Pollution par le plastique Les microplastiques génèrent des radicaux potentiellement nocifs dans l'eau

Des chercheurs de l'université Columbia et de l'université de Californie à Berkeley ont découvert que les microplastiques peuvent générer des espèces réactives de l'oxygène lorsqu'ils interagissent avec l'eau. Cette étude met en évidence un mécanisme chimique qui pourrait aider à expliquer comment les particules de plastique contribuent à causer des dommages biologiques.

Les plastiques sont censés être chimiquement inertes. C’est la raison pour laquelle ils sont si souvent utilisés pour emballer les aliments, mettre l’eau en bouteille et fabriquer des jouets pour enfants : ils sont sans danger. Mais un phénomène important se produit lorsqu’un gros morceau de plastique se fragmente en micro- et nanoparticules. Sa surface augmente considérablement par rapport à son volume. Une quantité bien plus importante de matière est alors exposée à son environnement.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'université de Columbia et de l'université de Californie à Berkeley a révélé que cette surface nouvellement créée n'est pas nécessairement sans danger, et a mis en évidence les raisons chimiques qui expliquent ce phénomène.

La fragmentation crée des surfaces chimiquement actives

« À mesure que le plastique se fragmente en particules de plus en plus petites, sa surface augmente considérablement. Les microplastiques modifient alors l’eau qui les entoure, générant des radicaux réactifs à haute énergie (espèces réactives de l’oxygène, ou ROS) qui contribuent très probablement aux dommages biologiques que l’on observe chez les animaux et potentiellement chez l’homme à la suite d’une exposition aux microplastiques », a déclaré Wei Min, professeur de chimie et de génie biomédical à l’université Columbia.

Ces travaux remettent en cause l'idée reçue selon laquelle les microplastiques seraient essentiellement des fragments passifs de matière inerte, et contribuent à mieux comprendre pourquoi la présence à grande échelle de microplastiques est préoccupante. Ces recherches ont été publiées aujourd'hui dans la revue Nature.

Ce phénomène est particulièrement préoccupant pour la santé humaine, car le sang humain est en grande partie composé d'eau. Ces nouvelles recherches suggèrent que les microplastiques qui pénètrent dans la circulation sanguine ou dans les cellules pourraient rester chimiquement actifs dans cet environnement biologique riche en eau.

Des recherches antérieures avaient mis en évidence l'ampleur de l'exposition aux nanoplastiques

Le groupe de Min, à l'université de Columbia, a également mené une étude en 2024 qui a permis de mettre au point une technologie de microscopie laser et de constater qu'en moyenne, un litre d'eau en bouteille contenait quelque 240 000 fragments de plastique détectables (principalement des nanoplastiques, c'est-à-dire des particules de plastique de taille nanométrique) — soit 10 à 100 fois plus de fragments que ce qui avait été estimé auparavant. Cette étude a conduit à une prise de conscience croissante de la présence de microplastiques et de nanoplastiques dans l'ensemble du système alimentaire.

Les recherches menées en 2024 par ce groupe sur les nanoplastiques ont suscité un vif intérêt médiatique, et la lutte contre les microplastiques est devenue une priorité de santé publique. Cette année, le gouvernement fédéral américain a lancé un programme de 144 millions de dollars visant à lutter contre les microplastiques toxiques présents dans le corps humain. L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) a également récemment ajouté les microplastiques à une liste fédérale de contaminants susceptibles de présenter un risque pour l'eau potable ; c'est la première fois que les microplastiques figurent sur cette liste.

Des recherches ultérieures publiées dans des revues prestigieuses telles que le *New England Journal of Medicine*, *Nature Medicine* et *Nature Health* ont mis en évidence des liens entre l'exposition aux microplastiques et aux nanoplastiques et les crises cardiaques, les AVC, la démence et les tumeurs cérébrales. Cependant, compte tenu de leur inertie supposée, le mécanisme par lequel les microplastiques pourraient contribuer à ces maladies restait flou.

Cette nouvelle étude met en évidence un mécanisme jusqu'alors négligé qui pourrait contribuer à combler cette lacune.

L'eau joue un rôle actif dans la formation des radicaux

« Nos recherches ont montré que lorsque les microplastiques interagissent avec l’eau, comme c’est le cas lorsqu’ils se trouvent dans l’eau en bouteille ou lorsqu’ils sont absorbés dans notre circulation sanguine, ils génèrent spontanément ce que nous appelons des espèces réactives de l’oxygène (ERO) », a déclaré Naixin Qian, chercheuse postdoctorale au sein du laboratoire de Wei Min, qui a contribué à diriger ces recherches. « Les ROS sont des exemples typiques de molécules susceptibles d’endommager les tissus animaux et humains. »

« L'eau joue ici un rôle actif essentiel, et n'est pas un simple spectateur. Elle est indispensable pour rendre ces microplastiques réactifs. Les molécules d’eau deviennent chimiquement actives lorsqu’elles entrent en contact avec le plastique, qui est hydrophobe. Le contact entre l’eau et le plastique crée un environnement qui facilite le transfert d’électrons et la formation de radicaux réactifs. Lorsque les plastiques se fragmentent en particules plus petites, leur rapport surface/volume croissant génère davantage de ces zones chimiquement actives », a déclaré Min.

Des simulations expliquent les réactions à l'interface plastique-eau

L'équipe de Columbia a mené les expériences chimiques et biologiques, tandis que les collaborateurs du laboratoire de la professeure Teresa Head-Gordon, à l'université de Californie à Berkeley, ont réalisé des calculs théoriques et des simulations dynamiques afin de déterminer comment les microplastiques interagissaient avec l'eau.

Le laboratoire de Head-Gordon a mis au point la théorie selon laquelle les ions hydroxyde, qui sont acheminés vers les couches d'eau immédiates proches de l'interface hydrophobe des microplastiques, peuvent plus facilement céder leur électron pour former des radicaux hydroxyles.

Ces résultats pourraient déboucher sur des évolutions dans la chimie des plastiques

« Nos travaux fondamentaux, qui montrent que les microplastiques les plus hydrophobes, lorsqu’ils interagissent avec l’eau, peuvent induire une réactivité chimique, pourraient à terme déboucher sur de nouvelles solutions techniques en repensant la composition chimique de ces plastiques de grande consommation afin de réduire leurs effets toxiques sur la santé et l’environnement », a déclaré Head-Gordon.

« Ces travaux ont des implications importantes pour l’environnement et la santé humaine », a déclaré le coauteur Beizhan Yan, de l’Observatoire terrestre Lamont-Doherty. « Dans certains environnements, tels que les rejets des fabricants de plastique et des laveries automatiques, des microplastiques peuvent se former et se retrouver dans les milieux aquatiques. Ces travaux indiquent également que des radicaux peuvent se former sur les surfaces plastiques hydrophobes en milieu aquatique, ce qui pourrait avoir des répercussions sur les écosystèmes et la santé humaine en cas d’exposition. De plus, diverses utilisations et processus de notre vie quotidienne peuvent générer des microplastiques, notamment le chauffage au micro-ondes ou l’exposition au soleil des bouteilles d’eau pendant leur stockage. Ces travaux fondamentaux ouvrent une voie potentielle pour comprendre leurs impacts sur la santé. »