Des vêtements et du maquillage que nous portons aux appareils électroniques que nous utilisons tous les jours, la nanotechnologie devient omniprésente. Mais si l'industrie maîtrise la production de tels matériaux, on sait peu de choses sur leur sort une fois leur durée de vie terminée. Le projet NANO-ECOTOXICITY s'est penché sur leur impact sur les organismes du sol.

Croissance économique, la croissance démographique et la raréfaction des ressources sont trois éléments majeurs de ce qui est probablement l'une des équations les plus difficiles à comprendre pour l'humanité. De nombreux scientifiques s'accordent à dire qu'une partie de la solution réside dans les nanotechnologies :plus rapide, briquet, des appareils plus intelligents et moins chers qui utilisent également moins de matières premières et consomment moins d'énergie.

Cependant, il y a encore un long chemin à parcourir avant que la nanotechnologie puisse être considérée comme le Saint Graal du développement scientifique. Son impact sur la santé et l'environnement est encore relativement méconnu et fait actuellement l'objet de vifs débats entre scientifiques, industrie, les décideurs politiques et les organisations environnementales.

NANO-ECOTOXICITY est l'un des nombreux projets de l'UE qui tentent de mettre les choses au clair. Regard sur les nanoparticules métalliques (NPs), il s'appuie sur des observations selon lesquelles ces particules finiront de plus en plus dans les sols et qu'il manque des données fiables concernant leur absorption par, et les effets potentiels sur, organismes du sol. L'équipe coordonnée par le Dr Claus Svendsen a réalisé des tests de toxicité pour évaluer l'effet des NP d'oxyde de zinc (ZnO) et d'argent (Ag) sur les vers de terre (Eisenia andrei et Lumbricus rubellus), dans le but de faire la lumière sur les principales voies d'absorption des NP métalliques dans ces organismes.

Dr Maria Diez-Ortiz, responsable de recherche du projet NANO-ECOTOXICITY, nous parle de ses résultats de recherche et de la façon dont elle s'attend à ce qu'ils contribuent à accroître les connaissances et à façonner des outils permettant des méthodologies standard d'évaluation des dangers et des risques environnementaux.

Quel est le contexte du projet NANO-ECOTOXICITY ?

La nanotechnologie est basée sur l'idée que, en manipulant la taille et la forme des matériaux à l'échelle des atomes, c'est-à-dire des nanomètres (nm), optique distincte, électronique, ou les propriétés magnétiques peuvent être réglées pour produire de nouvelles propriétés de valeur commerciale. Cependant, il existe une préoccupation évidente que ces nouvelles propriétés peuvent également conduire à un nouveau comportement lors de l'interaction avec des organismes biologiques, et donc à des effets toxiques potentiellement nouveaux.

Étant donné que les nanoparticules (NP) sont de taille similaire aux virus, leur absorption et leur transport à travers les tissus sont basés sur des mécanismes distincts de ceux de l'absorption et du transport moléculaire. Par conséquent, il est à craindre que les tests toxicologiques standard ne soient pas applicables ou fiables en ce qui concerne les NP, compromettant ainsi les procédures actuelles d'évaluation des risques.

La majorité des recherches sur la nano-sécurité dans l'environnement se sont jusqu'à présent concentrées sur le milieu aquatique. Les recherches actuelles sur le devenir dans l'environnement, cependant, indique que les sols deviendront le plus grand puits environnemental pour les nanoparticules. Suite à leur entrée dans les flux de déchets liquides, les nanoparticules passeront par le traitement des eaux usées. processus, se retrouvent dans les boues résiduaires qui peuvent s'accumuler dans les terres agricoles où ces boues sont souvent épandues.

Quels sont les principaux objectifs du projet ?

Ce projet traite de la toxicocinétique - c'est-à-dire la vitesse à laquelle un produit chimique pénètre dans un corps et l'affecte - des nanoparticules métalliques entrant en contact avec des organismes vivant dans le sol. L'objectif est de déterminer le devenir et les effets des NP dans les écosystèmes terrestres au moyen d'études de cas avec des NP d'oxyde de zinc et d'argent, qui représentent différentes cinétiques de devenir.

Les principaux objectifs du projet sont d'évaluer la toxicité des nanoparticules métalliques dans les sols à court et à long terme; la principale voie d'exposition des vers de terre et si elle diffère de celles des métaux ioniques ; et, finalement, l'influence des milieux d'exposition sur la toxicité des nanoparticules métalliques.

Qu'y a-t-il de nouveau ou d'innovant dans le projet et la manière dont il aborde ces problèmes ?

Nous avons mené une étude à long terme où les sols avec AgNP ont été stockés et laissés à vieillir jusqu'à un an; leur toxicité a été testée au départ et après trois, sept et 12 mois de vieillissement. Les résultats ont montré que la toxicité de l'argent augmentait avec le temps, ce qui signifie que les tests de toxicité standard à court terme peuvent sous-estimer le risque environnemental des nanoparticules d'argent.

En parallèle, nous avons constaté que les organismes exposés aux nanoparticules d'argent dans des études à court terme accumulaient des concentrations d'argent plus élevées que les organismes exposés à la même concentration massique d'argent ionique. Cependant, ces organismes exposés aux NP ont en fait subi des effets toxiques moindres. Cette observation contredit l'hypothèse dominante en toxicologie selon laquelle la concentration internalisée est directement liée à la concentration chimique au site cible et donc à sa toxicité. Cette observation crée un nouveau paradigme pour la nano-écotoxicologie.

Ce que l'on ne sait pas encore, c'est si le métal NP accumulé peut à long terme devenir toxique (par exemple par dissolution et libération d'ions) dans les cellules et les tissus où les AgNP peuvent être stockés. Si cela se produit, les fortes concentrations accumulées peuvent à terme entraîner une toxicité à long terme plus importante pour les NP que pour les formes ioniques. Cela peut révéler ces NP accumulées comme des « bombes à retardement » intériorisées pertinentes pour les effets à long terme et la toxicité.

Cependant, il faut garder à l'esprit que les concentrations environnementales prévues résultant de l'utilisation actuelle de nanoparticules (par exemple, les résultats de projets de l'UE comme NANOFATE2) sont beaucoup plus faibles que celles utilisées dans ces études, ce qui signifie que de telles accumulations d'argent lié aux nanoparticules sont peu susceptibles de se produire dans l'environnement ou, finalement, chez les humains.

Quelles difficultés avez-vous rencontrées et comment les avez-vous résolues ?

Les principaux problèmes rencontrés concernent le suivi des nanoparticules à l'intérieur des tissus et des sols, car les deux sont des matrices complexes. L'analyse des particules est un défi en soi, même dans l'eau, mais obtenir des informations sur leur état dans ces matrices nécessite souvent des concentrations d'exposition irréalistes (en raison des faibles limites de détection des techniques très spécialisées utilisées pour l'analyse) ou l'extraction des particules des matrices, ce qui pourrait potentiellement changer l'état des particules.

Dans ce projet, Je me suis rendu à l'Université du Kentucky pour travailler avec Jason Unrine et j'ai utilisé des extractions douces à base d'eau d'échantillons de sol immédiatement avant de les analyser à l'aide du « fractionnement par écoulement sur le terrain » et de la « spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif » pour identifier l'état des nanoparticules dans mes sols âgés. .

Pour examiner quelle forme (spéciation) d'argent et de zinc provenant des expositions aux nanoparticules pourraient être trouvées à l'intérieur des vers, j'ai collaboré avec des chercheurs NANOFATE de l'Université de Cardiff qui ont fixé et sectionné finement les tissus des vers. J'ai eu la chance d'avoir le temps d'utiliser des installations spécialisées comme le synchrotron britannique Diamond Light Source pour étudier où et sous quelle forme les métaux et les nanoparticules potentielles pouvaient être trouvés dans ces tissus.

Le principal défi est que dès que vous sortez les nanoparticules de la bouteille des fabricants, elles commencent à changer, en particulier lorsqu'il est placé dans des environnements comme les sols et les eaux naturels, voire des organismes. Par conséquent, de nombreuses caractérisations sont nécessaires pendant l'exposition pour établir l'état des nanoparticules auxquelles les organismes ont été exposés et à quelle vitesse ils passent des particules vierges aux ions dissous, ou des particules avec des surfaces complètement différentes.

Des solutions techniques de caractérisation ont été trouvées au cours de ce court projet, mais cela restera un défi logistique pendant de nombreuses années à venir car l'équipement d'analyse est encore très spécialisé et coûteux et donc généralement pas disponible.

Quels sont les résultats concrets de la recherche jusqu'à présent?

Le projet nous a permis de tirer diverses conclusions concernant l'impact des NP sur l'environnement et la façon de les évaluer. D'abord, nous savons maintenant que l'acidité du sol, ou pH, influence la dissolution et la toxicité des nanoparticules de ZnO.

Puis, nous avons constaté que la toxicité des nanoparticules d'argent augmente avec le temps et que le revêtement des particules affecte leur toxicité pour les invertébrés du sol.

Comme mentionné précédemment, les vers de terre exposés aux nanoparticules d'argent pendant 28 jours ont accumulé des concentrations d'argent plus élevées que les vers de terre exposés aux ions d'argent, sans que l'excès d'argent des nanoparticules ait un effet toxique. De plus, l'ingestion de sol a été identifiée comme la principale voie d'exposition à l'AgNP et au ZnONP chez les vers de terre.

Comment l'industrie et les décideurs peuvent-ils s'assurer que les nanomatériaux n'ont pas d'impact sur notre environnement ?

Nous espérons que ce projet, et le plus grand projet européen NANOFATE auquel il est lié, fournira des connaissances et des outils permettant d'appliquer des méthodologies standard d'évaluation des dangers et des risques environnementaux aux nanoparticules manufacturées (ENP) avec seulement quelques modifications judicieuses. Les systèmes et protocoles actuels d'évaluation des risques chimiques ont été développés au fil des décennies, et lorsqu'il n'existe aucun nouveau mécanisme toxique, nos résultats tendent à dire que le nano s'intègre tant que nous mesurons les bonnes choses et caractérisons correctement les expositions réalistes.

Notre recherche vise à déterminer les ajustements méthodologiques minimaux nécessaires. Jusqu'à présent, tout indique que les avantages potentiels de la nanotechnologie peuvent être réalisés et gérés en toute sécurité aux côtés d'autres produits chimiques. Bien que nous soyons assez confiants à ce stade que les ENP n'imposent pas d'effets aigus plus importants sur des paramètres biologiques importants - comme la reproduction - que leurs formes ioniques, les résultats de la NANO-ECOTOXICITÉ démontrent que nous avons encore du chemin à parcourir avant de pouvoir affirmer haut et fort que nous ne pensons pas qu'il existe un nouvel effet à faible niveau ou à long terme.

Comme pour tous les produits chimiques, prouver un tel résultat négatif est impossible à l'aide de tests à court terme. Nous pensons que les conclusions finales de l'industrie et des régulateurs sur l'utilisation sûre des nanoparticules devraient et devront être faites selon une approche de « poids de la preuve » - prouvant qu'il existe un écart entre les niveaux d'exposition probables prévus et les niveaux considérés comme provoquant des effets ou accumulations au sein des espèces de l'écosystème.

Quels sont les prochains sujets de vos recherches ?

Ce projet est terminé, mais la prochaine étape pour toute autre opportunité de financement serait d'aborder des scénarios d'exposition de plus en plus pertinents pour l'environnement en analysant comment les nanoparticules se modifient dans l'environnement et interagissent avec les tissus vivants et les organismes à différents niveaux trophiques. J'aimerais étudier la transformation et les interactions des nanoparticules dans les tissus vivants. À ce jour, les études qui ont identifié cette accumulation « excessive » de charges métalliques non toxiques dans les organismes exposés aux nanoparticules n'ont été que de courte durée.

Outre le potentiel de transfert manifestement accru dans la chaîne alimentaire, on ne sait pas non plus si, à plus long terme, le métal dérivé du NP accumulé devient finalement toxique lorsqu'il est présent dans les tissus et les cellules. Une telle transformation et libération d'ions métalliques dans les tissus peut finalement entraîner une plus grande toxicité à long terme pour les NP que pour les formes ioniques.

Par ailleurs, Je souhaite tester les expositions dans un écosystème modèle fonctionnel incluant les interactions interspécifiques et le transfert trophique. Étant donné que les interactions entre le biote et les nanoparticules sont pertinentes dans les systèmes de sols naturels, la prudence est de mise lorsqu'on tente de prédire les conséquences écologiques des nanoparticules sur la base d'essais en laboratoire menés avec une seule espèce. En présence de la totalité des composants biologiques des systèmes pédologiques, Les NP complexes peuvent suivre une gamme de voies dans lesquelles les revêtements peuvent être retirés et remplacés par des exsudats. Des études pour quantifier la nature de ces interactions sont donc nécessaires pour identifier le devenir, biodisponibilité et toxicité de formes réalistes « non vierges » de NP présentes dans les sols réels.

Le projet a été coordonné par le Natural Environment Research Council du Royaume-Uni.