210 - Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement

Peu de techniques analytiques sont actuellement en mesure de détecter et de quantifier les nanoparticules manufacturées (NP) dans l'environnement. Dans cette présentation, nous allons montrer deux voies novatrices d'utilisation de la spectrométrie par plasma induite en mode mono-particule (SP-ICP-MS) pour la détection et la caractérisation des nanoparticules. La SP-ICP-MS a été couplée soit à la chromatographie hydrodynamique (HDC), soit à une résine échangeuse d'ions (IEC) afin de permettre la séparation et améliorer la détection des NP dans les eaux naturelles. Pour valider les techniques, la taille des échantillons fractionnés a été caractérisée à l'aide de détecteurs hors ligne, y compris l'ultracentrifugation analytique, le NTA (nanoparticle tracking analysis) et la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Nous avons pu séparer un mélange complexe de nanoparticules de polystyrène, d'argent et d'or (rayons de 60, 40, 20 et 10 nm) contenues dans une eau de rivière. De même, le couplage de la SP-ICP-MS avec l'IEC nous a permis d'atteindre des limites de détection plus basses et d'améliorer la résolution pour des échantillons contenant plusieurs NP en éliminant efficacement le signal continu du métal dissous. Bien que ces études aient été menées et développées avec des nanoparticules d'argent, ces techniques ont aussi été particulièrement utiles pour l'étude d'autres nanoparticules ayant des solubilités élevées (e.g. nZnO).

Au cours d'un projet de recherche CRSNG-stratégique, plusieurs équipes de recherche (INRS, ISMER, UQAR, MDDELCC et Environnement Canada) ont joint leurs forces pour étudier les routes que prennent les nanoparticules d'argent (Agnp) à partir de leurs sources jusqu'aux divers compartiments environnementaux (eaux douces et marines, matière particulaire en suspension, sédiment et biote). L'originalité du projet réside dans l'utilisation de 5 grands mésocosmes (3000 L chacun) pour reproduire les conditions réelles du milieu quand les eaux douces des rivières se mélangent aux eaux marines côtières. Le design expérimental en flot continu a permis de recréer un fort gradient de densité et de température entre l'eau douce entrant au sommet des mésocosmes et l'eau salée entrant par le fond. Les processus d'adsorption/désorption des Agnp sur les particules en suspension, de dissolution, d'auto- et hétéro-agrégation et de sédimentation ont été étudiés pendant 6 semaines. On observe une très forte rétention des Agnp à l'interface eau douce/eau de mer et un faible transport des particules en suspension vers la couche marine profonde. Les espèces macro-benthiques maintenues dans la couche marine n'ont pas accumulé d'argent de façon significative. Nous concluons que les Agnp, hétéro-agrégées avec les particules organiques et minérales, représentent un risque pour les organismes marins (surtout les larves et juvéniles qui nagent et s'alimentent dans la couche de mélange des eaux côtières.

Depuis les années 2000, les industries ont intégré des nanoparticules d'argent (AgNPs) dans plus de 380 produits de consommation comme des matériaux d'emballage alimentaire, des textiles antiodeurs et des produits de soins personnels. L'usage intensif d'AgNPs accroît les risques de rejets dans les milieux aquatiques. Depuis 2009, la commission européenne et l'agence de protection de l'environnement américaine considèrent les AgNPs comme contaminant émergent dans les milieux aquatiques. Les connaissances sur le devenir et la toxicité des AgNPs dans le domaine marin présentent des lacunes. Le comportement des AgNPs dépend de leurs propriétés physicochimiques et des conditions du milieu : salinité et présence de matière organique. L'objectif général de cette étude est de déterminer le devenir des AgNPs durant une transition estuarienne. Pour cela, nous avons étudié le comportement des AgNPs qui ont été introduites dans des mésocosmes reproduisant un estuaire stratifié.Nos travaux montrent que les AgNPs s'agrègent en eau douce et en eau de mer, mais évoluent selon les conditions du milieu. En eau douce, les agrégats formés présentent une distribution bimodale avec des tailles (D_h) de 70 et de 520 nm. En eau saumâtre ou en eau de mer, les agrégats ont une distribution monomodale avec un D_h supérieur à 500 nm. Ces travaux réalisés en mésocosmes suggèrent que le comportement des AgNPs dans un estuaire est modifié lors des déplacements horizontaux et verticaux.

Les nanomatériaux sont une classe connue de contaminant qui est de plus en plus présent dans l'environnement. Leur impact sur l'environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement dans les eaux naturelles (dissolution et agglomération). L'objectif de cette étude est de comprendre l'agglomération et l'hétéroagglomération des nanoparticules d'argent dans l'environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d'argent (nAg; sans et avec enrobage d'acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l'aide d'un marqueur fluorescent et ont été mélangé avec des colloïdes d'oxyde de silice ou d'argile. L'homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d'eaux douces naturelles (pH 5-7; force ionique 10^‑7 à 10^-1 M de Na⁺ et Ca²⁺). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l'aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HDM). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d'argent à enrobage d'acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d'autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d'argent sans enrobage ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales.

L'étude des différentes espèces chimiques, telles que l'argent nanoparticulaire, ionique et colloïdale s'avère importante pour comprendre les différents processus qui régissent le comportement des nanoparticules d'argent (NP Ag) dans l'environnement. Toutefois, ces investigations sont difficiles car on dispose de peu de techniques analytiques efficaces, sensibles et sélectives.

Une nouvelle méthode de séquestration des NP Ag citrate à l'aide de polymères est présentée. Cette séquestration permet leur récupération, leur concentration ainsi qu'une meilleure caractérisation. Les travaux effectués montrent des capacités de récupération de plus de 83 % des NP Ag à une concentration de 20 ug/L. Ce taux de séquestration est influencé par plusieurs paramètres importants tels que la masse moléculaire du polymère, la présence des substances humiques et de la salinité. Cette technique montre aussi une grande performance à séquestrer l'argent ionique.

Les images obtenues par la microscopie électronique à balayage et la microscopie à transmission électronique montrent que la matrice polymérique est fixée sur les billes de verre et que la taille des nanoparticules demeure inchangée à 20 nm.

Cette technique efficace ainsi développée représente une méthode simple, rapide et verte pour la séquestration des NP Ag citrate présentes à de faibles concentrations. En outre, elle présente des avenues pour la remédiation des eaux usées contenant des NP Ag et de l'argent ionique.

Les nanoparticules d'argent (NP Ag) possèdent un grand intérêt puisque leur rapport surface-masse élevé leurs confèrent une grande réactivité. En 2012, la production mondiale estimée des NP Ag était de 55 tonnes/an. De par leurs multiples usages, des NP Ag se retrouveraient dans les eaux usées municipales. L'étude consiste à isoler les NP Ag à l'aide d'un support polysaccharidique insoluble, composé de silice fonctionnalisée et de polymère cationique. Le support pourrait posséder une plus grande affinité pour les nanoparticules que pour les formes ioniques, dissoutes ou colloïdales de l'Ag(I) qui peuvent se retrouver dans les eaux. La synthèse du support est réalisée en une seule étape. Après l'étape de séquestration, les supports ont été caractérisés en microscopie (TEM et MEB). Les facteurs étudiés sont le ratio silice/polymère, le temps de séquestration, la quantité de NP Ag, l'influence de la matière organique et des sulfures ainsi que celle de surfactants anioniques et non-ioniques. Les tests de séquestration révèlent que le support possède un meilleur taux de séquestration avec un ratio massique silice : polymère (1 :2) et un temps maximal de contact de quatre heures. Il est en mesure de récupérer 85% des NP Ag dans l'eau nanopure à de faibles concentrations (120 ppb). Les premiers tests de séquestration avec l'argent ionique ont montré toutefois que le support n'est pas sélectif aux NP Ag dans les conditions actuelles et nécessite des modifications opératoires.

Dans cette présentation, nous ferons un sommaire de dix ans de travaux visant à étudier l'immunotoxicité des nanoparticules. Ces travaux ont mis à contribution différents modèles expérimentaux, allant d'organismes invertébrés jusqu'aux cellules humaines en passant par la souris et la truite. Ils ont aussi mis à contribution différentes approches expérimentales incluant aussi bien des expositions in vitro, in vivo en situation contrôlée, que des travaux réalisés sur le terrain ou d'autres, effectués en mésocosmes. Le point central de toutes ces expériences résidait dans la détermination des effets sur les capacités immunitaires et l'étude des mécanismes d'immunotoxicité. L'influence de facteurs confondants a aussi été une préoccupation constante. Les grandes conclusions de ces travaux montrent bien des sensibilités différentes selon les modèles expérimentaux considérés, les nanoparticules utilisées et les cellules cibles.

Supporté financièrement par le CRSNG et le programme des Chaires de recherche du Canada.

Les champs d'application des nanotechnologies apparaissent chaque jour plus nombreux et plusieurs pays industrialisés, dont le Canada, en font actuellement une priorité stratégique de développements technologique, économique et sociétal durables. Toutefois, en raison du manque d'informations disponibles sur leur risque écotoxicologique les nanomatériaux de synthèse (NMs) sont aujourd'hui classés parmi les contaminants en émergence des milieux aquatiques et parmi eux, les nanoparticules d'argent (AgNPs) se classent aujourd'hui au premier rang des NMs utilisés par l'industrie. En raison du potentiel antimicrobien des AgNPS, nos études visent à évaluer les effets d'une contamination de l'eau par des nanoparticules d'argent non seulement sur les communautés microbiennes planctoniques, mais aussi sur le microbiote des bivalves filtreurs présents. Les résultats obtenus démontrent qu'une contamination par des nanoparticules d'argent entraîne une modification de la diversité des communautés microbiennes tant au niveau des communautés bactériennes planctoniques que du microbiote des bivalves où une importante réduction de diversité a été observée. Ainsi, la contamination des milieux naturels par les AgNPs, n'entraînerait pas une diminution de l'abondance des microorganismes dans les milieux concernés, mais une sélection de bactéries résistantes à leur action, ce qui pourrait avoir d'importantes conséquences pour l'écologie des environnements impactés.

Les capacités d'adsorption-désorption des métaux et des molécules organiques par les nanotubes de carbone (NTCs) peuvent avoir des conséquences directes sur la remobilisation, le transport et l'assimilation des polluants par les organismes aquatiques. Quoique plusieurs études aient discuté de la toxicité des nanoparticules d'argent (PAAM-AgNps) et de l'argent ionique (Ag⁺), il y a encore peu d'information sur leurs interactions multiples avec les NTCs. Notre protocole expérimental a porté sur les stades de développement de l'oursin vert comme modèle biologique afin de comprendre l'effet ces interactions et les réponses cellulaires au stress en fonction du temps. Le mélange NTC-Ag⁺ a été le plus toxique lors des expositions. Les embryons ont subi une forte perturbation des activités cellulaires et les stades larvaires ont montré une léthargie, suivie d'une nécrose et de la mort (48h-96h). La réaction des coelomocytes et des cellules pigmentaires pour contrer l'intoxication a été clairement plus sévère sous NTC-Ag+. En outre, les mélanges CNT-PAAM-AgNps semblent avoir eu une forte réduction d'effet en présence de phytoplancton. Cependant, le stress oxydant a été détecté à 96h sous tous les contaminants sauf les CNTs. Les stades L8₁ ont été les plus résistants lors des expositions sous-létales. Nos résultats prouvent que les NTCs peuvent influencer la toxicité d'autres contaminants et avoir des impacts différents sur les stades de développement des invertébrés marins.

La mise sur le marché de plus de 1500 produits contenant des nanomatériaux a incité les scientifiques à étudier leurs impacts sur les écosystèmes aquatiques. Les nanoparticules d'argent, exploitées principalement pour leurs propriétés antibactériennes, sont les nanomatériaux les plus répandus. La manière dont celles-ci interagissent avec les organismes aquatiques reste encore incertaine. Le but de ce projet est d'étudier l'assimilation de l'argent dissous et des nanoparticules d'argent par des liposomes. Ces vésicules unilamellaires composées de phospholipides sont depuis longtemps utilisées comme modèles de membranes. Elles permettent d'étudier le passage éventuel de l'argent à travers la bicouche phospholipidique. Les liposomes sont synthétisés grâce à des techniques d'extrusion puis isolés par chromatographie d'exclusion stérique. Ils sont ensuite exposés à de l'argent radioactif, utilisé comme marqueur, sous différentes formes (libre et complexé). La résine échangeuse d'ion Ambersep GT74 est enfin utilisée afin de capter l'argent non-assimilé aux liposomes (efficacité de 98,9 ± 0,7 % ; 0,3 g de résine par échantillon ; 10 min de temps de contact). La cinétique d'interaction de l'argent par les liposomes indique que l'argent ionique ne s'internaliserait pas à l'intérieur des liposomes mais s'adsorberait à leur surface. L'étude des interactions entre nanoparticules d'argent et liposomes est en cours.

Les nanoparticules (NP) sont des assemblages d'atomes dont une des dimensions est <100 nm et qui possèdent des propriétés catalytiques et oxydatives uniques. Les propriétés antimicrobiennes des nanoparticules d'argent (AgNP) en font le nanomatériau le plus employé commercialement. Cependant, leur utilisation croissante pourrait accroître la contamination des milieux aquatiques par l'argent. Malgré cela, les connaissances sur la bioaccumulation des AgNP chez les organismes aquatiques demeurent fragmentaires. Ceci est surtout dû à la difficulté de détecter et de quantifier l'argent et les AgNP dans les matrices biologiques pour des scénarios d'exposition réalistes, c.-à-d. des concentrations de l'ordre du µg•L^-1 (eau) ou du µg•g^-1 (nourriture, sédiment) dans la matrice environnementale. Au LAMER, une approche basée sur l'utilisation de l'isotope radioactif argent-110m a été développée dans ce but. Des AgNP radioactives à haute activité spécifique ont été synthétisées de novo et utilisées pour étudier et quantifier leur bioaccumulation et leur distribution tissulaire fine chez l'omble chevalier, le pétoncle d'Islande, le buccin commun et la moule bleue à l'aide de deux techniques nucléaires : le comptage gamma in vivo et la macro-autoradiographie. Les données les plus récentes obtenues à l'aide de ces deux techniques seront présentées et la pertinence de cette approche expérimentale dans le cadre de l'évaluation du risque environnemental de l'argent et des AgNP sera discutée.

Les nanotubes de carbone (CNTs) à parois multiples (MWNT, "multi-walled carbon nanotube") sont considérés comme des matériaux uniques grâce à la combinaison de leurs propriétés physico-chimiques, mécaniques, thermiques, chimiques et électroniques. Les CNTs possèdent des applications très prometteuses et en rapide expansion dans le domaine des nanosciences et des nanotechnologies. Les formes fonctionnalisées des CNTs ont un immense potentiel dans le domaine biomédical, en nanomédicine et en bioingénierie car ils peuvent former de complexes avec des molécules naturelles (protéines, polysaccharides…etc.). Les CNTs « fonctionnalisés » sont plus solubles dans l'eau et cette propriété augmente leur capacité de dispersion dans l'environnement aquatique. Cependant, le risque potentiel de cette nouvelle classe de nano-composés pour les organismes aquatiques exposés est encore peu connu. Dans cette communication, nous présentons une méthode, peu laborieuse, de fonctionnalisation ou de marquage au carbone [¹⁴C] des CNTs afin d'augmenter leur dispersibilité dans l'eau et de pouvoir évaluer leur impact sur les organismes aquatiques. Nous rapportons également la caractérisation des CNTs fonctionnalisés par différentes techniques pour évaluer les modifications chimiques de surface. Enfin, nous présentons les résultats d'une expérience in vivo où l'Omble chevalier (Salvelinus alpinus) a été exposé, pendant une courte période, à des CNTs fonctionnalisés et marqués au ¹⁴C.

Les nanotechnologies constituent un marché mondial en pleine expansion. Les nanoparticules d'argent (AgNPs), ayant des propriétés antimicrobiennes, trouvent des applications dans les emballages alimentaires, les textiles antiodeurs et dans de nombreux autres produits de consommation. Toutefois, des rapports montrent que les AgNPS présentent des risques potentiels pour la santé et l'environnement. Ils sont des contaminants émergents trouvés dans les milieux aquatiques. Le comportement des AgNPs dépend de leurs propriétés physicochimiques comme leur taille ainsi que des conditions du milieu, dont la présence et la nature de la matière organique. L'interaction de la matière organique avec les AgNPS est connue, mais mal caractérisée. Dans cette recherche, nous étudions les interactions entre les AgNPs et la matière organique naturelle. Cinq familles de composés ont été isolées de la matière organique dissoute de l'estuaire du Saint-Laurent, puis étudiées par spectroscopie LASER résolue en temps, en absence et en présence d'AgNPs. Cette technique permet d'évaluer les temps de vie des fluorophores de la matière organique. Pour les acides fulviques du Saint-Laurent, en absence d'AgNPs, ces composés montrent un fluorophore ayant un temps de vie de 9 nanosecondes. Toutefois, en présence d'AgNPs, le spectre de fluorescence montre un second fluorophore ayant un temps de vie de 33 nanosecondes suggérant une interaction entre les AgNPS et la matière organique naturelle.

Le processus de dissolution/précipitation des nanoparticules d'argent (AgNp) est encore peu connu dans l'environnement aquatique et la plupart des observations sur des travaux ont été réalisées en eau douce. Notre recherche se concentre sur l'auto-agrégation et la dissolution/précipitation des AgNp avec différents types de recouvrement (sans recouvrement et poly(allyl)amine (PAAm)), dans différents types d'eau (eau douce et eau de mer), et avec une variation de la concentration en oxygène dissous. Les AgNp ont été synthétisées dans notre laboratoire et leurs tailles variaient entre 19 et 36 nm suivant le type de recouvrement. Les expériences ont été réalisées pendant 16 jours à 7°C sans lumière. L'étude montre que l'auto-agrégation prend place dans tous les types d'eau et particulièrement l'eau de mer. Les ions argent absorbés à la surface des AgNp avec recouvrement sont rapidement relargués au contact de l'eau mais sont lentement re-adsorbés sur la surface des AgNp. La dissolution des AgNP est différente selon le recouvrement et le type d'eau, mais la concentration en oxygène dissous n'a pas d'effets majeurs. La dissolution dans l'eau de mer prend place plus rapidement pour les AgNP recouvertes de PAAm (20-25%). Nos résultats contribuent au modèle conceptuel selon lequel que les réactions chimiques à la surface des AgNP sont les facteurs clefs pour expliquer le comportement des AgNP lors d'un passage des eaux douces aux eaux côtières.

De nombreuses questions se posent concernant la toxicité, les voies d'entrée et l'interaction complexe des nanomatériaux avec les milieux intracellulaires. Nous proposons une étude microscopique dont l'approche mécanistique a pris en compte la biologie du développement de deux espèces d'équinodermes. Nous avons utilisé les nanoparticules d'argent marquées au FITC (PAAM-AgNps-FITC) et les points quantiques (QD) à 15 nm pour l'étude en microscopie confocale; et les nanoparticules d'argent (PAAM-AgNps) en transmission électronique (MET). On observe que l'entrée des PAAM-AgNps-FITC et des QD dans le tube gastro-intestinal est facilitée en présence de phytoplancton. Aussi, les cellules du système aquifère nous indiquent que l'eau circulante peut jouer un rôle sur la distribution interne des nanoparticules. D'un autre côté, la membrane de fertilisation des embryons forme une barrière protectrice contre les PAAM-AgNps-FITC jusqu'à l'éclosion. En microscopie MET, on observe que les membranes coelomiques des oursins ont créé une barrière contre l'intrusion des PAAM-AgNps. Dans les cavités où l'eau circule, les phagocytes capturent les PAAM-AgNps par endocytose. Chez les étoiles de mer encore en métamorphose, les PAAM-AgNps sont attachées à la surface des gouttes lipidiques dans les tissus. En somme, les informations obtenues dans ce travail nous ont aidés à comprendre les résultats obtenus par les tests de toxicité et le comportement des nanoparticules aux interfaces organiques vivantes

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants émergents et qui sont de plus en plus présents dans les milieux environnementaux complexes où leur détection est souvent compliquée par les interférences provenant des matrices environnementales. Leur risque environnemental dépendra grandement de leur sort (adsorption, agglomération) dans les eaux naturelles. Ainsi, l'objectif de ce travail est de comprendre le sort des nanoparticules d'argent dans l'environnement en utilisant la microscopie à champ sombre couplée avec l'imagerie hyperspectrale et la single particle spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (SP-ICP-MS). La cinétique de transformation de plusieurs des nanoparticules d'argent de tailles différentes (40, 60, 80 et 100 nm) et avec des revêtements différents (polyvinylpyrrolidone, citrate) ont été analysés dans des milieux complexes (eaux usées, biosolides). Le sort des nanoparticules a été validé par diffusion de lumière dynamique (DLS) afin de déterminer s'il y a agglomération ou adsorption. Les résultats ont démontré que les nanoparticules sont rapidement transformées une fois en contact avec la matière organique naturelle dans les systèmes complexes.

Avec des domaines d'applications variés, le cérium (Ce) peut être rejeté dans l' environnement sous différentes formes physiques ; sous forme ionique (ex. Ce(III)) ou de nanoparticules (ex. CeO₂ NPs). Encore aujourd'hui, il n'est pas établi que les effets biologiques des NPs sont induits par les NPs elles-mêmes et non par leurs produits de dissolution. Via des analyses de séquençage ARN, des patterns d'expression de gènes spécifiques d'une exposition de Chlamydomonas reinhardtii (micro-algue unicellulaire) à des CeO₂ NPs ou à du Ce(III) ont été recherchés en milieu contrôlé. L'intensité de la réponse subcellulaire des cellules algales est plus importante lors d'une exposition aux CeO₂ NPs (versus Ce(III)) alors que les voies métaboliques utilisées sont identiques. De plus, pour un flux d'internalisation du Ce similaire entre les deux traitements, les cellules exposées aux CeO₂ NPs présentent une concentration en Ce internalisé plus importante. Deux hypothèses sont émisses ; (i) il existe un mécanisme unique d'internalisation du Ce, (ii) la biodisponibilité du Ce issu des CeO₂ NPs est plus importante. Ces hypothèses doivent être testées pour différents types de CeO₂ NPs.

La crise de l'eau est l'un des plus grands défis de notre temps. Par conséquence, la quantité d'eaux usées est en hausse. La ville de Montréal produit quotidiennement 2,5 millions de litres d'eaux usées et ce volume pourrait augmenter jusqu'à 7,6 millions de litres en conditions de pluie. La composition de la pollution dans les eaux usées est très variée, et peut impliquer des polymères, des colorants, des métaux lourds ainsi que des polluants agricoles à forte concentration d'azote, de phosphore et de pesticides. En outre, certains de ces polluants pourraient présenter une activité cancérogène et mutagène. La carbonisation hydrothermale (HTC) est un processus de conversion thermique efficace qui est appliquée dans plusieurs pays pour le traitement des eaux usées et la production de biocharbon. Par HTC, les eaux usées sont converties en trois parties distinctes: Le biocharbon (phase solide), une phase liquide contenant différents hydrocarbures, les nanoparticules, les composés solubles organiques associés à l'eau, et la phase gazeuse. Alors que le biocharbon et la phase gazeuse ont un potentiel comme combustibles, la phase liquide reste un problème à cause de la présence de nanoparticules et d'autres polluants complexes. Par conséquent, dans cette recherche, nous nous proposons la création de nanocomposites faits par des nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (SPIONS) et d'oxyde de graphène (GO) pour éliminer les nanoparticules dans les eaux générées par HTC