Dynamique, réactivité et écotoxicité des nanoparticules d’oxydes métalliques dans les sols : impact sur les fonctions et la diversité des communautés microbiennes

Dynamics, reactivity and ecotoxicity of metal oxide nanoparticles in soils : impact on functions and diversity of microbial communities

• Auteur / Autrice : Marie Simonin
• Direction : Agnès Richaume-Jolion, Jean Martins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie des communautés, fonctionnement des écosystèmes, écotoxicologie
• Date : Soutenance le 12/10/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie Microbienne Lyon - Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement (Grenoble, Isère, France ; 1992-2016)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Combourieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Richaume-Jolion, Jean Martins, Erik Smolders, Emmanuel Doelsch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joana Falcao-Salles, Pascale Bauda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrification

Cycle de l'azote

Écotoxicologie

Nanoparticules

Mots clés libres

Écotoxicologie microbienne

Nanomatériaux

Cycle de l'azote

Nitrification

Archée

Écodynamique des contaminants

Transport

Exposition chronique

Microbial ecotoxicity

Nanomaterials

Nitrogen cycle

Nitrification

Archaea

Ecodynamics of contaminants

Transport

Chronic exposure

Résumé

Les nanoparticules métalliques manufacturées (NPs) sont des polluants émergents dont la concentration augmente dans les sols en raison de leur utilisation croissante dans de nombreux produits commerciaux de la vie courante (cosmétiques, aliments, peintures…). Des études in vitro ont montré la toxicité des NPs pour les microorganismes, mais il existe encore peu de données sur l'écotoxicité et le devenir de ces contaminants dans les sols. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'influence des paramètres abiotiques du sol sur (i) les caractéristiques physico-chimiques et le transfert des NPs, et (ii) sur la toxicité des NPs pour les communautés microbiennes du sol, en particulier pour des groupes fonctionnels microbiens impliqués dans le cycle du carbone et de l'azote. Nous avons mis en évidence que les propriétés du sol influençaient l'agrégation et la charge de surface des NPs de dioxyde de titane (TiO2) et d'oxyde de cuivre (CuO). Dans les six sols agricoles étudiés, nous avons observé un transport très faible des NPs testées lors d'une expérimentation en colonnes de sols. Nous avons mis en évidence une absence de toxicité des NPs de TiO2 sur les communautés microbiennes, sauf dans un sol limono-argileux à forte teneur en matière organique. Dans ce sol, des effets négatifs ont été observés après 90 jours d'exposition sur les activités microbiennes, sur l'abondance des microorganismes nitrifiants et la diversité des bactéries et des archées. Des études complémentaires en colonnes de sol, ont permis de mettre en évidence des effets délétères des NPs plus importants que la nitrification lors d'une contamination chronique au TiO2 que lors d'une contamination aigüe

Manufactured metallic nanoparticles (NPs) are emerging pollutants of soils due to their increasing utilization in numerous commercial products (cosmetics, food, paint…). In vitro studies have demonstrated NPs toxicity on microorganisms but data are still scarce on the fate and ecotoxicity of these contaminants in soils. The objective of this thesis was to assess the influence of soil properties on (i) the physicochemical characteristics and the transport of NPs, and (ii) on the NPs toxicity on soil microbial communities, especially on microbial functional groups involved in carbon and nitrogen cycles. This work highlighted that soil properties influenced the aggregation and the surface charges of titanium dioxide NPs (TiO2-NPs) and copper oxide NPs (CuO-NPs). In the six agricultural soils studied, we observed a very low transport of the two NPs in a soil column experiment. We observed a low toxicity of TiO2-NPs for soil microbial communities, except in a silty-clay soil with a high organic matter content. In this soil, microbial activities (soil respiration, nitrification and denitrification) and nitrifier abundances were strongly decreased and archaeal and bacterial community structure were altered after 90 days of exposure. Furthermore in this soil, we observed decreases of nitrification activity, even for very low TiO2-NPs concentrations (0.05 mg kg-1) which were explained by a high sensitivity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) involved in this process. Additional studies in soil columns demonstrated that chronic contamination with TiO2-NPs caused more deleterious effects on nitrification than acute contamination