Étude des interactions entre sols-mercure-composante microbiologique en Guyane française

par Jennifer Harris-Hellal

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers et de l'environnement

Sous la direction de Evelyne Garnier-Zarli et de Noureddine Bousserrhine.

Soutenue le 16-12-2008

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie, Matériaux, Modélisation et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) , en partenariat avec BIOEMCO (équipe de recherche) .


  • Résumé

    Les teneurs élevées en mercure des sols Guyanais suscitent beaucoup d’attention de par les conséquences écotoxicologiques qui en découlent. Dans cet écosystème tropical particulier, notre recherche a eu pour objectifs i) d’évaluer l’importance des oxydes de fer dans la fixation du mercure ii) d’étudier l’impact des processus biogéochimiques dans la remobilisation de ce métal et iii) d’évaluer l’impact de ce mercure mobile sur le fonctionnement et la diversité génétique des communautés microbiennes du sol. Afin d’atteindre ces objectifs deux volets ont été abordés, avec comme matériel d’étude des sols naturels provenant d’une toposéquence proche d’un ancien site orpaillé, situé dans les environs du village de Cacao, et des sols jamais orpaillés de la forêt de Patagai. Dans le premier volet, les résultats obtenus ont montré que les quantités de mercure dans les sols étudiés diminuent le long de la toposéquence, des oxisols aux sols hydromorphes, de même que les teneurs en fer et ceci en étroite relation avec les conditions réductrices et les mouvements probables des nappes d’eau. Les analyses pédologiques combinées à des extractions chimiques sélectives des formes d’oxydes de fer ont permis de montrer l’importance de ces derniers et de leurs propriétés cristallochimiques dans la fixation du mercure. Ces résultats ont logiquement ouvert la voie à une étude microbiologique, visant à évaluer la capacité des bactéries ferri-réductrices à mobiliser le mercure, dans des conditions physico-chimiques réductrices proches de celles rencontrées en conditions naturelles. Menée en microcosme au laboratoire et en présence d’une source de carbone facilement biodégradable, cette étude a mis en évidence une redistribution du mercure parallèlement à l’activité ferri-réductrice bactérienne. Le rôle méthylateur de ces bactéries expliquerait les fortes concentrations de methylmercure (MeHg) rapportées dans les sols inondés de notre site d’étude. Le second volet de ce travail a été consacré à l’impact d’un apport du mercure sur les communautés microbiennes telluriques. Ce volet a été abordé à travers une approche multiscalaire combinant chimie, microbiologie, enzymologie et biologie moléculaire. Les résultats obtenus ont confirmé que l’effet du mercure dépend des teneurs appliquées. Alors que la densité microbienne ne semble pas modifiée, les diversités spécifiques, fonctionnelles ainsi que les cinétiques de minéralisation de carbone sont rapidement influencées par des fortes concentrations en mercure (20 µg/g de sol). D’autre part, si l’application du mercure a montré une modification irréversible à long terme de la structure génétique des communautés microbiennes, un phénomène de résilience a été rapidement constaté au niveau de la minéralisation du carbone et de la diversité fonctionnelle. Un travail complémentaire a permis de mettre en place une méthode d’évaluation multidimensionnelle de la résilience des communautés microbiennes à un stress environnemental


  • Résumé

    Guyanese soils contain high concentrations of mercury due to high geological background concentrations and locally to past gold-mining. The dynamics of this mercury is actually a major environmental and health preoccupation. In this particular ecosystem, the objectives of this thesis were to determine i) the importance of iron oxides in mercury distribution in soils, ii) the impact of microbial ferrireducing bacteria on the remobilisation of this toxic heavy metal, and iii) the impact of mercury pollution on the activity and genetic structure of soil microbial communities. This was assessed through two approaches, the first using soils sampled along a natural ferrallitic toposequence of a catchment basin, partly gold-mined up to 1950, near the village of Cacao. And the second using soils sampled from the forest of Patagai that records no past gold mining. Our results showed that the quantities of mercury decreased along the toposequence along with total iron contents, from the well drained oxisols to the hydromorphic talwegs. This happened in close relation to reductive conditions and watershed dynamics. The soil analyses combined to chemical extractions of amorphous and crystalline iron forms revealed the importance of the latter in mercury adsorption. These results logically brought us to study the impact of microbial activity, and more precisely bacterial iron reduction, on the remobilisation of mercury in these soils. This was carried out in reductive conditions similar to those encountered in natural conditions. In presence of available carbon, these experiments showed that ferri-reducing activity could solubilise significant quantities of iron, thus simultaneously mobilizing mercury. However, we did not detect an increase in dissolved mercury, presumably because it was re precipitated as HgS. Never the less, we observed variations in the amount of mercury associated to iron oxides during incubation. The second part of this work studied the impact of mercury on soil microbial communities. We approached this through a multidisciplinary study including chemistry, microbiology and molecular biology. Results confirmed that the effect of mercury depends on the concentration of Hg applied. While microbial biomass and numbers did not seem to be affected, the genetic structure as well as the functional diversity and carbon mineralisation were rapidly affected by high mercury concentrations (20 µg g-1 of soil). More over, we observed a rapid resilience in carbon mineralisation and functional diversity whereas genetic structure was durably modified. Complementary work enabled us to set up a multidimensional method to evaluate microbial community’s resistance and resilience to an environmental stress

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