CARACTÉRISATION DES FORMES CHIMIQUES DU MERCURE (Hg) ET DE LIGANDS BIOLOGIQUES PRODUITS PAR LE PHYTOPLANCTON

Characterization of mercury (Hg) chemical species and biological ligands produced by phytoplankton

• Auteur / Autrice : Javier García Calleja
• Direction : David Amouroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Vera Slaveykova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vera Slaveykova, Laurent Ouerdane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudia Cosio, Bjorn Erik Mork

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phytoplancton marin

Teneur en mercure

Mer -- Pollution

Mots clés libres

Phytoplancton

Mercure

Déconvolution des signatures isotopiques

Prise en charge intracellulaire du Hg

Phytoplankton

Mercury

Isotope pattern deconvolution

Hg intracellular handling

Résumé

Les micro-organismes vivants (ex. phytoplancton, bactéries) dans les écosystèmes aquatiques sont fortement affectés par plusieurs polluants globaux tels que le mercure (Hg), par le biais des dépôts atmosphériques et des rejets directs des activités humaines. Contrairement aux travaux approfondis réalisés sur les bactéries méthylantes, le rôle du phytoplancton dans le cycle aquatique du Hg n'est pas bien documenté. Le phytoplancton représente le principal point d'entrée dans le réseau trophique aquatique, où la diversité et l'abondance des différents micro-organismes phytoplanctoniques (par exemple, les cyanobactéries, les diatomées, les algues vertes, entre autres) déterminent la bioaccumulation et la bioamplification potentielles du Hg dans la chaîne alimentaire. En outre, il est suggéré que le phytoplancton affecte directement (biotique) et/ou indirectement (abiotique) les transformations des composés du Hg, tels que le mercure inorganique (Hg(II), Hg(0)) et le méthylmercure (MeHg), par l'excrétion de bioligands ayant une forte affinité avec le Hg. Par conséquent, le phytoplancton devrait jouer un rôle important dans le cycle du Hg des environnements aquatiques. Les principaux objectifs de ce travail de doctorat sont : (1) le développement d'approches de chimie analytique utilisant les isotopes stable du Hg pour aborder les transformations potentielles des composés du Hg dans des expériences d'incubation biologique et (2) la caractérisation moléculaire des principaux bioligands impliqués dans la spéciation et le devenir du Hg dans le phytoplancton. Le premier objectif implique un développement méthodologique basé sur l'incubation de composés du Hg enrichis en isotopes (Hg(II) et MeHg) et une approche mathématique basée sur la déconvolution des signatures isotopiques. La méthodologie proposée a été appliquée avec succès pour la détermination des composés du Hg nouvellement formés pendant le processus d'incubation et des potentiels de transformation spécifiques aux composés dans différentes matrices environnementales telles que les biofilms, les sédiments et les eaux, mais aussi dans les cultures cellulaires de phytoplancton. Le deuxième objectif implique une procédure expérimentale basée sur le fractionnement des cellules de trois différents micro-organismes photosynthétiques modèles (Synechocystis sp. PCC 6803 ; Cyclotella meneghiniana ; Chlamydomonas reinhardtii). Ces expérimentations ont permis d’effectuer la caractérisation des principaux bioligands intracellulaires liant le Hg et impliqués dans la prise en charge intracellulaire du Hg en utilisant des techniques combinées basées sur la spectrométrie de masse élémentaire et moléculaire. Les informations combinées obtenues à partir de la quantification des composés de Hg dans les différentes fractions cellulaires et subcellulaires, les changements dans les fractions de taille moléculaire de Hg(II) et MeHg intracellulaires et l'identification des bioligands spécifiques de faible poids moléculaire ont fourni des informations précieuses sur le rôle des espèces phytoplanctoniques étudiées, dans la spéciation du Hg et particulièrement dans la prise en charge intracellulaire du Hg. Les différents résultats obtenus permettent d’améliorer les approches expérimentales et analytiques pour étudier la compréhension des interactions Hg-phytoplancton, et de mieux comprendre le rôle spécifique de chaque espèce photosynthétique dans le devenir du Hg présent dans les milieux aquatiques.

Living microorganisms (e.g phytoplankton, bacteria) in aquatic ecosystems are highly impacted by several worldwide pollutants such as mercury (Hg), through the atmospheric deposition and direct discharges of industrial wastes. Contrary to the extensive work carried out in methylating-bacteria, the role of phytoplankton in the aquatic Hg cycle is not well documented. Phytoplankton represents the main entry point in the aquatic food web where the diversity and abundance of different phytoplankton microorganisms (e.g. cyanobacteria, diatom, green algae among others) determine the potential Hg bioaccumulation and biomagnification through the trophic chain. Furthermore, phytoplankton is thought to affect directly (biotic) /or indirectly (abiotic) Hg compounds transformations (Hg(II), Hg(0) and MeHg) through the excretion of bioligands with strong Hg affinity. Therefore, phytoplankton is expected to have a relevant role in Hg cycle of aquatic environments. The main objectives of this doctoral work are: (1) the development of analytical approaches using isotopically enriched Hg isotopes to address the potential Hg compounds transformations in Hg incubation experiments, and (2) the molecular characterization of the major bioligands involved in Hg speciation in phytoplankton. The first objective involves a methodological development based on the incubation of isotopically enriched Hg compounds (Hg(II) and MeHg) and a mathematical approach based on the deconvolution of isotopic patterns. The proposed methodology have been successfully applied for the determination of newly-formed Hg compounds during the incubation process and compounds-specific transformations potentials in different environmental matrices such as biofilms, sediments and freshwaters but also, in phytoplankton cell cultures. The second objective involves an experimental procedure based on cells fractionation in three different model photosynthetic microorganisms (Synechocystis sp. PCC 6803 ; Cyclotella meneghiniana ; Chlamydomonas reinhardtii). This experimental approach allowed to the characterization of the major Hg binding intracellular bioligands involved in Hg intracellular handling using hyphenated techniques based on elemental and molecular mass spectrometry. The combined information obtained from the quantification of Hg compounds and localization in the different cellular and sub-cellular fractions, the changes in the intracellular size fractions containing Hg(II) and MeHg binding intracellular bioligands, and the identification of low molecular weight bioligands provided valuable information about the role of three different model phytoplankton species in Hg speciation and particularly, Hg intracellular handling. The different results obtained allow improving the experimental and analytical approaches for studying Hg-phytoplankton interactions and better understand the specific role of each photosynthetic microorganism in the Hg fate in aquatic environments.