Rôle du biofilm et des plantes dans l'absorption des substances perfluorées : implications pour le diagnostic environnemental des « polluants éternels »

The role of biofilm and plants in the uptake of perfluorinated substances: implications for the environmental diagnosis of ''eternal pollutants''

• Auteur / Autrice : Ilan Viemont
• Direction : François Lestremau, Sandrine Bayle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de l'Eau
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : HSM - Hydrosciences Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Eau, Ressources, Territoires

Mots clés

Mots clés libres

Pfas

Biofilm

Polluants éternels

Perfluorés

Polyfluorés

Pfas

Biofilm

Forever chemicals

Perfluoroalkyls

Polyfluoroalkyls

Résumé

La gestion des ressources en eau représente un enjeu sociétal majeur afin de garantir l'accès des populations à l'eau potable, l'utilisation pour les besoins agricoles et industriels et la préservation de la biodiversité. Les milieux aquatiques sont cependant soumis à de multiples sources de pollution telles qu'agricole, urbaine ou industrielle. Des actions de régulation ont ainsi été mises en place dans le cadre du contrôle et de la préservation de la qualité des eaux. Ainsi, la Directive Cadre sur l'Eau (DCE) définit les objectifs pour atteindre le bon état écologique et chimique des masses d'eaux. Parmi les substances identifiées comme prioritaires pour la surveillance régulière de ces milieux, l'acide perfluorooctanesulfonique (PFOS), faisant parti de la famille des substances perfluorées (PFAS), a été intégré à la DCE lors de la révision de 2013. Le projet de révision en cours de la DCE prévoit l'inclusion d'une vingtaine de composés supplémentaires de cette famille. Les PFAS sont utilisés dans de très nombreuses applications industrielles, par exemple en tant qu'adjuvants de polymérisation dans les polymères fluorés, tensioactifs dans les mousses antiincendies, agents anti-buées dans le chromage, hydrofuges et oléofuges dans les textiles, le cuir, les matériaux de contact alimentaire et les cosmétiques, etc. Il est estimé que des milliers de PFAS différents sont utilisés dans l'industrie et pour lesquels leur devenir environnemental est peu ou pas connu. Ces substances sont notamment appelées par les media les « polluants éternels » car elles sont extrêmement persistantes dans les milieux naturels. Dans les milieux aquatiques, leur nature acide les rend également mobiles. Les PFAS sont ainsi classés par la communauté scientifique dans la catégorie des substances PMT (Persistant, Mobile, Toxique) ce qui les rend particulièrement préoccupants envers les écosystèmes et la santé humaine. Afin de mettre en place des moyens d'actions adaptées pour la protection des écosystèmes, il est indispensable de disposer de méthodes de diagnostic performantes permettant leur identification et suivi dans les milieux aquatiques. Des prélèvements ponctuels d'échantillons sont effectués dans le cadre de la surveillance régulière mais ne sont représentatifs que du moment où le prélèvement est effectué, ne tenant pas en compte des variations temporelles. Cependant, les niveaux de présence des polluants organiques dans les milieux aquatiques peuvent varier selon les épisodes climatiques, d'usage ou de saisonnalité. Des techniques de diagnostic alternatif, appelées échantillonneurs passifs, peuvent être ainsi envisagées afin de pouvoir refléter une fenêtre d'exposition moyenne des milieux et permettre une meilleure représentativité et impact sur les écosystèmes que les analyses à partir d'échantillonnage ponctuel. Parmi les différents types d'échantillonneurs passifs commercialement disponibles, ceux-ci sont choisis en fonction des propriétés physico-chimiques de la molécule à analyser, afin d'optimiser l'extraction des polluants ciblés. Traditionnellement, notre groupe a travaillé sur le développement d'échantillonneurs passifs pour le diagnostic de pesticides ou encore des résidus médicamenteux. Ces dispositifs restent cependant assez couteux économiquement, consommateurs de temps et de main d'œuvre pour la préparation, le déploiement et présentent parfois des problèmes liés à leur perte ou endommagement. Cette thèse a comme objectif d'étudier la possibilité d'utilisation d'échantillonneurs biologiques se développant naturellement dans les cours d'eau contaminés tout en évitant certains désavantages des échantillonneurs passifs classiques. Bien que des études suggèrent que les plantes peuvent absorber et accumuler les PFAS (Ghisi et al, 2019), il n'existe actuellement aucune preuve que les plantes peuvent métaboliser les PFAS. En outre, les PFAS ne sont pas connus pour être des molécules naturellement synthétisées par conséquent les plantes n'ont pas développé de mécanismes pour métaboliser ces produits chimiques. Certaines plantes pourraient donc servir de bioindicateurs d'une pollution par PFAS. D'un autre côté, bien que les composés polyfluorés sont souvent décrits comme des produits chimiques ''éternels'', la littérature scientifique détaille la biodégradation de plusieurs produits chimiques fluorés, y compris les PFAS (Huang et Jaffé, 2019; Yu et al., 2020). Cependant la biodégradation des composés fluorés, telle qu'elle a été observée à ce jour, se produit sur des échelles de semaines, voire mois. Les biofilms se développant dans les cours d'eau naturels, composés de plusieurs espèces de microorganismes et principalement de bactéries sont donc susceptibles non seulement d'accumuler (Munoz et al., 2008) mais aussi de dégrader lentement ces substances. Il est donc nécessaire de caractériser les cinétiques d'accumulation et de transformation dans les biofilms naturels si on veut les utiliser pour le diagnostic environnemental.

The management of water resources represents a major societal challenge in order to guarantee the access of populations to drinking water, the use for agricultural and industrial needs and the preservation of biodiversity. However, aquatic environments are subject to multiple sources of pollution such as agricultural, urban or industrial. Regulatory actions have been implemented to control and preserve water quality. Thus, the Water Framework Directive (WFD) defines the objectives to achieve good ecological and chemical status of water bodies. Among the substances identified as priorities for regular monitoring of these environments, perfluorooctanesulfonic acid (PFOS), part of the family of perfluorinated substances (PFAS), was incorporated into the WFD in the 2013 revision. The current draft revision of the WFD foresees the inclusion of about 20 additional compounds from this family. PFASs are used in a wide range of industrial applications, for example as polymerization aids in fluoropolymers, surfactants in fire-fighting foams, anti-fogging agents in chromium plating, water and oil repellents in textiles, leather, food contact materials and cosmetics, etc. It is estimated that thousands of different PFAS are used in industry for which little or no information is available on their environmental fate. These substances are notably called by the media the ''eternal pollutants'' because they are extremely persistent in natural environments. In aquatic environments, their acidic nature also makes them mobile. PFAS are thus classified by the scientific community in the category of PMT substances (Persistent, Mobile, Toxic) which makes them particularly worrying for ecosystems and human health. In order to set up appropriate actions for the protection of ecosystems, it is essential to have efficient diagnostic methods allowing their identification and monitoring in aquatic environments. Spot samples are taken as part of regular monitoring, but they are only representative of the moment when the sample is taken, not taking into account temporal variations. However, the levels of organic pollutants in aquatic environments can vary according to climatic, usage or seasonal episodes. Alternative diagnostic techniques, called passive samplers, can be considered in order to reflect an average exposure window of the environment and to allow a better representativeness and impact on the ecosystems than analyses based on spot sampling. Among the different types of commercially available passive samplers, they are chosen according to the physicochemical properties of the molecule to be analyzed, in order to optimize the extraction of the targeted pollutants. Traditionally, our group has worked on the development of passive samplers for the diagnosis of pesticides or drug residues. However, these devices remain quite costly, time consuming and labor intensive to prepare, deploy and sometimes present problems related to their loss or damage. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of using naturally occurring biological samplers in contaminated streams while avoiding some of the disadvantages of conventional passive samplers. Although studies suggest that plants can take up and accumulate PFAS (Ghisi et al, 2019), there is currently no evidence that plants can metabolize PFAS. Furthermore, PFAS are not known to be naturally synthesized molecules therefore plants have not developed mechanisms to metabolize these chemicals. Some plants could therefore serve as bioindicators of PFAS pollution. On the other hand, although polyfluorinated compounds are often described as ''eternal'' chemicals, the scientific literature details the biodegradation of several fluorinated chemicals, including PFASs (Huang and Jaffé, 2019; Yu et al., 2020). However, biodegradation of fluorinated compounds, as observed to date, occurs on scales of weeks to months. Biofilms developing in natural streams, composed of several species of microorganisms and mainly bacteria, are therefore likely to not only accumulate (Munoz et al., 2008) but also slowly degrade these substances. It is therefore necessary to characterize the kinetics of accumulation and transformation in natural biofilms if they are to be used for environmental diagnosis.