Des scientifiques de l'environnement dirigés par le Virginia Tech College of Science ont découvert que la combustion du charbon produit des particules incroyablement petites d'une forme très inhabituelle d'oxyde de titane.

Lorsqu'il est inhalé, ces nanoparticules peuvent pénétrer dans les poumons et potentiellement dans la circulation sanguine.

Les particules, appelées nanoparticules de sous-oxyde de titane, sont produites involontairement lors de la combustion du charbon, créant ces plus petites particules, aussi petit que 100 millionièmes de mètre, a déclaré l'équipe dirigée par Virginia Tech. Lorsque les particules sont introduites dans l'air, à moins qu'elles ne soient capturées par des pièges à particules de haute technologie, elles peuvent flotter loin des cheminées des centrales électriques et se déplacer localement sur les courants d'air, au niveau régional, et même globalement.

A titre d'exemple, ces nanoparticules ont été trouvées dans les rues de la ville, trottoirs, et en eau stagnante à Shanghai, Chine.

Les résultats sont publiés dans le dernier numéro de Communication Nature sous la direction du chef d'équipe Michael F. Hochella Jr., Professeur Universitaire Distingué de Géosciences au Collège des Sciences, et Yi Yang, professeur à l'Université normale de Chine orientale à Shanghai. Les autres participants à l'étude comprennent l'Université Duke, l'Université du Kentucky, et l'Université Laurentienne au Canada.

"Le problème avec ces nanoparticules est qu'il n'y a pas de moyen facile ou pratique d'empêcher leur formation pendant la combustion du charbon, " Hochella a dit, ajoutant que dans les pays dotés de réglementations environnementales strictes, comme les États-Unis, la plupart des nanoparticules seraient capturées par des pièges à particules. Ce n'est pas le cas en Afrique, Chine, ou en Inde, où la réglementation est laxiste ou inexistante, avec des cendres de charbon et de la fumée entrant à l'air libre.

"En raison de la technologie de pointe utilisée dans les centrales électriques au charbon basées aux États-Unis, mandaté par la Clean Air Act et l'Environmental Protection Agency, la plupart de ces nanoparticules et autres particules minuscules sont éliminées avant l'émission finale des gaz d'échappement de la plante, " Hochella a déclaré. "Mais dans les pays où les particules de la combustion du charbon ne sont pas aussi efficacement éliminées, ou supprimé du tout, ces nanoparticules de sous-oxyde de titane et de nombreux autres types de particules sont émises dans l'atmosphère, résultant en partie dans un ciel brumeux qui afflige de nombreux pays, surtout en Chine et en Inde."

Hochella et son équipe ont trouvé ces nanoparticules jusqu'alors inconnues non seulement dans les cendres de charbon du monde entier et dans les émissions de déchets gazeux des centrales au charbon, mais dans les rues de la ville, dans les sols et les bassins d'eaux pluviales, et dans les stations d'épuration.

"Je ne pouvais pas croire ce que j'ai trouvé au début, car ils avaient été signalés si rarement dans le milieu naturel, " dit Yang, qui a déjà travaillé comme professeur invité au département de géosciences de Virginia Tech avec Hochella. "Il m'a fallu plusieurs mois pour confirmer leur présence dans des échantillons de cendres de charbon."

Le sous-oxyde de titane nouvellement découvert, appelé phases de Magnéli, était autrefois considéré comme rare, trouvé seulement avec parcimonie sur Terre dans certaines météorites, d'une petite zone de formations rocheuses dans l'ouest du Groenland, et parfois dans les roches lunaires. Les découvertes de Hochella et de son équipe indiquent que ces nanoparticules sont en fait largement répandues dans le monde. Ce n'est que maintenant qu'ils sont étudiés pour la première fois dans des environnements naturels à l'aide de puissants microscopes électroniques.

Pourquoi la découverte a-t-elle eu lieu maintenant ? Selon le rapport, presque tout le charbon contient des traces des minéraux rutile et/ou anatase, les deux "normales, " d'origine naturelle, et des oxydes de titane relativement inertes, surtout en l'absence de lumière. Lorsque ces minéraux sont brûlés en présence de charbon, les recherches ont montré qu'elles se convertissaient facilement et rapidement en ces nanoparticules inhabituelles de sous-oxyde de titane. Les nanoparticules sont alors entraînées dans les gaz qui sortent de la centrale.

Lorsqu'il est inhalé, les nanoparticules pénètrent profondément dans les poumons, potentiellement tout le chemin dans les sacs aériens qui déplacent l'oxygène dans notre circulation sanguine pendant le processus de respiration normal. Bien que la toxicité pulmonaire humaine de ces particules ne soit pas encore connue, un test préliminaire de biotoxicité par Hochella et Richard Di Giulio, professeur de toxicologie environnementale, et Jessica Brandt, un doctorant, tous deux à l'Université Duke, indique que les particules ont effectivement un potentiel de toxicité.

Selon l'équipe, une étude plus approfondie est clairement nécessaire, en particulier les tests de biotoxicité directement applicables au poumon humain. L'idéal serait de s'associer à des centrales au charbon aux États-Unis ou en Chine, dit Yang.

Plus troublant, l'étude montre que les nanoparticules de sous-oxyde de titane sont biologiquement actives dans l'obscurité, rendant les particules hautement suspectes. Les effets exacts sur la santé humaine sont encore inconnus.

"Les futures études devront étudier très attentivement et accéder à la toxicité des nanoparticules de sous-oxyde de titane dans le poumon humain, et cela peut prendre des années, une pensée qui donne à réfléchir compte tenu de son danger potentiel, " dit Hochella.

Comme la nanoparticule de sous-oxyde de titane elle-même est produite accidentellement, Hochella et son équipe sont tombés sur la nanoparticule par accident alors qu'ils étudiaient un déversement de cendres de charbon en 2014 dans la rivière Dan, Caroline du Nord. Lors de l'étude du mouvement vers l'aval des métaux toxiques dans les cendres de la rivière Dan, l'équipe a découvert et reconnu la présence de petites quantités de sous-oxyde de titane très inhabituel.

Le groupe a ensuite produit les nanoparticules de sous-oxyde de titane lors de la combustion de charbon dans une simulation de laboratoire.

Ce nouveau danger potentiel pour la santé de la pollution atmosphérique s'appuie sur des conclusions déjà établies de l'Organisation mondiale de la santé. Il estime que 3,3 millions de décès prématurés surviennent dans le monde chaque année en raison de la pollution de l'air, dit Hochella. En Chine, 1,6 million de décès prématurés sont estimés chaque année en raison de lésions cardiovasculaires et respiratoires dues à la pollution de l'air. La plupart des mégalopoles chinoises dépassent les 100 jours extrêmement brumeux chaque année avec des concentrations de particules deux à quatre fois supérieures aux directives de l'OMS, dit Yang.

Les effets directs sur la santé des humains ne sont qu'un facteur. Les découvertes de milliers de scientifiques ont déterminé que le principal facteur de réchauffement de la planète et du changement climatique qui en résulte est la combustion de charbon à l'échelle industrielle. L'impact des nanoparticules de sous-oxyde de titane présentes dans l'atmosphère, en plus des gaz à effet de serre, sur les animaux, l'eau, et les plantes n'est pas encore connue.