Modélisation de l'exposition aux rayonnements ionisants des microorganismes vivant dans des sources minérales naturellement radioactives

Modelling the radiation exposure of microorganisms living in naturally radioactive mineral springs

• Auteur / Autrice : Sofia Kolovi
• Direction : Vincent Breton, Lydia Maigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de Clermont
• Jury : Président / Présidente : Patrick Vernet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Theo J. Mertzimekis, Sébastien Incerti, Christelle Adam-Guillermin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Arbor, Marie Davídková

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sources thermales

effets des radiations

Microorganismes

Radioécologie

Mots clés libres

Radioactivité naturelle

Sources minérales

Monte Carlo simulation

Diatomée

Gate

Geant4-DNA

Natural radioactivity

Mineral springs

Mineral springs

Diatom

Gate

Geant4-DNA

Résumé

La radioactivité est présente sur terre depuis son origine. Le rôle qu'elle a pu jouer dans l'émergence et l'évolution de la vie est encore inconnu. Les premières traces de vie terrestre se trouvent dans les dépôts de sources hydrothermales datées d'il y a 3.7 milliards d'années. Les sources minérales sont des écosystèmes insulaires dont les conditions ont très peu évolué au cours des siècles passés, offrant ainsi une fenêtre exceptionnelle sur l'histoire de la vie sur terre. Dans les sources les plus radioactives, les rayonnements ionisants peuvent être un « moteur abiotique » impactant la diversité et la structure des communautés microbiennes. Cependant, une question scientifique majeure est de connaître la dose reçue par les organismes vivant dans les sources. Sur la base de la caractérisation analytique de sources minérales radioactives sélectionnées dans la région Auvergne en France, une simulation Monte-Carlo utilisant GATE a été réalisée pour évaluer la dose reçue de l'exposition interne et externe aux radioéléments présents dans l'environnement. Les analyses radiologiques de multiples échantillons de sédiments et d'eau provenant de plus de 20 sources ont montré que le Ra-226 dans les sédiments et le Rn-222 dans l'eau étaient la principale source de radiotoxicité dans ces écosystèmes de par leur désintégration αlpha. L'analyse des dommages causés à l'ADN de microalgues (diatomées) a été évaluée à l'aide de la boîte à outils Monte-Carlo Geant4-DNA. Elle montre que dans les sources les plus radioactives, la radiotoxicité est un facteur abiotique potentiellement important car le taux de cassures double brin est comparable au taux de mutation spontanée. Ces résultats devront être affinés lorsque des connaissances supplémentaires seront acquises sur la bioaccumulation des radioéléments dans les diatomées vivant dans les sources. Des connaissances supplémentaires sont également nécessaires sur le génome et la physiologie des diatomées. Enfin, la comparaison avec ERICA, l'outil de référence pour la radioprotection de l'environnement, a montré qu'il doit être utilisé avec une grande prudence lors de l'évaluation de l'exposition des micro-organismes dans les sources minérales. GATE doit être vu comme l'outil complémentaire à ERICA pour caractériser à l'échelle micrométrique le débit de dose aux micro-organismes dans les écosystèmes naturels.

Radiation has been present on Earth since its origin. The role it may have played in the emergence and evolution of life is still unknown. The earliest traces of terrestrial life are found in the deposits of hydrothermal springs dated 3.7 billion years ago.Mineral springs are isolated ecosystems whose conditions have changed very little over the past centuries, thus offering an exceptional window on the history of life on Earth.In the most radioactive springs, ionizing radiation can be an “abiotic driver” impacting the diversity and structure of microbial communities. However, a major scientific question is to know the dose received by the microorganisms living in the mineral springs. Based on the analytical characterization of selected radioactive mineral springs in the Auvergne region of France, Monte Carlo simulations using GATE were conducted to evaluate the dose rates received by microorganisms from internal and external exposure due to the radioelements present in the mineral springs environment. Radiological analyses of multiple sediment and water samples coming from more than 20 mineral springs have shown that Ra-226 in the sediments and Rn-222 in the water were the dominant source of radiotoxicity in these ecosystems through their α-decay.DNA damages of microalgae (diatoms) were evaluated using the Geant4-DNA Monte Carlo toolkit. It is shown that in the most radioactive springs radiotoxicity could be an abiotic driver, as the rate of DNA Double Strand Breaks is comparable to diatoms' spontaneous mutation rate.These results should be refined once additional knowledge is acquired about the bioaccumulation of radioelements in the diatoms living in the springs. Additional knowledge is also required on the genome and physiology of diatoms.Finally, the comparison with ERICA, the reference tool for environmental radiation protection, showed that ERICA should be used with great caution when evaluating the radiation exposure of microorganisms in mineral springs. GATE should be seen as the complementary tool to ERICA to characterize, at the micrometric scale, the dose rates to microorganisms in natural ecosystems.