Extraction et analyse des biocides dans les poussières 

Présentation des objets d’étude

Définition des biocides

Etymologie

Le dictionnaire de l’Académie nationale de Pharmacie définit le mot biocide par son origine du grec βίος/bíos signifiant l’existence, la vie et cæděre pour l’action de frapper, de massacrer, de tuer.
D’un point de vue purement étymologique, un produit qualifié de biocide est donc une substance qui tue le vivant. La définition généralement admise pour un biocide que l’on retrouve dans ce même dictionnaire est la suivante : « Une substance active ou préparation contenant une ou plusieurs substances actives destinée à détruire, repousser ou rendre inoffensifs des organismes nuisibles à prévenir l’action ou à la combattre de toute autre manière, par une action chimique ou biologique ».

Définition réglementaire

Le Règlement sur les Produits Biocides (RPB, règlement de l’UE n°528/2012) vise à réguler la mise sur le marché des substances biocides ainsi que leur(s) utilisation(s) sur la scène européenne.
Cette régulation a pour mission de conserver au maximum une protection de la population face aux risques que représentent les produits biocides.
Ce texte a, pour mener à bien les missions de protection et d’harmonisation au niveau de l’Union Européenne, définit 22 types de produits biocides regroupés en 4 familles (Tableau 1) : les désinfectants, les produits de protection, les produits de lutte contre les nuisibles, les autres (Source : ECHA3).

Contexte sociétal, environnemental et scientifique

L’usage domestique de biocides

Les biocides sont utilisés depuis longtemps par les particuliers pour pouvoir se défendre contre la prolifération ou la présence de nuisibles, mais aussi pour désinfecter des matériaux, améliorer les conditions de stockage de produits ou encore empêcher l’apparition de salissures. Certains types de produits sont plus susceptibles d’être retrouvés dans les habitats particuliers comme les TP 1, 4, 5, 18, 19 (respectivement hygiène humaine, alimentation, eau potable, insecticides, répulsifs) et il en va de même pour les types utilisés dans la construction avec tous les produits de protection et d’entretien. On retrouve d’ailleurs dans l’article de Claudia Paijens provenant du Journal of Hazardous Materials (Paijens et al. 2021) une référence à ces biocides utilisés dans la construction qui sont retrouvés dans les eaux usées et ayant des origines domestiques (ces eaux usées se retrouvent ensuite dans les débordements d’égouts unitaires franciliens).
Il parait donc nécessaire d’évaluer l’exposition domestique par air intérieur aux 18 biocides priorisés pour pouvoir comparer les valeurs d’exposition aux Valeurs Guides de l’Air Intérieur (VGAI) si elles existent. Dans le cas où les VGAI ne seraient pas encore disponibles, ces valeurs d’exposition serviraient à fournir des données d’exposition en France et à l’international. Certaines structures sont missionnées pour calculer ces valeurs comme l’Observatoire de la qualité de l’air intérieur.

Observatoire de la qualité de l’air intérieur

L’Observatoire de la Qualité de l’Air Intérieur (OQAI) a vu le jour durant le mois de juillet 2001.
Sa mission est de déterminer l’exposition de la population vis-à-vis de la pollution dans l’air intérieur ainsi que les risques associés à cette même exposition. Cette mission est dictée par trois ministères (le logement, la santé et l’écologie) ainsi que l’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME), le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) et l’Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’alimentation, de l’Environnement et du travail (ANSES). Pour la mener à bien, l’OQAI a lancé en 2003 – 2005 la première Campagne Nationale Logements (CNL). Elle visait l’établissement d’un premier état des lieux de la qualité de l’air intérieur que l’on retrouve dans les logements de la France métropolitaine. Cette campagne a permis d’étudier différents polluants dans l’air intérieur : le monoxyde de carbone, les PM2.5 et PM10 (particules en suspension dans l’air inférieures respectivement à 2.5 et 10 µm), des composés organiques volatils, le CO2, des allergènes…
Dans l’objectif d’appréhender les impacts des évolutions des habitudes de vie et du parc de logements en France, l’OQAI a décidé de lancer en novembre 2020 une deuxième version de la CNL (Figure 3). Cette deuxième campagne qui doit se terminer en fin 2022 – début 2023 s’intéresse à plus de 170 polluants dans l’air intérieur. Parmi ces 170, on retrouve les polluants présents dans le CNL1 avec d’autres familles comme les pesticides. Il y aura donc une comparaison des valeurs mesurées dans la première et la deuxième campagne pour analyser les influences des changements.

Le projet ANR Biocid@Home

Le projet Biocid@Home (2021 – 2024) est porté par la chargée de recherche de l’École des Ponts Adèle Bressy. De son intitulé complet « Biocides at home : emissions, potential exposure and reduction solutions », ce projet interdisciplinaire (hydrologie, économie, chimie, sciences humaines et sociales) a comme missions la quantification de l’exposition des biocides à l’échelle des bâtiments et la limitation de leurs influences sur l’environnement et les conditions sanitaires. Il vise à mesurer les biocides dans différentes matrices (eaux grises, air intérieur avec les fractions particulaires et gazeuses) et d’évaluer les rejets de l’habitat vers l’environnement.
Mon stage de recherche se situe quant à lui dans le deuxième bloc intitulé « Mesure des émissions à l’échelle du bâtiment et risques sanitaires » et se concentre sur l’analyse des 18 biocides présentés dans la partie 1.2. Je prévois également de poursuivre en thèse au LEESU avec comme directeur de thèse Régis Moilleron et Adèle Bressy en tant que co-encadrante. Mon sujet de doctorat sera développé autour de ce projet Biocid@Home et notamment autour de ces quatre objectifs.

Définition des objectifs du stage

Les objectifs du stage peuvent être séparés en 4 parties distinctes qui se sont suivies dans l’ordre chronologique :
– Détermination de la pertinence des biocides à étudier dans l’air intérieur (leur présence dans la littérature, les valeurs d’exposition d’autres études dans l’air intérieur pour les 18 biocides sélectionnés, les méthodes d’analyse fréquemment utilisées),
– Choix de la méthode de prélèvement et optimisation des paramètres (c’est-à-dire l’appareil que j’utilise pour prélever avec les réglages associés, le prétraitement que j’effectue sur les échantillons),
– Préparation du plan d’échantillonnage (réflexion sur le nombre de foyers, le protocole d’échantillonnage avec par exemple la fréquence de prélèvement ou encore la durée, la surface étudiée…),
– Réalisation d’une campagne de mesure (qui permet d’optimiser et de valider le protocole d’échantillonnage et de vérifier l’exploitation des résultats)

Synthèse des techniques employées pour étudier l’air intérieur

Le prélèvement d’air

Actif

Le premier type de prélèvement que l’on peut retrouver dans la littérature consiste à aspirer l’air d’une pièce ou à l’extérieur avec une pompe. L’air ainsi aspiré passe à travers un premier filtre (généralement un filtre en quartz ou en fibres de verre) pour fixer la fraction particulaire de l’air. La fraction gazeuse filtrée est ensuite piégée dans une matière adsorbante (pour les micropolluants semi-volatils il s’agit principalement de la mousse PUF et de la résine XAD 2, voir Figure 6). Cette matière permet de fixer les micropolluants de la phase gazeuse de l’air. La fixation des polluants sur la matière se fait par diffusion forcée à travers la surface.

Le prélèvement des poussières

Le prélèvement de poussière peut se faire de différentes manières. Tout d’abord, on peut utiliser un aspirateur avec des sacs d’aspiration comme dans la plupart des études menées sur les poussières (Kalra et al. 1993; Regueiro et al. 2006; Mahler et al. 2009). Cela permet d’obtenir toutes les poussières y compris les plus fines.
D’autres études utilisent des balais pour regrouper les poussières avant de les déposer dans un sac qui ira au congélateur (Ali et al. 2012; Shi et al. 2020).
Enfin, certaines études prélèvent les poussières sur des meubles au lieu des poussières du sol. Ces prélèvements se font à l’aide de lingettes qui retiennent les poussières (Liu et al. 2018; Schieweck et al. 2005). Les chercheurs utilisent parfois des matériaux dimensionnés pour récupérer des poussières sur une surface définie (Liu et al. 2018).

L’extraction de l’air et des poussières

Après leur récolte, les échantillons de poussières sont préparés pour l’extraction. Pour obtenir l’échantillon le plus homogène possible, il faut passer par l’étape de tamisage. Dans la littérature, le tamisage peut aller de plus de 1 mm (Htut 1994) jusqu’à 0,05 mm (Liu et al. 2018). La phase gazeuse (PUF/XAD2 voir Figure 8) et la phase particulaire (filtre de verre ou de quartz) ne nécessitent pas de préparation avant l’extraction.

Niveaux de concentration des biocides en fonction de la fraction

Concentrations durant l’application de produits biocides

Les études portant sur les mesures d’exposition face aux produits biocides lors de l’application en tant que spray montrent des valeurs logiquement plus élevées que celles traitant de conditions hors application. L’acétamipride (un insecticide) a été relevé de manière active à des concentrations supérieures à 13 µg/m3 lors de son utilisation en tant que spray (mesures réalisées au niveau du nez des travailleurs) dans la fraction gazeuse (Marı ́ n et al. 2004).
La perméthrine et la bifenthrine ont été mesurées quant à elles juste après l’application de produits biocides (insecticides dans un sous-sol) pendant deux semaines. Les matériaux adsorbants ont été changés tous les jours au début puis tous les 2-3 jours vers la fin du prélèvement. Les concentrations relevées à l’’aide de préleveurs passifs montrent une absence de bifenthrine, mais une présence post-application de la perméthrine avec 3,182 ng/capteur dans la journée qui suit l’application (Raeppel, Appenzeller, et Millet 2015).
L’étude Gallart-Mateu, Armenta, et de la Guardia (2016) s’est intéressée à plusieurs produits phytosanitaires dont le pesticide appelé diuron (un herbicide) pendant la dispersion extérieure (et dans les zones de récolte et de mélange/emballage en intérieur. Interdit en France depuis 2008 pour utilisation phytosanitaire, le diuron reste légal comme pesticide en Bulgarie et en l’occurrence ici en Espagne . Les préleveurs actifs n’ont pas détecté le diuron (sous les limites de quantification), mais le chlorpyrifos (anti-chenille et produit utilisé notamment en France pour les épinards encore en 2017) a été détecté dans le secteur packaging à 2,426 mg/m (fraction gazeuse).

Concentrations hors application

L’analyse des biocides dans l’air intérieur hors application est relativement peu documentée dans la littérature scientifique en comparaison des études lors d’application avec les produits phytosanitaires. On trouve cependant des études qui comparent la présence et la concentration de produits biocides dans les fractions gazeuse et particulaire. C’est le cas de Laborie et al (2016) qui a quantifié la cyperméthrine (insecticide) dans des maisons et des appartements avec un préleveur actif à côté de Paris. Elle est retrouvée dans les maisons à 4,66 ± 1,8 ng/m 3 (gaz) et 7,34 ± 5,5 ng/m 3 (particule). Les appartements sont eux à 4,5 ± 6,7 ng/m 3 (gaz) et 14,98 ± 18,3 ng/m 3 (particule). Les « ± » représentent l’écart de l’échantillon.
L’isoproturon (abrégé IPU, herbicide) et le mécoprop (abrégé MCPP, herbicide) ont été utilisés dans le cadre d’une ferme expérimentale de l’INRA (Institut National de Recherche Agronomique) avec du maïs et du vin (Millet et al. 1997). Le prélèvement actif s’est fait dans la cour de la ferme qui se trouve à 5 kilomètres de Colmar et 20 mètres des champs. Même si l’expérience s’est déroulée à l’extérieure, l’IPU a été trouvé à 3,5 ng/mL [Non Détecté = ND ; 9] dans la fraction gazeuse et 2,4 ng/mL [ND ; 7] dans la fraction particulaire. Le MCPP était dans des concentrations supérieures avec 22 ng/mL [4 ; 100] dans la fraction gazeuse et 15 ng/mL [ND ; 80] dans la fraction particulaire. Les maximums furent atteints pour les périodes post-traitement. Cependant, d’autres pics de biocides ont été constatés durant l’année de prélèvement (1992) sans traitement (par exemple 60 ng/mL pour le MCPP et 7 ng/mL pour l’IPU dans la phase gazeuse).
Il ressort de ces deux études qui ont évalué la répartition gaz/particule des biocides que plusieurs facteurs peuvent jouer sur la répartition avec comme paramètres prépondérants la volatilité (qui dépend de la structure et de la composition de la molécule et donc de la famille à laquelle elle appartient) et la température de l’air. Il est également question de l’influence du temps de prélèvement sur la répartition qui pourrait être à l’origine (dans le cas d’un prélèvement trop long) d’une migration des micropolluants depuis le filtre vers le matériau adsorbant (Millet et al. 1997).
En ce qui concerne la contamination aux biocides dans les poussières intérieures, elle est généralement plus forte qu’en extérieur. Les données de Mahler et al (2009) comparent la concentration en fipronil et ses produits de transformation (insecticide et acaricide) dans les poussières intérieures (24 appartements au rez-de-chaussée) et extérieures (places de parking associées aux appartements) à Austin (Texas, États-Unis). Le fipronil ainsi que ses produits de transformation (PT) sont toujours plus concentrés à l’intérieur. En effet, la concentration moyenne du fipronil dans les poussières est de 88 µg/kg à l’intérieur contre 5,5 µg/kg à l’extérieur. Le principal PT du fipronil, le fipronil sulfide, est retrouvé avec une teneur de 3,5 µg/kg à l’intérieur et 0,21 µg/kg à l’extérieur (Figure 9).

Préparation des échantillons

La préparation des échantillons consiste à tamiser le contenu des sacs avant l’extraction. Il est important de se munir d’aluminium épais (0,03 mm). Plusieurs tamis ont été utilisés pendant les tests réalisés (100, 500, 1 000 µm) et celui choisi pour la campagne finale est le 100 µm.
Les tamis doivent être rincés avec de l’acétone, le sac pesé. L’aluminium est découpé légèrement supérieur à la taille du tamis utilisé (deux morceaux) et il est rincé à l’acétone et pesé. La masse du vial et de son bouchon sont mesurées. Le morceau d’aluminium est placé sous le tamis, le contenu du sac est versé sur le tamis et le deuxième morceau d’aluminium est placé sur le tamis pour recouvrir et empêcher la perte d’échantillon. Après tamisage, la fraction grossière (n’ayant pas passé le tamis) est pesée puis jetée et la fraction fine est pesée puis conservée dans le vial au congélateur (- 20 °C).

Protocole d’extraction

L’extraction a pour objectif de transférer les biocides contenus dans les poussières dans un mélange de solvants. Ce mélange sera par la suite évaporé pour être concentré et analysé.
L’extraction est faite en sept étapes qui sont résumées dans le Tableau 5 ci-dessous.

Résultats de la campagne d’échantillonnage

Concentrations mesurées dans les poussières

La campagne de prélèvement de poussières dans les logements a permis de récolter 12 sacs d’aspirateur. Sept ont été prélevés avec l’aspirateur et les sacs du LEESU, et représentent donc un échantillon ponctuel. Les cinq autres sont des sacs d’aspirateur de particulier et intègrent donc plusieurs semaines d’aspiration. Parmi les sept sacs « ponctuels », six ont été pris dans un même immeuble mais dans des logements différents. Les sacs ont tous été tamisés à 100 µm et 100 mg ont été extraits. Les concentrations finales calculées sont présentées dans la Figure 22.
On remarque l’absence de CBY et d’IPU dans tous les échantillons prélevés (à chaque fois sous la limite de quantification). Le DCOIT et le BAC C16 n’ont que deux concentrations calculées (le DCOIT car en-dessous de la LQ et le BAC C16 car au-dessus de la LS), ce qui explique l’absence de moustache dans le graphique. Tous les autres biocides possèdent au minimum six points de mesure.

Table des matières
Notice analytique 
Déclaration de travail personnel 
Remerciements 
Sommaire 
Liste des figures 
Liste des tableaux 
Liste des sigles et acronymes 
Introduction 
1. Présentation des objets d’étude 
1.1 Définition des biocides
1.1.1 Etymologie
1.1.2 Définition réglementaire
1.2 Les biocides sélectionnés
1.3 Contexte sociétal, environnemental et scientifique
1.3.1 L’usage domestique de biocides
1.3.2 Observatoire de la qualité de l’air intérieur
1.3.3 Le projet ANR Biocid@Home
1.4 Définition des objectifs du stage
Bibliographie
2. État de l’art sur les biocides dans l’air intérieur 
2.1 Qualité de l’air intérieur
2.2 Synthèse des techniques employées pour étudier l’air intérieur
2.2.1 Le prélèvement d’air
2.2.1.1 Actif
2.2.1.2 Passif
2.2.1.3 Paramètres influençant le prélèvement
2.2.2 Le prélèvement des poussières
2.2.3 L’extraction de l’air et des poussières
2.3 Niveaux de concentration des biocides en fonction de la fraction
2.3.1 Concentrations durant l’application de produits biocides
2.3.2 Concentrations hors application
2.4 Un domaine d’étude récent et incomplet
Matériel et méthodes
3. Prélèvement de poussières 
3.1 Mode de prélèvement et conservation
3.2 Campagnes réalisées
4. Extraction et analyse des biocides dans les poussières 
4.1 Produits utilisés, solutions préparées et précautions de manipulation
4.1.1 Consommables, appareils et préparation des solutions
4.1.2 Précautions de manipulation
4.2 Préparation des échantillons
4.3 Protocole d’extraction
4.4 Analyse par LC-MS/MS
4.5 Optimisation et validation du protocole
Résultats et discussion
5. Expériences d’optimisation et validation du protocole 
5.1 Test d’humidité
5.2 Validation du protocole d’extraction
5.3 Optimisation de la masse de poussière extraite
5.4 Influence du tamisage
5.5 Recherche de contaminations éventuelles
6. Résultats de la campagne d’échantillonnage 
6.1 Concentrations mesurées dans les poussières
6.2 Comparaison des prélèvements d’un même immeuble par rapport à d’autres logements
6.3 Conclusions sur les concentrations relevées dans les poussières
Conclusion générale 
Références bibliographiques 
Annexes 

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