Quels effets des nanomatériaux sur la faune et la flore aquatiques ?

Par l'équipe Avicenn - Dernière modification novembre 2019

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La contamination des eaux par les nanoparticules manufacturées ou leurs résidus entraîne également la contamination des organismes aquatiques comme les algues, les crustacés et les poissons.
Les études sur les effets des nanomatériaux sur la faune et, dans une moindre mesure, sur la flore aquatiques se développent mais beaucoup d'incertitudes demeurent (la salinité ou l'acidité de l'eau peuvent modifier leur toxicité par exemple¹) et les préoccupations sont fortes.

On sait déjà que des nanomatériaux ou résidus de nanomatériaux peuvent pénétrer et s'accumuler dans différentes espèces aquatiques, être transférés de génération en génération et remonter la chaîne alimentaire.
Des chercheurs ont mis en évidence le transfert de nanomatériaux de l'eau de mer vers l'appareil digestif des moules², des algues au zooplancton puis aux poissons qui s'en nourrissent³.
On parle de "bioamplification" : il y a augmentation de la teneur en toxique d'un maillon de la chaîne alimentaire à l'autre :

Source : Cedervall et. al, 2012, voir la note 3

Quelques exemples d'effets déjà constatés en 2011⁴ :

• effets sur les algues : augmentation de la mortalité, retards de croissance, diminution de la photosynthèse et génération d'espèces réactives de l'oxygène

• effets sur les crustacés : augmentation de la mortalité, modification du comportement, malformations chez la daphnie, accumulation dans l'organisme

• effets sur les poissons : mortalité et perturbation du développement avec apparition de malformations ; le nanoargent notamment peut entraîner des malformations très marquées sur l'embryon de poisson-zèbre⁵

• effets sur d'autres organismes aquatiques :
  • dégâts dans tout l'organisme de la moule, notamment induction de processus inflammatoires, augmentation de l'expression de gènes impliqués dans la régulation de stress, augmentation de l'activité des enzymes antioxydantes et de la peroxydation lipidique
  • effets toxiques sur les escargots d'eau douce, les larves de chironomes, les cnidaires et les polychètes : diminution de la nutrition, augmentation du nombre de malformations, stress oxydant, dommages à l'ADN corrélés à une augmentation de la mortalité
  • effets toxiques sur les amphibiens

A forte concentration, des effets de nanotubes de carbone ont été constatés sur des organismes aquatiques : diminution du taux de fertilisation chez des petits crustacés, malformations, retards à l'éclosion voire augmentation du taux de mortalité des embryons du poisson zèbre⁶.

Même altérées et agglomérées, des nanoparticules (de dioxyde de cérium notamment, utilisées comme agent protecteur anti-rayure anti-UV dans des peintures extérieures) peuvent conserver leur écotoxicité vis-à-vis des organismes aquatiques (des micro-algues dans l'expérience menée)⁷.

Outre les effets toxiques qu'ils peuvent induire directement, les nanomatériaux peuvent entraîner des dommages indirects mais néanmoins très préoccupants :

• Les nanomatériaux ou leurs résidus peuvent traverser la paroi des cellules des plantes ou des animaux et y apporter des molécules extérieures (c'est l'effet "cheval de Troie"), ils peuvent jouer un rôle de "vecteurs" et favoriser le transport de polluants (métaux lourds, HAP ou pesticides par exemple)⁸.

• Les nanomatériaux peuvent fragiliser les plantes ou les animaux :
  • Des chercheurs aux USA viennent de mettre en évidence que des nanomatériaux de zinc et d'oxyde de cuivre, même à faibles concentrations, peuvent rendre des embryons d'oursins plus sensibles à d'autres contaminants⁹.
  • D'autres chercheurs allemands et américains ont récemment mis en évidence le fait que des nanoparticules de dioxyde de titane peuvent perturber le système immunitaire de poissons (vairons) et leur résistance aux pathogènes bactériens¹⁰, fragilisant ainsi leur survie en cas de maladie.
  • D'autres études sont menées avec des conclusions également préoccupantes ¹¹

• Des nanomatériaux, combinés avec d'autres substances, pourraient devenir (encore) plus dangereux : on parle alors d'"effet cocktail" ¹². "Les études s'accordent sur le fait que la présence des nanoparticules dans un milieu liquide mène à une accumulation plus importante de polluants dans les organismes. Les risques pour la chaîne alimentaire jusqu'à l'homme sont donc réels, à la fois à cause des nanoparticules en elles-mêmes ainsi qu'au travers de leur rôle de vecteur de contamination" ¹³.

En savoir plus

En français :

• Les nanoparticules d’argent sont toxiques pour les organismes aquatiques, France Diplomatie, 26 octobre 2018
• Interaction et accumulation des nanoparticules chez les organismes aquatiques, thèse, INERIS, 2018 (à 2021 ?)
• 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.
• Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement, 83e du Congrès de l'Acfas, Colloque 210 , mai 2015
• Quelles interactions entre les nanoparticules et les autres contaminants de l'environnement ?, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique (BVS), Anses, décembre 2014
• Prise en compte de l'évolution de l'état d'agglomération dans l'étude de l'écotoxicité des nanoparticules, Nicolas Manier, Rapport scientifique 2013-2014, INERIS, novembre 2014, p.16
• Écrans UV nanos : un danger pour la vie marine, L'Observatoire des Cosmétiques, 5 septembre 2014 : Des chercheurs espagnols ont ainsi estimé que l'activité touristique sur une plage de Méditerranée durant une journée d'été peut relarguer de l'ordre de 4 kg de nanoparticules de dioxyde de titane dans l'eau, et aboutir à une augmentation de 270 nM/jour de la concentration en peroxyde d'hydrogène (une molécule au potentiel toxique, notamment pour le phytoplancton qui constitue la nourriture de base des animaux marins) → Résumé vulgarisé en français de l'article suivant : Sunscreens as a Source of Hydrogen Peroxide Production in Coastal Waters, Sánchez-Quiles D and Tovar-Sánchez A, Environ. Sci. Technol., 48 (16), 9037-9042, 2014
• Fausse route pour l'argent, Eawag, février 2014 → résumé vulgarisé en française de l'article Linking toxicity and adaptive responses across the transcriptome, proteome, and phenotype of Chlamydomonas reinhardtii exposed to silver, PNAS, février 2014
• Impact des nanomatériaux sur les bactéries de l'eau, les algues, les crustacés, les poissons, d'autres organismes aquatiques, une chaîne trophique aquatique simplifiée in Impact de nanoparticules de TiO2 et de nanotubes de carbone sur les végétaux, thèse, Camille Larue, 2011
• Les nanoparticules dans l'écosystème eau, Larue C et Carrière M, Bulletin de veille scientifique, n°14, ANSES, juin 2011

En anglais :

• Silver and titanium nanomaterials present in wastewater have toxic effects on crustaceans and fish cells, Norwegian Institute for Water Research (NIVA), novembre 2019
• A sub-individual multilevel approach for an integrative assessment of CuO nanoparticle effects on Corbicula fluminea, Koehle-Divo V et al., Environmental Pollution, 254, Part A, novembre 2019
• Changes in protein expression in mussels Mytilus galloprovincialis dietarily exposed to PVP/PEI coated silver nanoparticles at different seasons, Duroudier N et al., Aquatic Toxicology, 210 : 56-68, mai 2019
• Waterborne exposure of adult zebrafish to silver nanoparticles and to ionic silver results in differential silver accumulation and effects at cellular and molecular levels, Lacave JM et al., Science of The Total Environment, 642 : 1209-1220, novembre 2018
• Toxicity and trophic transfer of P25 TiO2 NPs from Dunaliella salina to Artemia salina: Effect of dietary and waterborne exposure, Bhuvaneshwari M et al., Environmental Research, 160 : 39-46, janvier 2018
• Emerging contaminants: fate, effects and environmental risks, Conférence, The society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), mai 2016
• 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
• Smaller silver nanoparticles more likely to be absorbed by aquatic life, UCLA study finds, UCLA News, 7 octobre 2015
• Titanium dioxide nanoparticles enhance mortality of fish exposed to bacterial pathogens, Jovanovic B et al., Environmental Pollution, 203 : 153-164, août 2015
• Adapting OECD Aquatic Toxicity Tests for Use with Manufactured Nanomaterials: Key Issues and Consensus Recommendations, Petersen EJ et al., Environ. Sci. Technol., 49 (16) : 9532-9547, 2015
• Nanomaterials in sunscreens and boats leave marine life vulnerable, UC Davis News, 12 mai 2015 (communiqué de presse) ; Copper oxide and zinc oxide nanomaterials act as inhibitors of multidrug resistance transport in sea urchin embryos: Their Role as Chemosensitizers, WU B et al., Environ. Sci. Technol., 49 (9) : 5760-5770, avril 2015
• Chronic toxicity of silver nanoparticles to Daphnia magna under different feeding conditions, Aquatic Toxicology, 161, avril 2015
• Evaluation of environmental stress by comet assay on freshwater snail Lymnea luteola L. exposed to titanium dioxide nanoparticles, Daoud A, Toxicological & Environmental Chemistry, 2015
• Effets écotoxicologiques de nanoparticules de dioxyde de cérium en milieu aquatique : d’une évaluation en conditions monospécifiques à l’étude de chaînes trophiques expérimentales en microcosme, Agathe Bour, thèse, Université de Toulouse, janvier 2015
• Sources, Distribution, Environmental Fate, and Ecological Effects of Nanomaterials in Wastewater Streams, Kunhikrishnan A et al., Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 45(4), janvier 2015
• Silver nanoparticles could pose risk to aquatic ecosystems, European Commission DG Environment News Alert Service, issue 394, novembre 2014
• Toxicity of Physically and Chemically Made Silver Nanoparticles in Marsh Frog Tadpole (Rana ridibunda), International Journal of Environment and Sustainability, 3(3) : 14-19, 2014
• Transfer, Transformation and Impacts of Ceria Nanomaterials in Aquatic Mesocosms Simulating a Pond Ecosystem, Tella M et al., Environ Sci Technol, 48 : 9004-9013, 2014
• Sunscreens as a Source of Hydrogen Peroxide Production in Coastal Waters, Sánchez-Quiles D and Tovar-Sánchez A, Environ. Sci. Technol., 48 (16), 9037-9042, 2014
• Aquatic toxicity of manufactured nanomaterials: challenges and recommendations for future toxicity testing, Schultz A et al., Environmental Chemistry, 11(3) 207-226, 2014
• Toxicity of differently sized and coated silver nanoparticles to the bacterium Pseudomonas putida: risks for the aquatic environment?, Matzke M, Jurkschat K, Backhaus T, Ecotoxicology, 23(5):818-29, juillet 2014 (voir le résumé et le commentaire de Camille Larue en français dans le Bulletin de Veille scientifique de l'ANSES de juillet 2014 ici).
• Linking toxicity and adaptive responses across the transcriptome, proteome, and phenotype of Chlamydomonas reinhardtii exposed to silver, PNAS, février 2014
• Particle Size and Agglomeration Affect the Toxicity Levels of Silver Nanoparticle Types in Aquatic Environment, Ecopersia, 1 (3), 273-290, novembre 2013
• The toxicity of silver nanoparticles to zebrafish embryos increases through sewage treatment processes, Ecotoxicology, 22(8), 1264-1277, octobre 2013
• Ecotoxicological Aspects of Nanomaterials in the Aquatic Environment, Schirmer K et al., in Safety Aspects of Engineered Nanomaterials, edited by Wolfgang Luther and Axel Zweck, 2013
• Exposure of juvenile Danio rerio to aged TiO2 nanomaterial from sunscreen, Fouqueray M et al., Environmental Science and Pollution Research, 20(5) : 3340-3350, mai 2013
• Assessing the Environmental Risks of Silver from Clothes in an Urban Area, Arvidsson R et al., Human and Ecological Risk Assessment, 20(4), juin 2012
• Toxicity of copper oxide nanoparticle suspensions to aquatic biota, Manusadžianas L et al., Environ. Toxicol. Chem., 2;31:108-114, 2012
• Effects of aged TiO2 nanomaterial from sunscreen on Daphnia magna exposed by dietary route, Fouqueray M et al., Environmental Pollution, 163 : 55-61, 2012
• Effects of metallic and metal oxide nanoparticles in aquatic and terrestrial food chains. Biomarkers responses in invertebrates and bacteria, Thiéry A et al., International Journal of Nanotechnology, 9(3-7), 181-203, 2012

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NOTES et REFERENCES

1 - Cf. http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=DevenirNanoEnvironnement#Acidite et http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=DevenirNanoEnvironnement#Salinite

2 - Uptake and retention of metallic nanoparticles in the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis), Aquatic Toxicology, mai 2013

3 - 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) ; Food Chain Transport of Nanoparticles Affects Behaviour and Fat Metabolism in Fish, Cedervall T. et al., PLoS ONE, 7(2): e32254 (2012)

4 - Impact des nanomatériaux sur les bactéries de l'eau, les algues, les crustacés, les poissons, d'autres organismes aquatiques, une chaîne trophique aquatique simplifiée in Impact de nanoparticules de TiO2 et de nanotubes de carbone sur les végétaux, thèse, Camille Larue, 2011

5 - Voir aussi les références listées ici : http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=RisquesNanoArgent#ToxOrgAquatiQ

6 - Voir le rapport Toxicité et écotoxicité des nanotubes de carbone, ANSES, février 2011 (mis à jour en novembre 2012 dans le document Note d'actualité, État de l'art 2011-2012)

7 - Prise en compte de l'évolution de l'état d'agglomération dans l'étude de l'écotoxicité des nanoparticules, Nicolas Manier, Rapport scientifique 2013-2014, INERIS, novembre 2014, p.16

8 - Voir par exemple :

• Nanomaterials interact with agricultural pesticides, increasing toxicity to fish, The Organic Center, février 2015 (résumé vulgarisé de l'article scientifique Ecotoxicological effects of carbofuran and oxidised multiwalled carbon nanotubes on the freshwater fish Nile tilapia: Nanotubes enhance pesticide ecotoxicity, Ecotoxicology and Environmental Safety, 111 : 131-137, janvier 2015)
• 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
• Spatial distribution, electron microscopy analysis of titanium and its correlation to heavy metals: Occurrence and sources of titanium nanomaterials in surface sediments from Xiamen Bay, China, Luo Z et al., J. Environ. Monit., 13, 1046-1052, 2011 : cette étude sur les sédiments de la baie du Xiamen en Chine a montré que ces sédiments contenaient jusqu'à 2,74 g Ti/kg, en grande partie sous forme d'agglomérats de 300 nm composés de nanoparticules d'une cinquantaine de nanomètres. La distribution du titane dans les sédiments est corrélée positivement à celle d'éléments tels que le plomb ou le zinc, ce qui va dans le sens d'une adsorption de polluants à la surface des nanoparticules.
• 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

9 - Cf. Nanomaterials in sunscreens and boats leave marine life vulnerable, UC Davis News, 12 mai 2015 (communiqué de presse) ; Copper oxide and zinc oxide nanomaterials act as inhibitors of multidrug resistance transport in sea urchin embryos: Their Role as Chemosensitizers, WU B et al., Environ. Sci. Technol., 49 (9) : 5760-5770, avril 2015

10 - Cf. Titanium dioxide nanoparticles enhance mortality of fish exposed to bacterial pathogens, Jovanovic B et al., Environmental Pollution, 203 : 153-164, août 2015

11 - Voir notamment :

• Ecotoxicological Effects of Transformed Silver and Titanium Dioxide Nanoparticles in the Effluent from a Lab-Scale Wastewater Treatment System, Georgantzopoulou A et al., Environ. Sci. Technol., 52, 16, 9431-9441, 2018
• Les véritables effets des nanoparticules dans leur environnement, CORDIS, mars 2018 : "La plupart des nanomatériaux synthétiques émis dans l’environnement arriveront tôt ou tard dans nos océans et nos mers. Le projet SOS-Nano a conçu des tests afin de prédire leur toxicité pour le milieu marin. Les chercheurs ont utilisé un ingénieux système naturel d’exposition à l’eau in vivo pour tester les effets des nanoparticules d’oxyde métallique : l’oxyde de zinc (ZnO) et le dioxyde de manganèse (MnO2). Les larves d’huîtres ont souffert d’un niveau élevé de toxicité occasionnée par le ZnO, en revanche, les NP de MnO2 n’étaient pas toxiques dans tous les scénarios d’exposition".

12 - Cf. http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=EffetsNanoSante#EffetCocktail

13 - Quelles interactions entre les nanoparticules et les autres contaminants de l'environnement ?, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique (BVS), Anses, décembre 2014

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Fiche initialement créée en octobre 2014