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Relargage et devenir des nanomatériaux dans l'eau

Par MD et DL - Dernier ajout avril 2020

Cette fiche fait partie de notre dossier Nano et Eau : 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.

Sommaire :

Relargage des nanomatériaux dans l'eau
Devenir et transformation des nanomatériaux dans l'eau
Transfert à travers les milieux poreux
En savoir plus

Relargage de nanomatériaux dans l'eau

- Quelles quantités de nanomatériaux sont relarguées dans l'eau ?

La quantité de nanoparticules relarguées dans l'eau est aujourd'hui inconnue. L'un des défis majeurs tient au fait qu'on ne sait pas bien détecter les nanoparticules dans l'eau à faible concentration¹.
Différentes modélisations² ont été réalisées pour tenter de quantifier les concentrations et les flux de différents types de nanoparticules manufacturées dans l'environnement. Cependant, ces exercices sont basés principalement sur les estimations de quantités produites de nanomatériaux manufacturés plutôt que sur des estimations de quantités de nanomatériaux manufacturés contenus dans les produits de consommation³.

En 2013, des chercheurs ont estimé qu'entre 0,4 à 7% des 300 000 tonnes de nanomatériaux manufacturés produits dans le monde en 2010 ont été relargués dans l'eau⁴. Mais ces chiffres sont bien en deça de la réalité puisqu'on a appris la même année grâce à la déclaration obligatoire française que pas moins de 500 000 tonnes de "substances à l'état nanoparticulaire" avaient été produites ou importées sur le seul territoire français en 2013⁵ !

- Quelles sont les sources de relargage de nanomatériaux dans l'eau ?

Des nanomatériaux peuvent être libérés dans l'eau :

CosmetiquesEnvironnementNano-small
Lien vers: http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=NanoBD — Illustration Géraldine Grammon, 2017

dans les effluents industriels émanant d'entreprises dans lesquelles des nanomatériaux sont produits / manipulés / transformés
lors de la baignade des personnes ayant appliqué de la crème solaire contenant des nanoparticules⁶
lors des lavages pour les textiles auxquels des nanoparticules ont été appliquées⁷
sous l'effet du ruissellement des eaux de pluie pour les ciments et peintures extérieures recouverts de nanorevêtements⁸ et suite au lessivage de sols contaminés
sous l'effet de la corosion des peintures appliquées sur les bateaux (certaines contiennent des nanoparticules d'oxyde de cuivre pour empêcher les petits crustacés et les moules de se fixer sur la coque⁹)
par le dépôt de particules transportées par voie atmosphérique
suite à un déversement accidentel

- Quels sont les nanomatériaux les plus susceptibles d'être présents dans l'eau ?

Du fait des incertitudes sur les volumes de nanomatériaux commercialisés et relargués dans l'eau, les estimations des scientifiques ne sont pas concordantes et varient en fonction des méthodes et hypothèses utilisées et des pratiques des différents pays (épandage des boues des stations d'épuration versus incinération par exemple) :

selon une étude récente, les nanoparticules dont les concentrations sont susceptibles d'être les plus élevées dans l'eau traitée au Royaume-Uni sont les nanoparticules de dioxyde de titane et les nanoparticules de zinc (émanant des crèmes solaires et autres cosmétiques) et les nanoparticules de silice (dentifrice) ; les nanoparticules à base de carbone, de fer ou d'argent n'arrivent qu'en 6ème, 7ème et 8ème positions, et les nanoparticules d'oxyde de cerium sont celles dont les concentrations sont les plus faibles¹⁰.

selon une autre estimation portant sur le Danemark cette fois, les plus fortes concentrations de nanoparticules dans les systèmes aquatiques concerneraient les particules de noir de carbone et de TiO2 photostable (contenu dans les crèmes solaires et non pas celui contenu dans les peintures photocatalytiques), suivies par le carbonate de cuivre (CuCO3, en supposant que son utilisation comme agent de protection du bois va s'accroître). Les traitements des eaux conduiraient à des concentrations extrêmement faibles de nanoparticules d'oxydes de zinc (ZnO) et de nanoparticules d'argent dans l'environnement¹¹.

En France, des chercheurs ont constaté un accroissement de la présence d'argent dans l'estuaire de la Gironde¹² dont les causes depuis 2005 sont encore mal connues, mais potentiellement liées... :

à l'érosion des sols agricoles,
à l'ensemencement des nuages (solution d'iodure d'argent) pour éviter les impacts de la grêle sur les récoltes de vigne et l'arboriculture,
aux rejets des eaux usées des collectivités.

Devenir des nanomatériaux dans l'environnement aquatique

Les connaissances sur le devenir des nanomatériaux dans l'eau commencent à se développer mais restent encore très limitées. En raison de leur petite taille et surtout de leur forte réactivité, les nanomatériaux ont en effet tendance à interagir avec quasiment tous les éléments présents dans l'eau (matériaux minéraux, chimiques ou biologiques), selon des configurations très variables en fonction de leurs caractéristiques physico-chimiques et de la composition du milieu.
Dans l'eau, les nanomatériaux peuvent subir des modifications :

des phénomènes de dissolution peuvent intervenir (plus particulièrement sur les nanoparticules d'argent et d'oxyde de zinc) et être d'autant plus importants que les particules sont petites¹³

des phénomènes d'adsorption peuvent entraîner la fixation d'autres éléments (dont des polluants) à la surface des nanoparticules¹⁴

des phénomènes d'agglomération des nanomatériaux ont été constatés dans les eaux naturelles¹⁵.

> Phénomènes pouvant altérer les nanomatériaux dans l'environnement - Camille Larue, 2011¹⁶

Certains nanomatériaux ont tendance à sédimenter par gravité et s'accumuler dans les sédiments (notamment dans le cas de nanomatériaux agrégés et/ou hydrophobes comme les nanotubes de carbone¹⁷) ce qui augmente les risques de contact avec des microorganismes qui vivent sur les sédiments aquatiques.
D'autres auraient au contraire tendance à rester en suspension (notamment s'ils sont enrobés avec un revêtement de surface hydrophile) et se disperser facilement, augmentant le risque d'exposition¹⁸.

Leur dégradation, ou à l'inverse leur persistance, sont elles aussi complexes à déterminer et varient en fonction des nanomatériaux et de la qualité des eaux :

Selon une étude de 2011, les nanomatériaux carbonés (fullerènes C60, nanotubes de carbone) ne sont pas biodégradables en milieu liquide dans l'environnement¹⁸.
Une autre étude dont les résultats ont été rendus publics en 2011 également¹⁹ a été menée sur des nanoparticules d'oxydes de zinc (ZnO) et de dioxyde de titane (TiO2) dans l'eau de Seine ; elle a montré que :
- la forme nanoparticulaire du TiO2 n'est pas davantage soluble que ses homologues microparticulaire ou macroparticulaire
- à l'inverse, pour une bonne part, les nanoparticules d'oxydes de zinc sont rapidement dissoutes dans l'eau de Seine
- l'enrobage, en fonction de sa nature, peut diminuer ou augmenter la dissolution des nanoparticules.

Les nanomatériaux en général auraient tendance à être stabilisés dans les médias de faible force ionique et de forte teneur en carbone organique dissous (COD)²⁰.

On retrouve 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 filtrer : 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 !

Aux USA, Marie Simonin poursuit avec le CIENT les études d'impact de NP en mésocosmes. Elle a co-signé en 2018 deux publications en anglais (indiquées en bas de cette page) :
- l'une montre que la biotransformation de nanoparticules ne doit pas être ignorée, même pour les nanoparticules généralement considérées comme stables dans l'environnement (ici des nanoparticules d'or).
- l'autre étudie les impacts d'une nanoparticule d'or enrobée de citrate et d'un pesticide commercial contenant des nanoparticules de cuivre (OH) sur des producteurs primaires aquatiques dans des conditions de nutriments ambiants et enrichis (cela reproduit des rejets de fertilisants). Les mésocosmes des zones humides ont été exposés à plusieurs reprises avec de faibles concentrations de nanoparticules et de nutriments au cours d'une expérience de neuf mois visant à reproduire des scénarios d'exposition réalistes sur le terrain. En l'absence d'enrichissement en nutriments, il n'y avait pas d'effets persistants des nanoparticules d'or ou de cuivre sur les producteurs primaires ou la productivité des écosystèmes. Cependant, combinés à un enrichissement en nutriments, les deux types de nanoparticules intensifient leur eutrophisation. Lorsque l’une ou l’autre de ces nanoparticules a été ajoutée en combinaison avec des nutriments, les efflorescences d’algues ont persisté 50 jours de plus que dans le traitement avec nutriments seulement. Ces deux contaminants émergents et les produits chimiques de synthèse peuvent jouer un rôle sous-estimé dans les tendances mondiales à l’augmentation de l’eutrophisation. L'étude montre que l'exposition chronique aux nanoparticules d'or et oxyde de cuivre à de faibles concentrations peut intensifier l'eutrophisation des zones humides et favoriser la prolifération d'algues.

Transfert à travers les milieux poreux

Les processus de transfert à travers un milieu poreux (sol ou aquifère) sont également l'objet de travaux de recherche. Des expériences sont réalisées en présence d'une phase solide ou à travers une phase solide. Elles permettent une meilleure compréhension des processus d'adsorption, de l'impact de l'hydrodynamique et de l'agrégation sur les processus de transport des nanoparticules. Les premières expériences réalisées sont toutefois réalisées sur des modèles très simplifiés tels que des billes de silice. Les essais en milieu plus complexe comprenant plusieurs minéraux et intégrant la matière organique naturelle commencent seulement à se développer²¹.

En savoir plus

Voir les autres fiches de notre dossier Nano et Eau.

LIRE AUSSI sur notre site :

Ailleurs sur le web :
- Relargage des nanomatériaux dans l'eau :

image 20180226_Guide_pratique_des_micropolluants_dans_les_eaux_du_bassin_SeineNormandie.jpg (76.2kB)

En français :
- Guide pratique des micropolluants dans les eaux du bassin Seine-Normandie, AESN et INERIS, 2008, révisé en 2017. L'ouvrage contient des fiches pour des nanoparticules métalliques : Nickel, chrome, cuivre, zinc, aluminium, argent, cobalt, titane, sélénium.
- L'argent (Ag, nanoAg) comme contaminant émergent dans l'estuaire de la Gironde : évaluations scientifiques et gouvernance des risques, Salles D. et al., ERS, 12 : 317-323, juillet/août 2013
En anglais :
- Sewage spills are a major source of titanium dioxide engineered (nano)-particle release into the environment, Loosli F et al., Environ. Sci.: Nano, 6, 763-777, 2019
- Engineered nanomaterials from wastewater treatment & stormwater to rivers, Final conference of the COST Action ES1205, Aveiro (Portugal), 7-8 février 2017
- Modeling Flows and Concentrations of Nine Engineered Nanomaterials in the Danish Environment, Gottschalk F et al., Int. J. Environ. Res. Public Health, 12(5), 5581-5602, 2015
- How important is drinking water exposure for the risks of engineered nanoparticles to consumers?, Tiede K et al., Nanotoxicology, 1-9, 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
- Presence of Nanoparticles in Wash Water from Conventional Silver and Nano-silver Textiles, ACS Nano, 8 (7), 7208-7219, juin 2014
- Validation and sensitivity of the FINE Bayesian network for forecasting aquatic exposure to nano-silver, Science of The Total Environment, 473-474, 685-691, mars 2014
- Sequential Studies of Silver Released from Silver Nanoparticles in Aqueous Media Simulating Sweat, Laundry Detergent Solutions and Surface Water, Environ. Sci. Technol., 48 (13), pp 7314-7322, 2014
- Comprehensive modeling of environmental emissions of engineered nanomaterials, Sun TY et al., Environ. Pollut., 185, 69-76, 2014
- Environmental concentrations of engineered nanomaterials: Review of modeling and analytical studies, Gottschalk, F et al., , Environ. Pollut., 181, 287-300, 2013
- Particle Flow Analysis: Exploring Potential Use Phase Emissions of Titanium Dioxide Nanoparticles from Sunscreen, Paint, and Cement, Arvidsson R et al., Journal of Industrial Ecology, 16(3) : 343-351, juin 2012
- 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
- The Behavior of Silver Nanotextiles during Washing, Environ. Sci. Technol., 43 (21), 8113-8118, 2009

- Devenir et transformation des nanomatériaux dans l'environnement aquatique

En français :
- Que deviennent les nanoparticules d'or dans l'environnement ?, Labex Serenade, 16 janvier 2019
- Les polluants émergents : de nouveaux défis pour la gestion des eaux souterraines, SFH et BRGM, mai 2016
- Étude du comportement des nanomatériaux à la frontière rivière-océan en utilisant des grands mésocosmes, Pelletier E, UQAR (Université du Québec à Rimouski), intervention au 83e du Congrès de l'Acfas, Colloque 210 - Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement, mai 2015
- Les nanoparticules d'argent en milieu naturel : cas d'un estuaire, Millour M, UQAR (Université du Québec à Rimouski), intervention au 83e du Congrès de l'Acfas, Colloque 210 - Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement, mai 2015
- Implications environnementales des nanotechnologies. Etat de l'art sur le devenir des nanoparticules manufacturées dans une eau de surface, Labille J et al., Colloque annuel du programme de recherche PIREN-Seine, février 2014
- "Devenir des nanomatériaux dans l'écosystème eau" in Impact de nanoparticules de TiO2 et de nanotubes de carbone sur les végétaux, thèse, Camille Larue, 2011
- Les nanoparticules : quels risques en Seine ?, Yann Sivry et al., communication aux 22èmes Journées Scientifiques de l'Environnement - Reconquête des environnement urbains : les défis du 21ème siècle, février 2011
En anglais :
- Differential Reactivity of Copper- and Gold-Based Nanomaterials Controls Their Seasonal Biogeochemical Cycling and Fate in a Freshwater Wetland Mesocosm, Avellan A et al., Environ. Sci. Technol., 54, 3, 1533-1544, 2020
- 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
- Nanoparticle stability in lake water shaped by natural organic matter properties and presence of particulate matter, Slomberg DL et al., Science of the Total Environment, 656 : 338-346, mars 2019
- Gold nanoparticle biodissolution by a freshwater macrophyte and its associated microbiome, Avellan A et al., Nature Nanotechnology, (13) : 1072–1077, 2018
- Gold nanoparticle biodissolution by a freshwater macrophyte and its associated microbiome, Simonin M et al., Nature nanotechnology, août 2018.
- Engineered nanoparticles interact with nutrients to intensify eutrophication in a wetland ecosystem experiment, article Marie Simonin et al., Ecological applications, juin 2018.
- Emerging contaminants: fate, effects and environmental risks, Conférence, The society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), mai 2016
- Rethinking Stability of Silver Sulfide Nanoparticles (Ag2S-NPs) in the Aquatic Environment: Photoinduced Transformation of Ag2S-NPs in the Presence of Fe(III), Li L et al., Environ. Sci. Technol., 2016
- Modeling Flows and Concentrations of Nine Engineered Nanomaterials in the Danish Environment, Gottschalk F et al., Int. J. Environ. Res. Public Health, 12(5), 5581-5602, 2015
- Addressing the complexity of water chemistry in environmental fate modeling for engineered nanoparticles, Sani-Kast N. et al., Science of the Total Environment, 2015
- A review of the properties and processes determining the fate of engineered nanomaterials in the aquatic environment, Peijnenburg W et al., Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 45(19) : 2084-2134, 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
- Nano silver and nano zinc-oxide in surface waters - Exposure estimation for Europe at high spatial and temporal resolution, Dumont E et al., Environmental Pollution, 196 : 341-349, janvier 2015
- In Situ Chemical Transformations of Silver Nanoparticles along the Water-Sediment Continuum, Environ. Sci. Technol., 49 (1) : 318-325, 2015
- Heteroaggregation of titanium dioxide nanoparticles with model natural colloids under environmentally relevant conditions, Praetorius A. et al., Environmental Science and Technology, 48 : 10690-10698, 2014
- Fate of single walled carbon nanotubes in wetland ecosystems, Schierz A et al., Environ. Sci.: Nano, 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
- Miljøstyrelsen (Agence de protection de l'environnement du Danemark), Environmental fate and behaviour of nanomaterials, septembre 2014
- 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
- Environmental fate and effects of manufactured CeO2 nanomaterials (nanoceria), 2014. Cette étude du CIENT traite effets de nanoparticules de dioxide de cerium ou nanoceruse, additif pour les carburants.
- Fate of nanoparticles in the aquatic environment. Removal of engineered nanomaterials from the water phase under environmental conditions, Quik JTK, manuscrit de thèse, Radboud University Nijmegen, The Netherlands, 2013
- Evaluating nanoparticle breakthrough during drinking water treatment, Environmental Health Perspectives, 121(10):1161-1166, juillet 2013
- Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Keller AA et al., Journal of Nanoparticle Research, 15:1692, Mai 2013
- Long term Transformation and Fate of Manufactured Ag Nanoparticles in a Simulated Large Scale Freshwater Emergent Wetland, Lowry GV et al., Environ. Sci. Technol., 46 (13) : 7027-7036, juillet 2012
- Silver behaviour along the salinity gradient of the Gironde Estuary, Environ Sci Pollut Res, Lanceleur L et al., 20 : 1352-66, juillet 2012

NOTES et REFERENCES

1 - Voir notre Biblio "Détection / caractérisation de nanomatériaux dans l'eau"

2 - Voir notamment :

Nano silver and nano zinc-oxide in surface waters - Exposure estimation for Europe at high spatial and temporal resolution, Dumont E et al., Environmental Pollution, 196 : 341-349, janvier 2015
Gottschalk F et al., Probabilistic material flow modeling for assessing the environmental exposure to compounds: methodology and an application to engineered nano-TiO2 particles, Environ Model Software, 25:320-32, 2010
Blaser SA et al, Estimation of cumulative aquatic exposure and risk due to silver: contribution of nano-functionalized plastics and textiles, Sci Total Environ, 390:396-4092008, février 2008
Boxall ABA et al, Current and predicted environmental exposure to engineered nanoparticles, York: CSL, 2008
Mueller NC & Nowack B, Exposure modelling of engineered nanoparticles in the environment, Environ Sci Technol, 42:4447-53, 2008

3 - Cf. How important is drinking water exposure for the risks of engineered nanoparticles to consumers?, Tiede K et al., Nanotoxicology, 1-9, 2015

4 - Cf. Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Keller AA et al., Journal of Nanoparticle Research, 15:1692, Mai 2013

5 - Cf. 500 000 tonnes de nanomatériaux en France... enfin pas tout à fait !, veillenanos.fr, 2 décembre 2013

6 - En 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). Cf. Écrans UV nanos : un danger pour la vie marine, L'Observatoire des Cosmétiques, 5 septembre 2014
Des chercheurs du CEREGE en France ont de leur côté mesuré la concentration en titane dans l'eau de trois plages de Marseille et ont estimé à 54 kilos par jour le poids de TiO2 relargué dans les deux mois d'été pour une petite plage. Voir :