Approche intégrative pour déterminer le devenir des nanoparticules dans un écosystème agricole – INPAGE

INPAGE a combiné des approches expérimentales et de modélisation complémentaires, à différents niveaux de complexité biologique. Des systèmes simplifiés, notamment des plantes modèles et des cultures cellulaires intestinales, ont permis d’étudier les mécanismes, tandis que des microcosmes et des modèles in vivo ont permis de se rapprocher de conditions plus réalistes. Le projet a ainsi suivi le devenir du TiO₂ à travers différents compartiments et niveaux trophiques, du sol et des plantes jusqu’aux consommateurs.

Des techniques analytiques avancées, notamment l'ETV-ICP-AES et des méthodes basées sur la spectroscopie, ont été développées ou adaptées pour caractériser la distribution, la concentration et la spéciation du Ti dans des matrices biologiques complexes. Enfin, les données expérimentales ont été combinées aux données de la littérature grâce à des approches probabilistes et d’apprentissage automatique, afin d’identifier les principaux facteurs contrôlant le devenir et la toxicité des particules et d’améliorer l’évaluation des risques environnementaux.

Les résultats du projet INPAGE montrent que le devenir et les effets des particules de dioxyde de titane (TiO₂) dans l’environnement dépendent de nombreux facteurs. Les caractéristiques des particules jouent un rôle, mais l’espèce exposée, le type de sol ou encore le stade de développement des organismes sont tout aussi déterminants. Chez les plantes, le transfert du TiO₂ depuis le sol vers les feuilles reste généralement faible et les plantes disposent de mécanismes permettant de limiter et de compartimenter les particules dans certains tissus.

Malgré ce faible transfert, les particules peuvent atteindre des organismes qui consomment les plantes et provoquer des effets biologiques. Les organismes au stade juvénile apparaissent notamment plus sensibles que les adultes. Chez les mammifères, les travaux montrent également une sensibilité particulière lors du développement : une exposition pendant la gestation peut affecter durablement le fonctionnement de l’intestin, avec un rôle important du microbiote. À l’inverse, aucun effet toxique significatif n’a été observé lors de l’exposition directe de différents modèles de cellules intestinales humaines, suggérant que les interactions avec l’organisme dans son ensemble, et notamment avec le microbiote, jouent un rôle essentiel dans les effets observés in vivo.

Enfin, l’analyse conjointe des résultats du projet et de la littérature montre que le risque ne peut pas être prédit à partir des seules caractéristiques des particules. Il faut également prendre en compte les propriétés du sol et la diversité des organismes et de leur sensibilité. Les modèles développés indiquent notamment qu’un risque environnemental pourrait exister dans certains sols agricoles recevant des boues d’épuration.

Les résultats d’INPAGE ouvrent plusieurs perspectives pour mieux comprendre et évaluer les risques liés aux nanomatériaux. Ils invitent tout d’abord à développer des approches d’évaluation plus réalistes, capables d’intégrer simultanément les caractéristiques des particules, des sols et des organismes exposés.

Plusieurs mécanismes mis en évidence au cours du projet restent également à explorer, notamment la façon dont les plantes compartimentent et transforment les nanoparticules. La dimension temporelle constitue une autre perspective importante : l’étude de la réversibilité des effets après l’arrêt de l’exposition, mais aussi de leurs conséquences à long terme et éventuellement sur plusieurs générations, permettra de mieux appréhender les risques chroniques.

Les nouvelles méthodes analytiques développées, comme l’analyse directe des nanoparticules dans les tissus biologiques, permettront d’étudier plus finement leur devenir et pourront être étendues à d’autres contaminants émergents. Enfin, le développement de modèles intestinaux plus représentatifs, intégrant notamment le microbiote, ainsi que le recours aux approches probabilistes et à l’apprentissage automatique, ouvrent la voie à des outils plus prédictifs pour évaluer les risques et accompagner la conception de matériaux plus sûrs.

A venir

Les nanotechnologies sont la révolution industrielle de notre siècle. La diffusion de nanomatériaux manufacturés (NMs) dans l'environnement est suspectée. Les sols agricoles sont contaminés notamment par l’épandage de boues de station d’épuration. Les plantes agricoles pourraient donc être exposées à grande échelle. Dans ce projet nous étudierons le devenir de NMs de TiO2 dans un agrosystème par une approche intégrative pour évaluer la toxicité, le transfert et la transformation de ces NMs du sol vers des plantes, des consommateurs primaires (escargots) et jusqu’à des consommateurs secondaires (souris et cellules intestinales épithéliales). L'originalité de notre étude est de relier différentes approches (biologies végétale, animale et cellulaire, biophysique et modélisation) pour identifier le transfert de différents types de NMs de TiO2 dans toute la chaîne alimentaire. L’objectif est de déterminer les risques pour la sécurité alimentaire liés à la dissémination de NMs dans l’environnement et d'optimiser une synthèse de TiO2 "safer by design".