EXPÉDITION SCIENTIFIQUE DU 20/09 AU 15/10/2019
POLLUTION DU CYCLE DE L’EAU
PAR LES NANO et MICRO PARTICULES PLASTIQUE
Cette expédition est destinée à mesurer la présence de plastiques à différentes profondeurs dans la colonne d’eau et dans l’air au-dessus de la surface de la mer, afin de mieux appréhender leurs conditions de transport dans les milieux naturels.
Le bateau 7e Continent embarque une équipe de scientifiques du CNRS pour analyser la zone d’accumulation des déchets plastique. Plusieurs phénomènes seront étudiés tels que la répartition des micro et nano plastiques dans la colonne d’eau, comment les micro et nano plastiques interagissent avec les organismes ou encore la manière dont le plastique peut s’inscrire dans le cycle de l’eau.
Après la tournée pédagogique, « Protéger l’Océan ça s’apprend », à destination des vacanciers sur la côte Atlantique, Citeo soutient l’expédition scientifique menée par Expédition 7e Continent et le CNRS entre le 20 Septembre et le 15 Octobre 2019 en Méditerranée.
L’acquisition de connaissances et le soutien à la Recherche & Développement contribueront à mieux guider les choix de conception et de production des produits plastiques, et en particulier des emballages plastiques.
Pour Francois Lambert, président d’Expédition 7e Continent et Patrick Deixonne, explorateur et fondateur de l’association «Ce partenariat avec Citeo alimente les 2 piliers de l’association : Éducation et Recherche scientifique, améliorant la connaissance de la pollution des mers par le plastique et permettant la prise de conscience du grand public en coordonnant les savoir-faire scientifiques, pédagogiques, médiatiques, structurés autour d’expéditions maritimes. Citeo rejoint ainsi le cercle des partenaires principaux dont Suez, Air Liquide, la Fondation IRIS.»
Les chercheurs du CNRS ont identifié une zone en Méditerranée où les concentrations de plastique sont comparables à la zone d’accumulation en Atlantique. Le protocole expérimental déployé sera aussi complet dans cette zone que dans l’Atlantique.
ÉQUIPE SCIENTIFIQUE
Les chercheurs impliqués dans les projets ont déjà collaboré et publié ensemble. Chaque chercheur impliqué est un spécialiste dans son domaine et apporte un savoir‐faire essentiel au groupe de recherches. Alexandra Ter Halle du Laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique de Toulouse (IMRCP), responsable du volet sciences d’Expédition 7e Continent possède une grande expérience dans l’impact environnemental des micro-‐plastiques (de l’échantillonnage à la caractérisation). Yann Ourmières de l’Institut Méditerranéen d’Océanologie (MIO) est impliqué́ dans la pollution plastique depuis plus de dix ans. Jean François Ghiglione Directeur de recherche CNRS Laboratoire d’Océanographie Microbienne (LOMIC) est spécialisé en écotoxicologie microbienne marine. Boris Eyheraguibel et Pierre Amato, respectivement spécialiste de la biodégradation des plastiques par les micro-organismes et spécialiste des bactéries dans l’atmosphère, font tous les deux parties de l’Institut de Chimie de Clermont Ferrand (ICCF). Ils travaillent sur la présence des plastiques dans l’atmosphère. Matthieu Mercier de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) étudie la dynamique des particules flottantes dans un fluide. Enfin, Isabelle Calves de la société Plastic@Sea est spécialisée en biodégradabilité et toxicité des plastiques.
ÉTAT DE L’ART ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES
Le plastique est conçu pour résister. Aucun des plastiques couramment utilisés n’est biodégradable et a tendance à s’accumuler une fois rejeté dans l’environnement, ils persistent pendant des années, voire plus. Les débris de plastique, sous l’effet de la lumière solaire et des forces mécaniques sont oxydés et fragmentés en morceaux de plus en plus petits jusqu’à atteindre l’échelle nanométrique.
La présence de microplastiques (1-‐5 mm) a été documentée dans un certain nombre d’endroits sur Terre, mais il existe un fossé fondamental entre les connaissances scientifiques et technologiques et la présence de plus petits débris. La petite occurrence microplastique (25 μm -‐ 1000 μm) est très peu documentée. La présence de nanoplastiques (1-‐1000 nm) dans les matrices environnementales, à ce jour, n’est documentée dans aucune publication référencée.
Les modèles de circulation océanique, paramétrés sur des concentrations in situ des microplastiques (1-‐5 mm), permettent d’estimer que les charges plastiques globales à la surface de la mer sont comprises entre 93000 et 236 000 tonnes métriques. Alors que les estimations annuelles des intrants plastiques sont exprimées en millions de tonnes métriques. Cet énorme fossé met en évidence notre manque critique de connaissances sur l’abondance et la distribution du microplastique dans les océans du monde ainsi que sur son destin. Aborder la question de l’impact écologique des débris marins nécessite de réels progrès dans ce domaine. En conséquence, ni la communauté scientifique ni les agences sanitaires n’ont suffisamment de données pour évaluer l’impact potentiel de cette pollution sur les écosystèmes ou sur la santé humaine.
L’objectif du projet est d’étudier les mécanismes fondamentaux du transport, de la fragmentation des particules plastiques microscopiques et deleur interaction avec l’habitat naturel en mer.
PROJET
Le présent projet s’inscrit pleinement dans la «Gestion des ressources et de l’adaptation au changement climatique: vers une compréhension du changement global». À notre avis, la pollution plastique est emblématique de «cette nouvelle ère anthropocène».
Notre approche correspond à la nécessité de développer les connaissances fondamentales sur les processus àl’originedeschangementsetd’appréhenderleursconséquenceslocalesourégionalessurlesressourceset les systèmes, les sociétés et les activités humaines, que celles qui reposent sur les services écosystémiques.
Le projet répond aux questionnements du sous terrain: «caractériser les processus, mieux caractériser et réduire les biais et les incertitudes des modèles», les circulations océaniques, le couplage océan-‐ atmosphère, la biogéochimie marine, les flux et mécanismes dissipatifs, les phénomènes non linéaires ou chaotiques, les échelons d’échelles et d’espaces, les télé-‐connexions, les interfaces entre milieux, les grands cycles de l’eau, du carbone, »
ORGANISATION
La compréhension du devenir des débris plastiques en mer et des mécanismes impliqués nécessite une caractérisation détaillée de la zone échantillonnée en termes de chimie, de biologie et de courantologie. L’approche, innovante à bien des égards, repose sur une coopération pluridisciplinaire (chimie, océanographie biologique et physique, écologie ).
La stratégie du projet s’articule comme suit dans 8 lots de travaux :
Échantillonnage sur le terrain à bord du voilier Septième Continent. La spécificité et l’originalité du projet sont la détection et la quantification de très petites particules plastiques. Les deux campagnes précédentes dans le gyre subtropical de l’Atlantique Nord (2014 et 2015) nous ont permis de développer ces méthodes d’échantillonnage spécifiques. Il est important de noter que les microplastiques de la taille d’un millimètre peuvent flotter à la surface. D’autre part, les particules micrométriques et nanométriques sont moins flottantes et sont donc susceptibles d’être réparties dans toute la colonne d’eau. Nous prévoyons donc d’échantillonner le long des 100 premiers mètres.
Au cours de la dernière campagne, nous avons également démontré l’hétérogénéité de la distribution des microplastiques à la surface de la mer dans la zone d’accumulation. Nous avons rationalisé le phénomène en ce qui concerne la circulation océanique et en particulier les tourbillons à méso-‐échelle (environ 150-‐200 km de large). Nous prévoyons d’échantillonner un tourbillon cyclonique et un tourbillon anticyclonique. Comme les anticyclones sont généralement des puits de forage, les microplastiques seraient-‐ils plus abondants à plus grande profondeur, en particulier au cœur des tourbillons où la vitesse géostrophique est localement maximale à une certaine profondeur?
Caractérisation physico-‐chimique des débris plastiques et compréhension de l’altération et de la fragmentation des plastiques. Comme déjà mentionné le point fort de ce projet est la détection des particules de plastique jusqu’au nanomètre. Microplastique MP (1 -‐ 5mm) Les débris microplastiques seront caractérisés par infrarouge au laboratoire d’interactions moléculaires et de réactivité chimique et photochimique (IMRCP). Les petits microplastiques, SM (25 μm-‐1000 μm), seront caractérisés par microscopie infrarouge. Les particules nanométriques, NP (<1000 nm) seront caractérisées au Laboratoire Géosciences Rennes (GR) après concentration par ultrafiltration et ultracentrifugation séquentielle couplée à des méthodes combinant des techniques de séparation d’analytes nanométriques avec différentes techniques de détection (pyrolyse-‐chromatographie en phase gazeuse-‐spectrométrie de masse, haute résolution spectrométrie de masse, UV / visible, fluorescence, diffusion de la lumière, potentiel zêta).
Compréhension de l’altération et de la fragmentation des plastiques Cet ensemble de données primaires sur l’abondance relative de SM et de NP en mer fournira des informations pour la compréhension de la fragmentation plastique (taux, mécanismes impliqués). Nous avons initié cette approche avec les trois articles actuels3, 5, 6. Dans des conditions de laboratoire, les recherches seront menées pour comprendre l’équilibre qui régit la formation et la transformation de SM et NP.
La caractérisation du zooplancton est entreprise parce que la présence de plastiques dans cet environnement pourrait interférer avec les cycles de vie de certains organismes, favoriser le développement des juvéniles et fournir une plus grande zone de colonisation. Lorsqu’ils sont ingérés, les microplastiques peuvent également interférer avec la survie de certains organismes. La caractérisation du neuston sera réalisée par microscopie binoculaire et le plastique ingéré par le zooplancton sera étudié par chromatographie en phase gazeuse-‐pyrolyse-‐spectrométrie de masse.
La caractérisation physico-‐chimique de la colonne d’eau complétera les données concernant les structures hydrodynamiques de surface et décrira l’état nutritionnel de la zone observée. La température et la salinité dans toute la colonne d’eau seront mesurées à l’aide d’un capteur CTD (Conductivity, Temperature Profth), parallèlement aux profils verticaux des flacons d’échantillonnage Niskin pour mesurer les nutriments (nitrates NO3-‐, nitrites NO2, phosphore inorganique PO4 et inorganiques silicium SiO2).
La caractérisation du bactérioplancton et du phytoplancton. Une analyse cytométrique sera effectuée pour déterminer l’abondance du bactérioplancton, du picophytoplancton (<3 μm) et du nanophytoplancton (3-‐20 μm) 7 tandis que des groupes fonctionnels distincts de la communauté phytoplanctonique seront caractérisés à l’aide de pigments biomarqueurs par HPLC 8, 9.
Caractérisation de la plastisphère. Nous étudierons la biodiversité microbienne (eucaryotes, bactéries et Archaea) à la surface des microplastiques par coagulation métabarique (PCR + séquençage haut débit d’un marqueur phylogénétique). Ce travail a été initié lors des deux campagnes précédentes10. Nous ciblerons les gènes codants pour L’ARN 16S et 18S ainsi que les transcrits (c’est-‐à-‐dire l’ARN) pour déterminer les populations microbiennes actives.
La modélisation des données à l’Institut méditerranéen d’océanographie (MIO) complètera les mesures in situ. Toutes les données expérimentales (biologiques, physiques et chimiques) seront intégrées à la circulation océanique dans cette approche. Les taux de fragmentation des débris plastiques ainsi que leur flottabilité par rapport à chaque catégorie de taille seront intégrés numériquement dans la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-‐échelle explorés.