Relargage, devenir et transformation des nanos dans environnement

Relargage, devenir et transformation des nanos dans environnement

Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout mai 2024

Quel relargage des nanomatériaux manufacturés dans l’environnement ?

Peu de données existent sur le relargage des nanomatériaux manufacturés

Par « relargage » des nanomatériaux, on désigne le phénomène par lequel des nanomatériaux – ou des résidus de dégradation des nanomatériaux – sont émis dans l’environnement. Le terme « émissivité » est parfois également utilisé.

On peut distinguer le relargage :

• des nanoparticules naturelles que l’on trouve par exemple dans les poussières d’érosion ou d’éruption volcanique ou encore dans les embruns marins ;
• des nanoparticules dites « incidentelles » car produites « involontairement » par les activités humaines, émanant des fumées (de combustion du bois, industrielles, émanant des moteurs diesel, des incinérateurs, des grille-pains ou des fours) ou de l’abrasion de matériaux bruts non nanométriques ;
• des nanomatériaux manufacturés produits à dessein à l’échelle nanométrique par les chercheurs et les industriels pour exploiter leurs propriétés spécifiques.

On a aujourd’hui une connaissance très limitée des quantités et types de nanomatériaux manufacturés – ou résidus de ces nanomatériaux – qui sont relargués dans l’environnement. Or ces données sont importantes pour mieux connaître l’exposition aux nanomatériaux des écosystèmes et des populations (notamment des travailleurs), afin de mieux les protéger des risques associés.

En 2013, des chercheurs avaient estimé qu’entre 63 et 91% des quelques 300 000 tonnes de nanomatériaux manufacturés produits dans le monde en 2010 ont fini dans des décharges, le reste étant relargué principalement dans les sols (8 à 28%), dans l’eau (de 0,4 à 7%), ou dans l‘atmosphère (0,1-1,5 %)¹–Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Journal of Nanoparticle Research, Mai 2013.
-Aussi : A noter, cette mise au point par Olivier Boucher, directeur de recherche au laboratoire CNRS de météorologie dynamique, concernant les allégations véhiculées sur les réseaux sociaux au sujet des nanoparticules qui seraient relarguées par les avions (« chemtrails ») : « Les avions diffusent-ils des produits chimiques à notre insu ? », France Culture, 28 juillet 2018. En septembre 2019, on apprenait toutefois par Emirats Agence de Presse, que le Centre national de météorologie (CNM) des Emirats arabes unis avait lancé une campagne de tests d’ensemencement de nuages ​​avec des nanoparticules de dioxyde de titane appliquées sur les cristaux de sel. L’objectif est de mieux contrôler la pluviosité. Quid du transport et des effets de ces nanoparticules ensuite dans les eaux et les sols ? Le communiqué ne le dit pas….. Mais ces chiffres sont très en deçà de la réalité et les informations collectées notamment par le registre r-nano, ne permettent toujours pas d’estimer et de localiser les volumes de nanomatériaux relargués dans l’environnement.

Par quels biais sont relargués les nanomatériaux ?

Le relargage de nanomatériaux ou de résidus de nanomatériaux peut intervenir lors de l‘utilisation directe des produits qui en contiennent ou sous l’effet de l’usure, l’abrasion ou de leur dégradation, par exemple :

• dans les sols :
  • en agriculture, lors de l’épandage de pesticides ou d’engrais³Nanopesticides: State of Knowledge, Environmental Fate, and Exposure Modeling, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 43 (16), Juillet 2013 contenant des nanomatériaux,
  • lors de dépollution des sols in-situ par injection de nanomatériaux.

• dans l’eau :
  • lors de la baignade pour des personnes ayant appliqué de la crème solaire⁴Des 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,
  • lors des lavages pour les textiles⁵Cf. notamment :
    – Quantitative characterization of TiO2 nanoparticle release from textiles by conventional and single particle ICP-MS, Mackevica A et al., Journal of Nanoparticle Research, 20:6, janvier 2018
    – Silver nanoparticles lost in the first wash, Chemistry World, 30 mars 2016 et Durability of nano-enhanced textiles through the life cycle: releases from landfilling after washing, DM Mitrano et al, Environ. Sci.: Nano, 2016,
  • sous l’effet du ruissellement des eaux de pluie sur les ciments et peintures extérieures recouverts de nanorevêtements⁶Cf. notamment
    – Mechanisms limiting the release of TiO2 nanomaterials during photocatalytic cement alteration: the role of surface charge and porous network morphology, Bossa N, Environmental Science: Nano, 2, 2019
    – 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
    – Emission of titanium dioxide nanoparticles from building materials to the environment by wear and weather, Shandilya, N et al., Environmental Science & Technology, 49(4): 2163-2170, 2015 ; un résumé vulgarisé est accessible gratuitement ici : Nanocoating on buildings releases potentially toxic particles to the air, « Science for Environment Policy », Commission européenne, 28 mai 2015

Selon les connaissances actuelles sur le relargage, on présume que le relargage sera plus important, par ordre décroissant, pour les sprays, les pneus, les crèmes solaires, les textiles, les peintures d’extérieur et les ciments (dont la part pourrait néanmoins considérablement augmenter dans un futur proche⁷« in the future, the largest flows and stocks of TiO2 NPs could be related to self-cleaning cement » in 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), et dans une moindre mesure pour les revêtements plastiques ou métalliques d’appareils électroménagers, ou pour les vitres auxquels les nanomatériaux sont plus solidement « fixés ».

Un phénomène complexe, tout au long du « cycle de vie »

Le relargage des nanomatériaux manufacturés peut intervenir tout au long du « cycle de vie » des produits, sans que l’on sache aujourd’hui sous quelle forme, en quelles quantités, et avec quels effets il s’opère précisément. A chacune des étapes de ce cycle de vie, de nombreux paramètres entrent en ligne de compte. Le relargage sera en effet différent selon : la façon dont les nanomatériaux se présentent (sous forme de poudre, en solution, déposés sur une surface ou intégrés dans une matrice, etc.), les conditions de production / d’utilisation / de gestion des déchets, le « medium » qui les environne : air, eau, sol, etc.

Quels relargages en « fin de vie » des produits ?

Ces questions demandent à être creusées, car les travaux publiés sur le relargage des nanomatériaux dans l’environnement sont encore parcellaires. En outre beaucoup d’études ont été réalisées dans des conditions souvent très éloignées de celles rencontrées dans la réalité et sur des nanomatériaux différents de ceux qui sont réellement incorporés dans les produits actuellement sur le marché. Des recherches sont en cours pour en savoir plus¹⁰Voir par exemple Nanosafety Analysis of Graphene-Based Polyester Resin Composites on a Life Cycle Perspective, Aznar Mollá, F et al., Nanomaterials, 12, 2036, 2022.

A suivre donc…¹¹Mi 2022, la revue Nanomaterials a lancé un appel à publications pour un numéro spécial : Cf. Special Issue « Quantitative Material Releases from Products and Articles Containing Manufactured Nanomaterials », Nanomaterials, 2022 (date limite d’envoi des publications : le 31 janvier 2023)

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

Quelles mobilité et accumulation des nanomatériaux 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) ?

• Dans l’air : Les nanomatériaux relargués dans l’air peuvent se disperser facilement et sur de longues distances dans l’atmosphère avant de retomber¹²Effets 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.
• Dans les sols¹³Voir 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.: 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 peuvent :
  • 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 facilementTransport of nanoparticulate TiO₂ UV-filters through a saturated sand column at environmentally relevant concentrations, Motellier D et al., Science of the Total Environment, 811, 152408, mars 2022, 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 filtre¹⁴Voir à ce sujet les travaux du Groupe de travail « Déchets des nanotechnologies » de Observatoire régional des déchets industriels en Midi-Pyrénées (ORDIMIP): 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 !

Plus généralement, les nanomatériaux ou résidus de nanomatériaux peuvent également :

• pénétrer et s’accumuler dans différentes espèces bactériennes, végétales, animales, terrestres et ou aquatiques (les connaissances devraient s’accentuer dans les prochaines années grâce aux progrès de métrologie permettant la détection des nanomatériaux dans les tissus biologiques¹⁵Cf. An analytical workflow for dynamic characterization and quantification of metal-bearing nanomaterials in biological matrices, Monikh FA et al., Nature protocols, 2022).
• être transférés de génération en génération, et remonter la chaîne alimentaire

De nombreuses questions encore sans réponse

Une fois dans l’environnement, 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) ?

Toutes ces questions ne peuvent avoir de réponse simple, tant les facteurs qui entrent en jeu sont nombreux et variables (la lumière¹⁶Sur l’influence de la lumière sur les paramètres physico-chimiques des nanomatériaux, voir par exemple :
– Une nouvelle étude montre comment les nanomatériaux manufacturés se dégradent et persistent dans l’environnement, Nouvelles du Monde, 1er septembre 2021 (communiqué en anglais : New Study Shows How Engineered Nanomaterials Degrade, Persist in Environment, George Washington University, 1er septembre 2021), le degré d’acidité¹⁷Sur 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 ou de salinité¹⁸Sur 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., 2016par exemple peuvent être déterminants). 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.