Evaluation de l'impact des activités urbaines sur le transfert de microplastiques dans le l'atmosphère et leur infiltration dans les sols

Contributing to the assessment of the impact of urban activities on microplastic transport through air and runoff infiltration

• Auteur / Autrice : Max Beaurepaire
• Direction : Bruno Tassin, Johnny Gasperi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe SIE

Mots clés

Mots clés libres

Microplastiques

Systèmes urbains

Atmosphère

Sols

Gestion à la source

Ruissellement

Microplastics

Urban systems

Atmosphere

Soil

Suds

Runoff

Résumé

Depuis le début de leur production industrielle dans les années 50, la production de plastiques a augmenté de façon exponentielle, pour atteindre 348 Mt au cours de l'année 2017. Une fraction encore mal évaluée de ces plastiques échappe aux circuits normaux de production, distribution, gestion des déchets, résultant en une présence ubiquitaire de plastiques dans l'environnement. Les microplastiques, déchets plastiques d'une taille inférieure à 5 millimètres, suscitent notamment l'intérêt de la communauté scientifique. Ces microplastiques proviennent pour la plupart de la dégradation de déchets plastiques dans l'environnement, ainsi que de l'usure des plastiques que nous utilisons quotidiennement, comme les pneus ou les vêtements. Le LEESU (Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains) a été dès 2012 l'un des premiers laboratoires dans le monde à initier des recherches sur les microplastiques en milieu continental, et plus particulièrement en environnement urbain. Ses recherches visent à quantifier les sources et les flux de plastiques issus de l'anthroposphère, et les flux et réservoirs de plastiques résultants dans le milieu naturel. Les eaux pluviales sont susceptibles de véhiculer une quantité importante de déchets, depuis les macroplastiques jusqu'aux microplastiques. Ces déchets proviennent notamment de retombées atmosphériques, de l'usure de pneus et de matériaux plastiques de la ville, et de la fragments de déchets plastiques abandonnés sur la voirie. L'objectif de cette thèse sera de mieux caractériser le rôle joué par les eaux pluviales dans le transport des microplastiques, et sa contribution aux apports de microplastiques dans l'environnement. L'agglomération parisienne servira de site d'étude. Un premier volet de ce travail sera méthodologique. Il sera nécessaire d'optimiser le couplage de différentes techniques spectroscopiques et de développer des méthodes alternatives de caractérisation et de quantification des microplastiques dans des eaux urbaines. Au delà de la quantification du nombre de particules par volume d'eau, les répartitions en tailles, morphologies, et compositions polymériques devront être évaluées. Il sera nécessaire d'employer des spectroscopes IRTF-ATR (Infrarouge à transformée de Fourrier – réflexion totale atténuée) micro-IRTF et micro-Raman pour pouvoir intégrer la totalité du continuum de tailles de microplastiques (de 1µm à 5 mm). En parallèle des études spectroscopiques, l'utilisation de la pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (pyr-GCMS) devra être explorée. En effet, cette méthode est destructive et ne fournit pas le nombre et la morphologie des microplastiques, mais elle fournit avec précision la répartition en masse des différents polymères. L'étude sera développée à deux échelles spatiales : l'échelle locale d'un ouvrage de gestion à la source des eaux pluviales, et l'échelle de bassins de plusieurs centaines à milliers d'hectares. A l'échelle locale, l'objectif sera d'estimer la pollution plastique générée par le ruissellement et l'impact des ouvrages de gestion à la source sur cette pollution. Différentes approches seront déclinées : il s'agira tout d'abord de caractériser les sources de contamination de l'ouvrage de gestion à la source. Les microplastiques dans l'eau de ruissellement en entrée et en sortie de structure de gestion seront qualifiés et quantifiés, dans le but de calculer un taux d'abattement. De plus, les microplastiques accumulés dans les sédiments et le sol autour de l'ouvrage de gestion seront évalués. A l'échelle du bassin versant, des rejets d'eau de ruissellement à l'exutoire de réseaux séparatifs seront analysés. Plusieurs bassins versants avec des gestions contrastées des eaux urbaines en temps sec et en pluie seront étudiés. Les données de concentration seront extrapolées pour exprimer l'apport total des eaux pluviales en microplastiques. Cette extrapolation présentera toutefois une difficulé majeure : dans le cas de contaminants « classiques » (matière en suspension, métaux, hydrocarbures), une grande variabilité spatio-temporelle des concentrations est observée dans les eaux pluviales. On peut supposer que cette variabilité caractérise également les concentrations en microplastiques . Dans un but de caractérisation, une stratégie d'échantillonnage sur une durée d'au moins douze mois sera définie. Les résultats de cette thèse aideront à mieux estimer l'apport en microplastiques des zones urbaines aux milieux aquatiques. De plus, la connaissance de l'effet des ouvrages de contrôle des eaux pluviales à la source permettra d'évaluer leur intérêt pour la réduction de la contamination en microplastiques à l'échelle globale.

Since the beginning of their industrial production in the 1950s, the production of plastics has increased exponentially, reaching 348 Mt per year in 2017. A still poorly estimated fraction of those plastics escape the normal production, distribution and waste management routes, resulting in the ubiquitous pressence of plastics n the environment. Microplastics, defined as plastic waste smaller than 5 millimeters, are of particular interest to the scientific community. These micoplastics mostly come from the weathering of mismanaged plastic waste in the environment, as well as from the wear and tear of plastics we use every day such as tyres and cloth. In 2012, the LEESU (Water, Environment and Urban Systems Laboratory) was one of the first laboratories in the world to initiate research on microplastics in a continental environment, and more particularly in an urban environment. Its research aims to quantify the sources and flows of plastics from the anthroposphere, and the resulting plastic flows and reservoirs in the natural environment. A lot of waste can be conveyed in runoff, from macro to microplastics. These originate from sources including atmospheric fallout, tyre and plastic material wear, and mismanaged waste. This PhD's objectives are to better characterize the role of urban runoff in the transport of microplastics and its contribution to environmental microplastics. The Parisian urban area will be the study site. A first portion of this work will consist in methods development and optimization. It will be necessary to optimize the coupling of different spectroscopic methods, and to develop new microplastic quantification methods that are adapted to urban waters. Besides quantification of the number of particles per water volume units, the sizes, shapes, and polymers repartitions of the contamination will be assessed. So as to integrate the continuum of microplastic sizes (from 1 µm to 5 mm), FTIR-ATR (Fourier-Transform Infrared – Attenuated Total Reflection) spectroscopy, micro-FTIR, and micro Raman spectroscopy will be used. Along side the spectrocscopic methods, the use of Pyrolysis-Gas Chromatography- Mass spectroscopy will be explored. This destructive method does not allow to identify the number of microplastics and their morphology, but it can provide the mass repartition of polymers. The study will be developed at two levels: the local scale of one SUDS, and the larger scale of a drainage basin. At the local scale, the objective will be to assess the pollution generated by urban runoff, and the impact source management structures have on that pollution. Several approaches will be declined: firstly, the microplastic sources contaminating the water source management structure will be characterized. Microplastics conveyed by runoff upstream and downstream of the SUDS will be characterized and quantified, to determine the abatement rate. Secondly, microplastics accumulated in sediments and soil surrounding the SUDS will be assessed. At the urban catchment level, runoff water discharge will be analyzed. Several drainage basins, with different water management methods in dry and wet weathers, will be studied. Concentration data will be extrapolated to assess the global microplastic input from rain waters. This extrapolation will however present a major difficulty: in the case of “classical” contaminants such as suspended matter, metals, hydrocarbures, concentrations in rainwaters present a high spatio-temporal variability. This variability is likely to be observed in microplastic concentrations as well. So as to characterize it, a sampling strategy over at least twelve months will be set up. This Philosophical Degree's result will help to better assess the microplastic transfer from urban areas to aquatic environments. The understanding of the impact of SUDS will enable to assess their relevance in the reduction of microplastic source contamination at the global scale.