Etude des voies de dégradation d’un insecticide persistant : la chlordécone

Study of the degradation pathways of a recalcitrant pesticide : chlordecone

• Auteur / Autrice : Oriane Della-Negra
• Direction : Denis Le Paslier, Pierre-Loïc Saaidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génomique métabolique (Evry, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Martin-Laurent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Loïc Saaidi, Elizabeth Edwards, Bruno Le Bizec, Florence Gonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elizabeth Edwards, Bruno Le Bizec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrinoïdes

Chimie

Microbiologie

Biodégradation

Antilles françaises

Chlordécone

Mots clés libres

Sulfuration réductrice

Reductive sulfidation

Résumé

La chlordécone est un insecticide organochloré, classée comme polluant organique persistant en 2009. Elle a été massivement utilisée pour lutter contre le charançon du bananier dans les Antilles Françaises de 1972 à 1993. Elle est responsable d'une pollution à long terme de l'environnement et d'une partie de la chaîne alimentaire. La forte imprégnation de la population associée à la toxicité chronique de la chlordécone est à l'origine de graves problèmes de santé publique, sociaux et économiques.En raison de sa forte hydrophobicité la chlordécone se fixe facilement dans les sols et les sédiments riches en matière organique. Sa structure particulière la rend très stable et difficile à dégrader. Les prédictions tenant compte du lessivage et de la percolation de la molécule dans les sols estimaient en 2009 à plusieurs dizaines, voire centaines d'années sa présence dans l'environnement. Jusqu'à récemment, peu d'études faisaient mention de processus de biotransformation significatifs de la chlordécone.Dès 2016, les chercheurs de l'UMR 8030 ont montré que la chlordécone était biodégradable par des consortia bactériens (86 & 92) et la bactérie Citrobacter sp.86, en anaérobiose. De nombreux produits de transformations (PTs) ont pu être détectés et certains identifiés. Mon travail de thèse a principalement consisté à étendre et à achever l'élucidation structurale de tous les PTs et à étudier les mécanismes impliqués.Pour cela différentes approches analytiques ont été employées : expériences de dégradation chimique biomimétique (vitamine B12 par exemple), dérivatisation chimique, GC-MS, LC-MS et RMN (1D, 2D).Alors que trois familles de PTs étaient jusque-là connus (A : hydrochlordécones, B : polychloroindènes et C : acides polychloroindènecarboxyliques), de nouvelles expériences de biodégradation en microcosmes menées en collaboration ont permis de découvrir deux familles supplémentaires : D et E (polychloroindènecarboxylates de méthyle et d'éthyle respectivement).Au total quatre familles comportent une structure indène provenant de l'ouverture de la cage bishomocubane de la chlordécone. Pour expliquer le mécanisme microbiologique, l'implication de corrinoïdes a été suspectée. Des mutants de délétion de gènes de la biosynthèse en anaérobiose des corrinoïdes ont été réalisés chez Citrobacter sp.86. Nous avons ainsi montré qu'ils jouaient un rôle clé dans la dégradation de la chlordécone. Parallèlement, une double approche théorique et expérimentale a été menée pour comprendre les processus chimiques conduisant à l'ouverture de la cage en présence de vitamine B12.Une deuxième bactérie, Desulfovibrio sp.86, isolée du consortium 86, conduit dans les mêmes conditions de culture aux familles A, B et C. De manière inattendue, des conditions d'incubation favorisant un métabolisme sulfato-réducteur aboutissent à un unique composé F1 (chlordecthiol) possédant un thiol à la place du gem-diol de la chlordécone.Une telle activité bactérienne (sulfuration réductive) n'a été que rarement décrite. Le mécanisme sous-jacent, ainsi que son intérêt pour la conversion de dérivés carbonylés en thiols sont à l'étude.Nous nous sommes enfin interrogés sur la possibilité d'une dégradation naturelle de la chlordécone en réalisant une campagne d'échantillonnage aux Antilles. Nous avons tiré profit des PTs précédemment synthétisés et purifiés pour les analyses GC-MS et LC-MS effectuées. Les résultats indiquent la présence systématique d'un ou plusieurs PTs dans tous les prélèvements contaminés par la chlordécone. Cette étude prospective montre que le paradigme de la persistance de la chlordécone semble désormais obsolète.L'ampleur et les conséquences de cette nouvelle pollution restent à établir. En effet, qu'en est-il de la présence de ces PTs dans la chaîne alimentaire et de leur toxicité ? Enfin, la recherche de microorganismes capables de minéraliser complètement la chlordécone permettrait d'envisager de mettre un terme à cette pollution.

Chlordecone is an organochlorine insecticide, classified as a Persistent Organic Pollutant in 2009. It was massively used in the French West Indies (FWI) from 1972 to 1993. Its application on banana plantations is responsible for long-term pollution of environmental compartments, contaminating the food chain. The very high impregnation rate of the FWI population associated with the chronic toxicity of chlordecone has caused serious public health, socio and economic problems.Because of its hydrophobic properties, chlordecone readily binds in soils and sediments rich in organic matter and persists in the environment. Its specific structure makes it very stable and difficult to degrade. Chlordecone persistence predictions from 2009, taking into account leaching and infiltration phenomenon, estimated its presence in the FWI environment for several decades to hundreds of years. Until recently, only a few studies reported significant biotransformation of chlordecone.As early as 2016, researchers from UMR 8030 showed that chlordecone was biodegradable in anaerobiosis by bacterial consortia (86 & 92) and the isolated bacterium Citrobacter sp.86. Numerous transformation products (TPs) have been detected and part of them have been clearly identified. My PhD work consisted mainly in extending and completing the structural elucidation of all TPs and studying the mechanisms involved.For this purpose, different analytical approaches were used: biomimetic chemical degradation experiments (e.g. vitamin B12), chemical derivatization, GC-MS, LC-MS and NMR (1D, 2D).While three families of TPs had previously been known (A: hydrochlordecones, B: polychloroindenes and C: polychloroindenecarboxylic acids), new biodegradation experiments performed in microcosms and conducted in collaboration led to the discovery of two additional families: D and E (methyl and ethyl polychloroindenecarboxylates respectively). A total of four families contain an indene core structure arising from the ring-opening of the chlordecone bishomocuban cage.To explain the microbiological mechanism, the involvement of corrinoids was put forward. Mutants of Citrobacter sp.86 with deletion of genes from the anaerobic biosynthesis pathway of corrinoids were constructed. We showed that they played a key role in the degradation of chlordecone. Meanwhile, a dual theoretical and experimental approach was performed to understand the chemical processes leading to bishomocuban cage opening in the presence of vitamin B12.A second bacterium, Desulfovibrio sp.86, isolated from consortium 86 was incubated with chlordecone in the same conditions and led to families A, B and C. Unexpectedly, growth conditions favoring a sulfate-reducing metabolism gave rise to a single compound, F1 (chlordecthiol) possessing a thiol moiety instead of the gem-diol present in chlordecone. Such bacterial activity (reductive sulfidation) has only rarely been described. The underlying mechanism, as well as its interest in converting carbonyl derivatives into thiols, is under investigation.Finally, we wondered about the possibility of a natural degradation of chlordecone and we undertook a sampling campaign in the FWI. We took advantage of the TPs previously synthesized and purified to perform targeted GC and LC-MS analyses. The results revealed the systematic presence of one or more TPs in all the samples originally contaminated by chlordecone. This prospective study shows that the paradigm of the absolute persistence of chlordecone, taken for granted for decades, now seems obsolete.The extent and the consequences of this new pollution have yet to be established. Indeed, what about the presence of these TPs in the food chain and their toxicity? Finally, the search for microorganisms able of fully mineralize chlordecone would make it possible to envisage putting an end to this pollution.