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Des vêtements aux produits de cosmétique en passant par les appareils électroniques utilisés quotidiennement, les nanotechnologies sont de plus en plus présentes. Mais si l'industrie a maîtrisé la production de tels matériaux, on sait bien peu de choses sur ce qu'ils deviennen...
Plein feux sur les effets imperceptibles des nanoparticules
Des vêtements aux produits de cosmétique en passant par les appareils électroniques utilisés quotidiennement, les nanotechnologies sont de plus en plus présentes. Mais si l'industrie a maîtrisé la production de tels matériaux, on sait bien peu de choses sur ce qu'ils deviennent après la fin de leur vie utile. Le projet NANO-ECOTOXICITY s'est donc intéressé à leur impact sur les organismes présents dans le sol.

La croissance économique, l'augmentation de la population et la raréfaction des ressources sont trois facteurs majeurs de ce qui est probablement l'une des équations les plus difficiles à résoudre pour l'humanité. De nombreux scientifiques conviennent qu'une partie de la solution réside dans les nanotechnologies. Elles permettent de fabriquer des appareils plus petits, plus rapides, plus légers et moins coûteux, tout en utilisant moins de matières premières et en consommant moins d'énergie.

Il reste cependant un long chemin à faire avant que les nanotechnologies puissent être considérées comme le Saint Graal du développement scientifique. Leur impact sur la santé et sur l'environnement reste relativement peu connu et fait l'objet d'un vif débat entre les scientifiques, les entreprises, les décideurs politiques et les militants de l'environnement.

Le projet NANO-ECOTOXICITY fait partie des projets financés par l'UE pour essayer d'éclaircir la situation. Il s'est intéressé aux nanoparticules de métaux, constatant qu'elles s'accumulaient dans les sols et que l'on manquait de données fiables sur leur consommation par les organismes du sol et leurs effets potentiels. Coordonnée par le Dr Claus Svendsen, l'équipe a conduit des tests de toxicité pour évaluer l'effet de nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) et d'argent (Ag) sur des vers de terre (Eisenia andrei et Lumbricus rubellus). Le but était d'éclaircir les principales voies d'entrée de ces nanoparticules dans ces organismes.

Le Dr Maria Diez-Ortiz, chercheuse principale du projet NANO-ECOTOXICITY, s'est exprimée sur ses travaux et sur ses attentes concernant les nouvelles connaissances et des outils innovants permettant d'appliquer des méthodologies standard d'évaluation des risques et des dangers pour l'environnement.

Quelles est la base du projet NANO-ECOTOXICITY?

Les nanotechnologies consistent à définir la taille et la forme des matériaux à l'échelle atomique (en nanomètres), afin d'obtenir des propriétés optiques, électroniques ou magnétiques particulières, nouvelles et d'intérêt commercial. Cependant, on s'inquiète évidemment que ces propriétés puissent conduire à des comportements nouveaux lors d'interactions avec des êtres vivants, avec potentiellement de nouveaux effets toxiques.

Les nanoparticules sont de la taille des virus, aussi leur entrée et leur transport dans les tissus se font par d'autres mécanismes que pour les molécules. Il se peut donc que les tests standard de toxicologie ne conviennent pas ou ne soient pas fiables pour les nanoparticules, rendant inefficaces les procédures actuelles d'évaluation des risques.

Jusqu'ici, la majorité des travaux sur la nanosécurité de l'environnement a concerné les milieux aquatiques. Les recherches en cours montrent cependant que les sols pourraient être le principal réceptacle des nanoparticules dans l'environnement. Les nanoparticules se retrouvent dans l'environnement par les déchets liquides. Elles passent par les processus de traitement des eaux usées et finissent dans les boues d'épandage, risquant de s'accumuler dans les terres agricoles où finissent souvent ces boues.

Quels sont les principaux objectifs du projet?

Le projet s'intéresse à la toxicocinétique, la vitesse à laquelle un composé pénètre dans le corps et l'affecte, dans notre cas les nanoparticules métalliques entrant en contact avec des organismes vivant dans le sol. Le but est de déterminer le devenir des nanoparticules dans les écosystèmes terrestres, via deux études de cas sur des nanoparticules d'argent et d'oxyde de zinc, dont la cinétique est différente.

Les principaux objectifs du projet sont d'évaluer la toxicité des nanoparticules métalliques dans le sol, à court et long terme, de déterminer la principale voie d'exposition pour les vers de terre et si elle diffère de celle des ions métalliques, et enfin l'influence du support d'exposition sur la toxicité des nanoparticules métalliques.

Qu'y a-t-il de nouveau ou d'innovant dans le projet et dans sa façon d'attaquer ces problèmes?

Nous avons conduit une étude à long terme consistant à stocker des sols contenant des nanoparticules d'argent et à les laisser vieillir plus d'un an. Leur toxicité a été testée au début et au bout de 3, 7 et 12 mois. Les résultats ont montré que la toxicité de l'argent augmentait avec le temps, donc que les tests standard de toxicité à court terme pourraient sous-estimer l'impact de ces nanoparticules sur l'environnement.

Nous avons aussi constaté que les organismes exposés aux nanoparticules d'argent lors d'études à court terme accumulaient plus d'argent que face à une même concentration massique d'ions argent. Cependant, ils souffraient de moins d'effets toxiques. Cette observation contredit l'hypothèse que la concentration interne est directement reliée à la concentration chimique sur le site cible, et donc à sa toxicité. Ceci a conduit à un nouveau concept pour la nano-écotoxicologie.

Ce que l'on ignore encore c'est si l'accumulation des nanoparticules d'argent peut devenir toxique à long terme (par exemple par dissolution et libération d'ions) dans les cellules et les tissus où elles sont stockées. Dans ce cas, les concentrations accumulées plus élevées conduiraient à une toxicité à long terme supérieure des nanoparticules par rapport aux formes ioniques. Ces nanoparticules accumulées seraient donc des «bombes à retardement» internes, importantes pour les effets et la toxicité à long terme.

Il faut cependant noter que les concentrations prévues dans l'environnement suite à l'utilisation actuelle des nanoparticules (selon les résultats de projets de l'UE comme NANOFATE2), sont largement inférieures à celles que nous avons utilisées. Ce qui veut dire que de telles accumulations d'argent provenant de nanoparticules ont peut de probabilité de survenir dans l'environnement ou, finalement, chez l'homme.

Quels ont été les difficultés rencontrées et comment les avez-vous surmontées?

Le principal problème a été de suivre les nanoparticules dans les tissus et dans les sols, qui sont des matrices complexes. L'analyse des particules est déjà une difficulté en soi, même dans l'eau. Aussi pour obtenir des informations sur leur état dans de telles matrices, il faut utiliser des concentrations irréalistes (à cause des limites des techniques d'analyse hautement spécialisées) ou extraire les particules des matrices, ce qui peut modifier leur état.

Pour ce projet, je suis allée à l'université du Kentucky afin de travailler avec Jason Unrine. Nous avons utilisé des techniques douces d'extraction aqueuses sur des prélèvements de sols, juste avant des les analyser par «fractionnement par couplage flux-force» et «spectrométrie de masse et plasma couplé par induction» afin de déterminer l'état des nanoparticules dans mes sols vieillis.

Pour savoir quelles formes (spéciation) d'argent et de zinc se retrouvaient dans les vers après leur exposition aux nanoparticules, j'ai collaboré avec les chercheurs du projet NANOFATE à l'université de Cardiff, qui ont fixé les tissus des vers et les ont découpés en tranches fines. J'ai eu la chance d'avoir le temps d'utiliser les installations spécialisées du synchrotron Diamond Light Source du Royaume-Uni, pour étudier à quel endroit et sous quelle forme se trouvaient les métaux et les nanoparticules potentielles dans ces tissus.

La principale difficulté tient à ce que les nanoparticules commencent à changer dès qu'elles sortent de la bouteille du fabricant, surtout lorsqu'elles arrivent dans des environnements naturels comme les sols et les eaux, voire les organismes. Il faut donc conduire beaucoup de caractérisations durant l'exposition afin d'établir l'état des nanoparticules auxquelles ont été exposés les organismes, et à quelle vitesse elles se transforment depuis des particules 'neuves' en ions dissous ou en particules aux surfaces totalement différentes.

Durant ce court projet nous avons mis au point des solutions techniques de caractérisation, mais le problème logistique persistera de nombreuses années car l'équipement d'analyse est encore très spécialisé et coûteux, donc peu répandu.

Quels sont à ce jour les résultats concrets des travaux?

Le projet nous a aidés à tirer diverses conclusions concernant l'impact des nanoparticules sur l'environnement et comment les évaluer. Nous savons maintenant que l'acidité du sol (son pH) influence la dissolution et la toxicité des nanoparticules de ZnO.

Ensuite, nous avons constaté que la toxicité des nanoparticules d'argent augmente avec le temps, et que leur revêtement affecte leur toxicité pour les invertébrés du sol.

Comme indiqué précédemment, les vers de terre exposés aux nanoparticules d'argent pendant 28 jours accumulaient plus d'argent que les vers exposés à des ions argent, sans pour autant que ce supplément d'argent ait un effet toxique. Enfin, l'ingestion du sol par les vers de terre s'est avéré la principale voie d'exposition aux nanoparticules d'argent et de ZnO.

Comment l'industrie et les décideurs politiques peuvent-ils s'assurer que les nanomatériaux n'ont pas d'impact sur notre environnement?

Nous espérons que ce projet, lié au projet NANOFATE plus vaste, apportera des connaissances et des outils permettant d'appliquer les méthodologies standard d'évaluation des risques et des dangers pour l'environnement. aux nanoparticules de synthèse, avec juste quelques modifications judicieuses. Les systèmes et les protocoles actuels d'évaluation des risques chimiques ont été mis au point au cours de dizaines d'années. En l'absence de nouveaux mécanismes toxiques, nos travaux tendent à montrer qu'ils conviennent aux nanoparticules, pour autant que nous mesurions les bonnes variables et que nous caractérisions correctement des expositions réalistes.

Nos travaux visent à déterminer les modifications minimales nécessaires pour ces méthodes. Jusqu'ici, tout indique que l'on peut bénéficier des avantages potentiels des nanotechnologies tout en les gérant correctement en parallèle aux autres produits chimiques. À ce stade, nous sommes assez confiants que les nanoparticules de synthèse n'ont pas d'effets plus prononcés que leurs formes ioniques sur des paramètres biologiques importants comme la reproduction. Mais les résultats de NANO-ECOTOXICITY démontrent qu'il reste encore du travail avant que nous puissions affirmer catégoriquement l'absence d'autre effet faible ou à long terme.

Exactement comme pour les produits chimiques, une telle absence d'effet est impossible à démontrer à l'aide de tests à court terme. Nous pensons donc que les conclusions finales, faites par l'industrie et les régulateurs pour un usage sûr des nanoparticules, devront être basées sur des preuves indiscutables, montrant qu'il y a une marge entre les niveaux prédits d'exposition probable et un quelconque effet de ces niveaux ou accumulations dans les espèces d'un écosystème.

Quels sont les prochains sujets de vos travaux?

Ce projet est terminé mais la prochaine étape, pour une autre opportunité de financement, serait de s'intéresser à des scénarios d'exposition de plus en plus pertinents pour l'environnement, en analysant comment les nanoparticules se modifient dans cet environnement et interagissent avec les tissus et les organismes, à différents niveaux trophiques. J'aimerais étudier la transformation des nanoparticules et leurs interactions dans les tissus vivants. À ce jour, les études ayant identifié cette accumulation en «excès» de charges métalliques non toxiques dans des organismes exposés aux nanoparticules, n'ont porté que sur le court terme.

Outre le potentiel évident d'une augmentation du transfert dans la chaîne alimentaire, on ignore si, à long terme, les métaux dérivant des nanoparticules accumulés deviennent finalement toxiques dans les tissus et les cellules. Leur transformation et la libération d'ions métalliques dans les tissus pourraient finalement entraîner une toxicité supérieure des nanoparticules, sur le long terme.

En outre, je veux tester l'exposition dans un écosystème fonctionnel modèle, en incluant les interactions entre les espèces et les transferts trophiques. Les interactions entre le biote et les nanoparticules sont réelles dans les sols naturels, il faut donc être prudent lorsque l'on tente de prévoir les conséquences écologiques des nanoparticules à partir de tests en laboratoire, conduits sur une seule espèce. En présence de l'ensemble des composantes biologiques d'un sol, des nanoparticules complexes pourraient suivre diverses voies où le revêtement serait éliminé et remplacé par des matériaux exsudés. Il faut dont conduire des études pour quantifier la nature de ces interactions et déterminer le devenir, la biodisponibilité et la toxicité de formes réalistes de nanoparticules «impures» dans un environnement de sol réel.

Ce projet a été coordonné par le Natural Environment Research Council du Royaume-Uni.
Source: Natural Environment Research Council

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Numéro d'enregistrement: 36090 / Dernière mise à jour le: 2013-09-23
Catégorie: interview
Fournisseur: ec