in Surface Water using Single Particle ICP-MS, PerkinElmer, 2014
  • Trophic Transfer, Transformation, and Impact of Engineered Nanomaterials in Terrestrial Environments, Gardea-Torresdey JL, Environ. Sci. Technol., Article ASAP, février 2014
  • Transformations of Nanomaterials in the Environment Focus Issue, Environ. Sci. Technol., 46 (13), juillet 2012
  • Fate and behaviour of TiO2 nanomaterials in the environment, influenced by their shape, size and surface area, Ministère de l'environnement allemand, 2012

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NOTES et REFERENCES

1 - Effets des nanoparticules sur le climat et la pollution atmosphérique, Patrick Rairoux - LASIM et Christian et Georges - IRCELYON, présentation au séminaire "Nanomatériaux dans l'environnement et impacts sur les écosystèmes et la santé humaine" organisé par EnvitéRA, juillet 2012

2 - Voir notamment :

• La pollution plastique menace aussi les plantes (et au passage, notre alimentation), Marcus Dupont-Besnard, 23 juin 2020
• Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana, Xiao-Dong Sun et al., Nature Nanotechnology, 22 juin 2020
• la thèse de Marie Simonin de 2015 : Dynamique, réactivité et écotoxicité des nanoparticules d’oxydes métalliques dans les sols : impact sur les fonctions et la diversité des communautés microbiennes. L'étude concerne des NP de dioxyde de titane (TiO2) et d’oxyde de cuivre (CuO) dans six sols agricoles. L'étude conclut à une absence de toxicité des NPs de TiO2 sur les communautés microbiennes, sauf dans un sol limono-argileux à forte teneur en matière organique. Dans ce sol, des effets négatifs ont été observés après 90 jours d’exposition sur les activités microbiennes (respiration, nitrification et dénitrification), sur l’abondance des microorganismes nitrifiants et la diversité des bactéries et des archées. De plus, des effets négatifs sont observés sur la nitrification, même pour des concentrations extrêmement faibles de TiO2 (0.05 mg kg-1), liés principalement à une forte sensibilité à ce polluant des archées oxydatrices de l’ammonium (AOA) impliquées dans ce processus.

3 - Cf. http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=DevenirNanoEau#Devenir

4 - Voir à ce sujet les travaux du Groupe de travail "Déchets des nanotechnologies" de Observatoire régional des déchets industriels en Midi-Pyrénées (ORDIMIP)

5 - Voir notamment :

• en français :
  • Devenir des nanoparticules de fer dans l'environnement. Stabilité colloïdale, réactivité chimique et impacts sur le végétal, thèse d'Edwige Demangeat, Géosciences Rennes UMR 6118, 2018
  • Etudes sur des laitues exposées aux nanoparticules, Techno-science.net, juillet 2014
  • Accumulation et impact des nanoparticules dans les végétaux, Marie Carrière (CEA, Grenoble), présentation au séminaire "Nanomatériaux dans l'environnement et impacts sur les écosystèmes et la santé humaine" organisé par EnvitéRA, juillet 2012
• en anglais :
  • Stable Zn isotopes reveal the uptake and toxicity of zinc oxide engineered nanomaterials in Phragmites australis, BioRxiv, Caldelas C et al., 2020
  • Fate of pristine TiO2 nanoparticles and aged paint-containing TiO2 nanoparticles in lettuce crop after foliar exposure, Larue, C et al., Journal of Hazardous Materials, 3,925, 2014
  • Foliar exposure of the crop Lactuca sativa to silver, Larue C et al., Journal of Hazardous Materials, 264, 98-106, janvier 2014

6 - Soybean susceptibility to manufactured nanomaterials with evidence for food quality and soil fertility interruption, Priester J.H. et al., PNAS, août 2012 et In Situ Synchrotron X-ray Fluorescence Mapping and Speciation of CeO2 and ZnO Nanoparticles in Soil Cultivated Soybean (Glycine max), Hernandez-Viezcas J.A et al., ACS Nano, 2013

7 - Cf. notamment :

• Uptake and retention of metallic nanoparticles in the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis), Hull MS et al., Aquatic Toxicology, mai 2013
• Nanoparticules : une méthode pour étudier les faibles doses, CEA, 16 avril 2015 : deux équipes du CEA Saclay (DSM-Iramis et DSV-IBITECS) sont parvenues à suivre le parcours de nanoparticules de dioxyde de titane à des doses environnementales dans des moules de rivière.

8 - Voir par exemple Evidence for Biomagnification of Gold Nanoparticles within a Terrestrial Food Chain, Judy. J et al., Environ. Sci. Technol., 45 (2), 776-781 (2011), ou Food Chain Transport of Nanoparticles Affects Behaviour and Fat Metabolism in Fish, Cedervall T. et al., PLoS ONE, 7(2), 2012.

9 - Voir notamment :

• Particle number-based trophic transfer of gold nanomaterials in an aquatic food chain, Monikh FA et al., Nature Communications, 12 : 899, 2021
• Le transfert des nanoparticules de TiO2 dans la chaîne alimentaire dépend de la texture du sol, Synchrotron Soleil, 3 mai 2018
• Transfert de nanomatériaux dans les chaines alimentaires, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique, n°32, octobre 2017

10 - Sur l'influence de l'acidité sur les paramètres physico-chimiques des nanomatériaux, voir par exemple :

• Devenir des nanoparticules de fer dans l'environnement. Stabilité colloïdale, réactivité chimique et impacts sur le végétal, thèse d'Edwige Demangeat, Géosciences Rennes UMR 6118, 2018
• Natural acids in soil could protect rice from toxic nanoparticles, Science News, avril 2015

11 - Sur l'influence de la salinité sur les paramètres physico-chimiques des nanomatériaux, voir par exemple :

• On how environmental and experimental conditions affect the results of aquatic nanotoxicology on brine shrimp (Artemia salina): A case of silver nanoparticles toxicity, Environmental Pollution, 255, 3, 113358, décembre 2019
• Combined influence of oxygenation and salinity on aggregation kinetics of the silver reference nanomaterial NM-300K, Devoille L et al., Environmental Toxicology and Chemistry, 37(4) : 1007-1013, avril 2018
• Nanomatériaux à travers un gradient de salinité : exposition et effets écotoxicologiques au cours de leur cycle de vie , Carole Bertrand, thèse, 2016, avec la participation de Laure Giamberini, en lien avec le projet NanoSALT soutenu par l'ANR pour comprendre le devenir de nanoparticules d’Ag et de CeO2 issus des textiles et peintures.
• The influence of salinity on the fate and behavior of silver standardized nanomaterial and toxicity effects in the estuarine bivalve Scrobicularia plana, Bertrand, C et al. , Environ Toxicol Chem., 2016

12 - Voir par exemple :

• Nanomaterials interact with agricultural pesticides, increasing toxicity to fish, The Organic Center, février 2015
• Quelles interactions entre les nanoparticules et les autres contaminants de l'environnement ?, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique (BVS), Anses, décembre 2014
• Fate of single walled carbon nanotubes in wetland ecosystems, Schierz A et al., Environ. Sci.: Nano, 2014 (et le communiqué de presse associé : Nanoparticles accumulate quickly in wetlands: Aquatic food chains might be harmed by molecules 'piggybacking' on carbon nanoparticles, Science Daily, 1er octobre 2014
• Carbon nanotubes as molecular transporters for walled plant cells. Liu Q, Chen B, Wang Q, et al. in Nano Lett., 9(3): 1007-10, 2009
• Toxicity and bioaccumulation of xenobiotic organic compounds in the presence of aqueous suspensions of aggregates of nano-C60, Baun, A., et al., in Aquatic Toxicology, 86: 379-387, 2008
• Enhanced bioaccumulation of cadmium in carp in the presence of titanium dioxide nanoparticles, Zhang et al., Chemosphere 67(1):160-6, 2007

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Fiche initialement créée en septembre 2012