Comment la matière organique naturelle peut stabiliser les nanoplastiques issus de fragments de polystyrène



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Article dans ACS EST Water

Alice Pradel, Séléna Ferreres, Maud Gautier et Julien Gigault (Université de Rennes 1, CNRS, Géosciences Rennes) et leurs collègues Cloé Veclin, Hind El Hadri, Bruno Grassl (Institut des sciences analytiques et de physicochimie pour l’environnement et les matériaux, CNRS/Université de Pau et Pays Adour) publient en mars 2021 dans ACS EST Water un article sur les mécanismes de stabilisation de nanoplastiques issus de fragments de polystyrène par la matière organique naturelle.



Contexte

En termes de masse, le plastique est le troisième matériau le plus produit sur Terre, après le ciment et l’acier ! Les objets plastiques ont souvent une courte durée de vie et donc, aujourd’hui, une majorité du plastique produit a été transformée en déchet. Une forte proportion des déchets plastiques se retrouvent dans l’environnement, et en particulier dans nos eaux : rivières, lacs, océans. Dans ces milieux, les déchets plastiques se dégradent lentement, principalement par l’action combinée du rayonnement solaire et de l’abrasion mécanique. Cette dégradation génère des nanoplastiques : des particules colloïdales, de tailles globalement inférieures au micromètre.

Les nanoplastiques peuvent rester dispersés (stables) dans l’eau plus ou moins longtemps, avant de s’agréger et de sédimenter (couler jusqu’à atteindre les sédiments). Leur tendance à rester dispersé ou à sédimenter va dépendre de la composition de l’eau. En effet, les éléments qui composent les eaux naturelles peuvent avoir des effets inverses. Par exemple, les sels tendent à agréger (déstabiliser) ces particules alors que la matière organique naturelle a plutôt tendance à empêcher cette agrégation (stabilisation).

 

Objectif

L’objectif de cette étude est de décrire la stabilité des nanoplastiques pour déterminer leur devenir dans l’environnement. Nous avons étudié de manière systématique l’effet de la salinité de l’eau et du type de matière organique naturelle qu’elle contient.

 

Approche

L’approche utilisée consiste à simuler des eaux naturelles en mélangeant un sel simple (NaCl), des extraits de matières organiques naturelles et des modèles de nanoplastiques.

En fonction de son origine, la matière organique naturelle a différentes propriétés physicochimiques. Donc, nous avons choisis deux matières d’origines différentes :

  • L’acide humique qui provient de la décomposition puis du vieillissement de matières vivantes terrestres.
  • L’alginate, qui est un polysaccharide: une matière organique produite par des algues et aussi contenue dans les biofilms.

Quant aux nanoplastiques, deux différents modèles ont été étudiés:

  • un modèle standard composé de sphères de taille uniforme
  • un modèle plus représentatif des nanoplastiques environnementaux, produit par le broyage du polystyrène

 

Résultats

Dans un premier temps, nos résultats montrent que le choix du modèle de nanoplastique est crucial. Dû à leur forme asymétrique et irrégulière les nanoplastiques issus de fragments de polystyrène sont beaucoup moins stables que les sphères de polystyrènes. Sans matière organique naturelle, ils s’agrègent et sédimentent rapidement. On peut donc s’attendre à ce qu’ils s’accumulant dans les fonds marins.

Dans un deuxième temps, nous avons observés que ces modèles de nanoplastiques issus de fragments de polystyrène sont fortement stabilisés par la matière organique naturelle (Figure 1). L’acide humique et l’alginate, freinent tous les deux l’agrégation. Cependant, les mécanismes de stabilisation sont différents (Figure 2). L’acide humique crée principalement de la répulsion électrostatique dans l’eau. L’alginate quant à elle, enrobe les nanoplastiques, ce qui empêche leur agrégation.

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Figure 1: Cinétique d’aggrégation des nanoplastiques issus de polystyrène broyés dans 600 mmol L-1 NaCl, avec 57 mg L-1 de sodium alginate (SA) à pH 8 et 30 mg L-1 acid humique (HA) à pH 6.5 (Barre d’erreure = déviation standard)



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Figure 2: Résumé des mécanismes de stabilisation des nanoplastiques par l’acide humique et l’alginate

 

Implication

L’identification des mécanismes est utile pour déterminer le devenir des nanoplastiques dans l’eau, au-delà du taux d’agrégation. En effet, les nanoplastiques enrobés d’alginate auront des propriétés de surface différents, ce qui aura des répercussions sur la réactivité de surface, par exemple. Au contraire, comme l’acide humique a moins d’affinité pour la surface des nanoplastiques, ces deux resteront indépendants en solution, leur permettant d’interagir avec d’autres éléments dans l’eau.

 

Références
Pradel, A.; Ferreres, S.; Veclin, C.; El Hadri, H.; Gautier, M.; Grassl, B.; Gigault, J. Stabilization of Fragmental Polystyrene Nanoplastic by Natural Organic Matter: Insight into Mechanisms. ACS EST Water 2021. doi.org/10.1021/acsestwater.0c00283.




Contact OSUR
Alice Pradel (Université de Rennes 1, Géosciences Rennes) / @
Julien Gigault (TAKUVIK laboratory, CNRS/Université Laval) / @
Alain-Hervé Le Gall (CNRS, OSUR multiCOM) / @