Study of micro- and nanoplastic pollution in the environment : sampling in the atmosphere, development of a labelled environmentally relevant model, interaction with living organisms

Le suivi et la gestion des déchets plastiques sont devenus un enjeu important pour nos sociétés. Cependant, il n'existe pas de méthode optimale unique pour l'étude et la surveillance efficaces de la contamination plastique. L'objectif de ce projet était d’explorer de nouvelles approches pour étudier l'origine, le devenir et le comportement de la matière plastique présente dans l’environnement. Trois axes d’investigation ont été combinés dans ce travail : i) le développement d’une méthodologie de collecte, d’échantillonnage et d’analyse de micro (MPs) et nanoparticules (NPs) de plastique provenant de l’atmosphère ; ii) le développement d’un modèle de MPs et de NPs pertinent pour l'environnement, qui pourrait être utilisé pour des études écotoxicologiques et iii) l’étude de son interaction avec les micro-organismes vivants. Un modèle pertinent de micro- et nanoplastiques de HDPE a ainsi été obtenu par une approche top-down, en exposant du matériau polymère brut à un broyage mécanique. Les particules ont été marquées avec des sondes luminescentes constituées de particules upconverting, qui permettent leur détection même dans des échantillons épais, comme dans un tissu ou un petit animal. Ce modèle de plastique a été ensuite utilisé pour étudier le mécanisme d'interaction entre les MPs et la microalgue verte d'eau douce Chlorella vulgaris en utilisant des expériences à l'échelle nanométrique et moléculaire par microscopie à force atomique (AFM). Ces travaux ont révélé qu'une interaction hydrophobe entre les algues et les microplastiques était à l'origine de la production de matière organique par les algues, et que cette dernière jouait un rôle important dans les phénomènes d'agrégation des microalgues et des microplastiques. Par ailleurs, des MPs et NPs de l'atmosphère ont été collectées sur des zones présentant différents niveaux d'activité humaine : d'une zone éloignée des activités humaines à une zone fortement industrialisée. L'étude de ces zones comprennait la collecte de données météorologiques et l'échantillonnage d'échantillons atmosphériques, y compris les aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère) et les dépôts (pluie, neige, grésil, etc.). À la suite de ce travail, nous avons proposé une méthodologie de collecte d'échantillons, de préparation, d'analyse qualitative et quantitative effectuée par la combinaison de méthodes analytiques, notamment la μ-FTIR (microscopie infrarouge à transformée de Fourier), la Py-GC-MS (pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) ou encore la NTA (analyse de suivi des nanoparticules), etc…The management and monitoring of plastic waste have become a major issue for our society. However, there is no single optimal method for the effective study and monitoring of plastic pollution. The objective of this thesis work was to explore new approaches to study the occurrences, fate, and behavior of micro- and nanoplastics in the environment. Thee vectors of investigation were combined in this work, including: i) the development of a methodology of sampling and analysis of MPs and NPs from the atmosphere; ii) the development of an environmentally relevant model of MPs and NPs, which could be used for ecotoxicological studies and iii) the study of its interaction with living microorganisms. Environmentally relevant models of micro- and nanoplastics of HDPE were obtained by top-down approach, by exposing bulk polymer material to mechanical grinding. Particles were labelled with background-free persistent luminescent probes such as UCNPs that allows their detection even in thick samples such as in a tissue or a small animal. Further, we used a developed model of plastic to study the interaction mechanism between MPs and green freshwater microalgae Chlorella vulgaris using atomic force microscopy (AFM) nano- and molecular scale experiments. This work revealed that a hydrophobic interaction between algae and microplastics was at the origin of the production of organic matter by algae, and that the latter played an important role in the aggregation phenomena of microalgae and microplastics. Otherwise, MPs and NPs from the atmosphere were collected on areas with different levels of human activity: from an area separated from human activities to a highly industrialized. Investigation of those areas included the collection of meteorological data and sampling of atmospheric samples including aerosols (suspended particles in the atmosphere) and deposition (rain, snow, sleet, etc.). As a result, we proposed a methodology for samples collection, preparation, qualitative and quantitative analysis performed by the combination of analytical methods including μ-FTIR (Fourier transform-infrared microscopy), Py-GC-MS (pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry), DLS (Dynamic Light Scattering), NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), etc

Etude de la pollution environnementale par les micro- et nanoplastiques : échantillonnage atmosphérique, développement d'un modèle de plastique marqué, interaction avec des organismes vivants

The management and monitoring of plastic waste have become a major issue for our society. However, there is no single optimal method for the effective study and monitoring of plastic pollution. The objective of this thesis work was to explore new approaches to study the occurrences, fate, and behavior of micro- and nanoplastics in the environment. Thee vectors of investigation were combined in this work, including: i) the development of a methodology of sampling and analysis of MPs and NPs from the atmosphere; ii) the development of an environmentally relevant model of MPs and NPs, which could be used for ecotoxicological studies and iii) the study of its interaction with living microorganisms. Environmentally relevant models of micro- and nanoplastics of HDPE were obtained by top-down approach, by exposing bulk polymer material to mechanical grinding. Particles were labelled with background-free persistent luminescent probes such as UCNPs that allows their detection even in thick samples such as in a tissue or a small animal. Further, we used a developed model of plastic to study the interaction mechanism between MPs and green freshwater microalgae Chlorella vulgaris using atomic force microscopy (AFM) nano- and molecular scale experiments. This work revealed that a hydrophobic interaction between algae and microplastics was at the origin of the production of organic matter by algae, and that the latter played an important role in the aggregation phenomena of microalgae and microplastics. Otherwise, MPs and NPs from the atmosphere were collected on areas with different levels of human activity: from an area separated from human activities to a highly industrialized. Investigation of those areas included the collection of meteorological data and sampling of atmospheric samples including aerosols (suspended particles in the atmosphere) and deposition (rain, snow, sleet, etc.). As a result, we proposed a methodology for samples collection, preparation, qualitative and quantitative analysis performed by the combination of analytical methods including μ-FTIR (Fourier transform-infrared microscopy), Py-GC-MS (pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry), DLS (Dynamic Light Scattering), NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), etc.Le suivi et la gestion des déchets plastiques sont devenus un enjeu important pour nos sociétés. Cependant, il n'existe pas de méthode optimale unique pour l'étude et la surveillance efficaces de la contamination plastique. L'objectif de ce projet était d’explorer de nouvelles approches pour étudier l'origine, le devenir et le comportement de la matière plastique présente dans l’environnement. Trois axes d’investigation ont été combinés dans ce travail : i) le développement d’une méthodologie de collecte, d’échantillonnage et d’analyse de micro (MPs) et nanoparticules (NPs) de plastique provenant de l’atmosphère ; ii) le développement d’un modèle de MPs et de NPs pertinent pour l'environnement, qui pourrait être utilisé pour des études écotoxicologiques et iii) l’étude de son interaction avec les micro-organismes vivants. Un modèle pertinent de micro- et nanoplastiques de HDPE a ainsi été obtenu par une approche top-down, en exposant du matériau polymère brut à un broyage mécanique. Les particules ont été marquées avec des sondes luminescentes constituées de particules upconverting, qui permettent leur détection même dans des échantillons épais, comme dans un tissu ou un petit animal. Ce modèle de plastique a été ensuite utilisé pour étudier le mécanisme d'interaction entre les MPs et la microalgue verte d'eau douce Chlorella vulgaris en utilisant des expériences à l'échelle nanométrique et moléculaire par microscopie à force atomique (AFM). Ces travaux ont révélé qu'une interaction hydrophobe entre les algues et les microplastiques était à l'origine de la production de matière organique par les algues, et que cette dernière jouait un rôle important dans les phénomènes d'agrégation des microalgues et des microplastiques. Par ailleurs, des MPs et NPs de l'atmosphère ont été collectées sur des zones présentant différents niveaux d'activité humaine : d'une zone éloignée des activités humaines à une zone fortement industrialisée. L'étude de ces zones comprennait la collecte de données météorologiques et l'échantillonnage d'échantillons atmosphériques, y compris les aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère) et les dépôts (pluie, neige, grésil, etc.). À la suite de ce travail, nous avons proposé une méthodologie de collecte d'échantillons, de préparation, d'analyse qualitative et quantitative effectuée par la combinaison de méthodes analytiques, notamment la μ-FTIR (microscopie infrarouge à transformée de Fourier), la Py-GC-MS (pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) ou encore la NTA (analyse de suivi des nanoparticules), etc

Etude de la pollution environnementale par les micro- et nanoplastiques : échantillonnage atmosphérique, développement d'un modèle de plastique marqué, interaction avec des organismes vivants

The management and monitoring of plastic waste have become a major issue for our society. However, there is no single optimal method for the effective study and monitoring of plastic pollution. The objective of this thesis work was to explore new approaches to study the occurrences, fate, and behavior of micro- and nanoplastics in the environment. Thee vectors of investigation were combined in this work, including: i) the development of a methodology of sampling and analysis of MPs and NPs from the atmosphere; ii) the development of an environmentally relevant model of MPs and NPs, which could be used for ecotoxicological studies and iii) the study of its interaction with living microorganisms. Environmentally relevant models of micro- and nanoplastics of HDPE were obtained by top-down approach, by exposing bulk polymer material to mechanical grinding. Particles were labelled with background-free persistent luminescent probes such as UCNPs that allows their detection even in thick samples such as in a tissue or a small animal. Further, we used a developed model of plastic to study the interaction mechanism between MPs and green freshwater microalgae Chlorella vulgaris using atomic force microscopy (AFM) nano- and molecular scale experiments. This work revealed that a hydrophobic interaction between algae and microplastics was at the origin of the production of organic matter by algae, and that the latter played an important role in the aggregation phenomena of microalgae and microplastics. Otherwise, MPs and NPs from the atmosphere were collected on areas with different levels of human activity: from an area separated from human activities to a highly industrialized. Investigation of those areas included the collection of meteorological data and sampling of atmospheric samples including aerosols (suspended particles in the atmosphere) and deposition (rain, snow, sleet, etc.). As a result, we proposed a methodology for samples collection, preparation, qualitative and quantitative analysis performed by the combination of analytical methods including μ-FTIR (Fourier transform-infrared microscopy), Py-GC-MS (pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry), DLS (Dynamic Light Scattering), NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), etc.Le suivi et la gestion des déchets plastiques sont devenus un enjeu important pour nos sociétés. Cependant, il n'existe pas de méthode optimale unique pour l'étude et la surveillance efficaces de la contamination plastique. L'objectif de ce projet était d’explorer de nouvelles approches pour étudier l'origine, le devenir et le comportement de la matière plastique présente dans l’environnement. Trois axes d’investigation ont été combinés dans ce travail : i) le développement d’une méthodologie de collecte, d’échantillonnage et d’analyse de micro (MPs) et nanoparticules (NPs) de plastique provenant de l’atmosphère ; ii) le développement d’un modèle de MPs et de NPs pertinent pour l'environnement, qui pourrait être utilisé pour des études écotoxicologiques et iii) l’étude de son interaction avec les micro-organismes vivants. Un modèle pertinent de micro- et nanoplastiques de HDPE a ainsi été obtenu par une approche top-down, en exposant du matériau polymère brut à un broyage mécanique. Les particules ont été marquées avec des sondes luminescentes constituées de particules upconverting, qui permettent leur détection même dans des échantillons épais, comme dans un tissu ou un petit animal. Ce modèle de plastique a été ensuite utilisé pour étudier le mécanisme d'interaction entre les MPs et la microalgue verte d'eau douce Chlorella vulgaris en utilisant des expériences à l'échelle nanométrique et moléculaire par microscopie à force atomique (AFM). Ces travaux ont révélé qu'une interaction hydrophobe entre les algues et les microplastiques était à l'origine de la production de matière organique par les algues, et que cette dernière jouait un rôle important dans les phénomènes d'agrégation des microalgues et des microplastiques. Par ailleurs, des MPs et NPs de l'atmosphère ont été collectées sur des zones présentant différents niveaux d'activité humaine : d'une zone éloignée des activités humaines à une zone fortement industrialisée. L'étude de ces zones comprennait la collecte de données météorologiques et l'échantillonnage d'échantillons atmosphériques, y compris les aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère) et les dépôts (pluie, neige, grésil, etc.). À la suite de ce travail, nous avons proposé une méthodologie de collecte d'échantillons, de préparation, d'analyse qualitative et quantitative effectuée par la combinaison de méthodes analytiques, notamment la μ-FTIR (microscopie infrarouge à transformée de Fourier), la Py-GC-MS (pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) ou encore la NTA (analyse de suivi des nanoparticules), etc

Etude de la pollution environnementale par les micro- et nanoplastiques : échantillonnage atmosphérique, développement d'un modèle de plastique marqué, interaction avec des organismes vivants

The management and monitoring of plastic waste have become a major issue for our society. However, there is no single optimal method for the effective study and monitoring of plastic pollution. The objective of this thesis work was to explore new approaches to study the occurrences, fate, and behavior of micro- and nanoplastics in the environment. Thee vectors of investigation were combined in this work, including: i) the development of a methodology of sampling and analysis of MPs and NPs from the atmosphere; ii) the development of an environmentally relevant model of MPs and NPs, which could be used for ecotoxicological studies and iii) the study of its interaction with living microorganisms. Environmentally relevant models of micro- and nanoplastics of HDPE were obtained by top-down approach, by exposing bulk polymer material to mechanical grinding. Particles were labelled with background-free persistent luminescent probes such as UCNPs that allows their detection even in thick samples such as in a tissue or a small animal. Further, we used a developed model of plastic to study the interaction mechanism between MPs and green freshwater microalgae Chlorella vulgaris using atomic force microscopy (AFM) nano- and molecular scale experiments. This work revealed that a hydrophobic interaction between algae and microplastics was at the origin of the production of organic matter by algae, and that the latter played an important role in the aggregation phenomena of microalgae and microplastics. Otherwise, MPs and NPs from the atmosphere were collected on areas with different levels of human activity: from an area separated from human activities to a highly industrialized. Investigation of those areas included the collection of meteorological data and sampling of atmospheric samples including aerosols (suspended particles in the atmosphere) and deposition (rain, snow, sleet, etc.). As a result, we proposed a methodology for samples collection, preparation, qualitative and quantitative analysis performed by the combination of analytical methods including μ-FTIR (Fourier transform-infrared microscopy), Py-GC-MS (pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry), DLS (Dynamic Light Scattering), NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), etc.Le suivi et la gestion des déchets plastiques sont devenus un enjeu important pour nos sociétés. Cependant, il n'existe pas de méthode optimale unique pour l'étude et la surveillance efficaces de la contamination plastique. L'objectif de ce projet était d’explorer de nouvelles approches pour étudier l'origine, le devenir et le comportement de la matière plastique présente dans l’environnement. Trois axes d’investigation ont été combinés dans ce travail : i) le développement d’une méthodologie de collecte, d’échantillonnage et d’analyse de micro (MPs) et nanoparticules (NPs) de plastique provenant de l’atmosphère ; ii) le développement d’un modèle de MPs et de NPs pertinent pour l'environnement, qui pourrait être utilisé pour des études écotoxicologiques et iii) l’étude de son interaction avec les micro-organismes vivants. Un modèle pertinent de micro- et nanoplastiques de HDPE a ainsi été obtenu par une approche top-down, en exposant du matériau polymère brut à un broyage mécanique. Les particules ont été marquées avec des sondes luminescentes constituées de particules upconverting, qui permettent leur détection même dans des échantillons épais, comme dans un tissu ou un petit animal. Ce modèle de plastique a été ensuite utilisé pour étudier le mécanisme d'interaction entre les MPs et la microalgue verte d'eau douce Chlorella vulgaris en utilisant des expériences à l'échelle nanométrique et moléculaire par microscopie à force atomique (AFM). Ces travaux ont révélé qu'une interaction hydrophobe entre les algues et les microplastiques était à l'origine de la production de matière organique par les algues, et que cette dernière jouait un rôle important dans les phénomènes d'agrégation des microalgues et des microplastiques. Par ailleurs, des MPs et NPs de l'atmosphère ont été collectées sur des zones présentant différents niveaux d'activité humaine : d'une zone éloignée des activités humaines à une zone fortement industrialisée. L'étude de ces zones comprennait la collecte de données météorologiques et l'échantillonnage d'échantillons atmosphériques, y compris les aérosols (particules en suspension dans l'atmosphère) et les dépôts (pluie, neige, grésil, etc.). À la suite de ce travail, nous avons proposé une méthodologie de collecte d'échantillons, de préparation, d'analyse qualitative et quantitative effectuée par la combinaison de méthodes analytiques, notamment la μ-FTIR (microscopie infrarouge à transformée de Fourier), la Py-GC-MS (pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) ou encore la NTA (analyse de suivi des nanoparticules), etc

Emerging use thermo-analytical method coupled with mass spectrometry for the quantification of micro(nano)plastics in environmental samples

International audiencePlastic pollution is of major environmental concern. The impact of this pollution on the ecosystem is not fully understood mainly due to the lack of analytical methods to detect and quantify micro(nano)plastic. The use of mass spectrometry was initially not considered as technique of choice but a steady flow of recent publications show its promises. This review is giving a thorough state of the art on the use of thermal degradation-mass spectroscopy for the detection of micro(nano)plastics and points at technological issues that remain to be resolved. It is discussed the possibility to perform minimum sample purification which is a substantial advantage compare to existing methods. Matrix interferences are discussed with regards to the indicator compounds selected. Mass spectrometry development, like the use of high resolution, opens up promising perspectives to improve the method performances. Mass spectrometry will be a major tool in this domain in the near future

The role of microplastics in microalgae cells aggregation: a study at the molecular scale using atomic force microscopy

International audiencePlastic pollution has become a significant concern in aquatic ecosystems, where photosynthetic microorganisms such as microalgae represent a major point of entry in the food chain. For this reason an important challenge is to better understand the consequences of plastic pollution on microalgae and the mechanisms underlying the interaction between plastic particles and cell's interfaces. In this study, to answer such questions, we developed an interdisciplinary approach to investigate the role of plastic microparticles in the aggregation of a freshwater microalgae species, Chlorella vulgaris. First, the biophysical characterization, using atomic force microscopy, of the synthetic plastic microparticles used showed that they have in fact similar properties than the ones found in the environment, with a rough, irregular and hydrophobic surface, thereby making them a relevant model. Then a combination of optical imaging and separation experiments showed that the presence of plastic particles in microalgae cultures induced the production of exopolysaccharides (EPS) by the cells, responsible for their aggregation. However, cells that were not cultured with plastic particles could also form aggregates when exposed to the particles after culture. To understand this, advanced single-cell force spectroscopy experiments were performed to probe the interactions between cells and plastic microparticles; the results showed that cells could directly interact with plastic particles through hydrophobic interactions. In conclusion, our experimental approach allowed highlighting the two mechanisms by which plastic microparticles trigger cell aggregation; by direct contact or by inducing the production of EPS by the cells. Because these microalgae aggregates containing plastic are then consumed by bigger animals, these results are important to understand the consequences of plastic pollution on a large scale

Top-down synthesis of luminescent microplastics and nanoplastics by incorporation of upconverting nanoparticles for environmental assessment

International audiencePolyethylene model particle is synthesized by a top-down approach with effective incorporation of upconverting nanoparticles. The particles with irregular shapes, similar to those found in the environment, are trackable under 980 nm irradiation

Top-Down Synthesis of Luminescent Microplastics and Nanoplastics by Incorporation of Upconverting Nanoparticles for Environmental Assessment

The occurrence of micro- and nanoplastics is a major environmental problem. Especially for nanoplastics due to their easy bioavailability and unknown impact on living organisms. The monitoring of these extremely small particles during their ingestion, tissue translocation and transfer through the trophic chain remains very challenging. This study aims to develop an environmentally relevant model of luminescent micro- and nanoplastics. First, lanthanide-based upconverting nanophosphors (20 nm) were incorporated in bulk polyethylene without modification of the polymer structure or morphology. Second, micrometric and nanometric particles were obtained after powdering. Two fractions were obtained with cascade filtration with average sizes of 5 µm and 150 nm and characterized in terms of size distribution, morphology and surface charge. The particles are very polydisperse with an irregular shape and a global negative charge; they exhibit morphological characteristics similar to those formed in the environment. Their luminescent properties upon NIR excitation at 980 nm open the possibility to track them in the tissues of organisms. The powdering method is very simple and compatible with many polymers pure or formulated. As a perspective, the use of weathered materials is possible with the proposed method and will allow the preparation of particles sharing additional properties with environmental micro- and nanoplastics

A mass budget and box model of global plastics cycling, degradation and dispersal in the land-ocean-atmosphere system

International audienceSince 1950 humans have introduced 8300 teragrams (Tg, 10 12 g, millions of metric tons) of plastic polymers into the Earth’s surface environment. Accounting for the dispersal and fate of produced plastics and fragmented microplastics in the environment has been challenging. Recent studies have fueled debate on the global river budget for plastic transport to oceans, the sinking and beaching of marine plastics and the emission and deposition of atmospheric microplastics. Here we define a global plastics cycle and budget, and develop a box model of plastics cycling, including the fragmentation and transport of large and small microplastics (LMP, SMP) within coupled terrestrial, oceanic and atmospheric reservoirs. We force the model with historical plastics production and waste data, and explore how macroplastics, LMP and SMP propagate through the reservoirs from 1950 to 2015 and beyond. We find that considerable amounts of plastics reside most likely in the deep ocean (82 Tg), in shelf sediments (116 Tg), on beaches (1.8 Tg) and, as a result of marine emissions, in the remote terrestrial surface pool (28 Tg). Business as usual or maximum feasible reduction and discard scenarios show similar, 4-fold increases in atmospheric and aquatic ecosystem SMP exposure by 2050, because future plastics mobilization is controlled by releases from the large terrestrial discarded plastics reservoir (3500 Tg). Zero-release from 2025 onwards illustrates recovery of P and LMP reservoirs on centennial time scales, while SMP continue to cycle in air, soil, and surface ocean for millennia. Limiting dramatic future dispersal of plastics requires, in addition to reducing use and waste, remediation of the large terrestrial legacy plastics pool

A mass budget and box model of global plastics cycling, degradation and dispersal in the land-ocean-atmosphere system

International audienceSince 1950 humans have introduced 8300 teragrams (Tg, 10 12 g, millions of metric tons) of plastic polymers into the Earth’s surface environment. Accounting for the dispersal and fate of produced plastics and fragmented microplastics in the environment has been challenging. Recent studies have fueled debate on the global river budget for plastic transport to oceans, the sinking and beaching of marine plastics and the emission and deposition of atmospheric microplastics. Here we define a global plastics cycle and budget, and develop a box model of plastics cycling, including the fragmentation and transport of large and small microplastics (LMP, SMP) within coupled terrestrial, oceanic and atmospheric reservoirs. We force the model with historical plastics production and waste data, and explore how macroplastics, LMP and SMP propagate through the reservoirs from 1950 to 2015 and beyond. We find that considerable amounts of plastics reside most likely in the deep ocean (82 Tg), in shelf sediments (116 Tg), on beaches (1.8 Tg) and, as a result of marine emissions, in the remote terrestrial surface pool (28 Tg). Business as usual or maximum feasible reduction and discard scenarios show similar, 4-fold increases in atmospheric and aquatic ecosystem SMP exposure by 2050, because future plastics mobilization is controlled by releases from the large terrestrial discarded plastics reservoir (3500 Tg). Zero-release from 2025 onwards illustrates recovery of P and LMP reservoirs on centennial time scales, while SMP continue to cycle in air, soil, and surface ocean for millennia. Limiting dramatic future dispersal of plastics requires, in addition to reducing use and waste, remediation of the large terrestrial legacy plastics pool