DS0102 - Les risques sanitaires face aux changements environnementaux

Microplastics, nanoplastics in the marine environment: characterization, impacts and sanitary risk assessment. – Nanoplastics

Microplastiques-Nanoplastiques dans l'environnement marin: caractérisation, impact et risques sanitaires

Les déchets plastiques s'accumulent depuis plusieurs décennies dans les océans où ils se fragmentent en particules dont les microplastiques (<5mm) et nanoplastiques (<100nm). Les microplastiques sont retrouvés dans toutes les eaux du globe ainsi que dans les sédiments et dans de nombreux organismes marins. Cependant, leur comportement très complexe dans l’environnement marin, leur devenir et leurs potentiels impacts sur l’écosystème marin sont encore très peu caractérisés....

Evaluer le devenir à long terme des déchets plastiques dans l'environnement et évaluer leurs impacts

Il est fort probable que la fragmentation des plastiques ne s’arrête pas aux microplastiques et génère également des particules de tailles inférieures au micromètre: les nanoplastiques. Cependant, alors que leur abondance pourrait être supérieure à celle des microplastiques, aucune étude ne porte encore sur la présence de nanoplastiques dans l'environnement et sur leur devenir du fait de nombreux verrous technologiques. En effet, à ce jour, l'échantillonnage dans la colonne d'eau est presque exclusivement réalisé avec des filets de mailles de 330 µm. Quelques données concernant la collecte de particules <330 µm ont récemment été publiées mais les fragments de tailles inférieures à quelques dizaines de µm n'ont jamais été étudiés ni encore moins quantifiés. <br />Ce projet présente cinq objectifs principaux: (i) comprendre les processus menant à la fragmentation des débris plastiques dans l'environnement marin; (ii) mettre en place une méthodologie pour l'échantillonnage et la caractérisation des plus petites particules; (iii) obtenir des données sur leur distribution dans des échantillons environnementaux (eau de mer, sédiments, organismes marins); (iv) acquérir des connaissances sur le devenir des plastiques dans l'environnement marin et évaluer leur toxicité pour la vie marine; (v) évaluer le transfert des micro et nanoplastiques dans la chaîne alimentaire marine et les risques potentiellement associés pour la santé des consommateurs.

Les études récentes montrent que les MP sont persistants et omniprésents dans tous les compartiments océaniques. De plus, ils contiennent de nombreux additifs dont la toxicité pose question, et adsorbent et concentrent des polluants organiques persistants (POP) déjà présents dans l’eau environnante. Ils agissent aussi comme un nouveau substrat pour les micro-organismes marin et peuvent ainsi véhiculer des espèces pathogènes et nuisibles, questionnant sur leurs impacts sur la santé des organismes qui les ingèrent. Une approche interdisciplinaire physique-chimie-biologie-océanographie est donc nécessaire pour comprendre les interactions entre les particules de plastiques et leur environnement marin. Dans ce projet, les facteurs pouvant influencer le devenir et les impacts des MP sur la vie marine sont étudiés: vieillissement, fragmentation, (bio)dégradation, additifs et polluants adsorbés, colonisation par des micro-organismes, ingestion, transfert trophique, translocation des plus petites particules. Les impacts des MP/NP sur les organismes marins sont évalués in vitro par une approche novatrice intégrant leur interaction avec des membranes biologiques et des cellules, et in vivo par une approche intégrée allant des modifications moléculaires aux réponses éco-physiologiques des espèces marines exposées (MP/NP couplés ou non à des contaminants chimiques). Enfin les risques sur la santé humaine liés à une accumulation potentielle des MP/NP dans la chaîne alimentaire seront évalués sur les résultats de l’ensemble des autres tâches.
Il est à noter que sur tous les aspects du projet, deux approches sont combinées: une approche «modèle« en laboratoire et des prélèvements de MP/NP effectués sur le terrain. Les résultats et conclusions obtenus seront comparés et discutés en fin de projet.
Enfin, ce projet implique un programme de sensibilisation visant à informer le grand public sur la thématique des MP/NP et sur les avancées majeures acquises au cours de ce projet.

- Les premières données de contamination de la rade de Brest par des microplastiques sont maintenant acquises et publiées. Elles montrent que cette zone est encore peu polluée par les microplastiques et qu'il existe une zone de concentration transitoire des MP au centre de la Rade. Dans les sédiments de la zone, comme dans l'eau, du polyéthylène et du polypropylène ont essentiellement été retrouvés malgré leurs densités inférieures à celle de l'eau de mer ce qui suggère des phénomènes de sédimentation qui sont encore mal connus et peuvent être site-spécifiques.
- Les interactions entre MP et différentes microalgues ont été étudiées et montrent que la colonisation des fragments de plastiques par ces organismes est très rapide menant à des hétéro-agrégats et à une incorporation des MP dans la neige marine, ce qui est probablement une voie non négligeable de transport vertical des MP vers les fonds marins. Ces phénomènes complexes nécessitent d’autres études car ils semblent dépendants du type de polymère et du pool colonisateur présent au site étudié.

Les premiers résultats obtenus montrent que des particules de plastiques sont présentes dans tous les compartiments aquatiques de la zone estuarienne étudiée (Rade de Brest) et que des interactions existent avec les microorganismes (colonisation par de nombreuses bactéries par exemple). De nombreux essais d'interaction entre ces MP/NP et des organismes marins sont en cours et vont apporter des connaissances sur la toxicité éventuelle de ces particules. Des essais sont notamment menés sur des organismes destinés à la consommation humaine (poissons, huitres) afin d'évaluer les risques sanitaires sur l'homme

Plusieurs publications dans des journaux internationaux ont déjà été réalisées et d'autres résultats sont en cours de publication. Les premiers résultats ont également été présentés dans des colloques internationaux

The mechanisms of macroplastics degradation in the environment are well documented. Large plastic debris undergo different processes leading to successive fragmentation steps. Hence, when disposed in the environment, most of them end up in water bodies as small particles. Plastic particles smaller than 5 mm were defined as microplastics (MP). MP are very stable in the environment, thus they have been accumulating in oceans worldwide over the last decades. In addition, recent studies show that: (i) MP contain some toxic additives, adsorb and concentrate persistent organic pollutants (POP) present at their vicinity; (ii) MP act as a new substrate for marine biota and may vehicle harmful microorganisms; (iii) MP can be ingested by several marine organisms leading to consequences on their health. However, no studies have considered the trends in increase of MP abundance alongside with the decrease of their size over time. Indeed, continuous fragmentation of macro and micro plastic debris may potentially lead to high concentrations of nano size fragments. To date, sampling of MP in the water column is almost exclusively achieved with nets of 333-335 µm mesh apertures. Scarce data on the collection of small MP (< 330 µm) were recently published but sizes lower than a few µm have never been studied due to analytical limitations in extraction from environmental samples, their fate in the aquatic environment being consequently totally unknown. Nanoplastics (NP) may have sorption/desorption properties rather different from MP as they offer a much higher surface area to volume ratio. Small MP and NP may also be ingested (depending on their aggregation state) and exhibit toxic effects as they will have the ability to cross biological membranes more easily than MP. To provide a better understanding of their impact on marine ecosystem, NP have to be investigated from a chemical, physical and biological point of view and compared with investigations on MP distribution and impacts. This project presents five main objectives: (i) understand the processes of plastic debris fragmentation in the marine environment; (ii) set-up a methodology for the sampling and full characterization of small MP and NP; (iii) obtain consistent data on their presence in environmental samples (seawater, sediment, marine organisms); (iv) provide knowledge on MP/NP interaction with marine microcosm (chemicals, microbial communities) and evaluate their toxicity to marine life; (v) evaluate MP/NP transfer along the marine food chain and the potential associated health risks to human.
At first, we will mimic the mechanisms of production of MP/NP by studying the biotic and abiotic degradations of thin polymer films until fragmentation into MP/NP that will be fully characterized (size, shape, surface properties, chemical composition). POP adsorption/desorption and colonization by marine microorganisms on lab MP/NP will be also studied. In parallel, optimized protocols allowing NP extraction and quantification in environmental samples will be developed based on protocols used for MP and plankton monitoring. This will allow small MP and NP collection and monitoring in three marine areas of interest (Bay of Brest, western Mediterranean Sea and English Channel). Besides quantification and identification, collected particles will also be characterized to determine chemical loads (additives, POP) and microorganisms present at their surface. MP/NP impacts on marine organisms will be investigated in vitro with an innovative approach to study their interaction with biological membranes and cells, and in vivo following an integrative approach from molecular changes to ecophysiology responses in key marine species experimentally exposed to MP/NP loaded or not with chemicals. Finally, health risks linked to a potential accumulation of MP/NP in the food chain will be evaluated. This project will also involve a large outreach program to inform the public about the issue of MP/NP.

Project coordinator

Madame Fabienne LAGARDE (Institut des Molécules et des Matériaux du Mans)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

ANSES Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail
LM2E UMR 6197 Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes (LM2E)
IMMM UMR CNRS 6283 Institut des Molécules et des Matériaux du Mans
CNRS-DR17-LEMAR Laboratoire des sciences de l'environnement marin (LEMAR)
Ifremer LER-PAC Laboratoire Environnement Ressources Provence Azur Corse (LER-PAC)
GEPEA UMR 6144 Laboratoire Génie des Procédés Environnement et Agroalimentaire

Help of the ANR 541,992 euros
Beginning and duration of the scientific project: March 2016 - 48 Months

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