risques pour l’environnement - progepi

Ecotoxicité des nanomatériaux risques pour l’environnement

Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux LIEC

UMR CNRS 7360

Christophe PAGNOUT christophe.pagnout@univ-lorraine.fr

1

Les polychlorobiphényles (PCB) 1930-1987 (France)

2

Isolants électriques ininflammables, excellentes caractéristiques diélectriques et de conduction thermique

Les PCB sont cancérogènes probables, perturbateurs endocriniens et/ou inducteurs enzymatiques susceptibles de perturber le métabolisme

Concentration en PCB

Eau de mer 0,0002 µg/L

Sédiment 0,16 mg/L

Phytoplancton 8 mg/kg

Zooplancton 10 mg/kg

Invertébrés marins 5-11 mg/kg Poissons

1-37 mg/kg

Oiseaux marins 110 mg/kg

Mammifères marins 160 mg/kg

3

Ils sont bioaccumulables et biomagnifiables

Écotoxicologie (Ecologie + Toxicologie) Etude du devenir des substances polluantes dans l’environnement (cycle de vie) et de leurs effets sur les écosystèmes.

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Rejets dans l’Environnement

Eaux usées (STEP) Elimination des déchets Lessivage des surfaces Ruissellement Fuites accidentelles …

4

Science pluridisciplinaire :

Physique-chimie : chimie organique, chimie minérale, géologie, hydrologie…

Biologie : écologie, microbiologie, physiologie, génétique, biologie moléculaire, biologie cellulaire, zoologie, botanique…

Mathématiques : Biostatistiques, modélisation…

…

Écotoxicologie (Ecologie + Toxicologie)

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Amélioration de propriétés

Electriques Mécaniques

Optiques Catalytiques

Magnétiques Bactéricides

etc…

Environnement !? 6

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Noir de carbone : 9 600 000 t Silice amorphe : 1 500 000 t Oxyde d’aluminium : 200 000 t Dioxyde de titane : 10 000 t Oxyde de Cérium : 10 000 t Oxyde de zinc : 8 000 t Nanotubes de carbone 700 t Argent 20 t

Production mondiale de nanoparticules : 11,5 million de tonnes/an

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Global Life Cycle Flows of Engineered Nanomaterials (Keller and Lazareva, 2014) 8

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Estimation dans la Baie de San Francisco (Keller and Lazareva, 2014)

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1,000 9

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Mueller et Nowack, 2008

Concentrations en NP prédites en Suisse.

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Kiser et al., 2009

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Observation et dosage des NP TiO2 dans les boues de STEP (Arizona)

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ZnO - panneau d’acier (Vorbeau 2009)

Ag - peinture (Kaegi 2010)

TiO2 - peinture (Kaegi 2008)

TiO2 - façade (Kaegi 2008)

Ag - chaussettes (Benn 2008)

TiO2- eau de rivière (Kaegi 2008)

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Estimations vs. Dosages

Lessivage des surfaces

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Bilan Les nanoparticules manufacturées sont présentes dans de nombreux écosystèmes Dosages complexes = Limite de détection des instruments Discrimination ionique vs. nano Discrimination anthropique vs. naturel Concentrations dans l’environnement allant du ng au µg/L (ou kg) >> µg/L sur les « hot spots » Ecosystèmes contaminés par plusieurs types de NP et par d’autres contaminants Effets toxiques cumulés, effet « Cheval de Troie »…

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

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Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique

68 84

Mean expression (log2)

-log 1

0(P B

H-va

lue)

-3 -2 -1 0 2 1 3

2

1

3

5

4

0

Gènes dérégulés Exposé / contrôle

down up

Contrôles Exposés

Analyses transcriptomiques (puces ADN)

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique SodC

SodC : Superoxyde dismutase = stress oxydatif

Exposé Contrôle

Analyses protéomique (2D DIGE)

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25

[ATP

] / 1

07 ce

lls (p

mol

)

Time (h)

Concentration cellulaire en ATP

Exposé

Contrôle

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique

18

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Ecosystème

Niveau physiologique

19

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Gène/protéine

Cellule/organe

organisme

population

Communauté (chaînes trophiques)

Niveau physiologique

20

EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

Ecosystème

Tests de toxicité en laboratoire

Expériences in situ

Suivi sur le terrain

Conditions contrôlées

Conditions peu

contrôlées

Contrôle expérimental

Mise en évidence d’un effet toxique :

Manque de réalisme Peu de facteurs confondants

Meilleur réalisme environnemental

Nombreux facteurs confondants

Réalisme environnemental

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Mise en évidence d’un effet toxique :

LABORATOIRE

MILIEU NATUREL

Microcosmes

Tests monospécifiques

Chaînes trophiques expérimentales

Portions d’écosystèmes

naturels

Mésocosmes

Etudes in situ

Suivi sur le terrain

Tests aiguës Tests chroniques Tests de génotoxicité

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LABORATOIRE

MILIEU NATUREL

Mise en évidence d’un effet toxique :

Microcosmes

Tests monospécifiques

Chaînes trophiques expérimentales

Portions d’écosystèmes

naturels

Mésocosmes

Etudes in situ

Suivi sur le terrain

Micro/mesocosmes

Expériences in situ

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EVALUATION DU RISQUE 1. Exposition (dose × fréquence × durée) × 2. Toxicité d’une substance

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Nom

bre

de p

ublic

atio

ns

Effets délétères observés sur de nombreux organismes

24

Nanoparticles + toxicity Abstract , Title, Keywords (Elsevier ScienceDirect)

25

Les nanomatériaux : risque ou pas pour l’environnement ???

> De nombreuses études contradictoires

Ce n’est pas la dose qui fait le poison ! Peu ou pas d’effet dose-réponse

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20

Effe

ts %

ConcentrationsContrôle

NOEC

CE50

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20

Effe

ts %

Concentrations

Nanoparticules

26

> De nombreuses études contradictoires

Ce n’est pas seulement l’élément qui fait le poison !

Facteurs affectant la toxicité des NP

Les nanomatériaux : risque ou pas pour l’environnement ???

> De nombreuses études contradictoires

> Peu de réalisme environnemental

27

NANOPARTICULES

Les nanomatériaux : risque ou pas pour l’environnement ???

> De nombreuses études contradictoires

> Peu de réalisme environnemental

28

NP-TiO2 de synthèse TLite - BASF

Les nanomatériaux : risque ou pas pour l’environnement ???

> De nombreuses études contradictoires

> Peu de réalisme environnemental

29

NANOPARTICULES CONCENTRATIONS

ORGANISMES ENDPOINTS

Les nanomatériaux : risque ou pas pour l’environnement ???

Prédictions Dosages

2010-2014 – ANR P2N MESONNET 2013 -2014 – ANR NanoSalt

Durée d’exposition 20j à 2 mois

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Microscope analytique aux rayons X

Nanosims

MEB / TEM ICP EOS et MS

Bioaccumulation des nanoparticules manufacturées (TiO2, CeO, Ag, NTC)

Voie trophique comme source de contamination majoritaire

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Dispositif expérimental de 18 rivières artificielles unique en France

ECOSCOPE

Ecotoxicité des nanomatériaux risques pour l’environnement

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UMR CNRS 7360

Christophe PAGNOUT christophe.pagnout@univ-lorraine.fr

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