Les particules ultrafines

Les particules peuvent être décrites de plusieurs façons : en terme de surface par particule, en termes de nombre de particules ou de masse, ou en termes de concentration de l'une ou l'autre de ces mesures. Les mesures les plus couramment utilisées pour décrire les particules sont la concentration en nombre et la concentration en masse. Les PM10 et PM2,5 sont généralement décrites en termes de distribution de masse. En revanche, les particules ultrafines (PUFs) possédant un diamètre aérodymique inférieur à 0,1 µm ont une masse négligeable mais

51 contribuent au nombre total de particules dans l'atmosphère et sont ainsi généralement quantifiées par la concentration en nombre (Figure 11) (159). Elles sont générées accidentellement dans l'environnement, souvent en tant que sous-produits de la combustion de combustibles fossiles, de la condensation de substances semi-volatiles ou d'émissions industrielles.

Figure 11 : Comparaison entre les PM10, les PM2,5 et les PM0,1. Adapté de Kwon et al, 2020 et Li et al, 2016. Le diagramme suppose que toutes les particules de chaque catégorie soient des sphères parfaites, ont la même densité et sont présentes dans une quantité égale de masse. La masse, le nombre de particules et la surface des particules grossières sont arbitrairement désignés par 1. Les autres nombres sont relatifs à la particule grossière.

Les niveaux atmosphérique de PUFs en suspension dans l'air sont difficiles à mesurer à la fois géographiquement et chronologiquement puisque les concentrations diminuent fortement avec la distance des sources. De plus, leur taille et leur composition évoluent tout au long de leur vie dans l'atmosphère.

En 2008, l'Union Européenne a estimées l'émission totale des PUFs à 271 kilotonnes. Les sources d'émissions étaient : la production d'électricité (4 %), les processus industriels (5 %), les sources agricoles (8 %), la combustion industrielle (12 %), les secteurs résidentiel et commercial (15 %), le transport routier (34 %) et les autres transports et machines (22 %) (160). Les PUFs issues du milieu urbain, et notamment des gaz d'échappement des véhicules, ont généralement une composition complexe avec un cœur carboné sur lequel s’adsorbent des composés

52 chimiques comme des dérivés de métaux ou des hydrocarbures aromatiques polycycliques (Figure 12).

Figure 12: Schéma illustrant un exemple de la composition complexe des particules ultrafines (PUFs) d'échappement de véhicules. Tiré de Stone et al, 2017. Les PUFs issues de la pollution urbaine ont souvent un noyau de carbone recouvert d'une gamme diverse d'espèces chimiques, comprenant des métaux et des hydrocarbures organiques.

Les PUFs contribuent peu aux concentrations massiques des particules dans l'atmosphère, cependant, elles constituent la grande majorité du nombre de particules en suspension dans l'air (161). Les PUFs sont considérées comme plus menaçantes par rapport aux PM10 en raison de leur surface spécifique plus élevée (surface exposée par unité de masse). En effet, plus la taille de la particule sera petite et plus sa surface spécifique sera grande. Ainsi, une grande surface et une réactivité de surface élevée permet aux PUFs d'absorber, pour une masse donnée de particule, de plus grandes quantités de métaux nocifs et de composés organiques pouvant générer un stress oxydatif. Actuellement, aucune réglementation concernant des niveaux acceptables de PUFs dans l'atmosphère, ni aucun consensus sur une méthode normalisée permettant leur mesure n'ont été validés (159). Pourtant, des preuves de plus en plus nombreuses issues de la recherche sur la pollution atmosphérique suggèrent que ces particules ont des propriétés physicochimiques sensiblement différentes de celles des particules de plus grande taille et pourraient ainsi exercer des effets néfastes sur la santé.

L'utilisation de nanotechnologie a nécessité le développement de nanomatériaux tels que les nanoparticules manufacturées. Contrairement aux PUFs, ces particules sont intentionnellement générées à l'échelle nanométrique car elles présentent des propriétés qui offrent des avantages

53 technologiques. Par exemple, le carbone élémentaire (graphite) a des propriétés semi-conductrices à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules possèdent une structure tridimensionnelle et sont créées avec une taille, une forme et des caractéristiques spécifiques qui sont requises pour leur application. Il en existe diverses formes, par exemple : sphériques, fibreuses, tubulaires, circulaires.

Bien qu'il existe de nombreuses différences dans la composition physico-chimique des PUFs et des NP, une caractéristique commune est leur taille extrêmement petite qui leur permet d'induire de potentiels effets nocifs sur la santé (Tableau 4). Les nanotechnologies, en particulier la production commerciale et l'utilisation de nanomatériaux manufacturés, sont une industrie en plein essor. Elles affectent de plus en plus nos vies en raison d'une exposition potentielle due à la consommation de produits basés sur des nanotechnologies qui comprennent au moins un nanocomposant. Parmi les exemples courants de nanoparticules artificielles figurent le noir de carbone, le fullerène, l'argent, l'oxyde de zinc, l'oxyde de fer, les points quantiques, les nanotubes de carbone à paroi simple, les nanotubes de carbone à parois multiples (162). Le noir de carbone est constitué de matériel graphitique partiellement amorphe dont une fraction substantielle des particules élémentaires est de dimension nanométrique, généralement de 20 à 70 nm. Ces particules, majoritairement sphériques, sont liées en agrégats qui interagissent fortement entre eux pour former des agglomérats pouvant atteindre 500 nm. Ces derniers sont utilisés en très grands volumes depuis plusieurs décennies, principalement comme pigments et agents de renforcement dans le caoutchouc, notamment pour les pneus.

L'utilisation intensive et l'exposition environnementale et professionnelle aux nanomatériaux, notamment les nanoparticules manufacturées, ont soulevé des préoccupations importantes concernant leurs impacts sur la santé (162). En effet, dû à leur petite taille, le rapport volume/surface leur ouvre les voies sur de nombreuses applications mais peut également contribuer à leur toxicité.

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Tableau 4 : Comparaison des caractéristiques des nanoparticules manufacturées et des particules ultrafines. Tiré de Li et al, 2016. Les nanoparticules manufacturées (ENM) et les particules ultrafines (UFP) sont décrites en fonction de leurs sources, de leur morphologie, de leur homogénéité et de leur composition.