Les scientifiques ont, pour la première fois, ont tracé les nanoparticules prélevées dans le sol par les plantes cultivées et analysé les états chimiques de leurs éléments métalliques. Il a été démontré que le zinc se dissout et s'accumule dans toutes les plantes, alors que l'élément cérium ne s'est pas dissous dans les tissus végétaux. Les résultats contribuent au débat controversé sur la toxicité végétale des nanoparticules et si les nanoparticules modifiées peuvent entrer dans la chaîne alimentaire. L'étude a été publiée le 6 février 2013 dans la revue ACS Nano .

L'équipe de recherche internationale était dirigée par Jorge Gardea-Torresdey de l'Université du Texas à El Paso et comprenait également des scientifiques de l'Université de Californie à Santa Barbara, le SLAC National Accelerator Laboratory à Stanford (Californie), et l'Installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble (France).

Les nanoparticules sont présentes partout, par exemple dans la fine poussière des feux de bois. Même un simple composé chimique se comporte différemment comme une nanoparticule, principalement en raison de l'augmentation de la surface spécifique et de la réactivité. Ces propriétés attrayantes sont la raison pour laquelle les nanoparticules d'ingénierie (ENP) sont désormais largement utilisées dans la transformation industrielle et les biens de consommation. À la fois, leur grande réactivité a suscité des inquiétudes quant à leur sort, transport et toxicité dans l'environnement. « Un nombre croissant de produits contenant des ENP sont sur le marché et finiront par se retrouver dans le sol, eau et air. C'est pourquoi il est très important d'étudier les interactions des cultures avec les nanoparticules, car leur possible translocation dans la chaîne alimentaire commence ici. » déclare Jorge Gardea-Torresdey, professeur et président du département de chimie de l'Université du Texas à El Paso.

Les scientifiques se sont concentrés sur les plants de soja (glycine max), la cinquième plus grande culture de la production agricole mondiale, et le second aux États-Unis. Le sol dans lequel les plantes ont été cultivées a été mélangé avec de l'oxyde de zinc (ZnO) et du dioxyde de cérium (CeO2, nanocéria) nanoparticules, qui sont parmi les plus utilisées dans l'industrie. Le ZnO est largement utilisé dans les produits de protection solaire, comme capteurs de gaz, agents antibactériens, appareils optiques et électriques, et comme pigments. Nanoceria est un excellent catalyseur pour les processus de combustion interne et de craquage du pétrole et est également utilisé dans les capteurs de gaz, produits solaires et crèmes cosmétiques.

Une fois les plants de soja cultivés jusqu'à maturité dans des serres, la distribution du zinc et du cérium dans les plantes a été étudiée. L'utilisation de faisceaux microscopiques de rayons X synchrotron à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) et à la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), permis aux scientifiques de déterminer la forme chimique de ces métaux, c'est-à-dire s'ils étaient encore liés aux nanoparticules ou s'ils s'étaient dissous et liés au tissu végétal. "Nous avons utilisé des faisceaux de rayons X 1000 fois plus fins qu'un cheveu humain, et la manière dont ils sont absorbés nous dit si, à l'endroit microscopique qu'ils frappent, le zinc et le cérium étaient présents, et s'ils faisaient partie d'une nanoparticule dans la plante ou non." dit Hiram Castillo, chercheur à l'ESRF de Grenoble.

Il a été montré que le cérium était présent non seulement dans les nodules proches du sol, mais qu'il avait également atteint les gousses des plantes. Une analyse spectrale détaillée des signaux de rayons X a montré que le cérium dans les nodules et les gousses était dans le même état chimique que dans les nanoparticules. Cependant, une partie du cérium a changé son état d'oxydation de Ce(IV) à Ce(III) ce qui peut altérer la réactivité chimique des nanoparticules.

Le zinc a été détecté dans les nodules, tiges et gousses à des concentrations plus élevées que dans un groupe témoin de plantes. L'analyse spectrale n'a pas montré la présence de zinc dans les plantes lié sous forme de nanoparticules de ZnO, ce qui signifie que le zinc dans les nanoparticules avait été biotransformé. Les spectres suggèrent que les acides organiques présents dans les plantes tels que le citrate, sont les ligands probables du zinc.

"Comme le zinc est présent dans la plupart des plantes, il n'est pas surprenant que le zinc provenant des nanoparticules du sol puisse pénétrer dans les tissus végétaux. Mais les plantes peuvent aussi assimiler des éléments plus dangereux comme le cadmium ou l'arsenic qui, lorsqu'il est utilisé dans les nanoparticules, pourrait constituer une menace réelle. ", explique Hiram Castillo. "Nos résultats ont également montré que les nanoparticules de CeO2 peuvent être absorbées par les cultures vivrières lorsqu'elles sont présentes dans le sol. Le cérium n'a pas de partenaire chimique dans le tissu végétal et n'est pas biotransformé dans la graine de soja, mais atteint tout de même la chaîne alimentaire et la prochaine génération de plantes de soja », ajoute Jorge Gardea-Torresdey.

"Il faut garder à l'esprit qu'une fois que les nanoparticules artificielles entrent dans la chaîne alimentaire, il s'agit d'un processus cumulatif. Des niveaux tolérables aujourd'hui peuvent devenir dangereux demain. C'est pourquoi il est important d'étudier non seulement si les nanoparticules artificielles peuvent être extraites du sol, mais aussi comment elles sont biotransformées dans les plantes. » conclut Jorge Gardea-Torresdey.

Arturo A. Keller de l'Université de Californie à Santa Barbara et co-directeur de l'UC Center for the Environmental Implications of Nanotechnology, qui n'a pas participé à cette recherche, commentaires:

« C'est un article fascinant avec de véritables préoccupations en termes d'implications potentielles sur la santé. Bien que nous ne soyons pas en mesure d'attribuer directement l'ingestion de nanoparticules à une maladie ou à des symptômes particuliers, nous savons, grâce aux dernières études de laboratoire, la puissance de certains pour s'infiltrer dans nos cellules et nos tissus et causer des dommages. Le fait que ces particules potentiellement dangereuses soient absorbées par une culture aussi courante suggère qu'il est nécessaire de revoir les matériaux utilisés dans l'agriculture dans le monde. En particulier, cela soulève des inquiétudes quant à l'utilisation d'eaux usées traitées pour irriguer les cultures dans le monde entier, ce qui pourrait permettre à ces particules potentiellement dangereuses de pénétrer dans notre corps si le contenu de l'eau n'est pas géré de manière plus stricte. »