Influence du vieillissement des polymères sur la formation et le comportement des microplastiques en milieu marin

Effects of polymer ageing on formation and fate of microplastics in sea water

• Auteur / Autrice : Quentin Deshoulles
• Direction : Daniel Priour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie macromoléculaire
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Comportement des Structures en Mer (Boulogne-sur-Mer, Pas-de-Calais ; Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Billard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Priour, Jean-Yves Billard, Bruno Fayolle, Paul Sotta, Ika Paul-Pont, Jean-Luc Gardette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Fayolle, Paul Sotta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mer -- Pollution

Matières plastiques -- Déchets

Microplastiques

Polymères -- Détérioration

Mots clés libres

Microplastique

Polymère

Vieillissement

Fragilisation

Biofilm

Microplastic

Polymer

Ageing

Embrittlement

Biofilm

Résumé

La problématique des microplastiques (MP) est devenue une préoccupation mondiale ces dernières années. Ces particules (< 5 mm) sont présentes dans tous les compartiments de l’écosystème marin. Le polyamide 6 (PA6) est un polymère largement utilisé dans le domaine maritime mais peu retrouvé dans l’environnement. Son comportement en milieu marin a donc été caractérisé selon une nouvelle approche par découplage des phénomènes physico-chimiques impliqués dans sa dégradation (vieillissement chimique et contrainte hydrodynamique). Le vieillissement chimique a été étudié en considérant les réactions d’oxydation et d’hydrolyse. L’évolution des propriétés physicochimiques a été caractérisée, notamment par détermination des coupures de chaîne et de l’interaction avec l’eau. Ces données ont permis d’établir un modèle permettant de décrire les scissions de chaîne à la température du milieu marin, en considérant l’évolution de la concentration en eau dans le PA6. L’évolution des propriétés mécaniques, en traction, a montré une fragilisation du polymère. Ce phénomène traduit une diminution de la quantité de transmetteurs de contrainte (molécules liens et enchevêtrements). Au cours de la fragilisation, lePA6, initialement ductile, devient fragile. Cette transition a été désignée comme le critère à partir duquel la formation de MP est envisageable. Le modèle cinétique a été utilisé afin de prédire le changement de comportement du PA6 dans le milieu marin. La sollicitation hydrodynamique a été étudiée, selon un dispositif expérimental unique, et a conduit à la fragmentation d’un polymère dans son état fragile. En parallèle, l’interaction du polymère avec les organismes procaryotes du milieu marin, dans son état neuf et vieilli, a été analysée par metabarcoding. Une large spécificité de taxa bactériens a été observée en fonction de la nature et de l’état du polymère. La diversité des communautés est dépendante de la polarité de surface.

The problem of microplastics (MP) has become a global major concern in recent years. These particles (< 5 mm) are found in all oceans and ecosystem compartments. Polyamide 6 (PA6) is a polymer widely used in the maritime domain however it is found in sparse quantity in the environment. The fate of PA6 in the ocean was studied by a new approach in order to separate the different physicochemical phenomena involved in degradation (chemical ageing and hydrodynamic stress).Chemical ageing was carried out, considering oxidative and hydrolysis reactions. Changes in physico-chemical properties were characterized, in particular to follow the chain scission process and the interaction between water and PA6 during degradation. These data were used to design a new kinetic model with the aim of predicting chain scission processes, considering the water content, at ocean temperature. Changes in tensile properties have highlighted an embrittlement of the polymer. This phenomenon reflects a decrease in stress transmitters (tie molecules and entanglements).During embrittlement, the PA6 behavior, ductile initially, becomes brittle. This ductile/brittle transition was assumed to be the criterion to formation of microplastics. The kinetic model was then used to define the time required to form PA6 microplastics in the ocean. The influence of hydrodynamic stress was considered through a single experimental device and has leaded to polymer fragmentation in the brittle state. Interaction between polymers (unaged and aged) and prokaryotic organisms of the marine environment was also considered by a DNA metabarcoding approach. A high specificity of bacteria was observed depending on the kind of polymer and ageing conditions. The diversity of bacterial communities depends on the polarity of surfaces.