Des scientifiques de l’Université du Missouri décryptent le code de l’élimination des nanoplastiques avec 98% de succès

Ces dernières années, la prise de conscience des microplastiques a augmenté de façon spectaculaire, incitant les scientifiques et les chercheurs à explorer des moyens de les éliminer. 

Les microplastiques sont partout, y compris dans les profondeurs de l’océan, où ils s’accumulent largement inaperçus. En plus de polluer les écosystèmes marins, polaires et d’eau douce, les nanoplastiques se répandent également dans le sol et le contaminent. Les plantes et les systèmes aquatiques, composants essentiels de l’alimentation humaine, sont affectés.

Classés comme « contaminants émergents », les microplastiques sont des polluants qui ne sont reconnus comme tels que depuis les années 1990. Ce n’est que récemment que nous avons commencé à différencier les microplastiques, dont la taille varie de 1 mm à 1 µm, et les nanoplastiques, qui sont encore plus petits que 1 µm.

Les nanoparticules sont si petites qu’elles ne peuvent pas être vues à l’œil nu ; elles sont en réalité plus petites que le diamètre d’un cheveu humain moyen. Cette taille minuscule leur confère une capacité exceptionnellement élevée à pénétrer les membranes biologiques.

Ces nanoplastiques ne sont pas seulement fabriqués délibérément — généralement pour être utilisés comme matériau de remplissage bon marché et présents dans les cosmétiques, les dentifrices et les produits de soins de la peau — mais ils sont également le résultat de débris plastiques se fragmentant en minuscules particules. Dans le contexte du volume de débris plastiques dans l’environnement, qui devrait atteindre 12 milliards de tonnes d’ici 2050, cela constitue une source d’inquiétude.

Sans oublier que la structure moléculaire des plastiques les rend très persistants, ce qui en fait un ingrédient attrayant pour divers produits. Cependant, cela signifie également que les déchets plastiques restent longtemps dans l’environnement. Le plastique ne se décompose pas ; il se désintègre.

Cette désintégration se produit de plusieurs manières, notamment par fragmentation, processus cellulaires, rayonnement ultraviolet et l’action de l’eau. Par conséquent, le plastique a continué de persister et de se fragmenter en morceaux plus petits pendant des décennies. Par exemple, un petit fragment de polyéthylène peut se désintégrer en environ 1 500 microparticules ou 150 000 particules nanoplastiques au fil du temps.

Plus les particules sont petites, plus le problème est grand. En effet, les nanoparticules peuvent facilement pénétrer les cellules de notre corps. Les estimations suggèrent que nous consommons jusqu’à 5 grammes de microplastiques chaque semaine. Par ailleurs, une étude dirigée par un étudiant diplômé en chimie à l’Université Columbia, utilisant la microscopie à diffusion Raman stimulée, a découvert que 90 % des particules présentes dans les marques d’eau américaines populaires sont des nanoplastiques, principalement composés de polyester téréphtalate (PET) et de polyamide.

De plus, ces particules nanoplastiques possèdent des propriétés telles que la flexibilité et la résistance à la température et à la corrosion, les rendant plus dangereuses pour l’environnement qu’on ne le pensait auparavant.

Comme nous l’avons signalé précédemment, leur petite taille facilite également leur ingestion par la faune et leur entrée dans la chaîne alimentaire. Ce déplacement environnemental des nanoplastics à travers la chaîne alimentaire crée une toxicité importante chez les êtres vivants.

Chez les plantes, ces minuscules particules peuvent pénétrer la paroi cellulaire pour s’enfoncer dans les tissus, ce qui peut entraîner des conséquences négatives pour la sécurité alimentaire et la fonction écologique.

Chez l’homme, les nanoplastiques sont liés aux maladies cardiovasculaires et respiratoires. Une étude a rapporté la découverte de polyéthylène dans la plaque de l’artère carotide chez 150 patients. De plus, les patients présentant des microplastiques et nanoplastiques dans leur athérome (plaque) ont été jugés à plus haut risque de subir un infarctus du myocarde, un accident vasculaire cérébral ou un décès de toute cause.

Les effets négatifs des nanoplastiques comprennent également l’inflammation, l’immunotoxicité, l’inhibition de la croissance, les dommages oxydatifs et des changements dans les capacités comportementales. En fait, les microplastiques sont détectés même dans le placenta humain. Cela montre à quel point cette pollution d’origine humaine est omniprésente et à quel point elle est néfaste pour notre santé. 

Compte tenu de leurs effets à court et à long terme sur les êtres vivants, les particules nanoplastiques sont devenues une préoccupation majeure. Cependant, la petite taille des nanoplastiques signifie que les méthodes d’élimination courantes comme l’oxydation ou la filtration ne sont pas adaptées pour les traiter.

Une solution novatrice pour éliminer les nanoplastiques de l’eau

Récemment, des scientifiques de l’Université du Missouri ont réussi à éliminer les nanoplastiques de l’eau avec plus de 98 % d’efficacité.

L’étude publiée ce mois-ci dans ACS Applied Engineering Materials vise à développer une solution rentable pour se débarrasser de ces minuscules particules afin d’obtenir de l’eau propre, ce qui reste un défi. Pour atteindre ce résultat, des chercheurs de l’Université Mizzou ont créé une solution à base de liquide capable d’éliminer la grande majorité de ces particules plastiques microscopiques de l’eau. Selon la responsable de l’étude, Piyuni Ishtaweera, ancienne étudiante qui a mené cette recherche pendant son doctorat en chimie nano et des matériaux à Mizzou :

« Les nanoplastiques peuvent perturber les écosystèmes aquatiques et entrer dans la chaîne alimentaire, présentant des risques tant pour la faune que pour les humains. »

Elle travaille maintenant à la Food and Drug Administration (FDA) des États‑Unis à St. Louis. Elle a ajouté :

« En termes simples, nous développons de meilleures méthodes pour éliminer les contaminants tels que les nanoplastiques de l’eau. »

Cette nouvelle méthode consiste à utiliser des solvants répulsifs à l’eau, fabriqués à partir d’ingrédients naturels, sûrs et non toxiques. De plus, leur capacité à repousser l’eau, ce qui aide à prévenir toute contamination supplémentaire des sources d’eau, en fait une « solution hautement durable ».

Cela fonctionne en laissant le solvant reposer à la surface de l’eau, comme l’huile. Cependant, une fois le solvant mélangé à l’eau et laissé se re-séparer, il remonte à la surface et transporte les nanoplastiques dans sa structure moléculaire.

La équipe de chercheurs a testé leur méthode innovante pour cinq mesures différentes de nanoplastiques basées sur le polystyrène, un polymère utilisé pour fabriquer divers produits de consommation, y compris les gobelets en polystyrène, qui représentent 25-35 % de tous les déchets en décharge. Le monde produit plus de 14 millions de tonnes de polystyrène chaque année, les Américains seuls jetant environ 25 milliards de gobelets en polystyrène chaque année.

Les résultats de l’étude de Mizzou ont surpassé les études précédentes, qui se concentraient principalement sur une seule taille de particules plastiques.

Maintenant, pour éliminer le solvant chargé de nanoplastiques, les chercheurs ont utilisé une pipette en laboratoire, laissant derrière une eau propre et exempte de plastique. Cela a été réalisé à petite échelle, mais à l’avenir, l’idée est d’augmenter l’ensemble du processus afin que la méthode puisse être appliquée à de grands volumes d’eau, en commençant par les lacs et éventuellement les océans. La nouvelle méthode est efficace non seulement en eau douce mais aussi en eau salée.

Selon l’auteur correspondant de l’étude, Gary Baker, professeur associé au département de chimie de Mizzou :

« Notre stratégie utilise une petite quantité de solvant conçu pour absorber les particules plastiques d’un grand volume d’eau. »

Cependant, la capacité des solvants n’est pas encore bien comprise, a noté Baker, qui a ajouté que dans leurs recherches futures, ils viseront à déterminer précisément cela — la capacité maximale du solvant. De plus, ils exploreront des moyens de recycler les solvants afin qu’ils puissent être réutilisés « plusieurs fois si nécessaire ».

Dans l’ensemble, cette solution innovante offre une réponse pratique à un problème crucial tout en ouvrant la voie à davantage de recherches et de développements dans les technologies avancées de purification de l’eau.

« D’un point de vue scientifique, la création de méthodes d’élimination efficaces favorise l’innovation dans les technologies de filtration, fournit des connaissances sur le comportement des nanomatériaux et soutient le développement de politiques environnementales éclairées. »

– Ishtaweera

Autres approches innovantes à la pollution par les nanoplastiques

Les nanoplastiques attirent beaucoup d’attention depuis plusieurs années et pour de bonnes raisons. Comme nous l’avons détaillé ci-dessus, leur propension à se répandre dans l’environnement et à menacer tous les organismes doit devenir une priorité. Cela est particulièrement important puisque ces nanoparticules échappent aux procédures conventionnelles d’élimination des particules macro- et micro-plastiques, continuant ainsi d’augmenter dans l’eau et d’influencer la société. 

Au fil des ans, plusieurs méthodes ont été expérimentées pour offrir des solutions efficaces afin d’éliminer certaines nanoparticules. Celles-ci incluent la photocatalyse, la séparation membranaire avec réacteur, et la dégradation basée sur les micro-organismes, en plus des procédures traditionnelles telles que le décantage gravitaire, la floculation et la centrifugation.

La filtration avec coagulation a en fait été trouvée capable d’offrir plus de 99 % d’efficacité pour éliminer les nanoplastiques de l’eau potable. Mais, bien sûr, des limites subsistent concernant l’évolutivité de la solution, la gestion des résidus et l’efficacité limitée pour différents types de nanoplastiques.

Examinons donc certaines approches introduites au fil des années pour répondre à ce problème qui menace la vie humaine.

Une de ces méthodes consiste à utiliser un cadre organométallique à base de chrome pour éliminer les nanoplastiques de polystyrène (PSNP). Pour cela, le Cr-MOF a été synthétisé par une méthode hydrothermale utilisant du nitrate de chrome et de l’acide téréphtalique, offrant aux chercheurs une 96 % d’élimination d’efficacité.

Il y a quelques années, des chercheurs de la FAU ont utilisé des aimants pour éliminer diverses tailles et types de particules plastiques. Dans la démonstration, les chercheurs ont employé des SPIONs, des nanoparticules non toxiques conçues pour se lier aux surfaces plastiques afin de former des agglomérats. Celles-ci ont ensuite été récupérées à l’aide d’aimants, grâce à un revêtement spécial d’oxyde de fer. Ces SPIONs mesuraient environ 30 nm de diamètre et agissaient comme de la colle. Plus important encore, les fonctionnalités de surface des SPIONs pouvaient être ajustées pour se connecter à des types spécifiques de plastiques. 

Des chercheurs de l’Institut coréen de science et technologie (KIST) ont quant à eux utilisé le « bleu de Prusse » pour accomplir cette tâche. Curieusement, cette même substance sert à teindre les jeans en bleu profond. Ainsi, en développant un floculant solide, l’étude a pu collecter efficacement les nanoplastiques sous irradiation lumineuse visible. Cette méthode a permis d’éliminer 99 % des microplastiques et de nettoyer le césium radioactif sans nécessiter d’équipement supplémentaire, uniquement avec des floculants.

Il y a quelques mois, des chercheurs de l’Université de Waterloo ont également présenté une méthode novatrice. Ils ont utilisé de l’époxy pour éliminer les nanoplastiques nocifs avec une efficacité de 94 %. Ce polymère de déchets, qui ne peut pas être retransformé et a tendance à se retrouver dans les réseaux d’eau, a été converti en charbon actif par l’équipe, puis utilisé pour traiter l’eau contaminée.

Tizazu Mekonnen, professeur à l’ingénierie chimique de Waterloo qui a dirigé la recherche, a déclaré :

« Pour mettre fin à la crise des déchets plastiques et réduire l’impact environnemental de la production de plastiques, nous devons mettre en œuvre une approche d’économie circulaire qui prend en compte chaque étape du cycle du plastique. »

Elle vise également à appliquer la procédure à d’autres types de plastiques et de contaminants et à l’étendre aux installations municipales de traitement des eaux usées.

Même l’intelligence artificielle (IA), qui transforme les industries, est utilisée par les chercheurs pour s’attaquer au problème des nanoparticules. Une équipe de chercheurs de l’Université de Waterloo a créé un outil IA appelé PlasticNet qui utilise l’apprentissage profond et la spectroscopie pour identifier les « empreintes » uniques de ces particules. 

PlasticNet s’est avéré être un outil performant dans une station locale de traitement des eaux usées, où il a démontré une détection et une élimination accrues des microplastiques.

Étant donné la toxicité de ces nanoparticules, une identification précise de leurs types est essentielle. Après tout, tous les plastiques ne sont pas identiques ; ils peuvent être du polyéthylène, du Téflon, du polystyrène, du chlorure de polyvinyle, etc.

Les normes internationales recommandent la microscopie électronique (ME) pour l’identification. La ME produit des images de nanoparticules, permettant une identification basée sur la taille. Cependant, l’analyse automatique des images devient problématique lorsque les particules sont présentes sous forme d’agrégats ou ont des formes complexes.

Ainsi, une méthode améliorée a été créée pour aider l’industrie des nanomatériaux ainsi que les agences de protection de l’environnement et de la santé. En incorporant une fonction d’apprentissage automatique IA, l’outil logiciel de POLLEN Metrology peut désormais « identifier avec précision des milliers d’images de NP en quelques secondes de manière automatique et non subjective ». La suite logicielle Smart3 devrait contribuer à accélérer l’identification des nanoparticules potentiellement dangereuses.

En plus de toutes ces recherches, même des organisations cherchent des solutions et développent des technologies pour s’attaquer au problème des nanoplastiques. 

Par exemple, Polymateria est une entreprise qui crée des plastiques biodégradables innovants afin qu’il n’y ait pas de microplastiques ni de nanoplastiques dès le départ. 

PureCycle Technologies (PCT ) a adopté une approche similaire pour réduire indirectement la pollution par les nanoplastiques. L’entreprise, qui a clôturé le deuxième trimestre 2024 avec 10,9 millions de dollars de trésorerie non restreinte, se concentre sur le recyclage des plastiques en créant du polypropylène recyclé à haute pureté. 

Sa technologie révolutionnaire de recyclage du polypropylène comprend sept étapes de processus, notamment la fusion et le filtrage (Extrudeuse de polymère et Filtre de polymère), l’extraction (Mélangeur polymère/solvant et colonne d’extraction), le mélange et le décantage (Mélangeur de polymère et Décanteur de grosses particules), le filtrage (Filtres à chandelles), la purification (Colonnes), la séparation (Polypropylène/solvant et décanteur de produit), ainsi que l’extrusion et le pétrissage (Extrudeuse de polymère et Pétrisseur de polymère).

Il existe également des initiatives comme Ocean CleanUp qui enlèvent le plastique des océans et étudient des méthodes pour capturer les petites particules plastiques dans de grands volumes d’eau. Parallèlement, Anfiro développe des membranes de filtration avancées pour éliminer un large éventail de contaminants, y compris les microplastiques et les nanoplastiques. 

Wasser3.0 est un autre projet devenu entreprise qui utilise un tourbillon et un gel de silice hybride spécialement conçu pour éliminer les nanoparticules. Ce composé, Wasser 3.0 PE‑X, agit comme un agent d’agrégation pour rassembler les microplastiques en amas, qui remontent à la surface et sont écumés à l’aide d’un tamis. 

Il existe de nombreuses autres entreprises et projets qui travaillent à créer des solutions meilleures, rentables et plus avancées pour éliminer les nanoparticules et les supprimer complètement de notre écosystème, en mettant l’accent sur leur évolutivité.

Conclusion

Alors que les décharges et les plages océaniques sont jonchées d’objets plastiques, les nanoplastiques (inférieurs à 0,001 mm) sont devenus omniprésents et, par conséquent, une menace pour les plantes, les oiseaux, les formes de vie océaniques et les humains. L’exposition aux nanoparticules a été jugée avoir des effets négatifs sur les êtres vivants, devenant une préoccupation pour l’environnement et créant un besoin urgent de résoudre cet ennemi émergent de la santé humaine.

En conséquence, les chercheurs et les organisations ont exploré diverses méthodes non traditionnelles pour éliminer ces minuscules particules, reconnues pour leur persistance. Cependant, toutes ces expériences restent pour l’instant limitées aux laboratoires, et nous n’avons pas encore trouvé de solution évolutive.

Cependant, ces nouvelles méthodes constituent un pas important dans la bonne direction, en abordant le problème omniprésent de la pollution par les nanoplastiques. De plus, compte tenu de l’attention portée à ce problème et des progrès que nous observons, nous pouvons nous attendre à obtenir une solution dans un avenir proche qui pourra être appliquée à grande échelle et efficacement pour nous fournir de l’eau propre et des écosystèmes plus sains.