Contributing to the assessment of the impact of urban activities on microplastic transport through air and runoff infiltration - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech
Thèse Année : 2024

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

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

Résumé

Plastics have permeated society and are used in all sectors of industry, from packaging to construction to the automotive industry. One consequence of this extensive, unregulated use is the now ubiquitous presence of plastic debris of all sizes in ecosystems. Plastic pollution, and in particular the presence and effects of microplastics in the environment, has been studied since 1972 and has been the focus of increasing scientific interest over the last two decades. Microplastics have been identified in virtually all environments, from marine sediments to mountaintops, While it is considered to be a dominant source of microplastics, the impact of local urban activities on the fate of microplastics in the environment remains poorly understood. This work aims to provide new insights into the relationships between anthropic activities, specifically road traffic, atmospheric deposition of microplastics, and infiltration of microplastics into roadside soils.Firstly, the methodological choices of this PhD are presented with an insight into the current challenges of microplastic quantification in continental environments in the literature. After collection, samples undergo a treatment consisting of density-based separations with NaI and oxidative treatments. The microplastic content of each sample is characterized and quantified using a micro-FTIR imaging analysis, followed by a post-treatment using the open software SiMPle.The impact of urban activities on microplastics in the atmospheric compartment was then addressed. Microplastic bulk atmospheric deposition was measured over 5 campaigns in 4 different sites of interest, with variable levels of urban pressure, including rural and urban sites. Key results were observed, including significantly lower deposition rates in an urban site during a Covid-related national lockdown (median 5.3 MP m-2 d-1) than in a period of normal activity (median 29.2 MP m-2 d-1). When comparing different sites in similar campaigns, higher deposition rates were observed in urban areas than in rural, agricultural sites, suggesting an effect of local activity on depositions. The characteristics of the deposited microplastics also varied with the level and type of activity. Different dominant polymers, and differences in size distribution, were observed.Thirdly, the infiltration of microplastics and tyre and road wear particles into the soil of a biofiltration swale located on the side of a high-traffic highway was quantified. After manually coring soil samples from the biofiltration swale, both microplastics and tyre and road wear particles were quantified using two specialized analytical methodologies. Significantly higher concentrations were measured on the surface than in the deeper samples, with a clear decrease in number of particles and concentration. This suggests the majority of particles were filtered by the soil and remained close to the surface. Despite consisting in different particles with different sources, similar vertical profiles were for tyre wear particles and microplastics, albeit tyre wear particles had significantly higher concentrations than other microplastics (median 2.32 mg g-1 for SBR, against a median of 0.05 mg g-1 for other microplastics in the surface samples).This PhD contributed to the overall understanding of microplastic transfer mechanics and the role of less-studies microplastic transport vectors and reservoirs in urban environments. In particular, it helped highlighting an immediate impact of traffic on microplastic contamination and accumulation.
Les matières plastiques sont utilisées dans tous les domaines industriels de l'emballage à la construction, en passant par l'industrie automobile ou l’agriculture. Une conséquence de cette utilisation extensive et non réglementée est la présence ubiquitaire de déchets plastiques de toutes tailles dans les écosystèmes. La pollution plastique, en particulier la présence et les effets des microplastiques dans l'environnement, est étudiée depuis 1972 et suscite un intérêt scientifique croissant depuis les deux dernières décennies. Des microplastiques ont été décris dans pratiquement tous les environnements, des sédiments marins aux sommets de montagnes. Si l’activité urbaine est suspectée d’affecter la production et le devenir des microplastiques dans l'environnement, ses effets exacts restent mal établis. Cette thèse vise à apporter de nouvelles informations sur les relations entre les activités anthropiques, en particulier le trafic routier, et la déposition atmosphérique de microplastiques, ainsi que leur infiltration dans les sols en bordure de route. Tout d'abord, les choix méthodologiques de cette thèse sont présentés au regard de leur ancrage dans la littérature, avec un aperçu des défis actuels pour la quantification des microplastiques dans les environnements continentaux. Après une étape de collecte, les échantillons sont traités par séparation densimétrique à l’aide de NaI, et par digestion oxydative. Les microplastiques de chaque échantillon sont ensuite caractérisés et quantifiés à l’aide d’une analyse par imagerie cartographique micro-IRTF suivie d’un post-traitement par le logiciel logiciel SiMPle. L'impact des activités urbaines sur le transfert de microplastiques dans le compartiment atmosphérique est ensuite abordé. 5 campagnes de suivies des retombées atmosphériques globales ont été réalisées sur 4 sites d'intérêt comprenant des zones urbaines et rurales. Des résultats majeurs ont pu être notés. Tout particulièrement, des taux de déposition significativement plus faibles ont été mesurées dans un site urbain pendant un confinement lié à la covid-19 (médiane de 5,3 MP m-2 j-1) par rapport à une période d'activités normales sur le même site (médiane de 29,2 MP m-2 j-1). Lors de la comparaison de différents sites au cours de campagnes similaires, des taux de déposition plus élevés ont été observés dans les zones urbaines que dans les zones rurales dominées par l'agriculture. Les caractéristiques des microplastiques déposés ont également changé en fonction du niveau et du type d'activité, avec notamment des différences dans les polymères dominants et la distribution des tailles de microplastiques. Troisièmement, l'infiltration de microplastiques et de particules de pneus dans le sol d'une noue filtrante située le long d'une route à fort trafic a été quantifiée. Des échantillons de sol de la noue filtrante ont été manuellement prélevé par carottage, puis leur teneur en microplastiques et en particules de pneus ont été quantifiés à l'aide de deux méthodologies spécialisées. Des concentrations significativement plus élevées ont été mesurées en surface par rapport aux échantillons plus profonds, avec une diminution nette de la concentration suggérant que la majorité des particules ont été filtrées par le sol et sont restées près de la surface. Malgré des particules différentes avec des sources différentes, des profils verticaux similaires ont été observés pour les particules d'usure des pneus et les microplastiques, bien que les particules d'usure des pneus aient des concentrations significativement plus élevées que les autres microplastiques (médiane de 2,32 mg g -1 pour le SBR en surface, contre une médiane de 0,05 mg g -1 pour les autres microplastiques).Ces travaux contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes de transfert des microplastiques et du rôle des vecteurs de transport et des réservoirs moins étudiés dans la contamination et l'accumulation des microplastiques dans les environnements urbains.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04730389 , version 1 (10-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04730389 , version 1

Citer

Max Beaurepaire. Contributing to the assessment of the impact of urban activities on microplastic transport through air and runoff infiltration. Environmental Sciences. École des Ponts ParisTech, 2024. English. ⟨NNT : 2024ENPC0007⟩. ⟨tel-04730389⟩
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