Devenir des nanoparticules dans l'environnement : stabilité colloïdale, réactivité chimique et impacts sur le végétal

Fate and behavior of iron oxide nanoparticles in the environment : impacts on trace metal mobility and soil-plant systems

• Auteur / Autrice : Edwige Demangeat
• Direction : Aline Dia, Francisco Cabello-Hurtado, Mathieu Pédrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 10/12/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Teneur en métaux

Plantes -- Développement

Adsorption

Oxydation

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules de fer

Oxydation

Agrégation

Adsorption

Métaux

Plantes

Iron oxide nanoparticles

Oxidation

Aggregation

Adsorption

Element trace metals

Plants

Résumé

Les nanoparticules de fer manufacturées (NPs-Fe) sont des matériaux de taille nanométrique dont l’utilisation s’est, depuis peu, étendue à des domaines environnementaux. Leur dispersion dans les milieux aqueux et solides, et leurs interactions avec le vivant soulèvent toutefois encore de nombreuses questions. Dans la première partie de cette étude, nous conduisons un travail approfondi de caractérisation des NPs-Fe et précisons comment ces propriétés sont impliquées dans les processus contrôlant la stabilité colloïdale puis la réactivité chimique (capacité d’adsorption du cuivre) des NPs-Fe en solution aqueuse. Des modifications à la fois surfaciques et cristallochimiques sont appliquées afin de mettre en évidence le rôle clés de la chimie de surface des NPs-Fe. Dans cette étude, il est montré que les acides humiques limitent l’agrégation des NPs-Fe et procurent des sites d’adsorption pour les métaux. Les conditions physico-chimiques du milieu s’avèrent également jouer un rôle crucial. Le pH modifie notamment la charge de surface des NPs-Fe et les forces d’interactions électrostatiques qui en résultent. Dans un deuxième temps, nous étudions les interactions entre les NPs-Fe et les végétaux, en solution puis dans un sol. Après 63 et 57 jours, les mesures de susceptibilité magnétique montrent que les NPs-Fe s’accumulent au niveau des racines avant d’être transloquées, en moindre quantité, dans les parties aériennes des plantes. La réponse des plantes à l’exposition aux NPs-Fe se traduit par une augmentation de la biomasse végétale et des teneurs en chlorophylles et une diminution de la peroxydation lipidique.

Engineered Iron Oxide Nanoparticles (IONPs) are specific nanoscale materials that have recently been used into wide environmental applications. The dispersion of IONPs into soils and waters, as well as their interactions with living organisms, raise many scientific issues. The first part of this work is intended to provide a thorough characterization of IONPs in aqueous solution, from their intrinsic physico-chemical properties to their colloidal behavior and chemical reactivity. Surface modifications are applied to evidence the key role of surface chemistry towards most interactions IONPs encounter. In particular, humic acid reduce NPs-Fe aggregation and display a high adsorption capacity for trace metals, especially copper (Cu).On the other hand, the pH of the solution play a critical role towards NPs-Fe interactions. Depending on the pH, the surface charge of the particles are modified and hence pH is involved in the electrostatic forces that drive the particles aggregation state and contribute to metal adsorption. The second part of the study is focused on the interactions occurring with IONPs in presence of plants. Several experiments are conducted in aqueous solution and in soil columns to precise the impacts of IONPs on the growth medium and to assess the effects of IONPs on plants. Results (magnetic susceptibility) show that IONPs manage to penetrate the roots of beans and sunflower plants (57 and 63 days-old) and that they are translocated to the aerial parts in low amounts. Plants respond to IONPs penetration by increasing the plant biomass and the chlorophyll contents and by decreasing the lipid peroxidation.