Vers un procédé en rupture de traitement d'effluents : utilisation de cyanobactéries précipitant sélectivement le strontium par rapport au calcium

Towards a breakthrough effluent treatment process : use of cyanobacteria selectively precipitating strontium versus calcium

• Auteur / Autrice : Edern Pamart
• Direction : Corinne Cassier-Chauvat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 22/02/2024
• 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 : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Confalonieri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Ravanel, Julie Leloup, Amel Latifi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Ravanel, Julie Leloup

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Affinité chimique

Calcification

Minéralisation (biologie)

Strontium

Microbialithes

Cyanobactéries

Mots clés libres

Cyanobactéries

Strontium

Biominéralisation

Sélectivité

Biorémédiation

Cyanobacteria

Strontium

Biomineralization

Selectivity

Bioremediation

Résumé

Mes travaux de thèse s’inscrivent dans le programme « FOCUSDEM» du CEA qui a pour but de développer sur le long terme des procédés en rupture dans le contexte du démantèlement, et notamment pour le traitement des effluents liquides et la diminution de leur volume. Le ⁹⁰Sr, un isotope radioactif du strontium, est un produit de fission de l’uranium et du plutonium généré dans les centrales nucléaires. Cet élément toxique à vie longue est retrouvé dans les effluents liquides de l’industrie électronucléaire qui doivent être décontaminés avant rejet. Le Sr et le calcium font partie de la famille des alcalino-terreux et possèdent donc des propriétés chimiques similaires. Les procédés de traitement actuels, basés sur des techniques physico-chimiques, sont de ce fait peu sélectifs et peuvent être une source de volumes importants de déchets secondaires. L’objectif de ce projet consistait à comprendre et exploiter la capacité exceptionnelle de la cyanobactérie Gloeomargarita lithophora à accumuler le Sr sélectivement par rapport au Ca à l’intérieur des cellules sous forme de granules de carbonates. Plusieurs axes de recherche ont été développés pour (i) optimiser les conditions de croissance de cet organisme photosynthétique ; (ii) décrypter les mécanismes moléculaires impliqués dans l’accumulation sélective du Sr et (iii) développer un procédé biotechnologique de décontamination d’effluents du nucléaire.Après avoir criblé différents paramètres, une amélioration de la production de biomasse a pu être obtenue en augmentant la concentration en fer et en carbonate d’un milieu minéral classiquement utilisé pour la culture en milieu liquide des cyanobactéries. Pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la biominéralisation intracellulaire du Sr par une approche génétique, il était important d’axéniser la souche, de trouver des conditions pour obtenir des colonies et d’identifier les antibiotiques à utiliser pour la sélection. Après être parvenu à une axénisation partielle et à l’obtention de colonies sur boites, les premiers essais de conjugaison ont été réalisés. Bien que des colonies aient été obtenues, il reste à montrer que le plasmide se maintient dans les cellules. Les résultats ont montré qu’en milieu minéral G. lithophora peut accumuler rapidement (en moins de 3 jours) une dose de ⁹⁰Sr similaire à celle retrouvée dans les effluents et ce de façon stable dans le temps. De plus, l’accumulation intracellulaire de ce radionucléide, qui est un émetteur de rayonnements β, n’affecte pas la survie des cellules. L’activité photosynthétique joue un rôle dans ce mécanisme car l’inhibition de l’appareil photosynthétique provoque un ralentissement de l’accumulation suivi d’un relargage du ⁹⁰Sr par les cellules. Enfin, nos expériences indiquent que G. lithophora pourrait être utilisée dans un procédé de bioremédiation du ⁹⁰Sr pour traiter des effluents ayant une composition similaire à celle d’effluents traités dans une installation nucléaire.

My thesis work is part of the CEA's ''FOCUSDEM'' program, which aims to develop long-term breakthrough processes in the context of dismantling, particularly for liquid effluent treatment and volume reduction. ⁹⁰Sr, a radioactive strontium isotope, is a fission product of uranium and plutonium generated in nuclear power plants. This long-lived toxic element is found in liquid effluents from the nuclear power industry, which must be decontaminated before discharge. Sr and calcium belong to the alkaline earth family and have similar chemical properties. Current treatment processes, based on physico-chemical techniques, are thus not very selective and can be a source of large volumes of secondary waste. The aim of this project was to understand and exploit the exceptional ability of the cyanobacterium Gloeomargarita lithophora to accumulate Sr selectively with respect to Ca inside its cells in the form of carbonate granules. Several lines of research were developed to (i) optimize the growth conditions of this photosynthetic organism; (ii) decipher the molecular mechanisms involved in the selective accumulation of Sr; and (iii) develop a biotechnological process for decontaminating nuclear effluents. After screening various parameters, an improvement in biomass production was achieved by increasing the iron and carbonate concentration of a mineral medium conventionally used for liquid culture of cyanobacteria. To understand the molecular mechanisms involved in the intracellular biomineralization of Sr using a genetic approach, it was important to axenize the strain, find conditions for obtaining colonies and identify the antibiotics to be used for selection. After achieving partial axenization and obtaining colonies on plates, the first conjugation trials were carried out. Although colonies were obtained, it remains to be shown that the plasmid is maintained in the cells. The results showed that in mineral medium, G. lithophora can rapidly accumulate (in less than 3 days) a dose of ⁹⁰Sr similar to that found in effluents, and in a stable manner over time. Moreover, intracellular accumulation of this radionuclide, which is a β-emitter, does not affect cell survival. Photosynthetic activity plays a role in this mechanism, as inhibition of the photosynthetic apparatus slows down accumulation, followed by release of ⁹⁰Sr from the cells. Finally, our experiments indicate that G. lithophora could be used in a ⁹⁰Sr bioremediation process to treat effluents with a composition similar to that of effluents treated in a nuclear facility.