Rôle des biofilms bactériens sur le devenir des nanoparticules manufacturées dans les sols

Impact of bacterial biofilm on nanoparticles fate in soil

• Auteur / Autrice : Morgane Desmau
• Direction : Marc Benedetti, Alexandre Gelabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers. Géochimie
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Boyé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Benedetti, Alexandre Gelabert, Marie Boyé, Géraldine Sarret, Christian Mustin, Florence Gazeau, Mélanie Davranche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Sarret, Christian Mustin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synchrotrons

Minéraux

Biofilms

Nanoparticules

Spectroscopie des rayons X

Interfaces (sciences physiques)

Rayons X

Synchrotrons

Biofilms

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Biofilm

Minéral

Synchrotron

Ondes stationnaires

Interface

Nanoparticles

Biofilm

Mineral

Synchrotron

X-ray Standing Waves

Interface

Résumé

Depuis 20 ans, les nanoparticules manufacturées (NPs) sont de plus en plus incorporées dans de nombreux produits de la vie courante (peinture, crème solaire). L’augmentation de leur production et de leur utilisation favorise la dissémination de ces objets nanométriques dans l’environnement et entraînent d’importantes inquiétudes quant à leur impact sur les écosystèmes. Les NPs sont notamment susceptibles de s’accumuler dans les sols où elles seront exposées à une interface hautement réactive. Cette dernière est constituée de biofilms bactériens à la surface des minéraux et est à même de contrôler leur devenir et leur transformation (dissolution, agrégation…). Durant cette thèse, je me suis intéressée à la distribution des NPs à l’interface, aux transformations qu’elles peuvent y subir et aux paramètres physico-chimiques qui contrôlent leur comportement. Pour répondre à ces problématiques, j’ai travaillé avec une interface, constitué d’un biofilm de Shewanella oneidensis MR-1 ayant poussé à la surface d’un cristal d’alumine (-Al2O3 (1-102)), exposée à des NPs d’argent et des Quantum Dots. La distribution et la stabilité des NPs à l’interface ont été étudiées principalement à l’aide des techniques des ondes stationnaires de rayons X et de la spectroscopie d’absorption en incidence rasante. Ce travail de thèse a permis de montrer que la distribution des NPs à l’interface est principalement contrôlée par la surface minérale, mais que le biofilm est capable de ralentir cette migration dépendamment de la taille des NPs, de leur état d’agrégation, de leur charge de surface et du type d’enrobage ((in)organique, hydrophobe). La migration des NPs dans l’épaisseur du biofilm favorise leurs transformations, et notamment la dissolution. Cette dissolution est en partie contrôlée par les microenvironnements présents dans l’épaisseur du biofilm et par la présence de groupements thiols à la surface des bactéries, et des EPS, ainsi que dans des molécules sécrétées par les bactéries pour se protéger.

Over the last decades, the important increase in nanoparticles (NPs) production and use resulted in their release in the environment and raise important concerns regarding their potential to negatively impact ecosystems. In the environment, NPs are likely accumulated in soil where it is expected that they will interact with bacterial biofilm/mineral interfaces, one of the most reactive compartment. This complex interface exhibits highly specific physico-chemical properties that can control NPs fate and transformations (dissolution, aggregation…). During this PhD work, I was interested by the partitioning of NPs at this interface, the transformations that NPs can undergo and to physico-chemical parameters that control NPs behavior. To do so, Shewanella oneidensis MR-1 biofilms were grown on oriented single crystals -Al2O3 (1-102) and were exposed to silver nanoparticles and Quantum Dots. NPs partitioning and stability were mostly investigated using Long Period – X-ray Standing Waves – Fluorescence Yield spectroscopy and Grazing Incidence – X-ray Absorption Spectroscopy. This work allows to demonstrate that NPs partitioning at the interface is mostly controlled by the mineral surface. Nevertheless, biofilm is able to slow down NPs migration depending on NPs size and aggregation state, NPs surface charge and coating type ((in)organic, hydrophobic properties). When NPs migrate through biofilm thickness, they undergo transformation, and more specifically dissolution. This dissolution is partly controlled by microenvironments within biofilm thickness but also by the presence of thiol groups at EPS and cells surfaces as well as in molecules secreted by bacteria.