La face cachée des impacts biologiques des nanoplastiques environnementaux, de leurs co-contaminants et des changements climatiques sur les espèces animales



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Projet PLASTICIDE (2022-2025) : lauréat de l’Appel à Projet de l'Université de Rennes 1 (pôle Environnement) et de l’Appel à Projet de Recherche de l’ANSES (PNR EST ‘Environnement-Santé-Travail’)

Le projet PLASTICIDE coordonné par David Renault (Université de Rennes 1, ECOBIO) s’intéresse à l’évaluation du risque environnemental des nanoplastiques. L’assemblage de différentes compétences en biogéochimie, biologie des organismes, biologie de la reproduction, écotoxicologie, endocrinologie, immunologie, enzymologie, approches ‘omiques’, donnera naissance à un consortium solide, disposant des équipements, expertises et savoir-faire pour mener à bien ce projet. Il est basé notamment sur l’expertise scientifiques et technologiques des UMRs ECOBIO et Géosciences Rennes de l’OSUR, respectivement des équipes EcoStress-EcoTox (Écologie du stress, Écotoxicologie) et NBG (Nano-BioGéochimie), au sein du Pôle Environnement de l’Université de Rennes 1.

 

Glossaire des acronymes employés :

  • MPs : microplastiques
  • NPs : nanoplastiques
  • NPAs : nanoplastiques produits artificiellement
  • NPEs : nanoplastiques environnementaux
  • PEs : perturbateurs endocriniens 



De nombreuses substances chimiques sont utilisées pour la fabrication d’objets, d’emballages et de produits de soins, et leur demande croissante se traduit par une explosion de la production de plastique (polyéthylène, polypropylène, polychlorure de vinyle, polyéthylène téréphtalate, polyuréthane et polystyrène). En 2015, environ 79% (4900 Mt) de la production mondiale des plastiques était retrouvée dans les décharges et dans les milieux naturels. Le dépôt des matières plastiques en décharges, l’utilisation de plastiques en agriculture, leur rejet dans les eaux usées et l’épandage de boues d’épurations fertilisantes contaminées par les plastiques constituent des sources très importantes de transfert des plastiques dans l’environnement.

La biodiversité se trouve menacée par ces matériaux synthétiques, comme le suggère le nombre croissant d’études rapportant la présence de fragments de plastiques (micro-plastiques, MPs, 100 nm - 5 mm; nano-plastiques, NPs, 1 - 100 nm, Figure 1) dans les légumes, les plantes, et chez de nombreuses espèces animales. Les additifs des plastiques, tels que les phtalates et les bisphénols, constituent par ailleurs d’importantes sources de perturbations endocriniennes (PEs).

 

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Figure 1 :
Du rejet des plastiques à l’obtention des nanoplastiques environnementaux (NPEs).

 

Bien que la toxicité et les PEs induites par ces polluants soient connues, les micro- et nanoplastiques (MPs et NPs), contrairement à leurs additifs, ne sont pas soumis à des normes de qualité environnementales. Cette absence de cadrage règlementaire s’explique par une carence de données relatant les effets des NPs sur le vivant. Les travaux rapportant les impacts des plastiques sont essentiellement centrés sur les effets des fragments de MPs sur les organismes marins et dulcicoles. En revanche, il y a une absence criante de connaissances sur les espèces animales terrestres, telles que les insectes (adultes, larves) herbivores (Ex.: lépidoptères) et saprophages (Ex.: diptères). Pourtant, dans les milieux terrestres, les insectes peuvent être confrontés à des concentrations de MPs très hétérogènes, qui peuvent être potentiellement élevées: des concentrations de 740 à 26 800 particules de MPs.kg-1 de sol ont été rapportées…

Les sources de contamination environnementale de fragments de plastique sont nombreuses, et contribuent probablement à des expositions du vivant à des mélanges de NPEs, i.e. à des fragments de plastique issus de différents polymères. Cette omniprésence des fragments de plastique accroît les risques d’exposition, chroniques ou aiguës, de la faune du sol, dont les insectes représentent la plus grande diversité et procurent de nombreux services écosystémiques. En parallèle de leur présence dans les sols, les fragments de plastique contaminent également les plantes, les fruits et les légumes avec des conséquences incertaines sur la santé humaine, la santé des organismes herbivores et plus largement des écosystèmes. L’ingestion de fragments de plastiques est donc inévitable pour la faune terrestre, tout particulièrement pour les herbivores phytophages et les saprophages qui s’alimentent sur des végétaux cultivés sur des sols contaminés aux NPs, ou arrosés avec des eaux contaminées.

L’ingestion de fragments de plastique conduit rarement à la mort des animaux. Néanmoins, elle peut avoir des répercussions sur les traits de vie, induire une cytotoxicité, des nécroses micro-localisées, voire des effets carcinogènes. La fragmentation des plastiques favorise de surcroît le relargage de constituants chimiques, tels que phtalates et bisphénols, qui peuvent avoir des effets toxiques ou perturbateurs endocriniens.

Dans ce contexte, il est urgent de disposer de données sur les effets des NPs de formes et de structures environnementalement réalistes sur les petits organismes terrestres, de leurs additifs à potentiel effet perturbateur endocrinien, et des effets cocktails en cas d'adsorption d’autres polluants.

Les études pointent également le manque de connaissances des effets des NPs, seuls ou en cocktails, sur la faune du sol, et l’absence de prise en compte de la température. La température, qui diffère d’une région à l’autre et varie en fonction des saisons, régit la biologie des organismes ectothermes tels que les insectes, et module la toxicocinétique des polluants.

Ces préoccupations nécessitent de développer des recherches innovantes et écologiquement pertinentes, basées sur l’utilisation de mélanges de NPEs de formes et de tailles identiques à celles retrouvées dans l’environnement, permettant une étude toxicodynamique écologiquement réaliste. Les additifs aux effets PEs et l’exposition à des cocktails (NPEs, additifs, pesticides) doivent également être considérés.

Comme proposé dans ce projet nommé “PLASTICIDE”, ce type d’étude intégrée est crucial pour apporter un éclairage nouveau sur ces enjeux environnementaux d’actualité. Les connaissances produites contribueront à une meilleure évaluation écotoxicologique de l’impact des plastiques sur les organismes, une meilleure préservation de la biodiversité, en particulier des arthropodes qui procurent de nombreux services écosystémiques, et aideront à la mise en place des stratégies de bioremédiation des NPEs.

Le projet PLASTICIDE propose donc une étude intégrant différents niveaux organisationnels - de l’organisme aux échelles moléculaires - afin de mieux comprendre les effets de mono-expositions (NPs) et de co-expositions (NPs, PEs, pesticides) aux polluants. Ce projet propose pour la première fois une base solide d’évaluation multifactorielle de la toxicité croisée des nanoparticules de plastique et de leurs co-contaminants.

Le projet se concentrera sur les effets de NPEs produits à partir d’un mélange de plastique prélevés dans le milieu naturel maximisant le degré de réalisme de ces recherches. Il est également prévu de se procurer des mélanges de NPs produits en conditions. Les porteurs du projet pourront aussi réaliser ces synthèses, ce qui sera optimal pour les études comparatives des effets des NPEs et NPAs, et la réalisation d’une fragmentation dans des conditions identiques. Cette approche comparative des effets NPEs versus NPAs constitue une autre innovation proposée par le projet. Ces travaux pionniers permettront de rendre compte des impacts des NPs sur différentes facettes de la biologie des insectes. Les effets seront recherchés à la fois sur le court et le long (effets transgénérationnels) terme, ce qui représente aussi une originalité du projet.

L’originalité de PLASTICIDE réside dans la prise en compte de plusieurs facteurs clés et pertinents, et cette démarche pionnière servira de référence pour l’évaluation du risque environnemental des NPs. L’assemblage de différentes compétences (biogéochimie, biologie des organismes, biologie de la reproduction, écotoxicologie, endocrinologie, immunologie, enzymologie, approches ‘omiques’) donne naissance à un consortium solide, disposant des équipements, expertises et savoir-faire pour mener à bien ce projet (Figure 2).

 

Projet PLASTICIDE Fig2
Figure 2:
Présentation synthétique du projet PLASTICIDE

 

 

Le projet PLASTICIDE traitera les grandes questions suivantes :

1) Quel est l’impact phénotypique (traits d’histoire de vie, en particulier succès reproducteur, développement et activité) de l’ingestion de mélanges de NPAs ou de NPEs ? Existe-il des différences selon l’origine des NPs (environnementaux ou artificiels) ? Existe-il des réponses phénotypiques de type « dose-réponse » ? Si tel est le cas, quels sont les seuils ? Les effets des plastiques sont-ils modifiés par l’ingestion concomitante des additifs aux effets PEs ? Existe-il des interactions de type additives, synergiques, antagonistes entre les NPs, les additifs, et les pesticides ? Quels sont les effets d’ingestions chroniques versus uniques mais aigües ?

2) Quels sont les impacts phénotypiques trans-générationnels de l’ingestion de mélanges de NPEs ou de NPAs? En particulier, quels sont les effets d’expositions à différentes doses, modalités (chroniques/aiguës), cocktails (NPEs, PEs, pesticides) sur les traits d’histoire de vie des organismes ?

3) De quelle façon la température du milieu de vie des insectes module-t-elle les effets observés sur les traits de vie des générations parentales et de la génération fille ?

4) Quels sont les impacts physiologiques sur les organismes, en particulier en termes de perturbations/équilibres métaboliques, énergétiques, redox, endocriniennes, immunologiques ? Quels sont les dommages cellulaires ou sub-cellulaires ? Les mesures de ces impacts physiologiques seront restreintes à certaines conditions expérimentales pertinentes (i.e. induisant des effets phénotypiques significatifs) identifiées dans le projet.

 

Les partenaires

PLASTICIDE se situe à l’interface de différentes disciplines: géochimie des polluants, biologie des populations, biologie de la reproduction, écophysiologie, écotoxicologie, immunologie, écologie intégrative. Le projet rassemble quatre partenaires dont les expertises théoriques et techniques offriront un panel d’outils et de compétences complémentaires et assureront la faisabilité du projet. Il est important de souligner que le consortium réunit toutes les conditions nécessaires au succès du projet, disposant en particulier de l’ensemble des capacités analytiques (équipements - méthodologies - exploitation des données) indispensables à la réalisation des objectifs fixés. Les approches intégrées que nous proposons en termes de paramètres, de techniques, et de champs disciplinaires constituent une originalité forte de PLASTICIDE. Ce projet fait également appel à la plateforme EcoChim (Analyses chimiques et biochimiques) de l’OSUR.

Le Partenaire 1 (Equipe EcoStress-EcoTox, UMR ECOBIO - Pôle Environnement Univ. Rennes 1 - Resp. Scientifique : D. Renault, C. Wiegand) dispose d’une expertise reconnue au niveau international sur les réponses des invertébrés aux contraintes environnementales complexes d’origines naturelles et/ou anthropiques (IUF ‘ENVIE’, ANR PRCI SUZUKILL, ANR PRC ‘DROTHERMAL’, H2020 BiodivERsa ‘ASICS’, IPEV 136 SUBANTECO,…), y compris des réponses aux insecticides et plastiques (France-Agri-Mer ‘TenebLimit’, InEE-CNRS ‘BIODEGRAD’). En parallèle, les mécanismes physiologiques à la base des réponses phénotypiques observées sont caractérisées par ce partenaire, par l’intégration d’approches omiques (Renault et al. 2018, Cosio & Renault 2020). Ces études s’appuient sur l’arsenal analytique de la plateforme EcoChimie de l’OSUR (resp. H.Colinet). EcoChimie dispose d’équipements de pointe permettant de réaliser des études métabolomiques (LC-MS/MS, GC-MS & GC-MS/MS), biochimiques, et le dosage des polluants environnementaux. Cette plateforme propose un soutien technique aux expérimentations. Le projet implique D. Renault (PR UR1), C. Wiegand (PRe UR 1), H. Colinet (CR CNRS), G. Gouesbet-Jan (IR CNRS) et N. Lebris (IE CNRS). Le partenaire 1 encadrera le doctorant recruté sur le projet PLASTICIDE. Deux étudiants de Master 2 seront également impliqués dans les études.

Le partenaire 2 (Equipe NBG - Géosciences-Rennes - Pôle Environnement Univ. Rennes 1 – Resp Scientifique : M. Davranche) apportera son expertise sur le domaine des nano-plastiques. Ce partenaire dispose notamment des capacités de production des NPEs environnementalement pertinents dont les formes, tailles et charges permettent une réelle évaluation des niveaux de passage des NPs entre les parois cellulaires. L'équipe NBG est également pourvue d’un laboratoire de nanométrologie pour la  caractérisation de la composition, taille, polydispersité, forme et  réactivité de surface de nanoparticules. Le projet implique M. Davranche (PRe UR1) et A.-C. Pierson-Wickmann (MC UR1). Un étudiant de Master 2 sera également impliqué.

Le partenaire 3 (Equipe ChimioRéception Adaptation - UMR iEES Paris - Resp. Scientifique : D. Siaussat)

Le Partenaire 4 (Equipe CIIL- Univ. Lille, CNRS, Inserm, Institut Pasteur de Lille – Resp. Scientifique : A. Tasiemski)



>>> En savoir plus : télécharger le dossier complet du projet PLASTICIDE >>>



Contact OSUR
David Renault (Université de Rennes 1, IUF, ECOBIO) / @
Mélanie Davranche (Université de Rennes 1, IUF, Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (CNRS, OSUR multiCOM) / @