Étude des débris plastiques et des fibres anthropiques lors d’évènements transitoires

Les matières plastiques constituent aujourd’hui des matières essentielles, omniprésentes dans notre société. En 1950 la production mondiale de matières plastiques était estimée à 1,5 millions de tonnes. En 2019, cette production a atteint 368 millions de tonnes auxquelles s’ajoutent 70 millions de tonnes de fibres synthétiques (PlasticsEurope, 2020; TextileExchange, 2020). En France, la consommation annuelle en matières plastiques est estimeé à 70 kg par habitant (Althoff et al., 2020). La production massive de polymères a induit des fuites de débris plastiques dans l’environnement. Du fait d’une très faible biodégradabilité et d’une mauvaise gestion de la fin de vie de ces matériaux à l’échelle mondiale, ces débris se sont accumulés (Geyer et al., 2017) sous la forme de macroplastiques, de microplastiques et de fibres (Hartmann et al., 2019). Les macroplastiques sont définis comme l’ensemble des déchets plastiques présentant une taille supérieure à 5 mm tandis que les microplastiques présentent une taille inférieure à 5 mm (Arthur et al., 2009; Hartmann et al., 2019). Les microplastiques sont souvent répertoriés sous la forme de fibres (qui sont définies comme des particules présentant un rapport longueur sur diamètre élevé) et de fragments, qui constituent toutes les autres formes de polymères synthétiques (Hartmann et al., 2019). De plus en plus d’études ont démontré l’ubiquité des déchets plastiques dans presque tous les compartiments environnementaux (Li et al., 2020). Ce développement récent a mis en évidence la présence importante de fibres synthétiques mais aussi de fibres artificielles (issues de synthèses chimiques mais à partir de polymères naturels) et de fibres naturelles (Remy et al., 2015; Zhao et al., 2016). L’ensemble des microplastiques et des fibres anthropiques (aussi appelés microfibres) constituent une nouvelle catégorie de déchets communément appelés les microdéchets (Minor et al., 2020; Palazzo et al., 2021).

Les macroplastiques et les microdéchets ont tout d’abord été étudiés dans le milieu marin (Andrady, 2011; Barnes, 2002; Cole et al., 2011). Progressivement, ces études sont remontées aux sources de cette pollution qui s’avèrent principalement continentales (Blettler et al., 2018; Lebreton et al., 2017). Au sein du milieu continental, le milieu urbain a fait récemment l’objet de plus en plus d’études afin de mieux évaluer les flux de déchets de la ville vers le milieu naturel (Birch et al., 2020; Blettler et al., 2017). Le milieu urbain est prépondérant dans nos sociétés : en 2019, 55% de la population mondiale résidait en ville (https://www.un.org/development/desa/pd/, consulté le 27 mars 2021) et ce chiffre ne cesse de croître. Cette urbanisation, impliquant une concentration d’activités, de services, mais également de consommation, explique l’importance du milieu urbain dans la dynamique des rejets de déchets.

Impacts des débris plastiques 

L’impact des macro et microplastiques sur la faune fait l’objet de nombreux questionnements. À chaque gamme de taille, des impacts différents sont démontrés. Comme expliqué précédemment, les premiers impacts observés ont été les plus flagrants, tels que l’enchevêtrement et l’étouffement de différentes espèces animales. Au-delà des étouffements, il s’est avéré que différentes espèces animales sont susceptibles d’ingérer une trop grande quantité de plastiques entrainant une fausse satiété et potentiellement la mort (Arthur et al., 2009; Susanti et al., 2020). Au-delà des aspects écosystémiques, la pollution par les macroplastiques pose aussi le problème de la conservation des paysages et peuvent fortement impacter les activités touristiques (Chen et al., 2021; Gregory, 1999).

L’étude de l’impact des microplastiques s’est développée plus tardivement du fait de verrous méthodologiques liés à la taille de ces particules et à l’absence de méthodes d’extraction de ces particules dans des matrices environnementales complexes. Progressivement, l’impact écotoxicologique des microplastiques sur les êtres vivants s’est révélé de plus en plus prégnant. De Sá et al., 2018 ont répertorié l’ensemble des publications scientifiques qui ont étudié les effets écotoxicologiques des microplastiques sur les organismes aquatiques marins et/ou continentaux. Ces travaux s’intéressent à la fois aux études in situ (qui étudient les impacts sur des organismes dans leur milieu naturel) et aux études sur des organismes modèles (dont les conditions d’exposition aux microplastiques sont contrôlées). Dans cet état de l’art, 188 espèces animales ont été étudiées et présentent des effets écotoxicologiques particulièrement variés. Sans prétendre à l’exhaustivité, les principaux effets observés sont : (i) l’augmentation de la mortalité, (ii) des effets reprotoxiques, (iii) des effets neurotoxiques et, (iv) l’augmentation du stress oxydatif (de Sá et al., 2018). L’ensemble de ces effets peut être incombé à la forme, à la taille, à la concentration et à la composition des microplastiques. Il existe une disparité des effets écotoxicologiques entre les études in situ et les études avec des organismes modèles. Cette disparité réside dans le fait que la plupart des études sur les organismes modèles utilisent des concentrations beaucoup plus élevées par rapport aux concentrations environnementales (de Sá et al., 2018). Ceci empêche de distinguer l’effet spécifique des microplastiques par rapport à d’autres particules minérales naturelles (telles que les particules de cellulose et d’argile) qui peuvent aussi présenter des risques écotoxicologiques si celles-ci sont mises en présence d’organismes modèles en très fortes concentrations (Ogonowski et al., 2018).

D’autre part, la présence d’additifs extrêmement variés dans les matières plastiques complexifie fortement l’étude d’impact écotoxicologique. Ceux-ci apportent diverses propriétés fonctionnelles aux matériaux plastiques. Parmi d’autres, deux types d’additifs sont très fréquemment ajoutés à la surface ou à l’intérieur des matières plastiques : les retardateurs de flamme et les plastifiants (Hansen et al., 2013). Ces additifs s’avèrent des polluants organiques persistants et/ou des perturbateurs endocriniens. Les retardateurs de flamme, utilisés pour leur propriété ignifuge, peuvent être bromés ou phosphorés. Les plastifiants, qui peuvent correspondre à 70% de la masse de matières plastiques (Dris, 2016), ajoutent une souplesse ou une résistance aux matériaux plastiques. À titre d’exemple, les phtalates sont des molécules très fréquemment utilisées en tant que plastifiants. Les déchets plastiques peuvent servir de vecteurs de polluants organiques dans les écosystèmes (Hermabessiere et al., 2017). Cependant, les effets combinés de différents additifs sur les êtres vivants sont encore trop peu étudiés. Ces cocktails chimiques pourraient avoir des effets délétères sur la santé des êtres vivants mais aussi à l’échelle des écosystèmes (Campanale et al., 2020).

Développement des méthodes d’extraction et d’analyse des microplastiques et des fibres anthropiques dans des matrices environnementales complexes

L’extraction de microplastiques et de fibres anthropiques à partir d’échantillons environnementaux s’avère complexe. La difficulté réside dans la présence plus ou moins importante de matières organiques (autres que les polymères synthétiques) et minérales, desquelles il faut extraire les microplastiques sans perte et en conservant leur intégrité. Différentes méthodes peuvent être utilisées individuellement ou combinées pour cette extraction :
• Les méthodes de réduction du volume par tamisage ou filtration ;
• Les méthodes dites de « digestion » de la matière organique ;
• Les méthodes de séparation de la matière minérale.

Ces techniques sont régulièrement couplées entre elles de sorte à augmenter l’efficacité de l’extraction. Une fois extraites, ces particules peuvent être analysées par le biais de différentes méthodes. Les principales méthodes d’analyse répertoriées sont les suivantes :
• Le comptage visuel ou au microscope (Dris et al., 2018) ;
• La microspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (µIRTF) (Simon et al., 2018) ;
• La microspectroscopie Raman (Frère et al., 2016) ;
• La pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse et à la spectrométrie de masse (Pyr-GCMS) (Hermabessiere et al., 2018) ;
• La microscopie électronique à balayage (MEB) (Fries et al., 2013) ;
• La coloration au rouge de Nile (Nel et al., 2021).

Ces méthodes se sont majoritairement focalisées sur l’étude des microplastiques sous la forme de fragments et très peu sur les fibres synthétiques, artificielles ou naturelles. Dans ce chapitre, nous présenterons les avantages et inconvénients de ces différentes méthodes d’extraction et d’analyse.

Les méthodes de réduction du volume et de digestion de la matière organique 

La réduction de volume par tamisage ou filtration 

Le traitement de matrices environnementales complexes passe généralement par une première phase de réduction du volume afin de concentrer l’ensemble des particules présentes dans l’échantillon sur une faible surface. Cette réduction de volume passe principalement par deux méthodes : le tamisage ou la filtration. Le tamisage consiste à utiliser des tamis avec différents écartements de mailles pour séparer les particules en différentes fractions. Les tamis 5, 1 et 0,5 mm sont fréquemment utilisés pour distinguer les microplastiques visibles à l’œil nu des particules qui ne peuvent être identifiées visuellement (< 0,5 mm) (Hanvey et al., 2017). Cette méthode nécessite d’être couplée avec d’autres techniques dès lors que les particules de plus petites tailles (< 0,5 mm) sont étudiées. Le tamisage peut être couplé avec des méthodes de filtration. La nature (fibre de verre, papier, nitrocellulose, métallique, silicium…), la porosité, et la taille des filtres utilisés est particulièrement variable en fonction des études (Prata et al., 2019). Il n’existe à ce jour pas de normalisation de ces méthodes. Il est important de noter que ces méthodes ne peuvent être utilisées seules pour extraire efficacement l’ensemble des microplastiques et des fibres, car elles permettent uniquement d’isoler la phase solide d’une solution. De plus, le colmatage des supports de tamisage ou de filtration peut se produire dans le cas d’une présence importante de matière organique ou inorganique.

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Table des matières

Remerciements
Liste des communications et publications
Liste des abréviations et des symboles
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes
Introduction
Généralités
Chapitre I : Développement des méthodes d’extraction et d’analyse des microplastiques et des fibres anthropiques dans des matrices environnementales complexes
1.1. Introduction
1.2. Synthèse bibliographique
1.2.1. Les méthodes de réduction du volume et de digestion de la matière organique
1.2.1.1. La réduction de volume par tamisage ou filtration
1.2.1.2. Les méthodes de digestion
1.2.2. Les méthodes de séparation
1.2.2.1. Séparations densimétriques
1.2.2.2. Méthode de séparation par élutriation
1.2.3. Les méthodes d’analyse
1.2.3.1. Analyses visuelles et comptages microscopiques
1.2.3.2. Analyses spectroscopiques
1.2.3.3. La pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse et à la spectrométrie de masse
1.2.3.4. Autres méthodes d’analyse
1.2.4. Contrôle de la qualité des protocoles d’extraction et d’analyse
1.2.5. Conclusion de la synthèse bibliographique
1.3. Impacts of organic matter digestion protocols on synthetic, artificial and natural raw fibers
1.3.1. Introduction
1.3.2. Material and methods
1.3.2.1. Prevention of microplastic contamination
1.3.2.2. Tested protocols
1.3.2.3. Tested fibers
1.3.2.4. Performance parameters and experimental design
1.3.2.5. Infrared spectra
1.3.2.6. Evaluation of digestion protocols impacts
1.3.3. Results and discussion
1.3.3.1. Mass variation
1.3.3.2. Morphological aspects
1.3.3.3. Mechanical properties
1.3.3.4. Discussion regarding the changes in tenacity and elongation at break
1.3.3.5. Infrared spectra
1.3.3.6. Evaluation of digestion protocols impacts
1.3.4. Conclusion
1.3.5. Acknowledgment
1.4. Conclusion
Chapitre II : Débris plastiques et fibres anthropiques dans les eaux pluviales de l’agglomération parisienne
2.1. Introduction
2.2. Synthèse bibliographique
2.2.1. Les eaux résiduaires urbaines et les boues de station d’épuration
2.2.2. Les rejets urbains de temps de pluie
2.2.3. Conclusion de la synthèse bibliographique
2.3. Abundance, composition and fluxes of plastic debris and other macrolitter in urban runoff in a suburban catchment of Greater Paris
2.3.1. Introduction
2.3.2. Materials and methods
2.3.2.1. Sampling site
2.3.2.2. Sampling method
2.3.2.3. Analytical procedure
2.3.2.4. Calculation of plastic debris flux in stormwater
2.3.3. Results
2.3.3.1. Macrolitter composition in screened materials
2.3.3.2. Macrolitter mass percentages in screened materials and concentrations in urban runoff
2.3.3.3. Plastic debris flux
2.3.4. Discussion
2.3.4.1. Macrolitter composition in screened materials
2.3.4.2. Macrolitter and plastic debris mass percentages in screened materials and concentrations in urban runoff
2.3.4.3. Plastic debris flux
2.3.5. Conclusion
2.3.6. Acknowledgements
2.4. Microplastics and microfibers in urban runoff from a suburban catchment of Greater Paris
2.4.1. Introduction
2.4.2. Materials and methods
2.4.2.1. Sampling site
2.4.2.2. Sampling method
2.4.2.3. Preventing contamination
2.4.2.4. Analytical procedure
2.4.3. Results
2.4.3.1. Variability of analyses using Fourier transform infrared spectroscopy coupled with microscopy (µFTIR)
2.4.3.2. Anthropogenic microfibers in stormwater
2.4.3.3. Microplastics in stormwater
2.4.4. Discussion
2.4.4.1. Anthropogenic microfibers in stormwater
2.4.4.2. Microplastics in stormwater
2.4.5. Conclusion
2.4.6. Acknowledgements
2.5. Conclusion
Chapitre III : Microplastiques et fibres anthropiques dans les eaux de la Seine
3.1. Introduction
3.2. Synthèse bibliographique
3.2.1. Etude des microplastiques dans les eaux continentales
3.2.1.1. Influence des variations de débit entre les périodes de basses et hautes eaux
3.2.1.2. Influence du gradient d’urbanisation et de la zone d’étude
3.2.1.3. Influence des crues
3.2.2. Conclusion de la synthèse bibliographique
3.3. Microplastic and microfiber fluxes in the Seine River: Flood events versus dry periods
3.3.1. Introduction
3.3.2. Materials and methods
3.3.2.1. Sampling sites
3.3.2.2. Sampling method
3.3.2.3. Analytical procedure
3.3.3. Results and discussion
3.3.3.1. Microfiber and microplastic concentrations
3.3.3.2. Microfiber and microplastic size distribution
3.3.3.3. Polymer distribution
3.3.3.4. MPs and MFs fluxes in the Seine river
3.3.4. Conclusion
3.3.5. Acknowledgements
3.4. Conclusion
Conclusion

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