Stratégies analytiques pour un assainissement efficace des zones contaminées à l'arsenic.

Analytical strategies for efficient remediation of arsenic contaminated areas.

• Auteur / Autrice : Aleksandra Izdebska
• Direction : Katarzyna Bierla
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/12/2024
• 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 : Sandra Mounicou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katarzyna Bierla, Sezgin Bakirdere, Véronique Vacchina, Mirosław Mleczek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sezgin Bakirdere, Véronique Vacchina

Mots clés

Mots clés libres

Arsenic

Spéciation

Phytoremédiation

Arsenic

Speciation

Phytoremediation

Résumé

La thèse présente la conception d'une méthodologie pour l'analyse de la spéciation des composés de l'arsenic, ainsi que son application à des échantillons d'arbres. La section bibliographique résume brièvement les différentes formes chimiques d'arsenic présentes dans l'environnement, ainsi que les sources, l'ampleur et les conséquences de la contamination par cet élément. Elle décrit diverses méthodes de remédiation des sols pouvant être utilisées pour traiter ce problème, en mettant particulièrement l'accent sur les stratégies de phytoremédiation. Les études portant sur la dendrorémédiation, une forme spécialisée de phytoremédiation impliquant des plantes ligneuses, sont examinées en détail. De plus, des techniques analytiques de pointe pour l'extraction, la détermination de l'arsenic total et la caractérisation de ses espèces dans les matrices végétales sont discutées. La principale contribution au cadre de l'analyse des composés de l'arsenic réside dans le développement d'un système 2D-RP-HPLC couplé à un ICP-MS multi-quadrupole et un ESI-MS haute résolution. Le processus de purification et de préconcentration des échantillons comprend une extraction en phase solide en ligne, suivie d'une séparation chromatographique à l'aide d'une colonne en phase inverse compatible. Cette approche a permis de détecter des composés qui étaient auparavant indétectables avec d'autres méthodes et qui pourraient être potentiellement pertinents sur le plan métabolique. Grâce à cette nouvelle technique, des As(III)-phytochelatines, ainsi que d'autres composés arseno-thiolés et arseno lipides, ont été détectés dans des extraits dérivés des échantillons d'arbres. La thèse explore la mise en œuvre de cette méthodologie dans des expériences impliquant des semis de tilleul à petites feuilles (Tilia cordata Mill.). Un aspect de la recherche s'est concentré sur les changements temporels dans la distribution des formes d'arsenic dans les tissus végétaux et les transformations subséquentes, afin de comprendre comment ces dynamiques influencent l'absorption globale de l'arsenic. La réponse des plantes dans une culture quasi-hydroponique, où les semis ont été exposés à trois formes distinctes d'arsenic inorganique, à savoir l'As(III), l'As(V) et l'acide diméthylarsinique (DMA), chacun connu pour des niveaux de toxicité variables, a été évaluée. Les méthodes analytiques employées comprenaient l'ICP-MS pour la teneur totale en arsenic, complétées par la quantification des espèces via la chromatographie échangeuse d'anions, qui a permis la séparation des composés d'arsenic bien documentés, et le système 2D-RP-HPLC, qui a permis la caractérisation de métabolites supplémentaires. Des méthodes d'extraction adaptées à des groupes spécifiques de composés ont été employées. Des profils uniques d'accumulation, basés sur la forme spécifique d'arsenic ajoutée, ont été révélés, démontrant des variations à la fois dans la quantité de cet élément et dans les espèces présentes dans les racines latérales, les racines principales, les tiges inférieures et les tiges supérieures. En outre, l'influence de la supplémentation du milieu de culture avec des acides organiques, en particulier l'acide oxalique et l'acide salicylique, sur l'assimilation de l'arsenic a été étudiée. Cette approche repose sur l'idée que leur application exogène peut aider à réduire la toxicité et à influencer la dynamique d'absorption. Les schémas d'accumulation variaient selon les combinaisons d'arsenic et d'acides organiques utilisées dans l'expérience. En particulier, les plantes exposées au DMA ont montré une réponse nettement différente par rapport à celles soumises à des formes inorganiques d'arsenic, principalement en ce qui concerne l'accumulation d'arsenic dans les feuilles. L'utilisation de la 2D-RP-HPLC a révélé, dans ces échantillons de feuilles, des pics caractéristiques absents dans d'autres échantillons, indiquant la présence de processus métaboliques distincts.

The thesis presents the design of a methodology for the detection and speciation analysis of arsenic compounds and its application to tree samples. The bibliographic section briefly summarizes the presence of different chemical forms of arsenic in the environment, along with the sources, extent, and consequences of contamination by this element. It describes various soil remediation methods that can be employed to address this issue, with a specific focus on phytoremediation strategies. Studies exploring dendroremediation, a specialized form of phytoremediation involving woody plants, are reviewed in detail. Additionally, the state-of-the-art analytical techniques for the extraction, determination of total arsenic, and characterization of its species in plant matrices are discussed. The key contribution to the framework of the arsenic compounds analysis was the development of a 2D-RP-HPLC system coupled with multi-quadrupole ICP-MS and high-resolution ESI-MS. The sample purification and preconcentration process involved online solid-phase extraction followed by chromatographic separation using a compatible reversed-phase column. This approach provided insight into compounds that were previously undetectable with other methods and may be potentially metabolically relevant. By applying this novel technique, As(III)–phytochelatins, along with other arseno-thio compounds and arseno lipids, were detected in extracts derived from the tree samples. The thesis explores the implementation of this methodology in experiments involving small-leaved linden (Tilia cordata Mill.) seedlings. One aspect of the research focused on the temporal changes in the distribution of arsenic forms within different plant tissues and subsequent transformations, aiming to understand how these dynamics impact overall arsenic uptake. The response of plants in a quasi-hydroponic culture, where the seedlings were exposed to three distinct forms of arsenic, namely inorganic As(III), As(V), and dimethylarsinic acid (DMA), each known for varying levels of toxicity, was assessed. Analytical methods employed included ICP-MS for total arsenic content, complemented by species quantification through anion-exchange chromatography, which allowed the separation of well-documented arsenic compounds, and the 2D-RP-HPLC system, which enabled the characterization of additional metabolites. Extraction methods tailored for specific groups of compounds were employed. Unique profiles of accumulation, based on the specific form of arsenic added, were revealed, demonstrating variations in both the quantity of this element and the distinct species present across lateral roots, main roots, lower stems, and upper stems. In addition, the influence of supplementing the growth medium with organic acids, specifically oxalic and salicylic acid, on arsenic assimilation was investigated. This approach is founded on the notion that their exogenous application can help reduce metal toxicity and influence absorption dynamics. The accumulation patterns varied between the paired combinations of arsenic forms and organic acids used in the experiment. Particularly, plants exposed to DMA exhibited a significantly different response compared to those subjected to inorganic arsenic forms mainly in relation to arsenic accumulation in the leaves. Utilizing 2D-RP-HPLC, these leaf samples displayed characteristic peaks absent in other samples, indicating the presence of distinct metabolic processes.