Micro-nanoplastics and metals : Development of material models and sorption properties in natural environments

Depuis les années 1950, le plastique est passé d'un matériau révolutionnaire à une cause majeure de pollution environnementale. Que ce soit volontairement ou bien du fait d'une mauvaise gestion des déchets, des quantités très importantes sont déversées quotidiennement dans les différents compartiments environnementaux. Ces pièces plastiques y subissent des altérations causées par l'interaction avec les milieux : abrasion et rayonnement UV. Les pièces de plastique s'érodent, se cassent, et leurs surfaces s'oxydent. Ces phénomènes conduisent à la formation de micro- nanoplastiques de tailles inférieures à 5 mm et 1 µm respectivement, et les petits débris, du fait de leurs surfaces spécifiques importantes, ont une forte probabilité d'interagir avec les polluants déjà présents dans l'environnement, et en deviennent les vecteurs. Comprendre le comportement de ces micro- nanoplastiques pour mieux en appréhender les risques est donc primordial.L'échantillonnage des plus petits débris, les nanoplastiques, reste à développer encore aujourd'hui et l'élaboration de modèles en laboratoire est nécessaire pour étudier leurs comportements. Au-delà de répondre aux besoins des développements des méthodes analytiques, les matériaux modèles doivent aussi permettre leurs quantifications et leurs suivis pour répondre aux demandes des expériences en (éco)-toxicologie. Dans ce contexte, l'élaboration de matériaux modèles marqués par des espèces métalliques a été étudiée. Le traceur métallique présente l'avantage d'être facilement identifiable et quantifiable par de nombreuses méthodes analytiques et notamment à des concentration d'ultra-traces. Nous proposons ainsi plusieurs protocoles de synthèse de nanoplastiques basées sur des procédés de polymérisation en voie dispersée aqueuse (émulsion) sans utilisation de tensio-actifs ou par nanoprécipitation, et marqués avec des métaux ioniques ou particulaires. Le premier protocole repose sur le piégeage de cuivre ionique par sorption dans des modèles de nanoplastiques réticulés tandis que le deuxième repose sur l'encapsulation de nanoparticules d'or dans des nanoplastiques par un procédé de nanoprécipitation. Après purification de ces modèles, le marquage a été quantifié par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS), les morphologies ont été visualisées par microscopie électronique à transmission (TEM) et à balayage (SEM) et les phénomènes de désorption ont été quantifiés.En parallèle de ces travaux, les propriétés de sorption des métaux par les microplastiques ont été étudiées. Nos recherches se sont axées sur l'étude de l'adsorption de cobalt dans différents types de microplastiques (PE, PP et PS) lors d'une expérience in situ réalisée dans des rivières pilotes. La quantification des métaux a été réalisée avec des techniques analytiques permettant l'analyse totale (spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif, ICP-MS) et également en surface (ablation laser couplée à la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif, LA-ICP-MS). Pour cette dernière technique, des étalons plastiques permettant de calibrer le signal analytique en concentrations ont été développés. Ce développement repose sur l'exposition de nanoplastiques modèles à des concentrations croissantes en sel métallique puis à la purification, au séchage et au moulage conduisant à la synthèse d'étalons calibrés en concentration. Alors que les analyses en ICP-MS ont montré que les microplastiques ont adsorbé du cobalt, les analyses en LA-ICP-MS ont permis de déterminer les profils de concentration du cobalt en profondeur dans les échantillons. Ces dernières analyses, couplées à la visualisation de la surface des échantillons par SEM ont révélé le rôle essentiel que jouent les biofilms dans les capacités d'adsorption des microplastiques.