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Pour pouvoir évaluer l'exposition aux PFAS, il faut tout d'abord détecter ces substances de manière fiable. L'analyse joue donc un rôle clé. Quels sont les principaux défis à relever dans ce domaine?
Le groupe des composés alkylés per- et polyfluorés (PFAS) comprend plus de 10'000 substances. Ce nombre considérable pose à lui seul des défis majeurs à l’analyse. À cela s’ajoute le fait qu’à l’heure actuelle, seules une centaine de ces composés disposent de substances de référence, indispensables à une identification et une quantification fiables. De plus, ce groupe de substances comprend des composés aux propriétés très variées, allant des substances à chaîne courte et très solubles dans l’eau aux substances à chaîne longue et à forte capacité de sorption. Leur comportement dans l’environnement diffère donc considérablement.
Comme de nombreux PFAS ont déjà un impact sur l’environnement et la santé à de très faibles concentrations, il faut pouvoir les détecter de manière fiable même à ces concentrations très basses. Cela nécessite des systèmes d’analyse hautement sensibles, généralement la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Les analyses dans des matrices complexes telles que les sols, le lisier ou les aliments pour animaux sont particulièrement difficiles. Elles nécessitent, outre une étape d’extraction, toute une série d’étapes de purification avant que les échantillons puissent être analysés. La contamination de fond constitue également un défi, car les PFAS sont présents dans de nombreux matériaux de laboratoire et d’usage quotidien, par exemple dans les tuyaux en Téflon, les joints d’étanchéité ou le matériel de laboratoire. Afin de garantir la fiabilité des résultats de mesure, le contrôle qualité revêt donc une importance capitale. Il est notamment indispensable de prélever et d’analyser régulièrement des échantillons à blanc.
«Cependant, de nombreux produits de substitution ne font actuellement pas l’objet d’une surveillance à grande échelle.»
Où en est aujourd’hui l’analyse des PFAS?
On mesure systématiquement en particulier ce qu’on appelle les «legacy PFAS», c’est-à -dire des composés PFAS utilisés par le passé et bien caractérisés. Le PFOS est l’une de ces substances; en raison de sa toxicité, il est désormais largement interdit en Suisse ainsi que dans l’UE. Les mesures effectuées par l’Eawag dans les boues d’épuration montrent que les concentrations en PFOS sont aujourd’hui environ dix fois plus faibles qu’en 2011. Cette substance reste néanmoins détectable. Aujourd’hui, de nombreux précurseurs de PFAS sont utilisés comme produits de substitution. Or, bon nombre de ces composés ne font actuellement pas l’objet d’une surveillance à grande échelle. Il existe donc un risque que leur propagation dans l’environnement et leurs effets potentiels soient jusqu’à présent sous-estimés.Dans le cadre d’un projet de recherche de l’Eawag, financé principalement par l’OFEV, nous avons analysé des échantillons de boues d’épuration et d’eaux usées provenant de 21 stations d’épuration suisses, prélevés en 2023 et 2024. À l’aide d’une extraction en phase solide en ligne associée à la chromatographie liquide et à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS), nous avons analysé plus de 60 PFAS cibles (criblage ciblé) et avons en outre enregistré des spectres de masse en vue d’un criblage des substances suspectes ultérieur. Au cours de ces analyses, nous avons détecté l’une de ces substances précurseurs, le FTAB 6:2 (également appelé Capstone B), en concentrations élevées dans toutes les STEP. Cette substance est généralement utilisée dans les mousses extinctrices ; cependant, sa présence omniprésente suggère qu’il existe d’autres sources encore inconnues à ce jour. Nous avons donc effectué une recherche de brevets qui a révélé que le Capstone B est également utilisé pour le nettoyage et la protection des surfaces, dans les imprimantes à jet d’encre et dans les textiles à des fins ignifuges. Une autre substance que nous avons détectée localement à des concentrations plus élevées est le bistriflimide (bisFMeSI), utilisé dans les batteries lithium-ion.
«Lors de nos analyses, nous avons détecté l’un de ces produits de substitution, le FTAB 6:2 (également appelé Capstone B), en concentrations élevées dans les stations d’épuration suisses.»
Les méthodes d’analyse décrites ne permettent d’identifier qu’une petite partie de cet immense groupe de substances. Existe-t-il également des méthodes permettant de détecter non seulement des substances individuelles, mais l’ensemble du groupe des PFAS ? Comment les utilisez-vous?
En effet, les analyses de substances individuelles développées à l’Eawag et à l’Empa ne nous permettent de détecter que la partie émergée de l’iceberg. À l’Eawag, nous pouvons actuellement doser quantitativement une bonne soixantaine de PFAS, tandis qu’à l’Empa, nous en dosons une trentaine. Outre la mesure des substances cibles, il existe différentes méthodes permettant de déterminer la quantité totale de composés organofluorés sous forme de paramètre global. Parmi celles-ci figurent notamment le EOF (Extractable Organic Fluorine) ou l’AOF (Adsorbable Organic Fluorine). Le Total Oxidizable Precursor Assay (test TOP) constitue par ailleurs un outil performant pour détecter les composés précurseurs. Nous utilisons ces méthodes pour identifier les échantillons présentant des teneurs potentiellement élevées en PFAS, puis pour les analyser de manière plus approfondie.
Dans le cadre du projet de recherche mentionné sur la présence de PFAS dans les STEP suisses, nous avons également analysé les échantillons de boues d’épuration et d’eaux usées à l’aide du test TOP et de l’analyse EOF. Nous avons souvent constaté un écart important entre les teneurs en composés fluorés organiques déterminées respectivement par le test TOP et l’analyse EOF, et la somme des substances que nous avons pu quantifier grâce à des étalons de référence. Cela suggère que les échantillons contiennent d’autres composés PFAS non encore identifiés. Nous travaillons actuellement, dans le cadre d’un projet de l’Eawag financé en partie par l’OFEV, à combler cette lacune de bilan et de connaissances.
Comment procédez-vous?
D’une part, nous essayons de détecter des précurseurs dans les eaux usées à l’aide d’un criblage non ciblé. Nous recherchons ainsi des substances dont nous soupçonnons la présence, mais pour lesquelles aucun matériau de référence n’est disponible. Cette méthode permet également de rechercher des substances fluorées totalement inconnues, en examinant des fragments spécifiques par spectrométrie de masse. Cela n’est toutefois pas si simple d’un point de vue analytique. D’autre part, nous travaillons à combler cette lacune à l’aide d’autres méthodes d’analyse, telles que la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse.
Quels sont vos objectifs en matière de développement des analyses des PFAS et de leur application dans les stations d’épuration?
Ces analyses servent à identifier les principaux PFAS présents dans les flux d’eaux usées et, surtout, leurs sources potentielles. Lorsque des sources sont ainsi mises au jour, les autorités cantonales peuvent, en collaboration avec les émetteurs, les examiner et, à terme, les éliminer. De plus, nous souhaitons mieux comprendre la présence et le devenir de ces polluants tout au long du processus de traitement des eaux usées. Dans le cadre du traitement biologique classique de la station d’épuration, l’élimination des PFAS analysés était faible.
Quels autres projets de recherche sur le comportement des PFAS dans l’environnement sont en cours à l’Empa et à l’Eawag?
Outre le projet de l’Eawag déjà mentionné, consacré à la présence de PFAS dans les STEP suisses et à leur comportement au cours du processus d’épuration, plusieurs projets sont en cours à l’Empa, en collaboration avec d’autres institutions. D’une part, l’accent est mis sur le transfert des PFAS entre différents compartiments environnementaux, en particulier leur passage du sol vers les plantes. Dans un autre projet, nous étudions si le déplacement d’animaux d’élevage permet d’obtenir une décontamination du sang, du lait et de la viande maigre. Enfin, un autre projet de recherche porte sur les émissions de PFAS dans l’air. Par ailleurs, l’Eawag et l’Université de Zurich ont créé une base de données publique répertoriant les voies de dégradation, étudiées expérimentalement, des précurseurs dans différents compartiments environnementaux, et ont développé, sur cette base, un modèle permettant de prédire la dégradation de ces précurseurs.
Les PFAS, ces «substances chimiques éternelles», sont aujourd’hui omniprésentes dans l’environnement – parfois à des concentrations jugées problématiques. Le principal défi consiste désormais à trouver des moyens de les éliminer de l’environnement. Quelles sont les méthodes principalement utilisées aujourd’hui pour le traitement de l’eau?
L’élimination des PFAS de l’eau représente un défi majeur, car de nombreux PFAS sont chimiquement extrêmement stables. La plupart des procédés utilisés aujourd’hui ne détruisent donc pas les PFAS, mais se contentent de les retirer de l’eau et de les concentrer dans un flux de déchets. La technologie actuellement la plus couramment utilisée dans le traitement de l’eau est l’adsorption sur charbon actif granulé (CAG). Elle est techniquement éprouvée, relativement peu coûteuse et particulièrement adaptée aux PFAS à longue chaîne. Elle atteint toutefois ses limites avec les PFAS à chaîne courte. On utilise également des résines échangeuses d’anions spéciales, qui fixent efficacement les PFAS et conviennent également aux composés à chaîne courte. Les procédés au charbon actif et par échange d’ions sont souvent combinés afin d’éliminer un spectre aussi large que possible de PFAS de l’eau. C’est l’osmose inverse qui atteint le taux de rétention le plus élevé, mais elle est associée à une forte consommation d’énergie. Le fractionnement de mousse peut également être utilisé pour la concentration, en particulier des PFAS à longue chaîne. Tous ces procédés ont toutefois en commun de générer un flux de déchets contaminés par des PFAS, que ce soit sous forme de matériau filtrant saturé ou d’un flux résiduel concentré. Celui-ci doit ensuite être éliminé de manière appropriée ou faire l’objet d’un traitement complémentaire.
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Quels sont les projets actuellement menés à l'Eawag et à l'Empa pour éliminer les PFAS de l'eau?
Actuellement, l’Eawag étudie, en collaboration avec la société Membratec, l’élimination ou la réduction des PFAS dans les eaux souterraines à l’aide d’une combinaison de charbon actif en poudre super-fin (SCAP) et d’ultrafiltration. Avec un diamètre de 1 à 2 micromètres, le charbon actif ultrafin présente des particules nettement plus petites que le charbon actif en poudre classique, dont les particules mesurent généralement entre 20 et 50 micromètres. Le SCAP dispose ainsi d’une surface spécifique nettement plus importante, ce qui accélère l’adsorption des PFAS. L’ultrafiltration en aval retient le charbon actif dans le système et prolonge le temps de contact effectif entre le charbon actif et les polluants. La combinaison du SCAP et de l’ultrafiltration est déjà utilisée avec succès depuis 2025 par la société d’approvisionnement en eau du Seeland (Seeländische Wasserversorgung Worben) pour le traitement de l’eau. L’installation existante sert toutefois principalement à éliminer les résidus de pesticides. Notre projet vise désormais à déterminer si ce procédé se prête également à l’élimination efficace des PFAS.
L’Empa développe actuellement un non-tissé électrofilé doté de groupes fonctionnels spécifiques. Ces groupes permettent une liaison ciblée des PFAS à la surface du non-tissé. La filtration de l’eau à travers ce matériau chimiquement modifié devrait permettre d’éliminer efficacement les PFAS de l’eau et d’en augmenter la concentration. Par ailleurs, le projet FRESH – l’acronyme FRESH signifie Foam Removal of Emerging Substances in Husbandry – examine comment éliminer les PFAS par fractionnement de la mousse, non pas de l’eau, mais du lisier, afin que celui-ci puisse continuer à être épandu sur les champs.
Un autre projet a récemment été lancé à l’Empa: Plasma4Water. Comment cette technologie fonctionne-t-elle et où pourrait-elle être utilisée à l’avenir?
Dans le cadre du projet Plasma4Water (dont le nom complet est: «Dégradation des polluants émergents dans l’eau grâce à la combinaison de nanomatériaux catalytiques et de la technologie plasma»), nous souhaitons développer un procédé permettant de détruire les PFAS et d’autres composés difficilement dégradables. En principe, les PFAS peuvent être détruits par incinération à haute température. Cependant, ce procédé comporte le risque que les substances ne soient pas entièrement décomposées. Un traitement direct dans l’eau est également possible grâce à l’oxydation électrochimique. Ce procédé présente toutefois une forte consommation d’énergie et ne peut être transposé à grande échelle que de manière limitée. D’autres technologies de destruction des PFAS font actuellement l’objet de recherches. Parmi celles-ci figurent les procédés sonochimiques basés sur les ultrasons, l’oxydation de l’eau en conditions supercritiques (SCWO), le traitement hydrothermique alcalin (HALT) ainsi que divers procédés réducteurs. Les approches considérées aujourd’hui comme particulièrement prometteuses combinent une séparation et une concentration, suivies de la destruction des PFAS dans le concentré – concentrate and destroy –, car cela permet de ne traiter qu’un faible débit résiduel fortement pollué.
«À l’Eawag, nous nous concentrons sur la recherche de micro-organismes spécialisés et de leurs enzymes, capables de rompre les liaisons carbone-fluor extrêmement stables.»
Une autre approche est la technologie du plasma, que nous utilisons à l’Empa dans le cadre du projet Plasma4Water. La dégradation efficace des PFAS nécessite à la fois des étapes de réaction oxydatives et réductrices. Les plasmas produisent de grandes quantités d’espèces chimiques très réactives, mais éphémères. Cette technologie permet l’utilisation synergique d’espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (oxydantes) en combinaison avec des électrons libres dans le liquide (réductrices), ce qui permet de dégrader efficacement les composés PFAS. Cette technologie est déjà utilisée ponctuellement pour le traitement de sources d’émissions locales. Il s’agit toutefois de la destruction de composés perfluorés gazeux tels que le CF4 ou le C2F6. Il s’agit désormais d’adapter cette technologie afin qu’elle puisse être utilisée pour le traitement des eaux contaminées par les PFAS. Pour ce faire, un plasma atmosphérique doit être utilisé dans un réacteur à flux continu. Le plasma génère dans l’eau des bulles très actives. L’un des principaux défis consiste à acheminer les molécules de PFAS vers l’interface eau-bulles, car c’est principalement dans cette zone que se produisent les réactions de dégradation.
La dégradation microbienne des PFAS fait également l’objet d’une étude approfondie à l’Eawag. Quelle approche est choisie dans ce cadre?
En ce qui concerne la dĂ©gradation microbienne des PFAS, les chercheurs de l’Eawag recherchent spĂ©cifiquement des bactĂ©ries spĂ©cialisĂ©es ainsi que des enzymes capables de rompre les liaisons carbone-fluor extrĂŞmement stables. Dans le cadre du ERC Starting Grant CODE-PFAS, une Ă©quipe Ă©tudie, Ă l’aide d’expĂ©riences en laboratoire et de modĂ©lisations, comment les enzymes microbiennes se lient aux composĂ©s fluorĂ©s et parviennent Ă les dĂ©grader. Les approches faisant appel soit Ă l’ingĂ©nierie enzymatique ciblĂ©e, soit Ă des procĂ©dĂ©s hybrides – c’est-Ă -dire la combinaison de la dĂ©gradation biologique avec des mĂ©thodes Ă©lectrochimiques ou physiques – gagnent en importance pour permettre les processus de dĂ©gradation des PFAS.Â
Afin d’empêcher une nouvelle augmentation de la pollution, il est donc essentiel de développer des alternatives sûres aux PFAS et d’encourager leur utilisation. Quels travaux de recherche sont en cours sur ce sujet?
Les surfaces de matériaux revêtues de PFAS, en particulier les textiles, constituent une source importante d’émissions de PFAS. Il est donc intéressant de rechercher des alternatives dans ce domaine. Selon le domaine d’application et les exigences associées aux textiles, les PFAS, avec leurs propriétés anti-salissures et hydrofuges, peuvent être plus ou moins facilement remplacés. Notre recherche a donc commencé par une analyse visant à déterminer dans quels cas les PFAS peuvent être facilement remplacés et où des matériaux et revêtements alternatifs peuvent contribuer de manière significative à la réduction des rejets de PFAS.
«Pour le développement d’alternatives sans PFAS, nous misons sur la technologie du plasma.»
Pour le développement d’alternatives sans PFAS, les chercheurs de l’Empa s’appuient également sur la technologie du plasma, car celle-ci constitue un procédé à sec et économe en ressources pour la fonctionnalisation des surfaces des matériaux. L’un de ses principaux avantages réside dans le fait qu’elle permet de produire des revêtements nettement plus fins, mais tout aussi fonctionnels qu’avec les PFAS, en particulier les PFAS à chaîne courte, qui sont de plus en plus utilisés depuis l’interdiction des PFAS à chaîne longue, ou qu’avec d’autres revêtements appliqués par voie humide à base de silicone ou de polyuréthane. Grâce au procédé au plasma, nous obtenons des revêtements tout aussi efficaces et durables, voire plus durables, tout en utilisant environ cent fois moins de matière. Ceux-ci sont hautement réticulés et liés de manière covalente au fil ou au textile, de sorte qu’aucune libération significative de composants du revêtement ne se produit lors du lavage. Cela explique leur grande résistance à l’usage et au lavage. Actuellement, nous utilisons des revêtements organosiliciés. Des valeurs limites s’appliquent également à ceux-ci, notamment pour les siloxanes cycliques. Des mesures récentes ont montré qu’aucune libération de siloxanes supérieure au niveau de fond ne pouvait être détectée dans nos revêtements. Grâce à la faible consommation de ressources, les coûts d’exploitation du procédé sont relativement bas. Le principal obstacle réside toutefois actuellement dans les coûts d’investissement élevés. Nous travaillons actuellement à perfectionner le procédé et les installations nécessaires afin d’obtenir des revêtements sans PFAS encore plus efficaces. En effet, à l’avenir, nous souhaitons enduire non pas la surface textile, mais le fil lui-même. En juin, la première installation industrielle d’enduction de fils a été mise en exploitation avec succès chez notre partenaire de mise en œuvre.
Les PFAS ne sont pas les premiers produits chimiques persistants à poser un problème environnemental. Quels enseignements faut-il tirer des expériences passées avec d’autres polluants afin d’identifier les risques futurs à un stade précoce et de ne pas attendre que les problèmes se manifestent pour agir?
Dans le cas des PFAS, il est apparu une fois de plus clairement que l’interdiction de certains composés a souvent conduit à l’introduction de substituts très similaires. Les futures réglementations devraient donc moins se concentrer sur des substances individuelles et plutôt couvrir des groupes entiers de substances présentant des propriétés similaires. Les propriétés de persistance et de mobilité devraient également être considérées comme des signaux d’alerte, car ces substances persistent très longtemps dans l’environnement. Le concept de «Safe-by-Design» suscite également un intérêt croissant; il s’agit de prendre en compte les risques liés à une substance dès la phase de développement. Dans le cadre du grand projet européen «PARC», consacré au développement de l’évaluation des risques liés aux produits chimiques, des chercheurs de l’Empa et de l’Eawag participent au volet «Safe and Sustainable by Design». Ils souhaitent mettre à disposition des méthodes permettant d’évaluer la sécurité et la durabilité des nouveaux produits chimiques dès les premières étapes de leur développement.
Pour les substances déjà en circulation, une surveillance environnementale précoce et à long terme est très importante. Cela permet de comprendre où ces substances sont présentes, quel est le niveau d’exposition et comment les concentrations évoluent au fil du temps. En outre, une plus grande transparence concernant les produits chimiques serait souhaitable, c’est-à -dire que l’industrie divulgue davantage de données sur les substances ainsi que d’informations sur leur production et leur utilisation. Une collaboration interdisciplinaire, s’étendant également au-delà des frontières nationales, revêt également une importance capitale. Les connaissances relatives à la présence de ces substances, à leur toxicologie et aux schémas pathologiques doivent être systématiquement regroupées et partagées en amont avec les autorités, l’industrie et le secteur de la santé. Cela jette les bases de décisions fondées et rapides. Lors de la prise de décisions politiques, il convient de tenir compte de manière appropriée des incertitudes existantes. Le principe de précaution revêt ici une importance capitale: il exige d’agir dès lors qu’un danger ou un préjudice n’est pas encore prouvé sans l’ombre d’un doute ou que les données disponibles sont encore incomplètes. Les coûts des mesures réglementaires préventives sont souvent nettement inférieurs à ceux qui seront engagés ultérieurement pour remédier aux dommages causés à l’environnement et à la santé. La prévention consiste également à empêcher les PFAS de se répandre dans l’environnement. Ainsi, une meilleure étanchéité des systèmes de climatisation des voitures permettrait d’éviter le rejet de gaz réfrigérants contenant des PFAS dans l’atmosphère, tout comme le fait de renoncer à l’utilisation de PFAS dans les produits phytosanitaires, qui contribuent à la contamination des eaux souterraines par le TFA.
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La chercheuse de l’Eawag Christa McArdell dirige le groupe «Polluants dans le traitement des eaux usées» du département de chimie environnementale. |
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Serina Robinson dirige un groupe de recherche au sein de l’unité de microbiologie environnementale de l’Eawag et est professeure adjointe en biochimie environnementale au département des sciences des systèmes environnementaux de l’ETH. |
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Le chimiste Markus Zennegg est directeur du centre d'analyse de l'Empa. |
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Le chercheur de l’Empa Dirk Hegemann dirige l’équipe «Plasma & Coating», qui fait partie du département «Advanced Fibers» de l’Empa. |
Aperçu sur les PFAS (site web de l’Empa)
Présentation des PFAS (site web de l'Eawag)
Présence de PFAS dans les stations d'épuration suisses (allemand - site web de l'Eawag)
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