Nanoparticules et Stations d’épuration

(Résidus de) nanoparticules et Stations d’épuration

Des nanomatériaux – ou leurs résidus – présents dans de nombreux produits de consommation, produits phytosanitaires ou effluents industriels arrivent jusqu’aux stations d’épuration. 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’eau¹Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Keller AA et al., Journal of Nanoparticle Research, 15:1692, Mai 2013
Voir aussi :
– Discovery and Characterization of Silver Sulfide Nanoparticles in Final Sewage Sludge Products, Kim B. et al., Environmental Science & Technology, 44 (19), 7509-7514, septembre 2010 : des particules de sulfure d’argent nanométrique ont été détectées dans des boues d’épuration
– Characterization of Nanomaterials in Metal Colloid-Containing Dietary Supplement Drinks and Assessment of Their Potential Interactions after Ingestion, Reed RB et al., ACS Sustainable Chem. Eng, juin 2014.

Quel impact sur le fonctionnement des stations d’épuration ?

On redoute que des nanomatériaux détruisent les bactéries utilisées pour dégrader les matières organiques, ce qui remettrait en cause le bon fonctionnement des stations d’épuration : en cause notamment, le nanoargent²– Review: Issues of Silver Nanoparticles in Engineered Environmental Treatment Systems, Water, Air, & Soil Pollution, avril 2014
– Different susceptibilities of bacterial community to silver nanoparticles in wastewater treatment systems, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 49(6), février 2014 ou des nanoparticules d’oxyde de cuivre³Voir par exemple Inhibition of anaerobic wastewater treatment after long-term exposure to low levels of CuO nanoparticles, Water Research, 2014.

En 2009 des gestionnaires de l’eau aux Etats-Unis ont alerté l’agence environnementale fédérale américaine (EPA) sur les effets néfastes du nanoargent sur le fonctionnement des stations d’épuration et l’environnement, références scientifiques à l’appui⁴Silver and Compounds Registration Review, Tri-TAC, septembre 2009.

D’autres études sont depuis venues étayer ces craintes : des études ont établi que certains nanomatériaux manufacturés peuvent avoir des effets préjudiciables sur les processus de traitement des eaux usées, en inhibant les processus anaérobies ou de dénitrification dans les stations d’épuration des eaux usées⁵Selon l’OCDE (in Les nanomatériaux dans les flux de déchets, novembre 2015), à fortes concentrations, les nanomatériaux manufacturés ayant des propriétés métalliques pourraient inhiber le processus anaérobie ou de dénitrification, ce qui aurait un impact sur les communautés bactériennes et risquerait, à terme, de porter atteinte à la capacité de l’installation de réduire la toxicité des boues :
– Impacts of Silver Nanoparticle Coating on the Nitrification Potential of Nitrosomonas europaea, Arnaout CL et al., Environ. Sci. Technol., 2012
– Five reasons to use bacteria when assessing manufactured nanomaterial environmental hazards and fates, Holden P. et al., Current Opinion in Biotechnology, 27: 73-78, 2014
– Biosorption if Nanoparticles to Heterotrophic Wastewater Biomass, Kiser et al., Water Research, 44(14) : 4105-4114, 2010
– Effects of CeO2 and ZnO nanoparticles on Anaerobic Digestion and Toxicity of Digested Sludge, Nguyen, MD, mémoire de master – Université de Dalat, Viet Nam]], 2013
– Nanosilver impact on methanogenesis and biogas production from municipal solid waste, Yang et al., Waste Management, 32 : 816-825, 2013
– Voir aussi : of total oxygen uptake by silica nanoparticles in activated sludge, Journal of Hazardous Materials, 283(11) : 841-846, février 2015. Mais les rares études sur la question ne sont pas toutes concordantes, et les effets ne sont pas les mêmes selon les types de nanomatériaux et les revêtements de surface⁶Cf. Devenir des nanomatériaux manufacturés dans les stations d’épuration et l’épandage agricole, Bottero JY, OCDE, novembre 2015.

Quel devenir des nanomatériaux qui arrivent dans les stations d’épuration ?

Les stations d’épuration ne sont pas bien équipées pour filtrer les nanomatériaux dont une partie se retrouve dans nos rivières et dans l’eau potable.
Les estimations varient selon les recherches⁷Selon une étude publiée en mars 2015, les stations d’épuration étasuniennes ne sont pas équipées pour filtrer correctement les nanoparticules de dioxyde de titane ; voir le communiqué de presse : Are Current Water Treatment Methods Sufficient to Remove Potentially Harmful Engineered Nanoparticles?, Liebert Pub., 10 mars 2015
Voir aussi :
– un exemple de faibles taux de filtration mis en évidence par des chercheurs aux USA : Evaluating nanoparticle breakthrough during drinking water treatment, Environmental Health Perspectives, Abbott Chalew TE et al., 121(10):1161-1166, juillet 2013
– des estimations plus optimistes réalisées par des chercheurs suisses : Transformation of AgCl nanoparticles in a sewer system — A field study, Kaegi R et al., Science of The Total Environment, 535 : 20-27, décembre 2015 (95% des nanoparticules seraient filtrées) et Les eaux ne contiennent qu’une faible proportion des nanoparticules d’argent issues des produits de consommation, Eawag, avril 2013 → Fate and transformation of silver nanoparticles in urban wastewater systems, Kaegi R et al., Water Research, 47(12), 3866-3877, août 2013, mais une grande majorité des nanomatériaux (en masse) serait captée et concentrée dans les boues des stations d’épuration.

Les estimations de concentrations des boues en nanomatériaux varient selon les études:

• des mesures auraient montré que les boues contiennent 10 à 30 mg d’argent par kg de boue sèche (dont des nanoparticules d’argent et des ions argent)⁸Ces chiffres ont été cités par Franck Vanderbulcke, professeur à l’université de Lille lors de la séance du 6 mai sur le nanoargent du ForumNanoResp, mai 2015.

• d’autres estimations ont établi les concentrations suivantes de nanomatériaux au sein des boues de STEP à 10 mg/kg d’oxydes de cérium (CeO2), 2 mg/kg d’argent (Ag), 370 mg/kg à 2000 mg/kg de dioxyde de titane (TiO2), 65 mg/kg d’oxydes de zinc (ZnO)⁹Estimating Potential Life Cycle Releases of Engineered Nanomaterials from Wastewater Treatment Plants, Lazareva A, Keller AA, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2: 1656-1665, 2014.

• selon une autre étude, dans les sols sur lesquels ont été épandues des boues de station d’épuration, ce seraient les nanoparticules de CeO2 et de TiO2 qui seraient en tête de liste ; les traitements des eaux conduiraient à des concentrations extrêmement faibles de nanoparticules de ZnO et de nanoparticules d’argent (Ag) dans l’environnement¹⁰Modeling 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.

Un groupe de chercheurs de l’Eawag et de l’EPF de Zurich ont démontré que les nanoparticules de plastique sont presque toutes retenues dans les boues des stations d’épuration¹¹Les STEP efficaces avec les nanoplastiques, Le Matin, 5 février 2019 ; Synthesis of metal-doped nanoplastics and their utility to investigate fate and behaviour in complex environmental systems, Mitrano DM et al., Nature Nanotechnology, 4 février 2019.

Quelle que soit la performance des stations, en l’absence de mesure de restrictions de l’émission de nanomatériaux, les quantités de nanoparticules non filtrées relarguées dans les eaux de surface seront amenées à croître en même temps que ces produits qui envahissent le marché à une vitesse bien plus grande que le rythme de modernisation des stations d’épuration de par le monde.

Quelles sont (et seront) les conséquences sur la faune et la flore aquatiques ? Les études se développent et les résultats préoccupants se multiplient¹²Effect of Ozone Treatment on Nano-Sized Silver Sulfide in Wastewater Effluent, Thalmann B et al., Environ. Sci. Technol., 49(18) : 10911-10919, 2015.

Quel impact sur les sols agricoles où sont épandues les boues des stations d’épuration ?

Entre 70 et 80% des boues des stations d’épuration sont épandues sur les terres agricoles pour achever l’épuration tout en servant d’engrais (le reste est incinéré ou mis en décharge)¹³Voir notamment :
– Bilan de dix années d’application de la réglementation relative à l’épandage des boues issues du traitement des eaux usées, Ministère de l’alimentation, de l’agriculture et de la pêche /CGAAER : Jean-Paul Legroux/ CGEDD : Claude Truchot /Rapport n° 1771
– L’épandage des boues de stations d’épuration urbaines et industrielles sur les sols agricoles, Ministère de l’écologie.. Si certains contaminants métalliques sont contrôlés, il n’y a pas d’obligation de suivi des formes nanométriques de ces contaminants. Et l’argent, même sous forme non nanométrique, n’est actuellement ni systématiquement recherché, ni règlementé.

En 2012, des chercheurs suédois ont constaté que le nanoargent des textiles qui se retrouvait dans les boues d’épuration produisait des effets toxiques sur les vers de terre qui y étaient exposés¹⁴Assessing the Environmental Risks of Silver from Clothes in an Urban Area, Arvidsson R et al., Human and Ecological Risk Assessment, 20(4), juin 2012.
En Allemagne, une recherche a confirmé en 2013 que des nanoparticules d’argent peuvent être toxiques pour les microorganismes du sol essentiels au cycle naturel de l’azote : des effets néfastes peuvent apparaître à partir de 30 mg de nanoparticules d’argent par kilogramme de boues épandues (sur la base des taux d’application typiques en Allemagne de cinq tonnes par hectare de terres agricoles tous les trois ans)¹⁵Hazard assessment of a silver nanoparticle in soil applied via sewage sludge, Environmental Sciences Europe, 25(17), 2013 (voir le résumé Silver nanoparticles in sewage sludge harmful to soil microorganisms, « Science for Environment Policy », 351, novembre 2013).
Depuis 2014, des chercheurs français de l’ISTERRE étudient le devenir des nanoparticules d’argent dans les sols cultivés après épandage de boues de stations d’épuration contaminées : ils ont constaté des modifications de l’activité enzymatique du sol, même à faible dose.

Fin 2015, l‘OCDE a publié un rapport qui juge « alarmant » l’épandage agricole des boues d’épuration des eaux usées, eu égard aux risques liés à la présence des nanomatériaux dans ces boues¹⁶Cf. Les nanomatériaux dans les flux de déchets, OCDE, novembre 2015 !

Comment faire pour ne pas renouveler les erreurs du passé ?

Comment tirer les leçons du passé ? En France, dans les années 70-80, des expérimentations ont été focalisées sur le transfert des métaux lourds des boues d’épuration aux sols et aux cultures jusque dans la chaîne alimentaire¹⁷Danielle Lanquetuit, 1979-1986, avec l’Agence de l’Eau Seine Normandie. Le dialogue entre « villes et campagne » a été tantôt un discours urbain sur les bienfaits d’un recyclage complémentaire et biologique par les sols, avec une dilution d’éléments indésirables, tantôt au refus par les agriculteurs du transfert de pollution des zones urbaines vers les zones rurales, sans garanties en cas d’impacts négatifs¹⁸Pour en savoir plus sur les transactions entre différents acteurs en France et en Europe sur la période 1986-2000, cf. L’épandage agricole des boues de stations d’épuration d’eaux usées urbaines, Alexandre Dudkowski, INRA-ME&S, Le Courrier de l’environnement de l’Inra, août 2000.
Les premiers suivis de traçabilité centrés sur les métaux lourds ou éléments-traces métalliques (ETM : chrome, nickel, cadmium, cuivre, zinc, plomb, mercure, voire sélénium…) dans les années 80 ont ensuite été élargis à 10 micro-polluants organiques dans les années 90, et des études ont été menées sur l’impact des oestrogènes (provenant d’urines humaines et de contraceptifs) concentrés dans les eaux résiduaires et leur effet de perturbateur endocrinien sur la faune aquatique¹⁹Cf. Devenir des oestrogènes dans les stations d’épuration, INRA, 2009 et Ecodynamique et écotoxicologie des oestrogènes au cours du traitement des eaux résiduaires et des boues urbaine, thèse de M. Muller publiée en 2008.
En 2013, l’ADEME utilise toujours les termes de « valorisation » par épandage agricole des déchets, réglementé par le décret n° 97-1133 du 8 décembre 1997 et l’arrêté du 8 janvier 1998 ainsi que des arrêtés préfectoraux²⁰Un exemple dans le Haut Rhin : http://www.smra68.net/les-regles-epandage/reglementation-boues.html. Et un fonds de garantie a été instauré pour indemniser les préjudices éventuellement subis par les exploitants et les propriétaires agricoles suite à un épandage de boues d’épuration urbaines ou industrielles sur leurs parcelles²¹Cf. article L425-1 du code des assurances et le décret n°2009-550 du 18/05/2009.

⇒ Le même cycle de questionnements et de jeux d’acteurs reprend à chaque vague de prise de conscience de polluants émergents, provoquant une hausse des obligations de performances de traitement dans les stations d’épuration et de la vigilance tout au long de la chaîne de recyclage. La vague nanoargent est à l’étude ; combien d’années seront nécessaires avant une réaction à la hauteur des enjeux ? Faut-il laisser faire le développement des usages de masse ou bien tirer les enseignements d’expériences similaires ? Encore faut-il pouvoir identifier les principales sources de relargage de nanomatériaux dans les eaux usées – travail qui n’en est qu’à son balbutiement via notamment le registre R-Nano en France.

La transformation potentielle des nanomatériaux manufacturés dans le sol, leurs interactions avec les plantes et les bactéries dans la rhizosphère et leur transfert dans les eaux superficielles commencent tout juste à être étudiés.