Les poussières fines - plus dangereuses qu'on ne le pense

Il est bien connu que les poussières fines peuvent être dangereuses pour la santé. Les particules d'un diamètre maximal de 10 micromètres peuvent pénétrer profondément dans les tissus pulmonaires et s'y fixer. Elles contiennent des composés réactifs de l'oxygène (ROS), également appelés "radicaux d'oxygène", qui peuvent endommager les cellules des poumons. Plus il y a de particules en suspension dans l'air, plus le risque est élevé. Certes, les particules se retrouvent également dans l'air à partir de sources naturelles telles que les forêts ou les volcans. Mais les activités humaines, par exemple dans les usines et les transports, multiplient la quantité, de sorte que des concentrations inquiétantes sont atteintes. Le potentiel des poussières fines à apporter ou à générer des radicaux d'oxygène dans les poumons a déjà été étudié pour différentes sources. Les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) viennent d'acquérir de nouvelles connaissances importantes à ce sujet.

Les recherches menées jusqu'à présent ont montré que certaines ROS se forment dans le corps humain lorsque les poussières fines se dissolvent dans le liquide de surface des voies respiratoires. Les poussières fines contiennent généralement des composants chimiques, comme des métaux tels que le cuivre et le fer, ainsi que certains composés organiques. Ceux-ci échangent des atomes d'oxygène avec d'autres molécules et il en résulte des composés très réactifs comme le peroxyde d'hydrogène (H2O2), l'hydroxyle (HO) ou l'hydroperoxyle (HO2), qui provoquent ce que l'on appelle le stress oxydatif. Ils attaquent par exemple les acides gras insaturés dans le corps, qui ne peuvent alors plus servir d'éléments constitutifs des cellules. Les médecins attribuent à de tels processus les pneumonies, l'asthme et diverses autres maladies des voies respiratoires. Même le cancer pourrait être déclenché, car les ROS peuvent également endommager la substance héréditaire qu'est l'ADN. 

De nouvelles connaissances grâce à une combinaison unique d'appareils

On sait depuis un certain temps que certaines espèces ROS sont déjà présentes dans les poussières fines de l'atmosphère et qu'elles pénètrent dans notre corps par l'air que nous respirons sous forme de ROS exogènes, sans qu'elles aient besoin de s'y former. Il s'avère aujourd'hui que l'on n'a pas encore suffisamment regardé de près : "Jusqu'à présent, les études ont analysé à l'aide de spectromètres de masse de quoi se compose la poussière fine", explique Peter Aaron Alpert, premier auteur de la nouvelle étude du PSI. "Mais on n'obtient alors aucune information sur la structure des différentes particules et sur ce qui se passe à l'intérieur".

Alpert, quant à lui, a utilisé les possibilités du PSI pour obtenir une vision plus précise : "Grâce aux rayons X brillants de la Source de Lumière Synchrotron Suisse SLS, nous avons pu non seulement observer de telles particules individuellement avec une résolution inférieure à un micromètre, mais aussi regarder à l'intérieur pendant que des réactions s'y déroulent". Pour cela, il a également utilisé une nouvelle cellule développée au PSI, dans laquelle il est possible de simuler les conditions environnementales atmosphériques les plus diverses. Elle peut réguler avec précision la température, l'humidité ainsi que l'exposition aux gaz, et une source de lumière UV-LED imite le rayonnement solaire. "Cette combinaison - microscope à rayons X à haute résolution et cellule - n'existe qu'une seule fois au monde", explique Alpert. L'étude n'a donc été possible qu'au PSI. Il a travaillé en étroite collaboration avec Markus Ammann, responsable du groupe Chimie des surfaces au PSI. Il a également bénéficié du soutien des chercheurs Ulrich Krieger et Thomas Peter, tous deux chimistes de l'atmosphère à l'EPF de Zurich, où des expériences supplémentaires ont été menées avec des particules en suspension, ainsi que des experts de Hartmut Hermann, de l'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique à Leipzig.

Comment se forment les composés dangereux

Les chercheurs ont analysé des particules contenant des composants organiques et du fer. Le fer provient de sources naturelles telles que la poussière du désert ou les cendres volcaniques, mais il est également présent dans les émissions de l'industrie et du trafic. Les composants organiques résultent également de sources naturelles et humaines. Dans l'atmosphère, ces composants se combinent pour former des complexes de fer qui réagissent ensuite sous l'effet du rayonnement solaire pour former ce que l'on appelle des radicaux. Ceux-ci fixent à leur tour tout l'oxygène disponible et produisent ainsi les composés oxygénés.

Normalement, une plus grande partie de ces ROS se diffuserait dans l'air à partir des particules sous l'effet de la chaleur du soleil et ne présenterait plus de danger si nous respirions les particules, qui contiennent alors moins de ROS. Mais si les conditions sont favorables, les radicaux s'accumulent à l'intérieur des particules et y consomment en quelques secondes tout l'oxygène disponible. Et cela est dû à ce que l'on appelle la viscosité : les poussières fines peuvent être solides comme de la pierre ou liquides comme de l'eau - mais selon la température et l'humidité, elles peuvent aussi être visqueuses comme du sirop, du chewing-gum ou du sucre suisse aux herbes. "Nous avons constaté que cet état de la particule permet aux ROS de rester piégées dans la particule", explique Alpert. Et aucun oxygène supplémentaire n'y pénètre de l'extérieur.

Ce qui est particulièrement effrayant, c'est que l'interaction entre le fer et les composés organiques entraîne la formation des plus fortes concentrations d'ERO dans des conditions météorologiques quotidiennes : avec une humidité moyenne de 50 pour cent et des températures d'environ 20 degrés, comme c'est le cas dans les pièces. "Auparavant, on pensait que les ROS ne se formaient dans l'air - si tant est qu'elles se formaient - que lorsque les particules de poussière fine contenaient des composés relativement rares comme les quinones", explique Alpert. Ce sont des phénols oxydés que l'on trouve par exemple dans les colorants des plantes et des champignons. Depuis peu, il est clair que de nombreuses autres sources de ROS sont présentes dans les poussières fines. "Comme nous l'avons maintenant constaté, ces sources connues de ROS peuvent être considérablement renforcées dans des conditions tout à fait quotidiennes". Environ une particule sur vingt est organique et contient du fer.

Mais ce n'est pas tout : "Nous partons du principe que les mêmes réactions photochimiques se produisent également dans d'autres particules de poussière fine", explique Markus Ammann, chef du groupe de recherche. "Nous supposons même que presque toutes les particules en suspension dans l'air forment des radicaux supplémentaires de cette manière", ajoute Alpert. "Si cela se confirme dans d'autres études, nous devrons d'urgence adapter nos modèles et nos valeurs limites concernant la qualité de l'air. Il se peut que nous ayons trouvé ici un facteur supplémentaire expliquant pourquoi tant de personnes semblent souffrir de maladies respiratoires ou de cancer sans raison concrète".

Toujours est-il que les ROS ont aussi du bon, surtout en période de pandémie de COVID-19, comme le suggère également l'étude : Ils s'attaquent également aux bactéries, virus et autres pathogènes qui se trouvent sur les aérosols et les rendent inoffensifs. Ce lien pourrait expliquer pourquoi le virus du Sras-CoV-2 survit le moins longtemps dans l'air à température ambiante et à humidité moyenne.