Développement d'outils analytiques en vue de la compréhension des mécanismes de mobilisation et d'absorption des métaux par les plantes

Development of analytical tools to understand the mechanisms of mobilization and absorption of metals by plants

• Auteur / Autrice : Alex Goupil
• Direction : Ryszard Lobinski, Laurent Ouerdane
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/01/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Florence Pannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ryszard Lobinski, Pascal Arnoux, Rosa RODRíGUEZ MARTíN-DOIMEADIOS, Laurent Ouerdane, Jean-Yves Cornu, Sylvie Mazurier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Arnoux, Rosa RODRíGUEZ MARTíN-DOIMEADIOS

Mots clés

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Chromatographie liquide

Complexes métalliques

Métallomique

Cuivre

Terres rares

Mass Spectrometry

Liquid Chromatography

Metallic complexes

Metallomics

Copper

Rare earth elements

Résumé

La contamination métallique, issue d'activités humaines telles que l'industrie minière ou l'agriculture intensive, a des conséquences graves sur les écosystèmes terrestres et aquatiques. Les métaux comme le plomb, le cuivre, le mercure ou le cadmium, relâchés dans l'environnement, s'accumulent dans les eaux et les sols, et menacent la santé des êtres vivants. Ces effets nocifs peuvent être étendus : impact sur la biodiversité, les cycles biogéochimiques, la qualité de l'eau et des sols. Pour les microorganismes, une exposition excessive aux métaux entraîne une inhibition de leur développement, des dommages cellulaires et une réduction de leur diversité. Les végétaux subissent également des effets néfastes, perturbation de l'absorption des nutriments essentiels, altération de leurs capacités de photosynthèse et de leurs processus métaboliques. Dans le cadre de cette thèse, deux contaminants métalliques ont été étudiés, le cuivre et les terres rares. Le cuivre est un métal majoritairement utilisé dans le domaine de l'agriculture en tant que fongicides, notamment sous la forme de sulfate de cuivre (Bouillie Bordelaise). Il est le seul fongicide autorisé en Agriculture Biologique. Solubilisé par l'eau de pluie, il se retrouve dans les sols où sa concentration ne cesse d'augmenter, entraînant indéniablement un risque d'intoxication pour les plantes et les microorganismes. D'un autre côté, les terres rares sont une famille de métaux appartenant à la famille du lanthane, ces métaux sont retrouvés dans tous les objets de notre quotidien, batteries d'accumulateur, composants électroniques, médicaments. Cette demande massive générée par les processus industriels et par nos habitudes de consommation, est assurée par l'extraction minière, ce qui entraîne inévitablement une augmentation de leur concentration dans les différents compartiments environnementaux : eaux de surface, sédiments, sols, atmosphère. Les objectifs de ce travail ont été de comprendre comment ces métaux sont mobilisés et adsorbés par les microorganismes et par les plantes. Microorganismes et végétaux sont extrêmement complémentaires : les microorganismes impliqués dans les échanges rhizosphériques permettent de maintenir le matériel végétal en bonne santé, quant aux plantes, elles assurent un habitat et une source de nutriments pour un grand nombre d'espèces bactériennes. Les résultats obtenus ont permis de montrer qu'après amendement d'une solution de surnageant bactérien, la concentration des métaux essentiels présents dans le sol (Mn, Fe, Zn) s'est retrouvée augmentée. La première étape de ce travail a ainsi été de déterminer les processus impliqués dans l'augmentation de la biodisponibilité des métaux et de caractériser les espèces métalliques en présence. Plusieurs espèces spécifiques des métaux trivalents et divalents ont pu être identifiées. La seconde étape de ce travail a été de comprendre l'interaction des terres rares avec les plantes. Pour ce faire, plusieurs matrices ont dû être analysées : sève montante (xylème), exsudats racinaires, sols. Les résultats obtenus ont permis de montrer que les terres rares se retrouvent principalement liées à des polysaccharides, et sont concentrées dans les parenchymes, tissus permettant la communication intercellulaire et la circulation des substances au sein de la plante. La dernière étape a été de caractériser les métallophores (molécules permettant la récupération des métaux pour les bactéries) dans plusieurs souches bactériennes issues du genre Pseudomonas (espèce majoritairement présente dans la rhizosphère), dans le but de déterminer les structures des molécules impliquées. Pour faire face à ces enjeux, des méthodes analytiques de pointe ont été développées, reposant sur l'utilisation de techniques de chromatographie liquide (interaction hydrophile, exclusion stérique) couplée à la spectrométrie de masse élémentaire, pour la détection des molécules métalliques, et moléculaire pour leur caractérisation.

Metal contamination from human activities such as mining and intensive agriculture has serious consequences on terrestrial and aquatic ecosystems. Metals like lead, copper, mercury, or cadmium, released into the environment, accumulate in water and soil, posing a threat to the health of living organisms. These harmful effects can be far-reaching: impacting biodiversity, biogeochemical cycles, water and soil quality. For microorganisms, excessive exposure to metals leads to inhibited development, cellular damage, and reduced diversity. Plants also face adverse effects, disrupting essential nutrient absorption, altering photosynthetic capabilities, and metabolic processes. Within the scope of this thesis, two metal contaminants have been studied: copper and rare earth metals. Copper, primarily used in agriculture as fungicides, notably in the form of copper sulfate (Bordeaux mixture), stands as the sole permitted fungicide in Organic Agriculture. Solubilized by rainwater, it accumulates in soils, steadily increasing in concentration, posing undeniable risks of intoxication for plants and microorganisms. On the other hand, rare earth metals belong to the lanthanide family and are found in everyday objects like battery accumulators, electronic components, and medicines. This substantial demand, driven by industrial processes and consumer habits, is fulfilled through mining, inevitably elevating their concentration in various environmental compartments: surface waters, sediments, soils, atmosphere. The objectives of this research were to comprehend how these metals are mobilized and absorbed by microorganisms and plants. Microorganisms and plants are highly complementary: microorganisms involved in rhizospheric exchanges maintain plant material health, while plants serve as habitats and nutrient sources for numerous bacterial species. The obtained results revealed that after amending a bacterial supernatant solution, the concentration of essential metals in the soil (Mn, Fe, Zn) increased. The initial phase of this work involved determining the processes involved in enhancing metal bioavailability and characterizing the metallic species present. Several specific species of trivalent and divalent metals were identified. The subsequent phase of this work aimed to understand the interaction of rare earth metals with plants. Multiple matrices were analyzed: ascending sap (xylem), root exudates, soils. Results indicated that rare earth metals are primarily bound to polysaccharides, concentrated in parenchyma tissues facilitating intercellular communication and substance circulation within the plant. The final step involved characterizing metallophores (molecules enabling metal recovery for bacteria) in several bacterial strains of the Pseudomonas genus (mainly present in the rhizosphere), intending to determine the structures of involved molecules. To address these challenges, advanced analytical methods were developed, relying on liquid chromatography techniques (hydrophilic interaction, steric exclusion) coupled with elemental mass spectrometry for the detection of metallic molecules, and molecular techniques for their characterization.