Nanoplastiques modèles marqués aux isotopes stables : synthèse, quantification dans des matrices organiques complexes et accumulation par Daphnia magna et Artemia sp.

Stable isotope-labeled nanoplastic model materials : synthesis, quantification in complex organic matrices and accumulation in Daphnia magna and Artemia sp.

• Auteur / Autrice : Roxane Danquigny
• Direction : Stephanie Reynaud, Bruno Grassl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Olivier Donard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Grassl, Guillaume Duflos, Arnaud Huvet, Stéphanie Reynaud, Marc Métian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Duflos, Arnaud Huvet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écotoxicologie

Traceurs radioactifs

Microplastiques

Mots clés libres

Nanoplastiques modèles

Marquage isotopique

Ecotoxicologie

Traceurs

Py-GC/MS

Ea-Irms

Nanoplastic model materials

Isotopic labeling

Ecotoxicology

Tracers

Py-GC/MS

Ea-Irms

Résumé

Le suivi des plus petits débris plastiques, les nanoplastiques, à faible teneur dans des matrices complexes reste aujourd'hui un enjeu de recherche et un défi majeur en raison de leur nature et de leur taille. Lors d'études en laboratoire, l'utilisation de nanoplastiques modèles permet d'avoir recours à des techniques de marquage qui facilitent leur détection. Parmi les différents marqueurs possibles, le marquage à l'aide d'isotopes stables permet de s'approcher au plus près du nanoplastique naturel, sans risque de désorption du marqueur contrairement à d'autres types de marquages. Actuellement, la majorité des nanoplastiques modèles sont synthétisés avec des tensioactifs ou d'autres additifs qui peuvent modifier les propriétés physico-chimiques des nanoplastiques et leur toxicité. Dans ce contexte, l'objectif de ces travaux de thèse était tout d'abord d'élaborer, sans tensioactifs ou autres additifs, des nanoplastiques marqués avec des isotopes stables, puis de développer les méthodes analytiques permettant leur quantification en présence de matrices complexes, afin d'étudier leur accumulation et leur toxicité vis à vis de deux crustacés planctoniques. Dans un premier temps, des nanoplastiques modèles de polystyrène, marqués au deutérium ou au carbone 13C, ont été synthétisés par polymérisation sans tensioactifs. Cette méthode permet d'obtenir des nanoplastiques sphériques, monodispersés et chargés négativement par des groupements carboxyles à leur surface, imitant ainsi l'oxydation des plastiques vieillis dans la nature. Une fois les nanoplastiques synthétisés et caractérisés, deux méthodes analytiques de quantification ont été développées à l'aide de deux techniques différentes : la pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse (Py-GC/MS) et l'analyse élémentaire couplée à la spectrométrie de masse à rapport isotopique (EA-IRMS). Les nanoplastiques marqués à l'isotopie et les méthodes de quantification associées ont ensuite été utilisés pour deux études écotoxicologiques. Dans la première, des Daphnia magna ont été exposées à différentes concentrations de nanoplastiques deutérés et analysées par Py-GC/MS. Si aucune mortalité significative n'a été observée, les résultats de quantification ont en revanche montré une forte accumulation des nanoplastiques, dépendante de la concentration, avec une capacité maximale d'accumulation, aux concentrations les plus hautes. Lors de l'étude de la dépuration, l'apport de nourriture s'est révélé être un aspect important permettant une bien meilleure élimination. Dans la deuxième étude, les Artemia sp. ont été exposées à des nanoplastiques marqués au carbone 13C et analysées par EA-IRMS et Py-GC/MS. Comme pour les daphnies, aucune relation entre la concentration d'exposition et la mortalité n'a été relevée. L'accumulation des nanoplastiques a également été mesurée chez les artémias, directement dépendante de la concentration, du temps d'exposition et du genre de l'organisme (accumulation plus forte chez les femelles). L'étude de la dépuration en circuit ouvert a montré une nette diminution de la masse de nanoplastiques accumulés avec, après quelques jours de dépuration, des niveaux inférieurs à la limite de détection de la méthode. Ces travaux ont montré tout le potentiel du marquage isotopique permettant la quantification de nanoplastiques en milieu complexe pour des études écotoxicologiques réalisées en conditions réalistes.

The quantification of the smallest plastic debris, nanoplastics, within complex matrices remains a challenge for the scientific community due to their nature and size. Nanoplastic model materials, which are used in laboratory studies, can be labeled to facilitate their detection. Among the various labeling techniques, isotopic labeling, with stable isotopes, appears to be a solution to closely approximate natural nanoplastics, with no risk of leaching, contrary to other types of labeling. Currently, the majority of nanoplastic model materials, are synthesized with surfactants or other additives that can alter the physicochemical properties and toxicity of nanoplastics. In this context, the objective of this PhD thesis was to synthesize, without surfactants or additives, deuterium-labeled or carbon-13C-labeled nanoplastics, to develop analytical methods for their quantification in the presence of complex matrices, in order to study the accumulation of nanoplastics and their toxicity towards two planktonic crustaceans. First, surfactant-free polymerization was used, with labeled styrene, to synthesize deuterium-labeled or carbon-13C-labeled nanoplastic model materials. This method enables the production of spherical, monodisperse nanoplastics with negatively charged surface carboxyl groups, mimicking the oxidation of aged plastics. Once the nanoplastics were synthesized and characterized, two analytical methods were developed using two different techniques: the pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS) and elemental analysis coupled with stable isotope ratio mass spectrometry (EA-IRMS). Isotopically labeled nanoplastics and the associated quantification methods were then used for two ecotoxicological studies. In the first one, Daphnia magna were exposed to deuterium-labeled nanoplastics and analyzed by Py-GC/MS. No significant mortality was observed but the quantification results demonstrated high accumulation of nanoplastics, dependent on the concentration, with a maximum accumulation capacity at the highest concentrations. In the depuration study, the presence of food proved to be an important factor, enabling much more effective depuration. In the second study, Artemia sp. were exposed to carbon-13C-labeled nanoplastics and analyzed using EA-IRMS and Py-GC/MS. Similar to daphnids, no relationship between exposure concentration and mortality was observed. Accumulation of nanoplastics was also measured in Artemia sp., the accumulation levels being directly related to the exposure concentration, the exposure time, and the organism's gender (higher accumulation in females). Open-loop depuration study demonstrated a significant decrease in the mass of accumulated nanoplastics, with levels falling below the method's detection limit after a few days of depuration. Both of these studies demonstrated the potential of isotopic labeling enabling the quantification of nanoplastics in complex matrices for ecotoxicological studies conducted under realistic conditions.