Tracer les nanoparticules de dioxyde de titane dans l’environnement

L’abondance de nanoparticules de dioxyde de titane dans l’environnement provenant des activités humaines pourrait constituer un problème environnemental potentiel. Pour identifier et distinguer les nanoparticules de dioxyde de titane de sources naturelles et d’origine anthropique, des techniques synchrotron ont été utilisées pour caractériser les nanoparticules dans des boues de station d’épuration et dans un sol agricole.


Les nanoparticules de dioxyde de titane sont l’un des nanomatériaux les plus couramment produits dans le monde. Ils sont présents dans de nombreux produits de consommation courante, comme les crèmes solaires, les textiles, les produits alimentaires, etc. Après utilisation, une grande partie du TiO2 se retrouve dans les eaux usées, puis dans les boues d’épuration, et finalement dans les sols agricoles. Une condition préalable à l’évaluation des risques est de pouvoir distinguer cet apport anthropique de TiO2 du fond géochimique généralement élevé. En outre, les modèles actuels de flux de nanomatériaux dans les compartiments de l’environnement comportent de grandes incertitudes. Le suivi sur le terrain de ces flux permettrait d’affiner les modèles et la quantification des apports anthropiques réels. Enfin, des informations sur la composition et la structure des nanomatériaux naturels et anthropiques pourraient aider à l’interprétation des données de toxicité.

Dans le cadre du LabEx SERENADE et avec le concours de la plateforme nanoID (EquipEx), une équipe composée de scientifiques de l’Institut des Sciences de la Terre (ISTerre/OSUG, CNRS / UGA / IRD / IFSTTAR / USMB), de l’ESRF, du Particle Laboratory - Eawag et d’ECOLAB a évalué le potentiel de techniques physiques (micro et nano fluorescence X (XRF), spectroscopie d’absorption des rayons X (XANES), diffraction des rayons X (DRX) et microscopie électronique en transmission couplée à la microanalyse (TEM-EDX)) pour distinguer les particules naturelles des particules anthropiques. Trois matrices ont été comparées : une boue d’épuration, un sol agricole n’ayant jamais reçu de boues d’épuration, et le même sol amendé par la boue.

La distribution granulométrique des particules de TiO2 a été déterminée par l’analyse des images de nanoXRF. Le sol et la boue présentaient tous les deux une large distribution en taille, incluant des nanoparticules et de microparticules. L’anatase et les rutile, deux polymorphes du TiO2, sont les deux principales formes de Ti dans le sol et la boue. Ces deux polymorphes ont des toxicités différentes. La proportion d’anatase et rutile dans les boues est donc une information importante, qui permet d’estimer indirectement les proportions globales de rutile et d’anatase utilisées dans l’industrie et libérées dans l’environnement. Une forme amorphe de TiO2 a également été détectée comme espèce minoritaire dans le sol et dans les boues par µXANES. La combinaison des données µXRF et µXANES a montré qu’il n’y avait pas de relation entre la taille des agrégats et la spéciation du Ti. Enfin, la morphologie des cristaux observés par TEM-EDX et le statut des particules de TiO2 au sein des agrégats organo-minéraux sont des critères pertinents pour distinguer le TiO2 naturel du TiO2 anthropique. Dans les boues, des particules lisses typiques des pigments de TiO2 ont été mises en évidence (Figure 1c), alors que le sol contenait des particules rugueuses et irrégulières de TiO2 (figure 1e). De plus, les particules de TiO2 présentes dans les boues étaient présentes sous forme d’agrégats faiblement évolués, dominés par la matière organique (Figure 1a-b et Figure 2a-b), alors que dans le sol elles étaient incluses dans les micro- et macroagrégats organo-minéraux, qui forment la brique élémentaire des sols (Figure 1d-e et Figure 2c-d).

Bien que les phases de TiO2 soient généralement considérées comme très faiblement solubles, elles subissent des altérations et des transformations dans les sols acides ou dans la rhizosphère [1]. Ainsi, les différences observées dans la morphologie des particules sont susceptibles de s’atténuer avec le temps en raison de l’altération des minéraux de TiO2. De même, la formation d’agrégats du sol est un processus dynamique et continu, même s’il est lent (de l’ordre de plusieurs décennies). Le TiO2 anthropique est donc susceptible de s’incorporer progressivement dans les assemblages organo-minéraux du sol. Il est probable qu’avec le temps, le TiO2 anthropique devienne impossible à distinguer du fond géochimique naturel des sols.

Figure 1. TEM analyses of the TiO2 particles present in sludge (a–c) and soil (d–e). (f) Energy-dispersive X-ray microanalysis of the zones highlighted in (c) and (e).
Figure 2. Tricolour μXRF maps for sewage sludge (a,b) and for sludge-amended soil (c,d), showing the distribution of Ti, S, Ca, Al and Si.

Source

Searching for relevant criteria to distinguish natural vs. anthropogenic TiO2 nanoparticles in soils, A.E. Pradas del Real (a,b), H. Castillo-Michel (b), R. Kaegi (c), C. Larue (d), W. de Nolf (b), J. Reyes-Herrera (b), R. Tucoulou (b), N. Findling (a), E. Salas-Colera (b) and G. Sarret (a), Environ. Sci. : Nano 5, 2853- 2863 (2018) ; doi : 10.1039/c8en00386f.

(a) ISTerre (Institut des Sciences de la Terre), Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble (France)
(b) ESRF
(c) Eawag, Particle Laboratory, Dübendorf (Switzerland)
(d) ECOLAB, Universite de Toulouse, CNRS, INPT, UPS, Toulouse (France)

Contact scientifique local

- Géraldine Sarret, ISTerre/OSUG | geraldine.sarret univ-grenoble-alpes.fr

Cet article a été publié par

- The european synchrotron (ESRF)

[1M. Schindler and M.F. Hochella, Geology, 44, 515–518 (2016).