Les acides aident à lutter contre les virus transmis par l'air

Les virus tels que le SRAS-CoV-2, le virus de la grippe et d'autres se déplacent d'une personne à l'autre essentiellement en faisant de l'auto-stop sur des aérosols. Il s'agit de particules finement dispersées contenant du liquide en suspension dans l'air qu'une personne infectée expulse en toussant, en éternuant ou simplement en expirant, et qui peuvent être inhalées par une autre personne.

C'est pourquoi on considère généralement qu'il est important d'aérer efficacement les pièces et de filtrer l'air intérieur : en réduisant les concentrations de particules d'aérosol dans les maisons, les bureaux et les véhicules de transport public, on peut réduire le risque d'infection.

Comment les particules en suspension s'acidifient-elles ?

On ne sait pas exactement combien de temps les virus présents dans les aérosols restent infectieux. Certaines études suggèrent que l'humidité et la température de l'air peuvent jouer un rôle dans la persistance des virus. Un facteur qui a été sous-estimé jusqu'à présent est la composition chimique des aérosols expirés, en particulier leur acidité et leurs interactions avec l'air intérieur. De nombreux virus, tels que le virus de la grippe A, sont sensibles à l'acidité ; les particules d'aérosols expirés peuvent absorber des acides volatils et d'autres substances en suspension dans l'air, comme l'acide acétique, l'acide nitrique ou l'ammoniac, provenant de l'air intérieur, ce qui affecte à son tour les niveaux d'acidité (pH) des particules.

Aucune recherche n'avait encore été menée sur l'effet de l'acidification des aérosols après leur expiration sur la charge virale qu'ils transportent. Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich, de l'EPFL et de l'Université de Zurich s'est penchée sur cette question.

Dans une nouvelle étude, ils montrent pour la première fois comment le pH des particules d'aérosol change dans les secondes et les heures qui suivent l'expiration dans différentes conditions environnementales. En outre, ils montrent comment cela affecte les virus contenus dans les particules. L'étude vient d'être publiée dans la revue Environmental Science & Technology.

Les petites particules d'aérosol exhalées deviennent rapidement acides

Selon les chercheurs, les aérosols expirés s'acidifient très rapidement, plus vite que ce à quoi on pourrait s'attendre. La vitesse à laquelle ils le font dépend de la concentration de molécules acides dans l'air ambiant et de la taille des particules d'aérosol. L'équipe a examiné de minuscules gouttelettes - de quelques micromètres de diamètre - de mucus nasal et de liquide pulmonaire synthétisé spécifiquement pour l'étude. Dans un air intérieur typique, il ne fallait qu'une centaine de secondes à ces gouttelettes pour atteindre un pH de 4, ce qui équivaut à peu près à l'acidité du jus d'orange.

La valeur du pH est une mesure de l'acidité : une solution neutre a un pH de 7 ; le pH des solutions acides est inférieur à 7 ; celui des solutions basiques est supérieur à 7.

Les chercheurs affirment que l'acidification des aérosols est en grande partie due à l'acide nitrique qui pénètre depuis l'air extérieur. Il pénètre dans les espaces intérieurs soit par des fenêtres ouvertes, soit lorsque les systèmes de ventilation aspirent l'air extérieur. L'acide nitrique est formé par la transformation chimique des oxydes d'azote (NOx), qui sont libérés dans l'environnement principalement comme produit des processus de combustion avec les gaz d'échappement des moteurs diesel et des fours domestiques. Par conséquent, il existe un approvisionnement permanent en oxydes d'azote et donc en acide nitrique dans les villes et les zones métropolitaines.

L'acide nitrique adhère rapidement aux surfaces, aux meubles, aux vêtements et à la peau, mais il est également absorbé par les minuscules particules d'aérosol expirées. Cela augmente leur acidité et abaisse leur pH.

Le pH des aérosols est la clé de l'inactivation des virus

L'équipe de recherche montre en outre que l'environnement acide peut avoir un impact décisif sur la vitesse d'inactivation des virus piégés dans les particules de mucus exhalées. Les deux types de virus présentent des sensibilités différentes aux acides : Le SRAS-CoV-2 est si résistant à l'acide que les experts n'ont d'abord pas cru à leurs mesures. Il fallait un pH inférieur à 2, c'est-à-dire des conditions très acides telles que celles du jus de citron non dilué, pour inactiver le coronavirus. De telles conditions ne peuvent être atteintes dans l'air intérieur typique.

Les virus de la grippe A, en revanche, sont inactivés au bout d'une minute seulement dans des conditions d'acidité de pH 4. Les particules de mucus fraîchement exhalées atteignent ce niveau en moins de deux minutes dans les environnements intérieurs typiques. Si l'on ajoute le temps nécessaire pour acidifier l'aérosol au temps nécessaire pour inactiver les virus de la grippe à un pH de 4 ou moins, il apparaît rapidement que 99 % des virus de la grippe A seront inactivés dans l'aérosol après environ trois minutes. Ce court laps de temps a surpris les chercheurs.

Le cas du SRAS-CoV-2 est différent : comme le pH de l'aérosol ne descend pratiquement jamais en dessous de 3,5 dans les espaces intérieurs typiques, il faut plusieurs jours pour que 99 % des coronavirus soient inactivés.

L'étude montre que dans les pièces bien ventilées, l'inactivation des virus de la grippe A dans les aérosols fonctionne efficacement, et que la menace du SRAS-CoV-2 peut également être réduite (voir figure). En revanche, dans les pièces mal ventilées, le risque que les aérosols contiennent des virus actifs est 100 fois plus élevé que dans les pièces bénéficiant d'un fort apport d'air frais.

L'étude montre que dans les pièces bien ventilées, l'inactivation des virus de la grippe A dans les aérosols fonctionne efficacement et que la menace du SRAS-CoV-2 peut également être réduite (voir figure). En revanche, dans les pièces mal ventilées, le risque que les aérosols contiennent des virus actifs est 100 fois plus élevé que dans les pièces bénéficiant d'un fort apport d'air frais.

Les chercheurs conseillent donc de ventiler fréquemment et correctement les pièces intérieures, afin que l'air intérieur chargé de virus et les substances basiques telles que l'ammoniac provenant des émissions des personnes et des activités intérieures soient transportés à l'extérieur, tandis que les composants acides de l'air extérieur peuvent pénétrer dans les pièces en quantité suffisante.

La filtration élimine les acides de l'air

Même les systèmes de climatisation normaux équipés de filtres à air peuvent entraîner une réduction des acides volatils. "L'élimination des acides est probablement encore plus prononcée dans les musées, les bibliothèques ou les hôpitaux équipés de filtres à charbon actif. Dans ces bâtiments publics, le risque relatif de transmission de la grippe peut augmenter de manière significative par rapport aux bâtiments alimentés en air extérieur non filtré", écrit l'équipe dans l'article.

Pour y remédier, l'équipe de recherche pourrait imaginer d'ajouter à l'air filtré de petites quantités d'acides volatils comme l'acide nitrique et d'éliminer les substances basiques comme l'ammoniac pour tenter d'accélérer l'acidification des aérosols. Selon l'étude, une concentration d'acide nitrique d'environ 50 ppb (parties par milliard d'air, soit 1/40e de la limite légale de 8 heures sur le lieu de travail) pourrait multiplier par mille le risque d'infection par le COVID-19 (voir figure).

Un long chemin vers un climat intérieur plus sain

Toutefois, les chercheurs sont également conscients qu'une telle mesure sera très controversée, car on ne sait pas quelles conséquences de tels niveaux d'acide peuvent avoir. Les musées ou les bibliothèques filtrent très soigneusement l'air pour éviter d'endommager les œuvres d'art et les livres. Les ingénieurs civils ne seraient pas non plus enchantés, car l'ajout d'acides pourrait endommager les matériaux ou les conduits. Les chercheurs impliqués dans l'étude s'accordent donc à dire que des études à long terme sont nécessaires pour évaluer les risques pour les personnes et les structures. Par conséquent, l'utilisation d'acides volatils pour inactiver efficacement les virus dans les particules d'aérosol pourrait ne pas être facilement établie comme mesure de lutte contre les virus, tandis que l'élimination de l'ammoniac - un composé facilement émis par les personnes et une substance qui stabilise les virus car elle élève le pH - ne devrait pas être controversée.

Une collaboration fructueuse

La présente étude est le fruit d'une collaboration interdisciplinaire entre des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'EPFL et de l'Université de Zurich. Après des années de préparation, ce travail a démarré en 2019 en tant que projet portant uniquement sur la grippe. À la lumière de la pandémie de COVID-19, les chercheurs ont élargi le champ d'application pour inclure le nouveau coronavirus.

La manière dont ces deux virus réagissent aux environnements acides a été étudiée par les chercheurs du groupe dirigé par Silke Stertz à l'Institut de virologie médicale de l'Université de Zurich, en collaboration avec des collègues du Laboratoire de chimie environnementale de l'EPFL dirigé par Tamar Kohn, qui est également le responsable général de ce projet Sinergia du FNS. Ils ont testé la sensibilité des virus de la grippe A et des coronavirus à différentes conditions acides dans du liquide pulmonaire généré artificiellement et dans du mucus nasal ou pulmonaire, que les scientifiques avaient préalablement récolté à partir de cultures cellulaires de mucus spécialement cultivées.

Les chercheurs du groupe de chimie atmosphérique de l'ETH Zurich, dirigés par Thomas Peter et Ulrich Krieger, ont étudié le comportement des aérosols de mucus à l'aide d'un piège à particules électrodynamique. Avec cet appareil, les chercheurs peuvent "retenir" des particules individuelles en suspension pendant des jours ou des semaines et les étudier sans contact avec des surfaces, par exemple pour voir comment les changements d'humidité les affectent.

Le groupe Peter a également été chargé d'effectuer des simulations de modèles. Cette approche basée sur la modélisation pourrait s'avérer être une faiblesse dans l'étude globale ; la façon dont les virus aéroportés se comportent réellement dans les aérosols acides est quelque chose qui reste à voir dans d'autres expériences. Dans cette optique, les chercheurs dirigés par Athanasios Nenes à l'EPFL, qui ont initialement proposé que l'acidité puisse être un modulateur important de l'activité des virus, ont mis au point des techniques expérimentales et des approches de modélisation qui permettront de réaliser de futures expériences à la fois dans des conditions strictes de biosécurité et en utilisant différentes compositions de l'air intérieur.