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VeilleNanos - Relargage, devenir et effets sur la faune et la flore des nanos dans l'eau

Relargage, devenir et effets sur la faune et la flore des nanos dans l’eau

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Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout août 2022

Relargage, devenir et effets sur la faune et la flore des nanomatériaux dans l’eau

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 concentration.

Différentes modélisations1,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 particlesEnviron 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 textilesSci 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 environmentEnviron Sci Technol, 42:4447-53, 2008
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 consommation2Cf. How important is drinking water exposure for the risks of engineered nanoparticles to consumers?, Tiede K et al., Nanotoxicology, 1-9, 2015.

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’eau3Cf. Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Keller AA et al., Journal of Nanoparticle Research, 15:1692, Mai 2013. Mais ces chiffres sont bien en deçà 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 2013 !

Quelles sont les sources de relargage de nanomatériaux dans l’eau ?

Des nanomatériaux peuvent être libérés dans l’eau :

Illustration Géraldine Grammon, 2017

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 faibles8Cf. How important is drinking water exposure for the risks of engineered nanoparticles to consumers?, Tiede K et al., Nanotoxicology, 1-9, 2015.
  • 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’environnement9Modeling 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.

En France, des chercheurs ont constaté un accroissement de la présence d’argent dans l’estuaire de la Gironde10L’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 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

Dans l’eau, les nanos peuvent subir des modifications

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.

Phénomènes pouvant altérer les nanomatériaux dans l’environnement – Camille Larue, 201111« 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

Ainsi, dans l’eau, les nanomatériaux peuvent subir des modifications :

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 carbone14Une équipe de recherche aux USA a montré l’accumulation de nanotubes de carbone à simple paroi dans les sédiments de zones humides : Fate of single walled carbon nanotubes in wetland ecosystems, Schierz A et al., Environ. Sci.: Nano, 2014 (voir aussi le communiqué de presse associé : Nanoparticles accumulate quickly in wetlandsScience Daily, 1er octobre 2014)) 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’exposition15Voir notamment Transport 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 et les références citées dans le rapport Toxicité et écotoxicité des nanotubes de carbone, ANSES, février 2011.

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’environnement16Biodegradability of organic nanoparticles in the aqueous environment, Kummerer K et al., Chemosphere, 82(10):1387-92, 2011.
  • Une autre étude dont les résultats ont été rendus publics en 2011 également17Cf. 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 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)18Cf. 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.

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 a réalisé avec le CIENT les études d’impact de NP en mésocosmes. Elle a co-signé en 2018 deux publications en anglais :

En savoir + sur ces publications

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 développer19Note de cadrage – Atelier « Pollutions » – « Réduire les pollutions et les impacts sur la biodiversité » – avril 2010 (pour la Conférence française pour la biodiversité de mai 2010).

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

La contamination des eaux par les nanoparticules manufacturées ou leurs résidus entraîne également la contamination des organismes aquatique 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 exemple) et les préoccupations sont fortes.

Le transfert des nanomatériaux dans la chaîne alimentaire

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 moules20Uptake and retention of metallic nanoparticles in the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis)Aquatic Toxicology, mai 2013,, des algues au zooplancton puis aux poissons qui s’en nourrissent21Voir 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).
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

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)22Prise 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.

Quelques exemples d’effets constatés

Quelques exemples d’effets constatés depuis 201123Voir par exemple :
Comparative evaluation on the toxic effect of silver (Ag) and zinc oxide (ZnO) nanoparticles on different trophic levels in aquatic ecosystems: A review, Sibiya A et al., Journal of applied toxicology, 2022Nanomaterials interact with agricultural pesticides, increasing toxicity to fishThe 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 ecotoxicityEcotoxicology 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 nanoparticlesScience 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.
:

  • 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-zèbre
  • 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 zèbre.

Outre ces effets, des dommages indirects et préoccupants

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).
  • Des nanomatériaux, combinés avec d’autres substances, pourraient devenir (encore) plus dangereux : On parle alors d’« effet cocktail« . « 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 »27Quelles interactions entre les nanoparticules et les autres contaminants de l’environnement ?, Camille Larue, Bulletin de veille scientifique (BVS), Anses, décembre 2014.

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)

– Devenir et transformation des nanomatériaux dans l’environnement aquatique

 

Effets sur la faune et la flore :

En français :

En anglais :

Cette fiche réalisée par AVICENN a vocation à être complétée et mise à jour

Les prochains RDV nanos

13
Déc.
2022
Nanotechnologies, virage ou mirage ? (FCE CFDT, Paris)
Paris
  • « Quelles démarches de prévention pour limiter les risques ? »
  • Journée Santé Travail sur l’impact des nanotechnologies sur la santé
  • Organisateur : Fédération Chimie Energie (FCE) de la CFDT
  • Intervenants : FCE, INRS, AVICENN
  • Site internet : www.fce.cfdt.fr/…
31
Jan.
2023
Future-proof Approaches for Risk Governance – Lessons Learned from Nanomaterials (NANORIGO, RiskGONE & Gov4Nano, en ligne)
En ligne
Conférence
  • Conférence
  • Sujet : « future challenges in risk governance of nano- & advanced materials. This includes safe- and sustainable by design (SSbD) and harmonisation and standardisation »
  • Organisateurs : NANORIGO, RiskGONE et Gov4Nano, en collaboration avec le « Working Party on Manufactured Nanomaterials » de l’OCDE
  • Site internet : www.eventbrite.com/…
5
Juin
2023
NanoSafe conference 2023 (CEA, Grenoble)
Grenoble
Conférence
  • 8ème conférence internationale sur les questions sanitaires pour une approche responsable des nanomatériaux
  • Du 5 au 9 juin 2023
  • Organisateur : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
  • Site internet : www.cea.fr/cea-tech/pns/nanosafe/…  

Fiche initialement créée en octobre 2014

Notes & références

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