Letteratura scientifica selezionata sul tema "Microplastiques – Environnement"

Les plastiques sont des matériaux techniques nécessaires au fonctionnement des sociétés industrialisées. Cependant, au début des années 2000, des particules de plastique de l’ordre de la dizaine de microns sont observées dans des échantillons d’eau de mer. Ce sont des « microplastiques ». Leur présence dans la plupart des milieux a progressivement été mise en lumière au point d’en faire un marqueur de l’anthropocène. Par ailleurs, ces particules interagissent avec leur environnement et peuvent être vectrices d’additifs toxiques ou de micropolluants. Face aux risques que représentent ces particules, il est important de pouvoir évaluer leur dangerosité pour l’homme et les écosystèmes. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail de thèse sont (1) de déterminer les conditions d’extraction des microplastiques présents dans le sable les plus efficaces et les moins coûteuses et (2) de traduire en terme de toxicité les interactions entre micropolluants et plastiques vieillis dans le milieu marin. Pour cela, un prototype de système d’élutriation a été construit et un protocole adapté a été mis en place pour permettre d’extraire les microplastiques du sable. Afin de faciliter la détermination des vitesses de flux optimales pour permettre une élutriation efficace, un modèle numérique simple reposant sur des équations d’hydrodynamique a été développé. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a ensuite permis de le valider. Ces résultats ont également permis de mettre en évidence que des ajustements du dimensionnement du système d’élutriation étaient nécessaires. En se basant sur différentes contraintes, par exemple sur le temps nécessaire pour réaliser l’élutriation ou encore sur la taille de la colonne, de nouvelles données de dimensionnement ont été acquises. Le vieillissement de 3 types de plastique (PVC, PET et PBAT) dans le port de Kernevel (Larmor- Plage) a été étudié en suivant l’évolution de l’état de surface et la toxicité de ces matériaux durant 502 jours d’immersion. Cette étude a montré des comportements très différents de ces trois plastiques au cours du temps. Ainsi, le PBAT vieillit plus vite que le PVC alors que le PET évolue peu. Le vieillissement du PVC s’accompagne d’une perte de ses composés à activité œstrogénique et d’une adsorption de métaux lourds. En milieu marin, en se dégradant la surface du PBAT forme des cavités dans lesquelles se piègent des argiles ; de plus en vieillissant ce matériau peut présenter une forte activité œstrogénique ponctuelle
Plastics are technical materials necessary for industrialized societies. However, in the early 2000s, plastic particles of about ten microns were observed in seawater samples. These are called "microplastics". Their presence in most environments has been progressively highlighted making it an anthropocene marker. Moreover, these particles interact with environments and may carry toxic additives or micropollutants. However, scientific and technical barriers limit this accurate evaluation. In this context, the aims of this work are (1) to determine the most efficient and cost- effective extraction conditions of microplastics trapped in sand and (2) to evaluate the toxicity due to the interactions between micropollutants and aged plastics, which can occur in the marine environment. Thus, an elutriation system prototype has been built and an adapted protocol developed to efficiently extract microplastics from sand. In order to determine the optimal elutriation flow velocities, a simple numerical model based on hydrodynamic equations has been developed. This numerical model has been validated by comparing theoretical and experimental results. However, these results also demonstrate that process optimization was required: based on different constraints, for example the time needed to achieve the elutriation or the size of the column, new data on the design have been acquired. The evolution of the surface state and the toxicity of 3 types of plastic (PVC, PET and PBAT) immersed in the marine environment during 550 days was studied on Kernevel harbor (Larmor-Plage, France). The results of the plastics ageing show very different behaviors. PBAT ages faster than PVC whereas PET does not exhibit large modifications. The aging of PVC is accompanied by a loss of compounders characterized by an estrogenic activity and by the adsorption of heavy metals. In the marine environment, the degradation of the PBAT surface forms cavities in which clay particles can be trapped. Moreover, in a more punctual manner than PVC, this material exhibit strong estrogenic activities

Depuis plusieurs décennies la production mondiale de plastiques ne cesse d’augmenter, menant à une contamination des écosystèmes aquatiques à l’échelle de la planète qui a été récemment estimée à plus de cinq mille milliards de débris de plastiques flottants à la surface des océans. Les microplastiques (particules de plastique < 5 mm), introduits dans l’environnement aquatique directement en tant que microparticules (granulés plastiques industriels, cosmétiques, fibres textiles) ou lors de la fragmentation de plus gros débris plastiques, représentent une préoccupation scientifique et sociétale grandissante. Ces travaux de thèse se sont focalisés sur la contamination par les microplastiques de la rade de Brest (Bretagne, France), un système côtier macrotidal où l’activité anthropique est importante. Les objectifs de ces travaux sont (1) d’évaluer la contamination des matrices environnementales (eau de surface, sédiment subtidal et biote) par les microplastiques, et (2) d’identifier leur rôle potentiel en tant que vecteurs de contaminants chimiques et de bactéries dans la rade de Brest.Pour cela, des développements analytiques ont été nécessaires afin d’améliorer leur extraction des matrices environnementales ainsi que leur caractérisation morphologique et chimique via la microspectrométrie Raman. Les observations in situ ont montré que l’ensemble de l’écosystème de la rade de Brest est contaminé par les microplastiques, avec des concentrations de 0,24 ± 0,35, et 0,97 ± 2,08 (moyenne ± écart-type). L’eau de surface et le sédiment sont contaminés par le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène. Leur distribution à la surface de l’eau semble être liée à l’urbanisation très présente au nord de la rade, mais également à l’hydrodynamisme de cette région marine. Les premiers résultats concernant les bivalves marins ont montré un niveau relativement faible de contamination par les microplastiques (0,01 ± 0,04 et 0,08 ± 0,34 pour les moules et les coques, respectivement), cependant cela est probablement dû aux choix méthodologiques appliqués ici (exclusion des fibres). Les observations in situ ont montré que certains polluants organiques (HAP, PCB et pesticides) étaient détectés sur les microplastiques flottants à des valeurs (non détecté – 49763 ng.g-1, moyenne ± écart-type) similaires de celles retrouvées dans les sédiments et les bivalves locaux, ce qui suggère un risque faible dans le transfert des contaminants chimiques vers les organismes marins en cas d’ingestion. Enfin, les résultats concernant la colonisation bactérienne des microplastiques flottants ont montré des communautés distinctes de celles retrouvées dans l’eau de mer environnante, et l’identification du genre Vibrio en tant que biomarqueur discriminant de cette matrice. Dans l’ensemble, ces travaux fournissent une première évaluation approfondie de l’état de contamination de la rade de Brest par les microplastiques ainsi que de solides recommandations méthodologiques pour des travaux futurs
World production of plastics has increased steadily for the past decades leading to a major contamination of the worldwide aquatic ecosystems recently estimated at more than five trillion plastic pieces floating the surface of the oceans. Microplastics (plastic particles < 5 mm) are introduced into aquatic environments directly as industrial raw material (plastic pellets, cosmetics, clothing) or indirectly via the fragmentation of larger plastics. This emerging contaminant represents an increasing ecological concern for science and society. The present study focused on the microplastic contamination of the Bay of Brest (Brittany, France), a macrotidal coastal ecosystem characterized by intense anthropogenic activity. The main objectives were: (1) to evaluate the contamination of environmental matrices (surface water, subtidal sediment and biota) by microplastics, and (2) to identify their potential role as vector of chemicals and bacteria in the bay of Brest.Methodological developments were first conducted to improve microplastic extraction from environmental matrices as well as their rapid morphological and chemical identification by Raman micro-spectrometry. The field investigations showed that the ecosystem of the bay of Brest is contaminated by microplastics with mean concentrations of 0.24 ± 0.35, and 0.97 ± 2.08 (mean ± standard deviation) in surface water and sediment, respectively. Microplastic contamination in surface water and sediment was dominated by polyethylene, polypropylene and polystyrene microparticles.Spatial microplastic distribution appeared to be related to proximity to urbanized areas and to hydrodynamic in the bay. Preliminarily results of microplastic contamination in marine bivalves demonstrated relatively low contamination (0.01 ± 0.04, and 0.08 ± 0.34 for mussels and cockles, respectively) by microplastics (mainly polyethylene and polypropylene fragments), however this could be partly related to the methodological limitation identified here (e.g. exclusion of fibers). Organic pollutant (PAH, PCB and pesticides) were detected on floating microplastics at levels (not detected – 49,763 ng g-1, mean ± SD) similar to those measured in sediment and bivalves suggesting low risks in transferring hazardous chemicals in local marine organisms upon microplastic ingestion. Finally, distinct bacterial community assemblages were demonstrated on microplastics as compared with surrounding surface water; the Vibrio genus was identified as a discriminant biomarker of the plastic matrix. Overall, this work provides a first and thorough assessment of the microplastic contamination in the bay of Brest and solid methodological recommendations for further work

Les microplastiques (MP) sont largement répandus dans les zones côtières et les océans du monde entier. Les MP sont préoccupants sur le plan environnemental en raison de leurs impacts potentiels sur un large éventail d’organismes marins, de sorte que l'évaluation de leur impact sur les écosystèmes est devenue une priorité de recherche. En complément, les substances phytosanitaires utilisées régulièrement en agriculture se déversent dans les milieux côtiers, par ruissellements. Ces travaux de thèse se sont focalisés sur (i) une étude exploratoire d’un site pilote des Pertuis Charentais (PC) afin d’évaluer l’importance de la contamination plastique et pouvoir évaluer leur toxicité sur (ii) les stades précoces et (iii) tardifs de développement de l’huître creuse, Crassostrea gigas. Ces travaux fournissent une première investigation de l’état de contamination plastique (macro et micro) d’un site d’étude littoral des PC, où la présence de plastiques ostréicoles ainsi que des concentrations élevées en MP dans les sédiments de plage ont été identifiés. De plus, les expérimentations menées en conditions de laboratoire contrôlées, nous informent sur le caractère toxique des MP de PE et des pesticides sur les stades précoces de développement (embryo-larvaire) de l’huitre creuse. Les pesticides dosés dans les eaux des PC ont montré des effets significatifs à des concentrations proches de l’environnement naturel alors que les MP s’avèrent toxiques pour des concentrations plus fortes. Ces effets apparaissent sur le développement, la croissance et le comportement natatoire des larves d’huitre creuse. Des expérimentations complémentaires, effectuées sur des stades plus tardifs, notamment les naissains d’huitre creuse, ont permis de montrer un comportement valvaire modifié suite à une exposition de 25 jours aux MP de type PE et au Chlortoluron, en conditions de laboratoire. Les effets intergénérationnels ont pu être observés avec l’utilisation de MP environnementaux (cocktail de PE, PP et PVC), vieillis aux abords des concessions ostréicoles. La qualité et le succès de fécondation ont été modifiés ainsi que le développement et le comportement de nage des larves-D issues de parents préalablement exposés durant deux mois. Ces premiers résultats permettront de renforcer les connaissances de la communauté scientifique et d’informer les professionnels et acteurs conchylicoles sur les risques des contaminants émergents, tels que les MP et les pesticides. Des adaptations des pratiques conchylicoles seront nécessaires afin d’éviter une probable dégradation de la qualité des eaux littorales dans les PC
Microplastics (MPs) are widely distributed in coastal areas and oceans around the world. MPs are of environmental concern due to their potential impacts on a wide range of marine organisms, so assessing their impact on ecosystems has become an urgent research priority. In addition, the phytosanitary substances regularly used in agriculture flow into coastal environments by runoff. This thesis focused on (i) an exploratory study of a pilot site in Pertuis Charentais (PC) in order to assess the extent of plastic contamination in order to be able to perform toxicity tests on (ii) the early and (iii) late stages of development in the Pacific oyster, Crassostrea gigas. This work provides a first investigation of the plastic contamination state (macro and micro) of a coastline PC pilot study site, where the presence of aquaculture plastics as well as significant concentrations of MPs in beach sediments, have been identified. In addition, the experiments carried out under controlled laboratory conditions, inform us about the toxic effects of PE-MPs and pesticides on the early stages of development (embryotoxicity). Pesticides dosed in PC seawater have shown significant effects at concentrations close to the natural environment, while MPs are toxic at higher concentrations. Effects on development, growth, and swimming behaviour are to be noted. Additional experiments were carried out on later stages in particular oyster spat showed altered valve behaviour following a 25-day exposure to PE-MPs and chlortoluron, under laboratory conditions. Intergenerational effects have been observed with the use of environmental MPs (cocktail of PE, PP and PVC), aged near oyster farms. The quality and success of fertilization was modified as well as the development and behaviour of D-larvae from parents exposed for two months. These initial results will help strengthen the knowledge of the scientific community and inform shellfish industry professionals and stakeholders on the risks of emerging contaminants, such as MPs and pesticides. Adaptations of shellfish farming practices will be necessary in order to avoid a probable deterioration in the quality of coastal waters in the PC

Le plastique est un matériel peu cher, léger et résistant, ce qui l’a rendu rapidement indispensable dans tous types de secteurs tel que celui de l’emballage alimentaire, du médicale ou encore de l’automobile et du bâtiment. Néanmoins, ces extraordinaires propriétés ont aussi contribué à son actuelle omniprésence dans l’environnement marin, de manière parfois insidieuse. En effet, une fraction souvent invisible à l’œil nu, nommée microplastique (MP) est aujourd’hui étudiée avec intérêt. Les MP sont principalement définis par une taille inférieure à 5 mm, bien que la limite inférieure soit encore discutée au sein de la communauté. Dans le même temps, d’autres types de particules manufacturées par l’homme sont de plus en plus fréquemment décrites, tel que des fragments caoutchouteux noirs ou des fibres. Ces particules anthropiques (AP), MP inclus, ont été détectées dans l’ensemble des compartiments aquatiques (e.g. eau de surface et colonne d’eau) et le compartiment sédimentaire (e.g. plages, sédiments subtidaux et intertidaux) et dans un grand nombre d’espèces dans toutes les régions océaniques. Cependant, leur présence n’est pas anodine car les MP peuvent modifier certains cycles géochimiques, mais aussi biologiques. Par exemple, du fait de leur petite taille, ils peuvent interagir avec une très large gamme d’espèces aquatiques allant du zooplancton aux cétacés. Hors, dans le Bassin d’Arcachon, une pression anthropique importante découle de l’attractivité et de la richesse de cette lagune (e.g. pêche, conchyliculture et tourisme). Par ailleurs, ce système lagunaire est complexe de par sa morphologie (e.g. chenaux et zones intertidales) et son fonctionnement hydrodynamique est marqué principalement par les marées. Ainsi, ce projet de recherche doctoral a permis d’établir un état des lieux de la contamination par les MP et autres particules anthropiques au sein du Bassin d’Arcachon (notamment des fibres). Plus particulièrement, nous avons 1) quantifié et caractérisé les AP et MP présents dans différents compartiments de cette lagune (eau de surface, colonne d’eau, sédiment intertidaux, laisse de mer, organismes aquatiques), 2) déterminé leur distribution spatiale (depuis la zone océanique jusqu’aux limites continentales du bassin) et exploré la dynamique de leur transport entre les compartiments, 3) caractérisé l’évolution temporelle de la contamination au sein de ces compartiments
As a cheap, light and resistant material, plastic rapidly became unavoidable in many sectors such as packaging, medical, automobile or building ones. However, theses extraordinary properties contribute to its ubiquity in marine environments, and sometime in an insidious way. Indeed, there is a fraction invisible to the naked eyes, named microplastic (MP), that draw researchers’ attention. They are commonly described by an upper limit size of 5 mm, yet the lower size limit is still under discussion. Meantime, other types of manufactured particles are more and more described, such as black rubbery fragments and fibers. These anthropogenic particles (AP) were already detected in marine compartments of all regions, from sea surface to bottom sediments by the way of beach, water column and living organisms. Nevertheless, MP contamination could be associated to impairment of geochemical cycles and biologic ones. Actually, because they are small-sized, MP can be ingested by a wide range of marine organisms (from zooplankton to cetacean). Additionally, the Arcachon Bay area supports important and diverse anthropogenic activities such as fishing, shellfish farming and mass tourism. Additionally, the lagoon have a complex morphology (e.g. intertidal areas and passes) and its hydrodynamic is mainly driven by tide. Thus, this project describes AP and MP contaminations in the Arcachon Bay, such as the one caused by fibers. Specifically, we were able to 1) quantify and characterize AP and MP contamination in nine compartments of this lagoon (sea surface, water column, wastewater effluent, intertidal sediment, high tide line, marine species), 2) describe their spatial distribution (from the oceanic zone to the inner-bay part) and explore transport dynamic between compartments, 3) characterize temporal evolution of the contamination within the studied compartments

Les déchets plastiques s’accumulent dans tous les compartiments environnementaux, et cette présence suscite un vif intérêt de la part de la communauté scientifique. Pourtant, leur étude dans les sols n’est que très récente par rapport aux rivières et océans. Ce travail de doctorat s’est donc concentré sur le comportement des micro- et nanoplastiques et des contaminants associés issus de l’amendement en compost de déchets ménagers, enrichi en débris plastiques dans un sol agricole. Les microplastiques collectés dans le sol ont un degré d’altération avancé qui favorise la libération de petites particules plastiques telles que les nanoplastiques. Afin de les identifier, une méthode d’extraction /identification a été développée et a prouvé pour la première fois la présence de nanoplastiques composés des trois polymères les plus courants dans la couche de surface du sol. Il a ensuite été démontré que ces nanoplastiques étaient présents dans les couches minérales en profondeur alors que les microplastiques n’étaient présents que dans la profondeur de labour. Les nanoplastiques sont donc mobiles dans les sols et ont la capacité d’atteindre les nappes d’eau souterraines sous-jacentes. Enfin, le rôle de déchets plastiques dans la contamination concomitante en métaux relevée dans le sol a été étudié. Les plus fortes concentrations correspondent aux métaux utilisés comme additifs dans la formulation des plastiques mais les plastiques n’ont pu être mis en cause avec certitude dans la contamination du sol. Les métaux et leur signature isotopique représentent cependant de bons candidats pour le traçage des nanoplastiques dans les matrices naturelles complexes
Plastic waste is accumulating in all environmental compartments, and its presence is of great interest to the scientific community. However, plastic waste study in soils is only very recent compared to rivers and oceans. This PhD work therefore focused on the behaviour of micro- and nanoplastics and associated contaminants from the composting of household waste enriched with plastic debris in agricultural soil. The microplastics collected in soil have an advanced degree of weathering that favours the release of small plastic particles such as nanoplastics. In order to identify them, an extraction/identification method was developed and highlighted for the first time, the presence of nanoplastics containing the three most common polymers in the uppermost soil surface layer. It was then demonstrated that these nanoplastics were present in the mineral layers at depth, whereas the microplastics were only present at ploughing depth. Nanoplastics are therefore mobile in soils and can reach the underlying groundwaters. Finally, the role of plastic waste in the concomitant metal contamination found in soil was investigated. The highest concentrations correspond to metals used as additives in the formulation of plastics, but the plastic role could not be implicated with certainty in soil contamination. However, metals and their isotopic signatures are good candidates for tracing nanoplastics in complex natural matrices

La production de plastique est en augmentation continue pour répondre à la forte demande mondiale. Cette production massive est la source d'importantes quantités de plastiques que l'on retrouve dans les milieux aquatiques. Parmi ces plastiques, les microplastiques (MP) (particules microscopiques d’une taille < 5 mm) se retrouvent dans l’eau, les sédiments et sont susceptibles d’être ingérés par divers organismes marins. Cette thèse se focalise sur (1) l’évaluation des sources et des apports de microplastiques au milieu aquatique et de leur présence dans les organismes, et (2) de tester la faisabilité d’utiliser des organismes vivants pour la surveillance de la pollution de l’environnement par les microplastiques. Deux zones côtières affectées par des pressions anthropogéniques ont été étudiées : Le Havre et le littoral libanais. Dans le premier cas, le rôle d’une station de traitement des eaux usées (STEP) et d’une décharge côtière dans l’introduction des microplastiques dans l’environnement a été étudié. Les MPs ont d’abord été analysés dans l'influent, la boue et l’effluent de la STEP. Leur devenir a été suivi selon un gradient de distance de la STEP au niveau de trois matrices : eau de surface, sédiments et moules sauvages (Mytilus spp.). Les MPs ont été trouvés au niveau de toutes les matrices avec une concentration qui diminue en s’éloignant de l’effluent. Des taux de microplastiques élevés (plus élevés que ceux trouvés à côté de la STEP) ont été observés à proximité de la décharge côtière, suggérant son rôle important comme voie d’entrée des MPs dans les eaux côtières. Le long de la côte libanaise, nous avons évalué pour la première fois la pollution par les MPs dans l'eau de mer, les sédiments et dans deux espèces marines importantes en terme de consommation humaine (un poisson pélagique: Engraulis encrasicolus et un bivalve: Spondylus spinosus). Les résultats ont montré différents patterns de concentration des MPs dans les matrices analysées. La présence de MPs dans les organismes était élevée (83.4% et 86.3% dans les anchois et les huîtres, respectivement). Ces résultats ont mis en évidence la pollution élevée liée aux MPs au niveau du bassin Levantin par rapport aux autres régions de la Méditerranée occidentale. De plus, les résultats obtenus indiquent une contribution potentielle des décharges côtières à cette pollution. Le plus souvent, les études sur les microplastiques impliquent l'échantillonnage d’organismes indigènes. Au cours de cette thèse, nous avons testé la faisabilité d'utiliser des organismes transplantés (encagement) pour évaluer la pollution par les microplastiques dans l'environnement marin côtier. Nous avons mis au point des expériences d'encagement avec des juvéniles de flets, Platichthys flesus, en estuaires et des moules bleues, Mytilus edulis, en zone côtière. Pour chaque espèce, l'abondance et les caractéristiques (forme, taille, couleur et type de polymères) des MPs ingérés par les individus encagés ont été comparées avec les MPs ingérés par des individus sauvages capturés sur le même site et avec ceux trouvés dans leur environnement (eaux de surface et sédiments). Nos résultats suggèrent que la technique d'encagement d'organismes peut constituer un outil prometteur pour la biosurveillance des MPs la rendant plus fiable et permettant une étude précise des effets biologiques des MPs sur une période d'exposition prédéterminée
Plastic fabrication is increasing worldwide in response to daily human demands. This mass production is linked to the immense plastic marine litter found all around the world: each synthetic material is meant to find its way back into the aquatic systems. Anthropogenic pressure and the immense human population, the lack of appropriate plastic treatment process and the growing industrial activities advocate their presence in the aquatic environments. These plastics are then found in the form of microplastics (microscopic particle with a size < 5 mm) observed in the water, in the sediments and are prone to be ingested by various marine organisms along the trophic chain. This thesis focuses on (1) assessing microplastics sources and input into the aquatic environment and their occurrence in biota, and (2) to test the feasibility of using transplanted organisms (caging) for monitoring microplastics pollution in the marine coastal environment. Two coastal areas highly impacted by anthropogenic pressures were studied: Le Havre in France and the Lebanese coast. For the former, the role of a municipal wastewater treatment plant (WWTP) effluent and an abandoned coastal landfill as pathways for microplastics (MPs) input into the marine environment was assessed. MPs were first analyzed in raw sewage influent, sludge and effluent samples, and their fate was studied along a distance gradient from the WWTP in three matrices: surface water, sediments and wild mussels (Mytilus spp). MPs were found in all matrices with a decreasing abundance from the effluent. Strong MPs abundances (higher than those found near the WWTP effluent) were observed in the vicinity of the coastal landfill suggesting its importance as a MPs entry route into the marine coastal environment. Whereas for the Lebanese coast, we evaluated for the first time the MPs pollution in the seawater, sediments and two important seafood species (one pelagic fish: Engraulis encrasicolus and one bivalve: Spondylus spinosus). Results showed different patterns of MPs concentration in the analyzed matrices. The occurrence of MPs in the biota was high (83.4% and 86.3% in anchovies and spiny oysters, respectively). These results highlighted the high MPs pollution found in the Levantine Basin in comparison to other Western Mediterranean regions. In addition, the obtained results indicate the potential contribution of coastal landfills to this pollution. Most often microplastics studies involve collection of organisms’ samples from natural populations. In this thesis, we tested the feasibility of using transplanted organisms (caging) for monitoring microplastics’ pollution in the marine coastal environment. We developed caging experiments with juvenile European Flounder, Platichthys flesus, in estuarine nursery grounds and blue mussels, Mytilus edulis, in coastal marine environment. For each species, the abundance and characteristics (shape, size, color and type of polymers) of MPs ingested by caged individuals are compared with those ingested by wild individuals collected at the same site and with those found in their surrounding environment (surface water and sediments). Our results suggest that transplanted organisms (caging) may be a promising tool for MPs biomonitoring making monitoring more reliable with an accurate assessment of the biological effects of MPs over a predetermined exposure period

Les plastiques sont des matériaux techniques nécessaires au fonctionnement des sociétés industrialisées. Cependant, au début des années 2000, des particules de plastique de l’ordre de la dizaine de microns sont observées dans des échantillons d’eau de mer. Ce sont des « microplastiques ». Leur présence dans la plupart des milieux a progressivement été mise en lumière au point d’en faire un marqueur de l’anthropocène. Par ailleurs, ces particules interagissent avec leur environnement et peuvent être vectrices d’additifs toxiques ou de micropolluants. Face aux risques que représentent ces particules, il est important de pouvoir évaluer leur dangerosité pour l’homme et les écosystèmes. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail de thèse sont (1) de déterminer les conditions d’extraction des microplastiques présents dans le sable les plus efficaces et les moins coûteuses et (2) de traduire en terme de toxicité les interactions entre micropolluants et plastiques vieillis dans le milieu marin. Pour cela, un prototype de système d’élutriation a été construit et un protocole adapté a été mis en place pour permettre d’extraire les microplastiques du sable. Afin de faciliter la détermination des vitesses de flux optimales pour permettre une élutriation efficace, un modèle numérique simple reposant sur des équations d’hydrodynamique a été développé. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a ensuite permis de le valider. Ces résultats ont également permis de mettre en évidence que des ajustements du dimensionnement du système d’élutriation étaient nécessaires. En se basant sur différentes contraintes, par exemple sur le temps nécessaire pour réaliser l’élutriation ou encore sur la taille de la colonne, de nouvelles données de dimensionnement ont été acquises. Le vieillissement de 3 types de plastique (PVC, PET et PBAT) dans le port de Kernevel (Larmor- Plage) a été étudié en suivant l’évolution de l’état de surface et la toxicité de ces matériaux durant 502 jours d’immersion. Cette étude a montré des comportements très différents de ces trois plastiques au cours du temps. Ainsi, le PBAT vieillit plus vite que le PVC alors que le PET évolue peu. Le vieillissement du PVC s’accompagne d’une perte de ses composés à activité œstrogénique et d’une adsorption de métaux lourds. En milieu marin, en se dégradant la surface du PBAT forme des cavités dans lesquelles se piègent des argiles ; de plus en vieillissant ce matériau peut présenter une forte activité œstrogénique ponctuelle
Plastics are technical materials necessary for industrialized societies. However, in the early 2000s, plastic particles of about ten microns were observed in seawater samples. These are called "microplastics". Their presence in most environments has been progressively highlighted making it an anthropocene marker. Moreover, these particles interact with environments and may carry toxic additives or micropollutants. However, scientific and technical barriers limit this accurate evaluation. In this context, the aims of this work are (1) to determine the most efficient and cost- effective extraction conditions of microplastics trapped in sand and (2) to evaluate the toxicity due to the interactions between micropollutants and aged plastics, which can occur in the marine environment. Thus, an elutriation system prototype has been built and an adapted protocol developed to efficiently extract microplastics from sand. In order to determine the optimal elutriation flow velocities, a simple numerical model based on hydrodynamic equations has been developed. This numerical model has been validated by comparing theoretical and experimental results. However, these results also demonstrate that process optimization was required: based on different constraints, for example the time needed to achieve the elutriation or the size of the column, new data on the design have been acquired. The evolution of the surface state and the toxicity of 3 types of plastic (PVC, PET and PBAT) immersed in the marine environment during 550 days was studied on Kernevel harbor (Larmor-Plage, France). The results of the plastics ageing show very different behaviors. PBAT ages faster than PVC whereas PET does not exhibit large modifications. The aging of PVC is accompanied by a loss of compounders characterized by an estrogenic activity and by the adsorption of heavy metals. In the marine environment, the degradation of the PBAT surface forms cavities in which clay particles can be trapped. Moreover, in a more punctual manner than PVC, this material exhibit strong estrogenic activities

Depuis plusieurs décennies la production mondiale de plastiques ne cesse d’augmenter, menant à une contamination des écosystèmes aquatiques à l’échelle de la planète qui a été récemment estimée à plus de cinq mille milliards de débris de plastiques flottants à la surface des océans. Les microplastiques (particules de plastique < 5 mm), introduits dans l’environnement aquatique directement en tant que microparticules (granulés plastiques industriels, cosmétiques, fibres textiles) ou lors de la fragmentation de plus gros débris plastiques, représentent une préoccupation scientifique et sociétale grandissante. Ces travaux de thèse se sont focalisés sur la contamination par les microplastiques de la rade de Brest (Bretagne, France), un système côtier macrotidal où l’activité anthropique est importante. Les objectifs de ces travaux sont (1) d’évaluer la contamination des matrices environnementales (eau de surface, sédiment subtidal et biote) par les microplastiques, et (2) d’identifier leur rôle potentiel en tant que vecteurs de contaminants chimiques et de bactéries dans la rade de Brest.Pour cela, des développements analytiques ont été nécessaires afin d’améliorer leur extraction des matrices environnementales ainsi que leur caractérisation morphologique et chimique via la microspectrométrie Raman. Les observations in situ ont montré que l’ensemble de l’écosystème de la rade de Brest est contaminé par les microplastiques, avec des concentrations de 0,24 ± 0,35, et 0,97 ± 2,08 (moyenne ± écart-type). L’eau de surface et le sédiment sont contaminés par le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène. Leur distribution à la surface de l’eau semble être liée à l’urbanisation très présente au nord de la rade, mais également à l’hydrodynamisme de cette région marine. Les premiers résultats concernant les bivalves marins ont montré un niveau relativement faible de contamination par les microplastiques (0,01 ± 0,04 et 0,08 ± 0,34 pour les moules et les coques, respectivement), cependant cela est probablement dû aux choix méthodologiques appliqués ici (exclusion des fibres). Les observations in situ ont montré que certains polluants organiques (HAP, PCB et pesticides) étaient détectés sur les microplastiques flottants à des valeurs (non détecté – 49763 ng.g-1, moyenne ± écart-type) similaires de celles retrouvées dans les sédiments et les bivalves locaux, ce qui suggère un risque faible dans le transfert des contaminants chimiques vers les organismes marins en cas d’ingestion. Enfin, les résultats concernant la colonisation bactérienne des microplastiques flottants ont montré des communautés distinctes de celles retrouvées dans l’eau de mer environnante, et l’identification du genre Vibrio en tant que biomarqueur discriminant de cette matrice. Dans l’ensemble, ces travaux fournissent une première évaluation approfondie de l’état de contamination de la rade de Brest par les microplastiques ainsi que de solides recommandations méthodologiques pour des travaux futurs
World production of plastics has increased steadily for the past decades leading to a major contamination of the worldwide aquatic ecosystems recently estimated at more than five trillion plastic pieces floating the surface of the oceans. Microplastics (plastic particles < 5 mm) are introduced into aquatic environments directly as industrial raw material (plastic pellets, cosmetics, clothing) or indirectly via the fragmentation of larger plastics. This emerging contaminant represents an increasing ecological concern for science and society. The present study focused on the microplastic contamination of the Bay of Brest (Brittany, France), a macrotidal coastal ecosystem characterized by intense anthropogenic activity. The main objectives were: (1) to evaluate the contamination of environmental matrices (surface water, subtidal sediment and biota) by microplastics, and (2) to identify their potential role as vector of chemicals and bacteria in the bay of Brest.Methodological developments were first conducted to improve microplastic extraction from environmental matrices as well as their rapid morphological and chemical identification by Raman micro-spectrometry. The field investigations showed that the ecosystem of the bay of Brest is contaminated by microplastics with mean concentrations of 0.24 ± 0.35, and 0.97 ± 2.08 (mean ± standard deviation) in surface water and sediment, respectively. Microplastic contamination in surface water and sediment was dominated by polyethylene, polypropylene and polystyrene microparticles.Spatial microplastic distribution appeared to be related to proximity to urbanized areas and to hydrodynamic in the bay. Preliminarily results of microplastic contamination in marine bivalves demonstrated relatively low contamination (0.01 ± 0.04, and 0.08 ± 0.34 for mussels and cockles, respectively) by microplastics (mainly polyethylene and polypropylene fragments), however this could be partly related to the methodological limitation identified here (e.g. exclusion of fibers). Organic pollutant (PAH, PCB and pesticides) were detected on floating microplastics at levels (not detected – 49,763 ng g-1, mean ± SD) similar to those measured in sediment and bivalves suggesting low risks in transferring hazardous chemicals in local marine organisms upon microplastic ingestion. Finally, distinct bacterial community assemblages were demonstrated on microplastics as compared with surrounding surface water; the Vibrio genus was identified as a discriminant biomarker of the plastic matrix. Overall, this work provides a first and thorough assessment of the microplastic contamination in the bay of Brest and solid methodological recommendations for further work

Dans un contexte de contamination des eaux naturelles par des micro et nanoparticules anthropogéniques (plastiques, métaux, oxydes…), l'étude de leurs interactions avec les microalgues d’eau douce, premier maillon de la chaîne trophique, est primordiale. Pour cela, des techniques comme les spectroscopies vibrationnelles (Raman et infrarouge) permettant des analyses sensibles, rapides et sans préparation d’échantillon, peuvent avoir un intérêt. Elles ont ici été testées sur une microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii pour détecter rapidement les effets de stress environnementaux (diminution absence de lumière et nutriment et présence de métaux). La spectroscopie infrarouge s’est révélée être un bon outil, permettant l’obtention rapide de la variation de composition macromoléculaire, aidant à discriminer facilement les différents types de stress subis par la microalgue. Cette technique a ensuite été utilisée pour évaluer les impacts de la présence de polluants particulaires (nanoparticules métalliques et nanoplastiques en particulier). L’impact des nanoparticules à court et moyen termes sur des microalgues d’eau douce a été caractérisé en parallèle avec un autre stress connu (carence en nutriment azoté) afin de comparer les effets des différents types de "stress". Les principaux résultats de l'exposition aux nanoparticules montrent globalement la non-toxicité immédiate des nanoparticules aux concentrations testées. Cependant, une perte d’intégrité membranaire au contact des nanoparticules de polystyrène suggère une plus forte interaction des microalgues étudiées avec les nanoplastiques qu'avec les nanoparticules d’or de tailles proches. Les spectres infrarouges de C. reinhardtii ont montré une modification des bandes des protéines et des polysaccharides suite aux changements d’environnement. Afin de comprendre les variations observées au niveau des polysaccharides, composants de la structure de la microalgue et représentant une part importante et complexe du spectre infrarouge, une étude approfondie de cette zone a été réalisée par déconvolution des spectres infrarouges. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes de réponse impliqués, une étude de l’expression des gènes (RT-QPCR) liés au stress et à la production de polysaccharides a été réalisée en parallèle de la spectroscopie infrarouge. Les résultats ainsi obtenus ont montré que les interactions entre nanoparticules de polystyrène et C. reinhardtii entrainaient une réponse génétique et macromoléculaire au niveau des sucres. Ainsi l’effet « type de nanoparticules » a pu être confirmé notamment par l’expression du gène lié à la biosynthèse du galactose. Dans cette dynamique, la compréhension du rôle de la paroi dans l’interaction avec les nanoparticules, dans le cas des polymères notamment, a été étudiée par la comparaison de deux souches de C. reinhardtii (avec et sans paroi). Enfin, la réponse des microalgues en fonction du temps d’interaction avec les nanoparticules a été étudiée afin de tenter de comprendre si à moyen terme, les effets observés sur les microalgues présentaient une variation temporelle. Par ailleurs, afin de mieux comprendre l’effet des particules de plastiques à un niveau trophique supérieur, des travaux complémentaires sur l’impact de microplastiques sur des daphnies ont été menés
In a context of contamination of natural waters by anthropogenic micro and nanoparticles (plastics, metals, oxides...), the study of their interactions with freshwater microalgae, the first link in the trophic chain, is essential. Techniques such as vibrational spectroscopies (Raman and infrared), which allow sensitive and rapid analysis without sample preparation, may be of interest. They have been tested here on the model microalga Chlamydomonas reinhardtii to quickly detect the effects of environmental stresses (light, drop of nutrients and presence of metals). Infrared spectroscopy proved to be a good tool, allowing rapid variation in biochemical composition to be monitored, helping to easily discriminate between the different stresses on the microalgae. This technique was then used to assess the impact of the presence of particulate pollutants (metallic and plastic nanoparticles in particular). The short- and medium-term impact of nanoparticles on freshwater microalgae was characterized in parallel with another known stress (nitrogen nutrient deficiency) in order to compare the different responses. The main results of exposure to nanoparticles show overall the immediate non-toxicity of nanoparticles at the tested concentrations. However, a loss of membrane integrity in contact with polystyrene nanoparticles suggests a stronger interaction of the microalgae studied with nanoplastics than with gold nanoparticles of similar size. Infrared spectra of C. reinhardtii showed a modification of protein and carbohydrate bands following environmental changes. In order to understand the variations observed at the level of carbohydrates, components of the microalgae structure and representing an important and complex part of the infrared spectrum, an in-depth study of this area was carried out by deconvolution of the infrared spectra. In order to better understand the response mechanisms involved, a study of the expression of genes (RT-QPCR) related to stress and carbohydrates production was carried out in parallel with infrared spectroscopy. The results thus obtained showed that polystyrene nanoparticle and C. reinhardtii interactions resulted in a genetic and macromolecular response at the carbohydrate level. Thus, the nanoparticle type effect was confirmed by the expression of the gene linked to the biosynthesis of galactose. Understanding the role of the cell-wall in the interaction with nanoparticles, particularly in case of polymers, was also studied by comparing two strains of C. reinhardtii (with and without cell-wall). Finally, microalgae response as a function of the interaction time with nanoparticles was investigated in order to try to understand whether, in the medium term, the responses presented a temporal variation. In addition, in order to better understand the effect of plastic particles at a higher trophic level, complementary work on the impact of microplastics on daphnia was carried out

Les déchets plastiques s'accumulent depuis plusieurs décennies dans les océans où ils se fragmentent en particules appelés microplastiques lorsque leur taille est inférieure à 5 mm. Ces microplastiques sont retrouvés dans toutes les eaux du globe, dans les sédiments ainsi que dans de nombreux organismes marins. Le devenir physicochimique à long terme de ces particules et leur possible fragmentation en nanoplastiques sont complexes, encore peu documentés et nécessitent des études en laboratoire.Afin de comprendre les processus liés à la photodégradation et à la fragmentation des polymères dans l’environnement, mais également dans le but d’'appréhender l’évolution des fragments générés au cours de l’irradiation, un protocole de vieillissement accéléré en milieu abiotique a été mis en place sur des polymères modèles. Le suivi de l’oxydation et de la fragmentation des deux polymères étudiés,polyéthylène basse densité et polypropylène, a été mené à l’aide de techniques spectroscopiques (infrarouge, Raman), DSC, angles de contact, et microscopiques (lumière polarisée, MEB, AFM…).Ce travail a permis de mettre en évidence l’influence significative de l’environnement et de la morphologie initiale des polymères sur leurs cinétiques de vieillissement et leurs mécanismes de fissuration. Ainsi des distributions en nombres, tailles et formes de fragments très différentes ont été obtenues pour les deux polymères selon la présence d’eau. Enfin, après un long temps d’irradiation, des produits de dégradation ont pu être détectés mais la production significative de nanoplastiques n’a pas été démontrée. L'hypothèse d'une taille limite de fragmentation devrait être envisagée
Plastic wastes have been accumulating for several decades in the oceans where they break up into particles called microplastics when their size is less than 5 mm. These microplastics are found in all earth’s waters, in sediments and in many marine organisms. Their long-term physico-chemical fate and their possible fragmentation into nanoplastics are complex, still poorly documented and require laboratory studies.In order to understand the processes related to photodegradation and fragmentation of polymers, but also in order to understand the evolution of these fragments during irradiation, an accelerated aging protocol in abiotic conditions has been set up. The oxidation and fragmentation of two model polymers, low density polyethylene and polypropylene, were monitored using spectroscopic techniques (InfraRed, Raman), DSC, contact angles and microscopic technics (light microscopy, polarized light, SEM, AFM ...).This work has demonstrated a significant influence of the environment and the initial morphology of the polymers on their kinetics of aging and cracking mechanisms. This lead to significantly different distributions in numbers, sizes and shapes of the generated fragments. Moreover, after a long time of irradiaiton, other degradation products could be detected but the significant production of nanoplastics has not been demonstrated. The possibility of a size limit below which the fragmentation rate of plastics would strongly decrease should be considered