Soutenance mémoire
Cycle de vie des nanomatériaux et rejet dans l’environnement
L’utilisation croissante de NMs soulève des interrogations quant à leur rejet dans l’environnement au cours des différentes étapes de leur cycle de vie, depuis la production jusqu’au retraitement .
Som et al., (2010) ont souligné l’importance de considérer le cycle de vie des NMs pour chaque produit afin d’obtenir une évaluation fiable des risques environnementaux associés. En effet, la forme sous laquelle seront rejetés les NMs dépendra de l’étape du cycle de vie du produit concerné (Nowack et al., 2012) : (i) purs lors de la production, (ii) associés à d’autres composés lors de leur utilisation, (iii) associés à des composés environnementaux lors de leur entrée dans les écosystèmes. Dans ce contexte, de nombreuses études ont été conduites pour étudier le vieillissement et les transformations des nano-produits au cours de leur cycle de vie (Mitrano et al., 2015). Plusieurs travaux ont mis en évidence que des NMs pouvaient être rejetés de manière involontaire dans l’environnement suite à leur utilisation dans des produits couramment utilisés comme les peintures, les textiles ou les cosmétiques (Labille et al., 2010; Nowack et al., 2012). Le relargage de TiO2-NPs à partir des peintures appliquées sur des façades extérieures a été montré par Kaegi et al., (2008) qui ont mis en évidence un transfert de concentrations importantes (3,5 107 TiO2 particules/L de taille inférieure à 100 nm) vers les eaux de surfaces dans des conditions météorologiques naturelles. Il a été également estimé que 75 à 95% des NMs contenus dans les cosmétiques et crèmes solaires (e.g. TiO2 et ZnO) étaient libérés dans l’environnement suite à une douche ou une baignade (Keller et al., 2013). Ces différents exemples suggèrent que les NMs entrent involontairement dans les écosystèmes aquatiques et terrestres où ils constituent des pollutions chroniques (Biola-Clier, 2016).
Il existe également des cas où l’environnement est exposé de manière volontaire à des nanoproduits, en particulier dans le cadre d’activités liées à l’agriculture ou à la remédiation des écosystèmes pollués. En effet, en agronomie de plus en plus de nanofertilisants et nanopesticides sont proposés sur le marché pour augmenter les rendements de production végétale et lutter contre des phytopathogènes (Liu et Lal, 2015; Servin et al., 2015). Les NMs présentent également une grande efficacité pour la remédiation des écosystèmes contaminés aux métaux lourds, polluants organiques et substances biologiques (virus, bactéries, antibiotiques). Ils sont ainsi utilisés pour le traitement des eaux usées, des déchets industriels ou de l’air (Hua et al., 2012; Khin et al., 2012). De plus, ces travaux montrent que les sols et les sites de stockage constituent les réceptacles environnementaux majoritaires alors qu’une fraction beaucoup plus faible est rejetée dans les écosystèmes aquatiques et dans l’air (Gottschalk et al., 2009; Keller et al., 2013; Sun et al., 2014) .
Les NMs peuvent atteindre les sols via les eaux usées utilisées pour l’irrigation et surtout à travers l’épandage de boues de stations d’épuration utilisées comme fertilisants des champs agricoles dans certains pays, dont la France (Kiser et al., 2009; Sun et al., 2014; Yang et al., 2014). De plus, l’estimation de la production mondiale de NMs est encore mal évaluée (Piccinno et al., 2012). Il est donc très probable que les concentrations prédites par ces modèles sousestiment fortement les concentrations réelles dans certains sols agricoles (Biola-Clier, 2016).
Modes et voies d’exposition
Le comportement et les effets des NPs dans l’organisme dépendent de la forme à laquelle celuici est exposé d’une part, et d’autre part de la voie de pénétration des NPs, ces deux aspects étant étroitement liés. En effet, les NPs peuvent se présenter sous la forme de particules libres dans l’air, susceptibles de pénétrer préférentiellement les voies respiratoires (Triboulet, 2013). En revanche, intégrées à la composition de produits manufacturés ou employées à des fins biomédicales, elles se présentent sous forme solide, gélifiée ou liquide, impactant alors directement la peau ou les voies digestives (Casals et al., 2008; Crosera et al., 2009; Li et al., 2010; Fröhlich et Roblegg, 2012) .
De plus, certains produits manufacturés, tels que les vêtements, pourraient libérer des NPs dans l’environnement, susceptibles de contaminer les sols et l’eau (Gottschalk et Nowack, 2011). Ceci soulève des questions supplémentaires quant à l’ingestion par l’Homme d’espèces animales ou végétales issues des environnements contaminés, qui pourraient constituer une source d’exposition indirecte (Gaiser et al., 2009). Par ailleurs, si les tissus atteints sont vascularisés ou proches des systèmes vasculaire ou lymphatique, la dissémination systémique des NPs et l’atteinte de nombreux autres organes et tissus ne sont pas à exclure (Li et al., 2010). En particulier, de nombreuses recherches s’intéressent à la toxicité des NPs sur le système nerveux central ainsi qu’à leur rôle potentiel dans les pathologies neurologiques (Yang, 2010; Simko et Mattsson, 2010; Bondy, 2011). D’autres études démontrent également que certaines NPs sont capables de traverser la barrière placentaire, induisant ainsi un risque d’altération du développement fœtal (Kulvietis et al., 2011).
Propriétés des NPs pouvant influencer leur toxicité
Taille, forme et composition chimique
La taille régit tout d’abord la profondeur d’atteinte des NPs dans l’organisme. Lors d’une exposition par voie aérienne, plus les particules sont petites, plus leur progression dans les voies bronchiques est facilitée, leur permettant ainsi d’atteindre les alvéoles pulmonaires. De même, dans le cas d’une exposition par voie cutanée, la faible taille des particules pourrait favoriser leur passage à travers la couche cornée, soit par voie inter- ou intracellulaire, soit via les pores dans glandes cutanées et follicules pileux. Leur progression dans l’épiderme puis le derme serait ainsi facilitée, et ce jusqu’à atteindre la circulation sanguine .
Les NPs peuvent traverser la couche cornée (a) par voie intracellulaire, (b) par voie transcellulaire, ou (c) via les pores situés à proximité des follicules pileux (voie transappendagéale), pour atteindre l’épiderme, le derme et les vaisseaux sanguins. Au niveau cellulaire, la taille détermine également l’efficacité et la cinétique d’internalisation des NPs par les cellules. Plusieurs mécanismes peuvent être mis en jeu : la phagocytose (les très grosses particules≤ 20µm), la pinocytose et la macropinocytose (spécifique aux fluides extracellulaires, mais aussi parfois de particules de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques μm de diamètre) et l’endocytose (les NPs de taille inférieure à 200 (Fig. 6) (Jiang et al., 2008; Petros et De-Simone, 2010). Les interactions des NPs avec les protéines du milieu sont à considérer (Hervé-Bazin, 2006) : plus les particules sont grosses, plus les protéines du milieu de culture sont susceptibles d’avoir de points de fixation à leur surface, ce qui engendre des modifications des propriétés de la surface de NPs (notamment la charge) affectant leurs propriétés toxicologiques. La fixation des NPs sur les récepteurs membranaires est fonction de leur taille et sans doute aussi de leur structure. Cette fixation peut déclencher des phénomènes d’internalisation, mais pourrait aussi induire une activation des cascades de signalisation cellulaire ou des synthèses protéiques (ex. chlatrine) (Jiang et al., 2008).
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Table des matières
Introduction générale
PARTIE 1 : ETAT DE L’ART ET CHOIX METHODOLOGIQUES
1/ Les nanomatériaux
1.1/ Définitions origine et applications
1.1.1/ Définitions
1.1.2/ Origine et applications
1.2/ Cycle de vie des nanomatériaux et rejets dans l’environnement
1.3/ Mode et voies d’exposition
1.4/ Propriétés des NPs pouvant influencer leur toxicité
1.4.1/ Taille, forme et composition chimique
1.4.2/ Hydrophilie et charge
1.4.3/ Stabilité, agrégation et agglomération
2/ Nanotoxicologie et éconanotoxicologie
2.1/ Devenir des nanomatériaux dans les sols
2.1.1/ Transformations des nanomatériaux dans les sols
2.1.2/ Transport des nanomatériaux dans les sols
2.2/ Biodisponibilité et toxicité des nanomatériaux dans les sols
2.2.1/ Biodisponibilité des nanomatériaux dans les sols
2.2.2/ Toxicité des nanomatériaux dans les sols
2.3/ Évaluation du risque écotoxicologique
2.3.1/Evaluation du risque toxicologique des nanoparticules
2.3.1.1/ Modèles : sélection et utilisation
2.3.1.2/ Les déterminants de la toxicité des NPs
3/ Les nanoparticules de fer
3.1/ Nano-fer et leurs utilisations
3.2/ Toxicité
4/ Intérêt du modèle biologique et but du travail
4.1/ choix et intérêt
4.2/ Définition des objectifs
PARTIE 2 : ETUDE EXPERIMENTALE
CHAPITRE 1 : EMBRYOTOXICITE DES NPs Fe2O3
1/ Objectif du travail
2/ Matériel et méthodes
2.1/ Matériel
2.1.1/ Matériel chimique
2.1.2/ Matériel biologique
2.2/ Méthodes
2.2.1/ Elevage et application du traitement
2.2.2/ Pendant la phase embryonnaire
2.2.3/ Pendant la phase juvénile
2.2.4/ Analyse statistique
3/ Résultats
3.1/ Pendant la phase embryonnaire
3.1.1/ Suivi des œufs
3.1.2/ Comptage d’éclosion
3.1.3/ Mortalité
3.2/ Pendant la phase juvénile
3.2.1/ Poids frais
3.2.2/ Taille coquillère
4/ Discussion
5/ Conclusion
CHAPITRE 2 : EFFETS DES NPs DU Fe2O3 SUR LES PARAMETRES MORPHOLOGIQUES
1/ Objectif du travail
2/ Matériel et méthodes
2.1/ Elevage et suivi de l’essai
2.2/ Dissection des escargots et prélèvement des organes
2.3/ Effets comportementaux
2.4/ Taux de mortalité
2.5/ Pourcentage de consommation
2.6/ Evolution du poids des escargots et du diamètre coquillère
2.7/ Poids frais de l’hépatopancréas, de la masse mous et de la coquille
2.8/ Etude statistique
3/ Résultats
3.1/ Mortalité
3.2/ Pourcentage de consommation
3.3/Effets sur le comportement
3.4/ Effets sur l’évolution du poids frais
3.5/ Effets sur le diamètre coquillère
3.6/ Effets sur le poids frais de la coquille
3.7/ Effets sur le poids frais de la masse mous
3.8/ Effets sur le poids frais de l’hépatopancréas
4/ Discussion
5/ Conclusion
CHAPITRE 3 : EFFETS DES NPs DU Fe2O3 SUR LES PARAMETRES BIOCHIMIQUES ET ENZYMATIQUES
1/ Objectif du travail
2/ Matériel et méthodes
2.1/ Sacrifice et dissection
2.2/ Extraction et dosage des métabolites
2.2.1/ Extraction des métabolites
2.2.2/ Dosages des glucides
2.2.3/ Dosages des lipides
2.2.4/ Dosages des protéines
2.3/ Dosages des paramètres du stress oxydant
2.3.1/ Préparation de l’homogénat
2.3.2/ Dosage du glutathion (GSH)
2.3.3/ Dosage de l’activité Glutathion S-Transférase (GST)
2.3.4/ Dosage de l’activité glutathion peroxydase (GPx)
2.3.5/ Dosage de l’activité catalase (CAT)
2.3.6/ Dosage du malondialdéhyde (MDA)
2.4/ Analyse statistique
3/ Résultats
3.1/ Les métabolites
3.1.1/ Concentrations des protéines
3.1.2/ Concentrations des glucides
3.1.3/ Concentrations des lipides
3.2/ Les paramètres du stress oxydant
3.2.1/Concentrations de glutathion hépatique(GSH)
3.2.2/ Activités enzymatiques du glutathion S-transférase (GST)
3.2.3/ Activités enzymatiques du glutathion peroxydase (GPx)
3.2.4/ Activités enzymatiques de la catalase (CAT)
3.2.5/ Concentrations du malondialdéhyde (MDA)
4/ Discussion
5/ Conclusion
Conclusion générale
