Une étude menée par des membres de l’équipe Ecorc’Air apporte une contribution novatrice pour l’analyse des nanoparticules contenues dans les échantillons d’écorce. Dans le cadre de ses travaux de thèse, Sophie Coural a mis en place une méthode qui permet de dégrader la matière organique de l’écorce, tout en évaluant l’impact de cette dégradation sur les nanoparticules.

Les nanoparticules, aussi appelées particules ultra-fines, sont des particules de très petite taille (inférieure à 0,1 micromètre, soit 100 nanomètres). Elles sont émises par différentes sources, notamment d’origine humaine, telles que le trafic routier avec les émissions d’échappement, l’abrasion des freins et des pneus, les activités industrielles, la combustion domestique ou encore l’érosion des bâtiments. Leur rejet dans l’atmosphère est estimé entre 1 et 10 millions de tonnes par an. Elles peuvent être composées entre autres d’oxyde de fer (Fe3O4), de dioxyde de titane (TiO2), de dioxyde de manganèse (MnO2) ou encore d’oxyde de cuivre (CuO).

Ces polluants se dispersent et peuvent s’accumuler dans les sols et l’eau, impactant les écosystèmes et les chaînes alimentaires. Leur très petite taille leur permet aussi de pénétrer profondément dans les organismes, traversant les barrières biologiques et pouvant atteindre des organes vitaux tels que les poumons, le cerveau ou le foie. Elles endommagent les cellules et augmentent les risques de maladies cardiovasculaires et maladies chroniques.

Les différents risques liés aux nanoparticules, qu’ils soient environnementaux ou sanitaires, dépendent de leur composition chimique, de leur quantité et de leur taille. Une meilleure connaissance de ces nanoparticules et de leur présence dans notre environnement est donc essentielle pour caractériser notre exposition et mieux prendre en compte les risques associés.

Cartographier l’exposition d’une population aux nanoparticules n’est pourtant pas simple. Cela nécessite de très nombreux échantillons, largement répartis dans l’espace. L’utilisation de biocapteurs tels que l’écorce d’arbre, à l’image du programme Ecorc’Air, devient alors particulièrement intéressante. Les nanoparticules relâchées dans l’air se déposent sur les arbres, comme les platanes, très présents dans les villes. Le renouvellement de leur écorce chaque année permet des prélèvements sans aucun préjudice à l’arbre. La collecte de morceaux d’écorce permet ainsi d’obtenir de nombreux points avec une large répartition géographique en milieu urbain. 

Jusque-là, dans le cadre d’Ecorc’Air, seule la susceptibilité magnétique, c’est-à-dire la faculté d’un matériau à s’aimanter, était mesurée sur les échantillons. Cette valeur permet de déduire la quantité de particules métalliques présentes dans l’écorce, mais ne donne aucune information sur la taille ou le type de particules et elle exclut celles qui n’ont pas de propriétés magnétiques. Pourtant, la connaissance de la composition chimique de ces nanoparticules et de leur concentration dans les échantillons d’écorce pourrait permettre de réaliser des cartes détaillées de leur présence sur un territoire urbain. 

Différentes méthodes d’analyse chimique existent afin d’obtenir ces informations, mais elles requièrent une condition particulière : les nanoparticules à analyser doivent être séparées de l’écorce dans laquelle elles sont logées. Pour cela, la matière organique qui compose les échantillons d’écorce doit être totalement dégradée, sans altérer les nanoparticules ce qui fausserait les analyses.

L’écorce d’arbre est un matériau particulièrement complexe à dégrader, du fait de sa composition. Elle est en partie composée de lignine qui lie les cellules entre elles, formant des structures complexes. Différentes méthodes existent pour dégrader efficacement l’écorce, mais toutes n’ont pas les mêmes effets sur les nanoparticules. Afin de pouvoir les analyser, il est impératif que leurs propriétés physicochimiques soient préservées. 

Deux méthodes ont été comparées, testées sur des échantillons d’écorce non polluée, artificiellement enrichis en nanoparticules synthétiques, afin de reproduire les conditions réelles des échantillons urbains. Cet ajout contrôlé permet de connaître précisément la composition et la quantité initiale de nanoparticules avant dégradation. Pour chacune des méthodes, l’efficacité de la dégradation de l’écorce et la préservation des nanoparticules ont été évaluées.

La première méthode testée est une digestion chimique de l’écorce par un solvant alcalin, le TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium), qui désintègre les liaisons de la matière organique pour la dissoudre. Cette méthode a entraîné une perte de 27 % de la masse sèche de l’écorce. Cependant, elle a partiellement dissous les nanoparticules d’oxyde de fer et provoqué l’agglomération des nanoparticules d’oxyde de cuivre.  Un tel effet sur les nanoparticules fausserait les résultats des analyses.

La seconde méthode repose sur l’oxydation de la matière organique grâce au plasma d’oxygène (O2) : un gaz qui génère des atomes d’oxygène très réactifs qui oxydent et transforment la matière organique en gaz (CO2 et H2O). Avec cette méthode, 89 % de la masse sèche de l’écorce a été éliminée. Bien que les nanoparticules d’oxyde de titane et d’oxyde d’aluminium soient restées intactes, celles d’oxyde de fer, d’oxyde de cuivre et d’oxyde de manganèse ont été partiellement ou totalement dissoutes.

L’utilisation du plasma d’oxygène semble donc être la méthode la plus efficace pour dégrader l’écorce, mais les deux méthodes ont un impact sur différentes particules. Le résultat de cette comparaison souligne la nécessité d’un protocole de dégradation plus sélectif, prenant en compte les propriétés physicochimiques des nanoparticules ciblées, afin de les préserver.

Bien que le protocole de dégradation de l’écorce nécessite encore des ajustements, le développement de cette méthode  novatrice ouvre la voie pour de futures études sur l’extraction de nanoparticules retenues dans une matière biologique comme l’écorce de platane. Dans le cadre du projet NanoMap, cette méthode a déjà contribué à l’établissement d’un protocole d’analyse plus poussé sur les échantillons collectés par les volontaires, qui permettra d’obtenir plus d’informations sur les nanoparticules détectées. 

À plus large échelle, les tests réalisés dans les conditions de l’environnement urbain rendent cette étude particulièrement pertinente pour l'élaboration de stratégies de surveillance plus fines de la persistance et de la toxicité des nanoparticules dans l’environnement, un enjeu sanitaire et écologique crucial.