Etude de la pollution environnementale par les micro- et nanoplastiques : échantillonnage atmosphérique, développement d'un modèle de plastique marqué, interaction avec des organismes vivants

Study of micro- and nanoplastic pollution in the environment : sampling in the atmosphere, development of a labelled environmentally relevant model, interaction with living organisms

• Auteur / Autrice : Nadiia Yakovenko
• Direction : Alexandra Ter Halle, Fabrice Collin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes (Toulouse ; 2023-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Causserand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Ter Halle, Fabrice Collin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Ghiglione, Bruno Grassl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microplastiques

Écotoxicologie

Matières plastiques -- Déchets

Mots clés libres

Microplastique

Nanoplastique

Nanoparticules Upconverting

Luminescence

Lanthanides

Microalgues

Caractérisation Physico-Chimique

Microplastic

Nanoplastic

Upconverting Nanoparticles

Luminescence

Lanthanides

Microalgae

Physico-Chemical Characterization

Résumé

Le suivi et la gestion des déchets plastiques sont devenus un enjeu important pour nos sociétés. Cependant, il n'existe pas de méthode optimale unique pour l'étude et la surveillance efficaces de la contamination plastique. L'objectif de ce projet était d’explorer de nouvelles approches pour étudier l'origine, le devenir et le comportement de la matière plastique présente dans l’environnement. Trois axes d’investigation ont été combinés dans ce travail : i) le développement d’une méthodologie de collecte, d’échantillonnage et d’analyse de micro (MPs) et nanoparticules (NPs) de plastique provenant de l’atmosphère ; ii) le développement d’un modèle de MPs et de NPs pertinent pour l'environnement, qui pourrait être utilisé pour des études écotoxicologiques et iii) l’étude de son interaction avec les micro-organismes vivants. Un modèle pertinent de micro- et nanoplastiques de HDPE a ainsi été obtenu par une approche top-down, en exposant du matériau polymère brut à un broyage mécanique. Les particules ont été marquées avec des sondes luminescentes constituées de particules upconverting, qui permettent leur détection même dans des échantillons épais, comme dans un tissu ou un petit animal. Ce modèle de plastique a été ensuite utilisé pour étudier le mécanisme d'interaction entre les MPs et la microalgue verte d'eau douce Chlorella vulgaris en utilisant des expériences à l'échelle nanométrique et moléculaire par microscopie à force atomique (AFM). Ces travaux ont révélé qu'une interaction hydrophobe entre les algues et les microplastiques était à l'origine de la production de matière organique par les algues, et que cette dernière jouait un rôle important dans les phénomènes d'agrégation des microalgues et des microplastiques. Par ailleurs, des MPs et NPs de l'atmosphère ont été collectées sur des zones présentant différents niveaux d'activité humaine : d'une zone éloignée des activités humaines à une zone fortement industrialisée. L'étude de ces zones comprennait la collecte de données météorologiques et l'échantillonnage d'échantillons atmosphériques, y compris les aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère) et les dépôts (pluie, neige, grésil, etc.). À la suite de ce travail, nous avons proposé une méthodologie de collecte d'échantillons, de préparation, d'analyse qualitative et quantitative effectuée par la combinaison de méthodes analytiques, notamment la μ-FTIR (microscopie infrarouge à transformée de Fourier), la Py-GC-MS (pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) ou encore la NTA (analyse de suivi des nanoparticules), etc…

The management and monitoring of plastic waste have become a major issue for our society. However, there is no single optimal method for the effective study and monitoring of plastic pollution. The objective of this thesis work was to explore new approaches to study the occurrences, fate, and behavior of micro- and nanoplastics in the environment. Thee vectors of investigation were combined in this work, including: i) the development of a methodology of sampling and analysis of MPs and NPs from the atmosphere; ii) the development of an environmentally relevant model of MPs and NPs, which could be used for ecotoxicological studies and iii) the study of its interaction with living microorganisms. Environmentally relevant models of micro- and nanoplastics of HDPE were obtained by top-down approach, by exposing bulk polymer material to mechanical grinding. Particles were labelled with background-free persistent luminescent probes such as UCNPs that allows their detection even in thick samples such as in a tissue or a small animal. Further, we used a developed model of plastic to study the interaction mechanism between MPs and green freshwater microalgae Chlorella vulgaris using atomic force microscopy (AFM) nano- and molecular scale experiments. This work revealed that a hydrophobic interaction between algae and microplastics was at the origin of the production of organic matter by algae, and that the latter played an important role in the aggregation phenomena of microalgae and microplastics. Otherwise, MPs and NPs from the atmosphere were collected on areas with different levels of human activity: from an area separated from human activities to a highly industrialized. Investigation of those areas included the collection of meteorological data and sampling of atmospheric samples including aerosols (suspended particles in the atmosphere) and deposition (rain, snow, sleet, etc.). As a result, we proposed a methodology for samples collection, preparation, qualitative and quantitative analysis performed by the combination of analytical methods including μ-FTIR (Fourier transform-infrared microscopy), Py-GC-MS (pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry), DLS (Dynamic Light Scattering), NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), etc.