Thèse quels Scénarios de Dégradation pour les Microplastiques dans l'Environnement Analyse Physico-Chimique Résolue de Particules Réelles et Interprétation au Regard de Scénarios Établis pour des H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : L2C - Laboratoire Charles Coulomb Direction de la thèse : Matthieu GEORGE ORCID 000000030439779X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-08-28T23:59:59 La pollution par les microplastiques (MP) et nanoplastiques (NP) soulève des préoccupations croissantes, car ses effets sur les écosystèmes et la santé animale et humaine sont aujourd'hui largement avérés par de nombreuses études de toxicité. Or ces travaux en laboratoire ont jusqu'à présent été principalement effectués sur des particules « modèles », qui n'ont pas grand-chose de commun avec les particules réellement présentes dans l'environnement : les altérations mécaniques et chimiques subies confèrent à ces dernières une forte hétérogénéité de composition ainsi qu'un état de surface très accidenté. Comme la toxicité dépend étroitement de cet état physico-chimique - taille, forme, microstructure, porosité, espèces chimiques de surface -, les études actuelles sur particules modèles n'offrent qu'une vue partielle des impacts réels. Il apparaît donc indispensable de réaliser les études d'impact sur des particules extraites de l'environnement, ou similaires à celles-ci ; on se heurte alors à une autre difficulté : il n'existe pas, à l'heure actuelle, de description « générique » des MP et NP réels, en raison de leur grande diversité liée à la multiplicité des mécanismes mis en jeu dans leur dégradation.
Ce projet propose d'aborder cette problématique en s'appuyant sur les expertises complémentaires de deux équipes : la compréhension des mécanismes de dégradation d'une part, l'analyse quantitative par spectroscopie IR spatialement résolue d'autre part, avec un contrôle du volume sondé qui autorise la normalisation des mesures et l'extraction d'informations quantitatives. L'objectif est de mesurer avec précision l'état physico-chimique de polymères collectés dans l'environnement, puis de confronter ces résultats à un scénario type d'oxydation et de fragmentation établi précédemment sur des échantillons vieillis de façon contrôlée.
De cette confrontation, on cherchera à faire émerger des lois de comportement génériques, en identifiant les paramètres et mécanismes pertinents. Cela permettra d'affiner le scénario de dégradation simplifié obtenu sur particules modèles, afin de décrire le vieillissement des plastiques en milieu naturel. Ces résultats contribueront à mieux estimer l'évolution des concentrations de MP et NP dans les différents compartiments environnementaux, à améliorer la pertinence des études de toxicologie, à guider l'élaboration de particules modèles réalistes et, à terme, à orienter la conception de polymères moins impactants.
Les études actuelles de toxicité butent sur une difficulté expérimentale et théorique lorsqu'il s'agit de prédire l'évolution des microplastiques présents dans l'environnement et leur impact. Les premières études de toxicité ont en effet été menées en laboratoire sur des particules modèles, vierges de toute dégradation et de géométries bien définies [1]. Or les particules effectivement présentes dans l'environnement diffèrent sensiblement de ces objets de référence, du fait des altérations chimiques et mécaniques subies au cours de leur vieillissement. Ces altérations sont de deux natures, chimique et morphologique. Sur le plan chimique, l'oxydation ne progresse pas de manière uniforme : gouvernée par un couplage entre diffusion de l'oxygène et réaction dans le matériau, elle engendre une hétérogénéité marquée, avec des gradients d'oxydation entre la surface et le coeur de la particule [2], et produit de nouvelles espèces chimiques ainsi que des objets de tailles allant du nanomètre au millimètre, de compositions variées, restant piégés ou non dans le polymère. Sur le plan morphologique, l'état de surface résulte de la fracturation et de la fragmentation induites par les contraintes mécaniques, internes (mise en forme, fragilisation liée à l'oxydation) comme externes (abrasion, sollicitations hydrodynamiques, chocs), qui produisent des surfaces irrégulières et fortement accidentées [3].
Cette distinction est importante, car la toxicité d'une particule dépend étroitement de son état physico-chimique - taille, forme, microstructure, porosité, degré de vieillissement, nature des espèces chimiques présentes en surface [1]. Une évaluation représentative de l'impact des microplastiques en milieu réel suppose donc de travailler non plus à partir de particules modèles, mais avec des particules réalistes, comme le seront celles extraites du milieu naturel. Cette approche se heurte toutefois à une difficulté majeure : le type, la durée et la nature des interactions subies étant très variables, la diversité des microplastiques et nanoplastiques réels est considérable, et les études d'impact peuvent se multiplier sans conduire à des résultats généralisables [4]. Lever cette limite constitue l'objectif central du présent projet.
L'objectif central du projet est d'établir le scénario le plus universel possible de dégradation des microplastiques dans l'environnement, afin de prédire quantitativement l'évolution de leur présence et de leurs impacts. La diversité des microplastiques réels rendant leur caractérisation exhaustive impossible, il s'agit d'identifier les invariants de leur vieillissement plutôt que d'en multiplier indéfiniment la description, pour dégager les lois générales qui le gouvernent.
La démarche s'appuie sur la confrontation d'un scénario de dégradation type, établi sur des particules modèles vieillies en laboratoire, avec la réalité des particules environnementales. D'un côté, les études de vieillissement conduites en laboratoire ont permis d'élaborer un scénario type de dégradation dont on maîtrise chaque étape. De l'autre, les nouvelles mesures réalisées sur des particules réelles collectées en milieu naturel fourniront un corpus de données quantitatives sur l'état de particules dont l'historique reste inconnu. En confrontant les profils d'oxydation et les mesures de surface obtenus sur ces deux familles de particules - vieillies de façon contrôlée d'une part, prélevées dans l'environnement d'autre part -, il deviendra possible de distinguer ce qui relève d'invariants de dégradation de ce qui tient aux conditions particulières d'altération, et d'établir un scénario plus élaboré, cette fois représentatif du milieu réel, permettant de déduire les grandes tendances du devenir des plastiques dans l'environnement malgré la complexité des phénomènes en jeu.
La démarche proposée repose, d'une part, sur la caractérisation expérimentale conjointe des deux types d'altération identifiés - chimique et morphologique - à travers la complémentarité de deux approches expérimentales et, d'autre part, sur la comparaison à un scénario théorique général (ou « type ») de dégradation préalablement établi, fondé sur l'alternance de processus d'oxydation et de fragmentation.
La cartographie par spectroscopie infrarouge spatialement résolue donne accès à la distribution locale de l'oxydation et permet de reconstruire les profils chimiques liés au comportement de diffusion-réaction, le contrôle du volume sondé autorisant la normalisation des mesures et l'extraction d'informations quantitatives [5]. En parallèle, l'observation par microscopie électronique à balayage (MEB) et l'analyse des images obtenues permettent de caractériser la morphologie de surface et les signatures de fracturation associées aux mécanismes de fragmentation [3].
L'étude portera sur des microplastiques environnementaux de grande taille, choisis pour couvrir deux familles de matériaux : des polymères conventionnels (polyéthylène PE, polystyrène PS) et des polymères biodégradables (PBAT, PLA, ...). Ce choix permettra de s'appuyer sur les études de vieillissement contrôlé réalisées antérieurement dans l'équipe, qui fournissent pour ces matériaux un scénario type d'oxydation et de fragmentation servant de référence. Les échantillons seront accessibles par l'intermédiaire des collaborateurs du réseau GDR Plastiques, Environnement, Santé.
Il s'agira alors de confronter les données obtenues sur ces particules environnementales à celles des échantillons vieillis en conditions contrôlées, pour lesquels un scénario de dégradation a été préalablement établi [2], afin de dégager les différences et d'affiner puis de généraliser aux particules dégradées dans l'environnement le scénario établi précédemment. Nous avons en effet pu montrer que lorsque l'oxydation avait atteint un certain niveau le polymère était suffisamment fragilisé pour être fragmenté sous l'action des contraintes internes et externes, libérant ainsi une nouvelle surface pour la diffusion d'oxygène. La confrontation doit permettre d'identifier les paramètres les plus pertinents influant sur la dégradation en milieu naturel et de dégager des lois de comportement « type » décrivant le vieillissement des plastiques. Cela permettra notamment d'orienter les études de toxicité et d'alimenter les modèles d'évaluation des flux de pollution plastique [6,7].

Candidat(e) titulaire d'un master en physique, physico-chimie des matériaux ou science des polymères, avec un goût marqué pour l'expérimentation. Des compétences ou un intérêt pour la spectroscopie infrarouge, la microscopie (électronique et/ou champ proche), l'analyse et le traitement d'images, ainsi que des bases en programmation scientifique (Python) seront appréciés. Une sensibilité aux enjeux environnementaux et une capacité à travailler dans un contexte interdisciplinaire et collaboratif sont souhaitées. Autonomie, rigueur et aptitude à la communication scientifique (français et anglais) complètent le profil recherché.

• Python
• Programmation
• Anglais
• Autonomie
• Spectroscopie IR
• Traitement d'image
• Français
• Spectroscopie
• Chimie