Ve. 21 Oct. 13H30 Soutenance thèse d’Aurélien Desaunay

Ve. 21 Oct. 13H30 - Soutenance thèse d’Aurélien Desaunay

Etude et modélisation de la biosorption des métaux par les bactéries. Application au transfert du cadmium et du zinc, seuls ou en mélange, par /Escherichia coli /et/ Cupriavidus metallidurans /en colonnes de sable d’Hostun.

La mobilisation rapide de métaux par la fraction colloïdale et mobile des sols et en particulier par les biocolloïdes (bactéries, algues, champignons, virus, etc.) est aujourd’hui identifiée comme un important mécanisme de transport qui peut mener, dans des conditions spécifiques, au transfert massif et accéléré de polluants vers les aquifères. Pour mieux comprendre le rôle du compartiment bactérien dans le transport facilité des métaux, nous avons conduit en laboratoire une étude couplant des conditions statiques et dynamiques. Dans un premier temps, nous avons évalué la bioaccumulation du Zn et du Cd, seuls ou en mélange, par deux bactéries à Gram négatif (Escherichia coli K12DH5α et Cupriavidus metallidurans CH34), actives ou inactives, en caractérisant la distribution subcellulaire des métaux. Dans un second temps, nous avons évalué la mobilité de ces deux bactéries modèles, seules ou en mélange, en milieu poreux réactif, ainsi que les principaux facteurs affectant cette mobilité. Nous avons alors pu étudier la capacité de ces deux bactéries à lixivier le Zn et le Cd, seuls ou en mélange, en colonnes de sable d’Hostun préalablement contaminé à des concentrations croissantes. Dans la première partie de la thèse, nous avons développé et appliqué une méthodologie de casse cellulaire pour évaluer la distribution subcellulaire des métaux, préalablement biosorbés sur des cellules bactériennes actives ou inactives. La quantification du Zn et du Cd dans les compartiments extracellulaire, membranaire et intracellulaire des cellules a permis de montrer que les métaux sont distribués de façon inégale entre les trois compartiments cellulaires. Nous avons montré de manière originale que les métaux biosorbés sont majoritairement internalisés dans le cytoplasme, que les cellules soit actives ou non. Toutefois, l’état physiologique des cellules (actives - inactives) s’est avéré important pour les processus de prise en charge des métaux par les bactéries, puisque la bioaccumulation métallique par les bactéries actives, telles que l’on peut les observer en milieu naturel, est fortement réduite grâce à l’activation de systèmes de résistance (efflux, piégeage extracellulaire) aux métaux par les cellules bactériennes. Ces résultats montrent que l’adsorption des métaux sur la paroi des bactéries n’est qu’une première étape du processus de bioaccumulation. Par ailleurs, l’exposition des deux bactéries modèles à un mélange de Zn et de Cd à permis de montrer avec E. coli mais pas avec C. metallidurans, l’existence de phénomènes de compétition pour les sites de sorption, conduisant à une réduction de la biosorption du Zn en présence de Cd. Dans la deuxième partie de la thèse, après avoir mis au point un protocole de quantification cellulaire par cytométrie de flux, nous avons caractérisé et modélisé le transfert des deux bactéries modèles en colonnes de sable d’Hostun, sous différentes de conditions de concentration et de mélange cellulaire. Nous avons ainsi montré que E. coli est plus mobile que C. metallidurans, et que l’importance du dépôt de bactéries et les mécanismes mis en jeu varient fortement avec la concentration en cellules, en relation notamment avec la géométrie du sable et notamment de sa porosité. Ainsi, à très faible concentration cellulaire, condition peu étudiée en raison de difficultés techniques, les cellules sont peu retenues par le sable suggérant un risque élevé de contamination des aquifères, alors qu’à plus forte concentration, une rétention importante des cellules est observé, jusqu’à obtenir un effet de blocking, conduisant à une saturation des sites de rétention et à une forte mobilité cellulaire à très haute concentration. Finalement, nous avons pu quantifier la capacité des deux bactéries à bio-lessiver les deux métaux, seuls ou en mélange dans le sable d’Hostun, par comparaison avec le transfert des métaux sans bactéries qui s’est avéré très faible, les métaux étant fortement immobilisés par le sable. La mobilité des deux métaux a été fortement augmentée par l’injection des deux bactéries, avec un effet notablement plus important avec des cellules de E. coli, pourtant plus sensibles aux métaux. A chaque étape de cette étude couplée, nous avons tenté de modéliser nos résultats. La biosorption des métaux par les bactéries a été menée avec un modèle universel à 3 sites réactifs, qui a donné des résultats très satisfaisants. Les constantes thermodynamiques de réactivité des cellules aux métaux ou avec le sable d’Hostun, ont été utilisées avec succès dans une modélisation couplée hydro-dynamique – géochimie, pour reproduire les résultats de transfert (courbes de percée et profils de rétention) des cellules et des métaux, qu’ils soient seuls ou en mélange, et de prédire correctement les flux de métaux transportés dans l’eau ou sur les biocolloïdes. Cette étude a permis de confirmer que les bactéries sont des biosorbants forts des métaux et de montrer que, au moins dans nos conditions, le processus de transport facilité des métaux par les bactéries peut largement dominer leur transport dissous, tel qu’il est encore classiquement considéré dans les sols naturels.