Microbial synthesis of chalcogenide nanoparticles

par Joyabrata Mal

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch.

Soutenue le 18-11-2016

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 Kenneth A. Irvine.

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

Les rapporteurs étaient Geoff Gadd, Davide Zannoni, Paul R. D. Mason.

  • Titre traduit

    Synthèse microbienne de chalcogénures nanoparticulaires


  • Résumé

    Ces dernières années ont vu un intérêt croissant pour l'application de nanoparticules de chalcogénure (IP) (par exemple Se, Te) dans divers secteurs industriels, y compris l'énergie, les aciers, le verre et le raffinage du pétrole. Le chalcogénure métallique fluorescent (par exemple CdSe, CdTe) NPs sont utilisés dans les cellules solaires, les capteurs optoélectroniques et aussi dans le domaine de la biologie et de la médecine pour l'imagerie ou de détection comprenant biolabelling. En outre, en raison de la forte toxicité des oxyanions chalcogènes (à savoir, sélénite, séléniate, tellurites et tellurate), leur libération dans l'environnement est très préoccupante. Ainsi, mettre l'accent a été donné dans cette thèse sur le développement d'un nouveau procédé de synthèse microbienne des NPs chalcogénures en combinant le traitement biologique des eaux usées Se / Te contenant avec biorecovery de Se / Te sous la forme de Se / Te chalcogénures NPs.Une attention particulière a été accordée pour étudier l'effet des métaux lourds (par exemple Cd, Zn et Pd) co-contaminants sur bioréduction sélénite par anaérobie granulaire boues. boue anaérobie granulaire capable de réduire sélénite de séléniure de, en présence de Cd a été enrichie pour la synthèse microbienne de CdSe IP. Il était évident que lorsque Cd est présent avec sélénite, soit il forme un complexe de Se-Cd par adsorption sur biogène Se (0) des nanoparticules après EME-oxyanion ou bioréduction il réagit avec le séléniure aqueux (HSe-) pour former CdSe. Les spectres d'absorption et de fluorescence de la phase aqueuse à confirmer la présence de CdSe IP dans la phase aqueuse. spectroscopie Raman et X-ray spectroscopie de photoélectrons (XPS) analyse l'appui de cette constatation. La formation d 'une couche alliée de CdSxSe1-x à l'interface entre le noyau et CdS CdSe shell dans la boue a également été observée. Des études détaillées sur les substances polymères extracellulaires (EPS) révèlent que la teneur en protéines et en polysaccharides comme augmenté dans les EPS extraites de boues enrichi tandis que les substances humiques comme diminué. chromatographie d'exclusion de taille (SEC) des EPS révèle en outre une empreinte distincte pour les protéines et les substances humiques-like, avec une augmentation de haute teneur en protéines comme poids moléculaire et l'apparition de nouveaux pics pour les substances humiques comme dans les EPS après l'enrichissement.Anaérobie des boues lit granulaire (UASB) à courant ascendant a été utilisé pour la première fois pour le retrait continu de tellurite des eaux usées synthétique et la récupération du Te comme biogénique Te (0). La spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (EDS), diffraction des rayons X (XRD) et analyse spectroscopique Raman de la biomasse a confirmé le dépôt de Te (0) dans la biomasse. Il était évident que la majorité du Te (0) a été piégé principalement dans l'EPS entourant la biomasse, qui peut être facilement séparé par centrifugation


  • Résumé

    Recent years have seen a growing interest in the application of chalcogenide nanoparticles (NPs) (e.g. Se, Te) in various industrial sectors including energy, steels, glass and petroleum refining. The fluorescent metal chalcogenide (e.g. CdSe, CdTe) NPs are used in solar cells, optoelectronic sensors and also in the field of biology and medicine for imaging or sensing including biolabelling. Moreover, due to the high toxicity of chalcogen oxyanions (i.e., selenite, selenate, tellurite and tellurate), their release in the environment is of great concern. Thus, emphasize was given in this thesis on the development of a novel microbial synthesis process of chalcogenide NPs by combining biological treatment of Se/Te-containing wastewaters with biorecovery of Se/Te in the form of Se/Te chalcogenides NPs.A special focus was given to study the effect of heavy metal (e.g. Cd, Zn and Pd) co-contaminants on selenite bioreduction by anaerobic granular sludge. Anaerobic granular sludge capable of reducing selenite to selenide in the presence of Cd was enriched for the microbial synthesis of CdSe NPs. It was evident that when Cd is present along with selenite, it either forms a Se-Cd complex by adsorption onto biogenic Se(0) nanoparticles after Se-oxyanion bioreduction or it reacts with aqueous selenide (HSe-) to form CdSe. The absorption and fluorescence spectra of the aqueous phase confirm the presence of CdSe NPs in the aqueous phase. Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis support this finding. The formation of an alloyed layer of CdSxSe1-x at the interface between the CdSe core and CdS shell in the sludge was also observed. Detailed studies on the extracellular polymeric substances (EPS) reveal that the protein and polysaccharide-like content increased in the EPS extracted from enriched sludge while humic-like substances decreased. Size exclusion chromatography (SEC) of EPS further reveals a distinct fingerprint for proteins and humic-like substances, with increase in high molecular weight protein-like and the appearance of new peaks for humic-like substances in the EPS after the enrichment.An upflow anaerobic granular sludge bed (UASB) reactor was used for the first time for continuous removal of tellurite from synthetic wastewater and the recovery of Te as biogenic Te(0). Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopic analysis of biomass confirmed the deposition of Te(0) in the biomass. It was evident that the majority of the Te(0) was trapped predominantly in the EPS surrounding the biomass, which can be easily separated by centrifugation


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