Open Archive TOULOUSE Archive Ouverte (OATAO)
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Open Archive TOULOUSE Archive Ouverte (OATAO)
OATAO is an open access repository that collects the work of Toulouse researchers and
makes it freely available over the web where possible.
This is an author-deposited version published in : http://oatao.univ-toulouse.fr/
Eprints ID : 11341
To link to this article :
URL : http://biofutur.revuesonline.com/article.jsp?articleId=18681
To cite this version :
Mouchet, Florence and Flahaut, Emmanuel and Pinelli, Eric and
Gauthier, Laury Nanotubes de carbone : quels risques pour
l’environnement ? (2013) Biofutur (n° 347). pp. 29-33. ISSN 0294-
3506
Any correspondance concerning this service should be sent to the repository
administrator: staff-oatao@listes-diff.inp-toulouse.fr
29-33_dossier02_347 19/09/13 16:02 Page 29
Nanotubes de carbone vus
au microscope électronique
à balayage.
Nanotubes de carbone :
quels risques pour l’environnement ?
Depuis le coup de projecteur sur les nanotubes de carbone au début des années 1990,
les extraordinaires propriétés de ces nanoparticules ont déclenché un effort de recherche
considérable qui s’est très rapidement traduit par la commercialisation de nombreux
produits en contenant, comme souvent sans aucun recul quant à leur impact potentiel
sur l’environnement.
Florence Mouchet*,
Emmanuel Flahaut**,
L’
utilisation de nanoparti- impact potentiel sur la santé et magne, les États-Unis, la Chine Éric Pinelli* et Laury Gauthier*
cules manufacturées dans l’environnement constitue un et la Russie – produisent des * Écotoxicologie et santé des
des produits de consom- vaste champ d’investigation sur NTC, avec notamment plus de écosystèmes,
Laboratoire d’écologie fonctionnelle
mation courante constitue une lequel se concentrent les cher- 15 compagnies implantées aux et environnement,
innovation et un enjeu écono- cheurs en toxicologie, écotoxico- États-Unis (6). La capacité de UMR UPS INPT CNRS 5245
** Centre interuniversitaire de
mique majeurs. L’histoire des logie et science des matériaux production, majoritairement des recherche et d’ingénierie des
risques sanitaires – avec la pro- depuis quelques années. MWNT, était estimée en 2004 matériaux,
Université Paul Sabatier,
blématique de l’amiante et du aux alentours d’une centaine de UMR UPS INPT CNRS 5085,
prion responsable de la maladie tonnes par an (t/an) par le biais Toulouse
de Creutzfeld-Jakob –, techno- DES APPLICATIONS des grands groupes de l’industrie
logiques et environnementaux AU MARCHÉ chimique (7). L’estimation de la
– avec les pesticides – montre que Les applications des NTC sont production mondiale des NTC
leur gestion a posteriori renvoie à nombreuses et variées et touchent en 2010, publiée en 2013 par
l’importance d’une évaluation des tous les secteurs industriels : des chercheurs de l’Université de
risques la plus précoce possible. nanocomposites à matrice poly- Californie à Santa Barbara, était
À ce titre, un certain nombre mère, métallique ou céramique (1) de 800 t/an pour les composites,
d’interrogations sont posées aux ou nanoélectronique (transistors, 768 t/an pour l’électronique et
niveaux national, européen et interconnexions) (2), vecteurs l’optique, et 736 t/an pour l’éner-
international sur les risques pour médicamenteux et thérapeuti- gie et l’environnement, sur la
la santé et l’environnement pou- ques (3), revêtement d’implants base d’un calcul prenant en
vant être associés à ces nano- médicaux (4), stockage et trans- compte les études de marché (8).
particules. Il s’agit de cerner les port de l’énergie (5)… Les appli- Les estimations de capacité de
enjeux technologiques, écono- cations déjà sur le marché concer- production les plus récentes dis-
miques et sociaux associés au nent, par exemple, l’intégration ponibles prévoient une augmen-
développement de ces nanotech- de NTC dans des articles de sport tation annuelle d’environ 33 %
nologies tout en évaluant a priori tels que des battes de base-ball entre 2011 (3 141 millions de
les risques engendrés par leur pro- et des cadres de vélo, des écrans tonnes) et 2016 (12 806 millions
duction et leurs applications. Dans plats prototypes, des pneuma- de tonnes) (9). Les chiffres réels de
le cas précis des nanotubes de car- tiques, des batteries ou encore des la production actuelle sont indis-
bone (NTC), dont l’utilisation et les pièces de carrosserie de voitures. ponibles, probablement pour des
applications sont d’ores et déjà À ce jour, plus de 10 pays – dont raisons de confidentialité com-
massives, la compréhension de leur la France, la Belgique, l’Alle- merciale. Quant au marché des29-33_dossier02_347 19/09/13 16:02 Page 30
© E. FLAHAUT
>
Modèles de nanotubes de
carbone simple-paroi (a),
biparois (b) et triparois (c).
NTC, en 2006, on estimait qu’il gement reconnue. Cependant, les préférentielle, leurs conditions
pourrait atteindre environ 10 mil- conséquences de leur production, de persistance ou de dégradation
liards de dollars (Md$) – environ de leur utilisation et de leur aban- dans les différents milieux et,
7,5 Md€ – en 2020 (10). Une don en fin de vie constituent une enfin, leur écotoxicité potentielle.
estimation bien trop optimiste réelle préoccupation en termes de Sur la base d’estimations, les
ramenée, depuis, à 2 Md$ (11). risque pour la santé humaine travaux récents d’une équipe de
D’autant que l’actualité a été mar- et l’environnement et n’ont pas l’Université de Californie à Santa
quée par l’annonce récente de la été considérées en amont de leur Barbara indiquent que le relar-
fermeture d’une usine de NTC de exploitation technologique et gage potentiel des NTC depuis
l’un des principaux acteurs euro- économique. Il paraît, en effet, les stations d’épuration dans
péens, l’allemand Bayer, justifiée raisonnable d’envisager la dissé- l’environnement proviendrait des
par le fait que « les domaines d’ap- mination des NTC dans l’environ- boues (entre 90 % et 97 %) et des
plications potentielles, qui autrefois nement, que ce soit à partir de effluents (entre 3 % et 10 %) (8).
semblaient prometteurs d’un point sources ponctuelles (déversements Leur relargage issu des usines
de vue technique, sont actuellement accidentels) ou non et à chacune d’incinération proviendrait de
très fragmentés ou ont trouvé très des étapes de leur cycle de vie. scories (entre 49,5 % et 75 %), des
peu de synergies avec les produits Ceci nécessite, par conséquent, filtres (entre 25 % et 49,5 %) et
du cœur de métier du groupe et d’étudier les risques sur la com- de l’air (entre 0,03 % et 1 %).
leurs applications » (12). D’autre posante biologique des éco- Contrairement aux autres nano-
part, en parallèle de ces grands systèmes, notamment des milieux particules, notamment les nano-
groupes internationaux de l’in- réceptacles et concentrateurs de particules d’oxyde de zinc ou d’ar-
dustrie chimique, des start-up et pollution, tels que le comparti- gent par exemple, la dispersion
des spin-off émanant de labora- ment aquatique (figure p. 31) (13). des NTC dans l’environnement est
toires de recherche ont vu le jour Dans ce compartiment, les NTC estimée provenir en majorité des
il y a une dizaine d’années, voire peuvent, en effet, comme toutes décharges, en raison de la nature In
plus. Nombre d’entre elles ne sont les nanoparticules, être isolés et/ des applications les plus courantes pl
pas prises en compte dans les esti- ou agglomérés. Ils peuvent sédi- des NTC (matériaux composites),
mations de capacité de production menter, être remis en suspension et seulement en faible proportion
publiées, en raison de la difficulté dans la colonne d’eau et ainsi des stations d’épuration (6 %) et
pour ces dernières de passer de la potentiellement impacter tous les des usines d’incinération (5,5 %).
création en laboratoire à la phase maillons de la chaine trophique L’élimination des NTC via la mise
industrielle. (algues, invertébrés planctoniques en décharge des produits en fin de
et du sédiment, poissons, homme). cycle de vie est estimée représen-
Connaître l’impact de ces nano- ter 83 % à 98 % de leur flux, avec
L’ORIGINE DES NTC DANS tubes dans l’environnement né- seulement 2,2 % à 14,8 % allant
L’ENVIRONNEMENT… cessite de répondre à certaines vers les sols, 0,1 % à 1,4 % vers le
Les avantages de l’intégration des interrogations concernant les compartiment atmosphérique et
NTC dans des applications cou- quantités de NTC éventuellement 0,01 % à 0,6 % vers le comparti-
rantes, en termes d’amélioration rejetées dans l’environnement, leur ment aquatique. Les transports
des propriétés à la fois mécaniques distribution au sein des différents ultérieurs depuis les sols et l’air
et électriques, notamment dans compartiments (air, eau, sol), pourraient conduire à des quanti-
les matériaux composites, est lar- leur(s) lieu(x) d’accumulation tés additionnelles de NTC dans29-33_dossier02_347 19/09/13 16:02 Page 31
le compartiment aquatique. En qui y est naturellement présent. de champignons, dont certaines
2009, les travaux de chercheurs D’autre part, ni la nature, ni la enzymes (peroxydases) ont, du
du Laboratoire fédéral d’essai des forme précise des NTC poten- moins in vitro, la capacité d’oxy-
matériaux et de recherche (Empa) tiellement présents dans l’envi- der le carbone des NTC préa-
et de l’Institut fédéral de techno- ronnement ne sont réellement lablement oxydés (15).
logie (ETH), à Zurich, estimaient connues. A priori, la présence de
la présence des NTC dans les NTC transformés – par agglomé-
eaux de surface à entre 0,001 ng/L ration/adsorption/enrobage par … ET LEURS EFFETS
et 0,004 ng/L (14). les agents naturels des milieux POTENTIELS
À ce jour, il est impossible de aquatiques (sucres, protéines, En 2009, date à laquelle les
mesurer efficacement les concen- colloïdes…) ou par oxydation ou travaux du laboratoire Nautile
trations environnementales des tout simplement enrobés dans la (encadré p. 32) ont été initiés,
NTC. Les méthodes classiques matrice qui composait les produits la bibliographie comportait de
d’analyse et de dosage de polluants dont ils sont issus – après leur grandes lacunes concernant l’im-
© E. FLAHAUT
de l’environnement concernent des relargage dans l’environnement pact potentiel des NTC sur les
substances chimiques solubles. En serait plus réaliste que la présence écosystèmes. Des travaux avaient
revanche, pour ces contaminants de NTC bruts, tels que produits été réalisés sur des lombrics, des
émergeants non solubles, aucune initialement, qui pourraient sédi- plantes supérieures (radis, colza,
méthode de détection ou de quan- menter plus rapidement dans les ivraie, laitue, blé, concombre) et
tification dans le milieu naturel cours d’eau du fait de leur nature divers organismes aquatiques
n’est malheureusement disponible, fortement hydrophobe. La trans- (crustacés d’eau douce, copépode
en particulier du fait de l’impos- formation des NTC relargués dans estuarien, poissons, larves d’am-
sibilité de les distinguer chimi- l’environnement pourrait notam- phibiens), mettant en évidence Complexité des interactions entre
quement du carbone organique ment être le fait de bactéries ou leur toxicité à de très fortes concen- nanoparticules et milieu aquatique.
D’après (7).
ons
>
tion
et,
elle.
les
e de
anta Sources ponctuelles/déversements accidentels
lar- Sources non-ponctuelles/déversements intentionnels
puis
ans
des
des Environnement aquatique
(8).
nes
t de
des
© DOMAINE PUBLIC
Particules en suspension
%) et NP isolées NP agrégées
%).
no-
© W. VAN EGMOND/BSIP
ano-
Re-suspension
Sédimentation
d’ar- Algues
sion
t est
des
ture Invertébrés
ntes planctoniques
tes),
tion
Sédimentation de particules,
© F. MOUCHET
%) et
%). décomposition de la
mise matière organique
n de Poissons et des matériaux excrétés
© P. SUTTER/ARCO/BSIP
sen- Sédiment,
avec invertébrés
© NOAA/GREAT LAKES ENVIRONMEN-
lant
TAL RESEARCH LABORATORY
rs le
e et
arti-
orts
l’air
nti-
dans Exposition humaine29-33_dossier02_347 19/09/13 16:03 Page 32
trations – > 10 mg/L (figure p. 31) (16). tenter de répondre à cette ques- sont en cours aux niveaux natio- dive
Si ces connaissances ont évolué tion en exposant des organismes nal et international, notamment que
en termes de nombre d’études, choisis, en conditions expéri- dans le cadre du consortium plus
passant de six à une trentaine de mentales normalisées (17), au sein iCEINT (international Consortium trai
publications référencées à ce jour de batteries d’essais utilisées dans for the Environmental Implication toxi
dans les bases de données biblio- le cadre d’une démarche d’éva- of Nanotechnology). Au
graphiques, elles restent néan- luation du risque de substances font
moins peu nombreuses en com- chimiques de type REACH*1. Cette risa
paraison avec les données dis- démarche constituerait une pre- CARACTÉRISER LES dan
ponibles sur les effets d’autres mière avancée vers un outil NTC EN SUSPENSION tech
contaminants de l’environne- d’aide à la décision en termes de AQUEUSE fon
ment tels que les métaux et les gestion environnementale pour Jusque récemment, la caractéri- nan
pesticides. estimer rapidement l’écotoxicité sation précise des NTC mise en non
La plupart de ces travaux sur potentielle des NTC. Dans un œuvre dans les essais d’écotoxi- ne
l’impact des NTC mettent en évi- second temps, pour répondre à la cité était très lacunaire d’un point féra
dence des effets de toxicité aiguë question d’un éventuel transfert de vue physico-chimique. Or exe
(mortalité, mobilité réduite) et ou d’une éventuelle accumulation l’évaluation des risques éventuels (dif
chronique (inhibition de crois- de ces nanoparticules carbonées liés à la présence des NTC dans lum
sance), essentiellement liés à via la chaîne trophique, des expé- l’environnement est certainement terin
leur ingestion par les organismes riences peuvent être réalisées en très dépendante de ce type de dan
exposés et qui s’expriment à des mésocosmes*2. Plusieurs projets caractéristiques. Les NTC présen- allo
concentrations qualifiées de non tent des morphologies différentes part
représentatives d’un point de vue (nombre de parois, diamètre, lon- le p
environnemental – à partir de gueur) et une chimie de surface face
10 mg/L. Les données écotoxico- *1 Registration, Evaluation and Authorisation (défauts de structure, catalyseurs dan
logiques disponibles à ce jour ne of Chemicals (Système d’enregistrement, résiduels) potentiellement très sa c
permettent pas de répondre glo- d’évaluation et d’autorisation des hétérogène, y compris pour un tion
balement à une des premières substances chimiques) : règlement de même type de NTC, qu’ils soient de
questions qui se posent dans le l’Union Européenne sur les substances bruts, dispersés ou co-exposés util
cadre de l’évaluation de l’impact chimiques entré en vigueur le 1er juin 2007 avec un contaminant de référence ana
des NTC sur le milieu aquatique : qui impose aux producteurs et impor- (métaux, pesticides, hydrocarbure ciné
les outils préexistants sont-ils tateurs de produits chimiques de prouver aromatique polycyclique). Un dos
adaptés à la mesure des effets que les substances mises sur le marché des problèmes majeurs pour l’in- biol
écotoxiques potentiels de ces ne présentent pas de danger pour terprétation des travaux publiés plex
nouveaux matériaux sur l’envi- le consommateur. découle certainement de la cep
ronnement ? Dans ce contexte, un *2 Reconstitution en laboratoire d’un méconnaissance des échantillons con
des objectifs devrait consister à environnement (lire p. 46) étudiés et/ou de leur trop grande a p
logi
lors
lyse
du o
peut
esti
Nautile soit
une
Le 10 septembre 2010, de mettre en commun les l’importance de l’association EcoLab et du Laboratoire par
la délégation régionale Midi- compétences spécifiques des entre physico-chimistes d’écotoxicologie et micro- sub
bon
Pyrénées du CNRS, l’Institut établissements signataires (caractérisation des nano- biologie du GRL d’Arkema.
liqu
national polytechnique de dans les domaines de l’évalua- particules étudiées) et bio- Les partenaires fondateurs de soit
Toulouse et l’Université Paul tion écotoxicologique des logistes-écologues (caractéri- Nautile se sont vus décerner NTC
Sabatier, ainsi que la Direction nanoparticules carbonées sation des impacts sur le le prix INP Innov’ dans la cas,
R&D de la société française industrielles dans le milieu vivant) afin de réaliser une catégorie Partenariat cart
Arkema signaient un protocole aquatique. Ont ainsi participé évaluation réaliste des effets recherche-entreprise en NTC
de collaboration pour quatre à la création de cette structure écotoxicologiques des nano- octobre 2011, ainsi que la ave
ans, sous la forme du labo- le laboratoire EcoLab particules au cours du cycle possibilité d’une participation peu
ratoire commun de recherche (UMR 5245 CNRS-UPS-INPT), de vie des produits dans à l’édition 2012 de la du r
Nautile (NAnotUbes & le Cirimat (Institut Carnot, l’environnement aquatique. Novela, le Festival des savoirs spec
écoToxIcoLogiE), premier labo- UMR 5085 CNRS-UPS-INPT) Les effets écotoxicologiques organisé par la ville de niqu
cou
ratoire public/privé consacré à et le Groupement de des NTC sont étudiés princi- Toulouse.
perm
l’étude de l’impact des nano- recherche de Lacq (GRL) palement au sein de l’équipe NTC
tubes de carbone dans l’envi- d’Arkema. Les travaux engagés Écotoxicologie et santé des Et b
ronnement, avec pour objectif ont permis de montrer écosystèmes du laboratoire dép
des
tech
effic29-33_dossier02_347 19/09/13 16:03 Page 33
diversité. La complexité de ces
questions a nécessité de combiner
plusieurs approches afin de les
traiter sous les angles de l’éco-
toxicologie et de la chimie.
Aujourd’hui, les travaux publiés
font état d’une meilleure caracté-
risation des NTC étudiés. Cepen-
dant, force est de constater que les
techniques de caractérisation qui
fonctionnent bien lorsque les
nanoparticules sont sphériques et
© ECOLAB/CIRIMAT
non carbonées (métaux, oxydes)
ne sont pas forcément trans-
férables en l’état aux NTC. Par
exemple, les méthodes optiques
(diffusion dynamique de la
>
lumière – ou dynamic light scat-
tering) ne semblent pas pertinentes Larves de xénotepes en cour d’exposition à des nanotubes de carbone.
dans le cas de nanoparticules très
allongées, comme les NTC. D’autre
part, il faut garder à l’esprit que
le plus important est l’état de sur-
face et d’agglomération des NTC
dans le milieu d’étude, avec toute UNE ANALYSE particules. Il existe donc aujour-
sa complexité. Dans ces condi- COMPLEXE d’hui un vide réglementaire qu’il
tions, rares sont les méthodes La dimension nanométrique convient de combler par une
de caractérisation qui restent des particules issues des nano- démarche d’évaluation du risque
utilisables, notamment pour des technologies développées depuis caractérisée et spécifique des
analyses en temps réel (suivi les 20 dernières années leur nanoparticules. À ce titre,
cinétique). Enfin, la question du confère des propriétés particu- l’exemple des NTC est édifiant.
dosage des NTC dans les matrices lières et nouvelles en termes de Les travaux réalisés au cours des
biologiques est, elle aussi, com- réactivité, de conductivité ou 10 dernières années à travers le
plexe. Plusieurs approches sont encore de propriétés optiques. monde, et particulièrement en
cependant possibles. Si les NTC Avec les nanoparticules en géné- France dans le Laboratoire com-
contiennent un résidu de synthèse ral, nous sommes donc confrontés mun de recherche Nautile, ont (1) Flahaut E et al. (2000)
a priori absent du milieu bio- à des comportements nouveaux contribué à améliorer considé- Acta Mater 48, 3803-12
logique – le cobalt par exemple, et encore inconnus. Pourtant, ces rablement la connaissance des (2) Seichepine F et al. (2012)
lorsqu’il est utilisé comme cata- nouvelles technologies sont déjà dangers intrinsèques potentiels Nanotechnology 23, 095303:1-7
lyseur métallique –, alors le dosage utilisées dans de nombreux pro- des NTC – essentiellement double (3) Sanz V et al. (2011) Carbon 49, 5348-58
du ou des éléments le constituant duits commerciaux et seront et multiparois – à différents (4) Béduer A et al. (2012)
peut permettre de réaliser quelques amenées à se développer dans les niveaux d’organisation des Langmuir 28, 17363-71
estimations. Il est aussi possible prochaines décennies. De fait, la systèmes vivants, de la simple (5) Portet C et al. (2006)
soit de fonctionnaliser les NTC par question de l’innocuité des nano- molécule à l’écosystème. Sans J Electrochem Soc 153, A649-53
une molécule radioactive, du 14C particules et des matériaux les entrer dans le détail des résultats (6) Pieters BJ (2008) NanoSEE 08,
par exemple, ce qui se réalise par incorporant se pose. Et l’enjeu est obtenus, rappelons que la grande Nanomaterials Industry Status and Expected
substitution des atomes de car- important. Il s’agit de prendre le diversité des NTC rencontrés Evolution
bone 12C des fonctions carboxy- pas sur les mesures réglementaires (longueur, réactivité de surface, (7) tinyurl.com/nanos-RS
liques par du 14C (lire p. 25) (18), qui ne manqueront pas de réguler fonctionnalisation, nombre de (8) Keller AA et al. (2013)
soit de synthétiser directement des l’utilisation et la dissémination parois, degré de pureté…), la J Nanopart Res 15, 1692
NTC avec du 14C. Dans les deux – notamment avec la prise en multiplicité des formes sous les- (9) tinyurl.com/marche-NTC
cas, il est possible à la fois de compte de la fin de vie des pro- quelles ils peuvent se retrouver (10) tinyurl.com/NTC-Raymore
cartographier et de quantifier les duits contenant des NTC – de ces dans les milieux naturels (niveaux (11) tinyurl.com/NTC-usine-nouvelle
NTC. Une autre alternative existe nano-objets dans nos modes de d’agrégation, types d’interactions (12) tinyurl.com/NTC-Bayer
avec le 13C, non radioactif, qui vie futurs et dans notre environ- croisées, natures et conditions des (13) Baun A et al. (2008)
peut être utilisé pour le dosage nement. autres constituants des milieux…), Ecotoxicology 17, 387-95
du rapport isotopique 13C/12C. La Les enjeux sociétaux semblent ainsi que la grande diversité de (14) Gottschalk F et al. (2009)
spectroscopie Raman est une tech- énormes au vu de la multiplicité réponses des organismes rendent Environ Sci Technol 43, 9216-22
nique aujourd’hui de plus en plus des applications attendues dans extrêmement complexe l’analyse (15) Allen B et al. (2009)
courante dans les laboratoires qui un avenir proche. Alors que la dé- de leurs effets potentiels sur JACS 131, 17194-205
permet, elle aussi, de détecter les marche actuelle d’évaluation des le vivant. Il apparaît finalement (16) Mouchet F et al. (2009)
NTC dans les matrices biologiques. risques vis-à-vis des substances qu’une réponse simple, rapide Env Risques & Santé 8, 47-55
Et bien que le seuil de détection chimiques de notre environnement ou encore facilement généra- (17) ISO 21427-1, ICS: 13.060.70
dépende à la fois de la nature est encadrée par la réglemen- lisable à l’ensemble des groupes (18) Georgin D et al. (2009)
des NTC et de la matrice, cette tation européenne REACH, celle-ci d’organismes concernés n’est J Am Chem Soc 131, 14658
technique a déjà démontré son ne s’applique ni directement, ni pas encore envisageable aujour- (19) Mouchet F et al. (2010)
efficacité (19). simplement en l’état aux nano- d’hui. Nanomedicine 5, 963-74Vous pouvez aussi lire
