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National audience; La pollution plastique de tous les compartiments de l’environnement, y compris l’environnement marin, n’est désormais plus à démontrer. Concomitamment à cette pollution, la présence de particules plastiques de tailles micrométriques et nanométriques a également été rapportée. Ces particules peuvent constituer un danger physique ou agir en tant que vecteurs de différents contaminants chimiques ou biologiques. Chez les organismes vivants le devenir de ces particules n’est que partiellement connu et le passage des barrières biologiques reste controversé, bien qu’il soit probable pour les particules les plus petites comme les nanoplastiques. Afin de répondre à cette question de la possible translocation de nanoplastiques, des manipulations d’exposition ex vivo à des nanobilles de polystyrène modèle d’une taille de 50 nm (NP-PS) ont été réalisées sur des intestins de bar commun (Dicentrarchus labrax) en utilisant des chambres de Ussing.Grâce à la combinaison des résultats obtenus par plusieurs techniques de détection : fluorométrie, microscopie électronique à balayage (MEB) et pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à un spectromètre de masse haute-résolution (Py-GC-HRMS), il a été possible d’enregistrer une augmentation de la fluorescence du côté séreux quelques dizaines de minutes après l’exposition des échantillons à la solution de NP-PS. Cette mesure a pu être confirmée par celles réalisées en MEB et Py-GC-HRMS. La translocation de nanobilles de PS de 50nm et sans agrégation dans le milieu expérimental, à travers la paroi de l’intestin de cette espèce de poisson a donc été attestée.

Plastic waste is accumulating in all environmental compartments, and its presence is of great interest to the scientific community. However, plastic waste study in soils is only very recent compared to rivers and oceans. This PhD work therefore focused on the behaviour of micro- and nanoplastics and associated contaminants from the composting of household waste enriched with plastic debris in agricultural soil. The microplastics collected in soil have an advanced degree of weathering that favours the release of small plastic particles such as nanoplastics. In order to identify them, an extraction/identification method was developed and highlighted for the first time, the presence of nanoplastics containing the three most common polymers in the uppermost soil surface layer. It was then demonstrated that these nanoplastics were present in the mineral layers at depth, whereas the microplastics were only present at ploughing depth. Nanoplastics are therefore mobile in soils and can reach the underlying groundwaters. Finally, the role of plastic waste in the concomitant metal contamination found in soil was investigated. The highest concentrations correspond to metals used as additives in the formulation of plastics, but the plastic role could not be implicated with certainty in soil contamination. However, metals and their isotopic signatures are good candidates for tracing nanoplastics in complex natural matrices.; Les déchets plastiques s’accumulent dans tous les compartiments environnementaux, et cette présence suscite un vif intérêt de la part de la communauté scientifique. Pourtant, leur étude dans les sols n’est que très récente par rapport aux rivières et océans. Ce travail de doctorat s’est donc concentré sur le comportement des micro- et nanoplastiques et des contaminants associés issus de l’amendement en compost de déchets ménagers, enrichi en débris plastiques dans un sol agricole. Les microplastiques collectés dans le sol ont un degré d’altération avancé qui favorise la libération de petites particules plastiques telles que les nanoplastiques. Afin de les identifier, une méthode d’extraction /identification a été développée et a prouvé pour la première fois la présence de nanoplastiques composés des trois polymères les plus courants dans la couche de surface du sol. Il a ensuite été démontré que ces nanoplastiques étaient présents dans les couches minérales en profondeur alors que les microplastiques n’étaient présents que dans la profondeur de labour. Les nanoplastiques sont donc mobiles dans les sols et ont la capacité d’atteindre les nappes d’eau souterraines sous-jacentes. Enfin, le rôle de déchets plastiques dans la contamination concomitante en métaux relevée dans le sol a été étudié. Les plus fortes concentrations correspondent aux métaux utilisés comme additifs dans la formulation des plastiques mais les plastiques n’ont pu être mis en cause avec certitude dans la contamination du sol. Les métaux et leur signature isotopique représentent cependant de bons candidats pour le traçage des nanoplastiques dans les matrices naturelles complexes.

The use of plastics has been accompanied by a massive release of plastic waste into the environment. Their alteration by photo-oxidation produces nanoplastics (NPs), whose characteristics and properties make them potentially important metal vectors. Being difficult to sample in the environment, their study has been carried out with models not representative of environmental NPs. It is therefore essential to produce more relevant NPs models in order to better understand their behavior and impact on metal pollutants. Py-GCMS allows the identification of polypropylene nanoparticles in the presence of organic matter as in environmental matrices. The mechanical abrasion of the weathering layers of photo-oxidized plastics in the environment allowed us to produce a more representative model.These NPs models present on their surface functions thermodynamic modeling, allowed us to demonstrate that the metal adsorption of metals is controlled by the formation of mono- or bidentate complexes with the surface carboxylic sites. The formation of mono- or bidentate complexes depends on the valence of the metals studied and the physicochemical conditions of the medium. More globally, the reactivity of NPs depends on their oxidation state which controls their surface site den sity.Due to their sorption properties, NPs can be key players in the dynamics of metals in areas polluted by plastics such as: agricultural soils amended with plastic waste and landfills.; L’utilisation des plastiques s’est accompagnée d’un rejet massif de déchets plastiques dans l’environnement. Leur altération par photo-oxydation produit des nanoplastiques (NPs) dont les caractéristiques et les propriétés en font des vecteurs potentiellement importants de métaux. Etant difficiles à échantillonner dans l’environnement, leur étude a été jusqu’à présent réalisée à l’aide de modèle non représentatifs de l’environnement. Il est donc primordial de produire des modèles de NPs plus pertinents afin de mieux appréhender leur comportement et leur impact sur les polluants métalliques. La Py-GCMS permet d’identifier les NPs de polypropylène en présence de matière organique comme dans les matrices environnementales. L’abrasion mécanique des couches d’altération des plastiques photo-oxydés dans l’environnement, nous a permis de produire un modèle plus représentatif. Ces modèles de NPs présentent à leur surface des fonctions capables de complexer les métaux et de contrôler leur stabilité colloïdale. L’utilisation des terres rares et la modélisation thermodynamique, nous a permis de démontrer que l’adsorption des métaux est contrôlée par la formation de complexes mono ou bidentés avec les sites carboxyliques de surface. La formation des complexes mono ou bidentés dépend de la valence des métaux étudiés et des conditions physicochimiques du milieu. Plus globalement, la réactivité des NPs dépend de leur état d’oxydation qui contrôle leur densité de site de surface. De par leurs propriétés de sorption, les NPs peuvent être des acteurs clés de la dynamique des métaux dans des zones polluées par les plastiques comme par exemple: les sols agricoles amendés en déchets plastiques et les décharges.

National audience; En dix ans, les recherches sur les particules plastiques, nano- (NP) et microplastiques (MP), et leurs contaminants associés se sont largement développées. L’amélioration des connaissances de ces familles de contaminant s’étant accrue, les pratiques analytiques ont dû évoluer et être adaptées. La garantie de la qualité des résultats générés ne peut être obtenue que par la mise en commun des expertises, ainsi que la mise en place d’infrastructures et l’utilisation d’appareillages complémentaires.Dans le cadre du CPER Marco, différents laboratoires (Anses, LOG et ULCO) ont mis en place la plateforme 3PAC de façon à partager leurs équipements analytiques, méthodes, expertises et connaissances.En terme d’infrastructure, de nombreuses possibilités existent. Tout d’abord des systèmes d’aquarium avec un environnement contrôlé sont disponibles pour réaliser des études d’exposition. Une pièce « microplastique » permet de réaliser des manipulations (digestion, filtration) sous atmosphère maîtrisée et ainsi limiter les risques de contamination. La caractérisation des particules (taille, forme) peut être réalisée à l’aide de divers équipements : loupes binoculaires ou directement par microscopie via l’utilisation des capteurs optiques du µ-Raman ou du µ-FT-IR. Enfin, l’identification des particules ou des contaminants associés est rendue possible par l’utilisation de techniques complémentaires soit spectroscopiques (µ-Raman, µ-FT-IR), soit spectrométriques (Py-GC/MS et Py-GC/Orbitrap). L’acquisition de nouveaux équipements, complémentaires, est programmée de façon à venir enrichir les possibilités analytiques (microscopie confocale, technologie light scattering).Dès aujourd’hui, l’expertise des différents partenaires permet de couvrir un large champ de recherches allant des études en laboratoire, aux prélèvements sur le terrain. A titre d’exemple, des travaux récents ont porté sur l’étude de sédiments et organismes prélevés in situ, la réalisation d’études d’encagement d’organismes marins, ou encore l’exposition de bivalves en conditions contrôlées.Désormais, l’ambition de la plateforme 3PAC est de répondre aux appels à projets nationaux et internationaux portant sur l’étude des particules plastiques et de leurs conséquences. Ces projets seront menés au sein d’un écosystème analytique idoine, regroupant expertises, technologies et infrastructures.

National audience

Avec l'utilisation tout azimut de matériaux plastiques depuis les années 1950, de nouveaux polluants, comme les micro et nanoplastiques, ont fait leur apparition. Ces plastiques sous forme de particules de petites tailles sont omniprésents autour de nous. Nous les retrouvons en grandes quantités dans les mers et océans, dans nos rivières, dans les sols, dans les composts, dans nos lacs et nos rivières. En raison de leur composition chimique incluant la présence de nombreux additifs et en raison de leurs dimensions ces micro et nanoplastiques posent une sérieuse menace environnementale plus particulièrement sur les ressources aquatiques qui jouent le rôle de réservoirs dans lesquels les micro et nanoplastiques s'accumulent. Cette situation peut devenir particulièrement problématique en terme de santé humaine lorsque ces ressources sont utilisées dans le cadre de la production d'eau potable. Dans cette étude, nous évaluons la capacité d'adsorption et d'élimination de nanoplastiques par adsorption sur charbon actif utilisé dans les filières de potabilisation. Des expériences en batch ont été conduites à la fois dans de l'eau ultrapure et de l'eau brute issue du lac Léman, utilisée pour la production d'eau potable pour le canton de Genève. Nos résultats mettent en avant dans l'eau ultrapure l'importance des interactions électrostatiques dans l'efficacité d'adsorption entre les nanoplastiques chargés positivement et le charbon actif chargé négativement. Dans ce cas, la capacité d'adsorption augmente avec la concentration en nanoplastiques pour atteindre un maximum à 2.20 mg/g. Dans l'eau brute du Léman, les capacités d'adsorption et d'élimination se montrent étonnamment supérieures et augmentent également avec la concentration en nanoplastiques pour une capacité d'adsorption maximale de 6.33 mg/g. Cette augmentation de la capacité d'adsorption est principalement liée à la présence de matières organiques naturelles, résultant en une modification de la charge de surface des nanoplastiques, et à la présence d'ions divalents favorisant la formation d'agrégats de nanoplastiques. Cette étude met en lumière que du charbon actif en grain, produit à partir de ressources renouvelables (mésocarpe de noix de coco), peut être considéré comme un adsorbant effectif en station de potabilisation.

National audience; La recherche concernant les nano- (NP) et microplastiques (MP) s’est largement développée ces dernières années avec une meilleure connaissance de la façon dont les expérimentations doivent être conduites. Ainsi, il est désormais clair que ce sujet nécessite un investissement important en terme d’expertise, d’infrastructure, ou d’appareillage, de manière à garantir la production de résultats de qualité.Dans le cadre d’un contrat plan Etat/Région (CPER Marco), différents laboratoires du Boulonnais (Anses, LOG et ULCO) ont mis en place une plateforme (3PAC) de façon à partager leurs équipements analytiques, méthodes, expertises et connaissances.Parmi les infrastructures à disposition à l’heure actuelle sont retrouvés : des systèmes d’aquarium avec un environnement contrôlé pour réaliser des études d’exposition, une pièce « microplastique » permettant de réaliser des manipulations (digestion, filtration) sous atmosphère maîtrisée et ainsi limiter les risques de contamination. La caractérisation des particules (taille, forme) est ensuite réalisée à l’aide de divers équipements : une loupe binoculaire ou directement via l’utilisation du µ-Raman. Enfin l’identification des particules est rendue possible par l’utilisation de techniques spectroscopiques (µ-Raman) ou spectrométriques (Py-GC/MS et Py-GC/Orbitrap). L’acquisition de nouveaux équipements, complémentaires, est d’ores et déjà programmée de façon à venir enrichir les possibilités analytiques (microscopie confocale, µ-FT-IR, light scattering).Dès aujourd’hui, l’expertise des différents partenaires permet de couvrir un large champ de recherches allant des études en laboratoire, aux prélèvements sur le terrain. A titre d’exemple, des travaux récents ont porté sur l’étude de sédiments et organismes prélevés in situ, la réalisation d’études d’encagement d’organismes marins, ou encore l’exposition de bivalves en conditions contrôlées.L’ambition de la plateforme 3PAC est de répondre aux appels à projet nationaux et internationaux portant sur l’étude des particules plastiques et de leurs conséquences, en proposant un écosystème analytique idoine, regroupant expertises, technologies et infrastructures.

Plastic pollution of surface water is constantly increasing and raises economic and ecological problems. According to recent studies, marine plastic debris breaks down into microparticles and nanoparticles by mechanical and photochemical processes. The nanometric fraction of environmental plastics is still unknown because there are still analytical challenges to characterize nanoparticles at trace concentrations. These particles are potentially toxic due to their composition, size and shape, but can become even more toxic, by aggregation with organic matter, or by surface adsorption of trace metals or organic contaminants. Up to date, there is limited studies about behavior of nanoplastics in transitional waters such as estuaries and mangroves. The aim of this thesis is to (i) characterize physico-chemical behavior of nanoplastic models in a salinity gradient, with an innovative methodology using microfluidics; (ii) study the ecotoxicological impact of these nanoparticles on bivalves, with an exposure representative of in situ conditions.Polystyrene latex, as well as mechanically aged nanoplastics from either pristine polystyrene pellets or from macro-plastics sampled on Guadeloupe beaches (polyethylene, polypropylene), were dispersed across a salinity gradient under dynamic conditions inside a microchip. Results were compared with conventional protocols i.e. dispersing standard nanospheres in a homogeneous saline medium under static conditions. Sizes, concentrations, morphologies, compositions and stability of these nanoparticles were measured as a function of the physicochemical conditions of the medium. Then, the ecotoxicological impact of model nanoplastics dispersed via a salinity gradient was studied on flat tree oysters: Isognomon alatus. Exposures were carried out by direct route at environmental concentrations. Different markers such as metallothionein production and early gene expression have been used to assess the toxicity of nanoplastics. This thesis also allowed the development of one of the most sensitive instruments for the analysis of nanoparticles at ultra-trace concentration: the Laser Induced Breakdown Detection (LIBD). This work highlights the impact of salinity gradients on the behavior of nanoplastics and its importance in the toxicity assessment on bivalves during the transition from freshwater to seawater., La pollution mondiale des eaux de surface par les plastiques ne cesse de croitre et soulève des problèmes économiques et écologiques. D'après de récentes études, les macro-déchets plastiques marins se dégradent en microparticules puis en nanoparticules par des effets mécaniques et photochimiques. La fraction nanométrique des plastiques environnementaux est encore inconnue car cela reste un challenge analytique pour les caractériser à l'état d'ultra-trace. Ces particules sont potentiellement toxiques par leur composition, leur taille et leur forme, mais peuvent le devenir encore plus, par l'agrégation avec de la matière organique, ou bien par l'adsorption de métaux trace ou de polluants organiques à leur surface. Le comportement des nanoplastiques dans les eaux de transition comme les estuaires ou les mangroves est encore méconnu et peu étudié. Le but de cette thèse est de (i) caractériser le comportement physico-chimique de nanoparticules de plastiques modèles dans un gradient de salinité, avec une technique originale utilisant la microfluidique ; (ii) étudier l’impact écotoxicologique de ces nanoparticules sur des bivalves, avec un mode d’exposition représentatif des conditions d’exposition in situ.Des latex de polystyrène, ainsi que des nanoplastiques mécaniquement vieillis provenant soit de pellets de polystyrène, soit de macroplastiques prélevés sur des plages de Guadeloupe (polyéthylène, polypropylène), ont été soumis à un gradient de salinité dans des conditions dynamiques à l'intérieur de micro-puces. Les résultats ont été comparés à ceux des protocoles classiques qui consistent à disperser des nanosphères standards dans un milieu salin homogène en condition statique. Les tailles, concentrations, morphologies et stabilité de ces nanoparticules, ont été mesurées en fonction des conditions physico-chimiques du milieu.L'impact écotoxicologique des nanoplastiques modèles, dispersés via un gradient de salinité, a ensuite été étudié sur des huitres des palétuviers : Isognomon alatus. Les expositions ont été réalisées par voie directe à des concentrations environnementales. Différents marqueurs tels que la production de métallothionéines et l’expression précoce des gènes ont été utilisées pour évaluer la toxicité des nanoplastiques. Cette thèse a également permis le développement d’un des instruments les plus sensibles pour l'analyse de nanoparticules à l'état d'ultra-traces : la détection de plasmas induits par laser (LIBD). Ces travaux mettent en évidence l’impact des gradients de salinité sur le comportement des nanoplastiques et leur importance dans l’évaluation de la toxicité sur les bivalves lors de la transition eau douce-eau de mer.

For 70 years, mismanaged plastic waste accumulates in the oceans. Risk assessment of this contamination is a major concern, especially regarding micro- and presumably nanoplastics (MNP, Depuis 70 ans, les débris plastiques dont la fin de vie a été négligée par les sociétés humaines s’accumulent dans les océans. L’évaluation des effets engendrés par cette contamination ubiquitaire est une préoccupation majeure, notamment au regard des micro- et potentiels nanoplastiques (MNP ; < 5 mm) du fait de leur biodisponibilité pour la plupart des organismes marins. L’objectif de cette thèse était de déterminer les effets des MNP sur les jeunes stades de vie d’une espèce ingénieure des habitats côtiers, l’huître creuse Crassostrea gigas. Les impacts des MNP sur ces jeunes stades sont apparus dépendants de la taille des particules. Le rapport surface/volume important des nanosphères de polystyrène (nano-PS ; 50 nm) a favorisé les interactions avec les gamètes et embryons, induisant une inhibition de la fécondation et de l’embryogénèse tandis que les microsphères (0,5 et 2 μm) n’ont causé aucun effet phénotypique visible. La toxicité des nano-PS est apparue dépendante de leurs propriétés de surface (e.g groupements chimiques, charge) qui dirigent leur agrégation dans l’eau de mer et les interactions avec les membranes biologiques. Les nano-PS cationiques, qui restent à l’échelle nanométrique dans l’eau de mer, sont à l’origine des effets toxiques les plus marqués. L’exposition embryonnaire à une dose non létale a notamment diminué les performances larvaires et modulé la réponse de la génération suivante à une réexposition embryonnaire. Toutefois, ces effets néfastes sont observés à des concentrations numéraires supposément non-représentatives de l’environnement actuel (la quantité de NP n’étant pas caractérisée en mer à ce jour), suggérant un risque limité des micro- et nanosphères de polystyrène sur les jeunes stades de C.gigas. Les prochaines études devront tenir compte de la complexité et de la réalité des MNP environnementaux (e.g. polymères, formes, contaminants adsorbés, concentrations) sur plusieurs générations de bivalves dans le but d’appréhender plus précisément le risque pour les écosystèmes côtiers.