Bioreduction of selenite and tellurite by Phanerochaete chrysosporium

par Erika Espinosa Ortiz

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch.

Soutenue le 10-12-2015

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était François Farges.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Piet N. L. Lens, Giovanni Esposito.

Les rapporteurs étaient Erkan Sahinkaya, Jonathan Lloyd.

  • Titre traduit

    Applications de la bioréduction du sélénite et/ou de la tellurite par Phanerochaete chrysosporium


  • Résumé

    Le sélénium et le tellurium partagent des propriétés chimiques communes et appartiennent à la colonne des éléments chalcogènes de la classification périodique des éléments. Ces métalloïdes ont des propriétés physico-chimiques remarquables et ils ont été utilisés dans un grand nombre d'applications dans le domaine des hautes technologies (électronique, semi-conducteurs, alliages). Ces éléments, qui se retrouvent généralement sous formes d'oxyanions, sont extrêmement solubles dans l'eau et présentent une forte toxicité. Leur libération dans l'environnement est donc d'un enjeu capital. Différentes méthodes physico-chimiques ont été développées pour la récupération de ces metalloïdes, en particulier pour le sélénium. Néanmoins, ces méthodes requièrent un équipement lourd et couteux et ne sont pas très recommandables sur le plan écologique. Le traitement biologique est donc une bonne alternative pour la récupération de Se et de Te provenant des effluents pollués. Cette approche réside dans la bioréduction des différents oxyanions sous formes métalliques. Ceux-ci sont moins toxiques et d'intérêts commerciales notables surtout lorsqu'ils se présentent sous forme nanométrique. L'utilisation de micro-champignons comme microorganismes catalyseur de la réduction de Se et de Te a été démontrée dans cette étude. La réactivité du champignon responsable de la pourriture blanche, Phanerochaete chrysosporium en présence de sélénite et de tellurite a été évaluée, ainsi que son application potentielle pour le traitement des eaux contaminées et la production de nanoparticules. La présence de Se et de Te a une influence importante sur la croissance et la morphologie du champignon. Il s'avère que P. chrysosporium est très sensible à la présence de sélénites. La synthèse de Se° et de Te° sous forme de nanoparticules piégées dans la biomasse fongique a été observée, ainsi que la formation de nano-composites Se-Te lorsque le champignon était cultivé simultanément en présence des deux métalloïdes. L'usage potentiel de biofilm fongiques pour le traitement des effluents semi-acides (pH 4.5) contenant du Se et du Te a été suggéré. De plus, le traitement en mode continu de sélénite dans un réacteur à biofilm fongique granulaire a été évalué. Le réacteur a montré un rendement d'élimination du sélénium en régime permanent de 70% pour differentes conditions opératoires. Celui-ci s'est montré efficace pendant une période supérieure à 35 jours. La bonne sédimentation du biofilm granulaire facilite la séparation du sélénium de l'effluent traité. L'utilisation du biofilm granulaire contenant du sélénium élémentaire comme bio-sorbant a également été étudiée. Cet adsorbant hybride s'est montré prometteur pour l'immobilisation du zinc présent dans les effluents semi-acides. La plupart des recherches effectuées se sont focalisées sur l'utilisation des biofilms granulaires. Toutefois, la croissance du champignon suite à l'exposition à des concentrations différentes de sélénites a également été étudiée. Des micro-électrodes à oxygène et un microscope confocal à balayage laser ont été utilisées pour évaluer l'effet du sélénium sur la structure des biofilms fongiques. Quel que soit le mode de croissance de P. chrysosporium, le mécanisme de réduction du sélénite semble être toujours le même tout en menant à la formation de sélénium élémentaire. Cependant, l'architecture des biofilms et l'activité en oxygène sont influencées par la présence de sélénium


  • Résumé

    Selenium (Se) and tellurium (Te) are particular elements, they are part of the chalcogens (VI-A group of the periodic table) and share common properties. These metalloids are of commercial interest due to their physicochemical properties, and they have been used in a broad range of applications in advanced technologies. The water soluble oxyanions of these elements (i.e., selenite, selenate, tellurite and tellurate) exhibit high toxicities, thus their release in the environment is of great concern. Different physicochemical methods have been developed for the removal of these metalloids, mainly for selenium. However, these methods require specialized equipment, high costs and they are not ecofriendly. The biological treatment is a green alternative to remove Se and Te from polluted effluents. This remediation technology consists on the microbial reduction of Se and Te oxyanions in wastewater to their elemental forms (Se0 and Te0), which are less toxic, and when synthesized in the nano-size range, they can be of commercial value due to their enhanced properties. The use of fungi as potential Se- and Te-reducing organisms was demonstrated in this study. Response of the model white-rot fungus, Phanerochaete chrysosporium, to the presence of selenite and tellurite was evaluated, as well as their potential application in wastewater treatment and production of nanoparticles. The presence of Se and Te had a clear influence on the growth and morphology of the fungus. P. chrysosporium was found to be more sensitive to selenite. Synthesis of Se0 and Te0 nanoparticles entrapped in the fungal biomass was observed, as well as the formation of unique Se-Te nanocomposites when the fungus was cultivated concurrently in the presence of Se and Te. Potential use of fungal pellets for the removal of Se and Te from semi-acidic effluents (pH 4.5) was suggested. Moreover, the continuous removal of selenite in a fungal pelleted reactor was evaluated. The reactor showed to efficiently remove selenium at steady-state conditions (~70%), and it demonstrated to be flexible and adaptable to different operational conditions. The reactor operated efficiently over a period of 35 days. Good settleability of the fungal pellets facilitated the separation of the selenium from the treated effluent. The use of elemental selenium immobilized fungal pellets as novel biosorbent material was also explored. This hybrid sorbent was promising for the removal of zinc from semi-acidic effluents. The presence of selenium in the fungal biomass enhanced the sorption efficiency of zinc, compared to Se-free fungal pellets. Most of the research conducted in this study was focused on the use of fungal pellets. However, the response of the fungus to selenite in a different kind of growth was also evaluated. Microsensors and confocal imaging were used to evaluate the effects of selenium on fungal biofilms. Regardless of the kind of fungal growth, P. chrysosporium seems to follow a similar selenite reduction mechanism, leading to the formation of Se0. Architecture of the biofilm and oxygen activity were influenced by the presence of selenium

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