L'ère industrielle nous a laissé, en héritage, des contaminations environnementales graves avec lesquelles il nous faut composer aujourd'hui. Les contaminations au perchloroéthylène (PCE) et au trichloroéthylène (TCE) en sont parmi les plus courantes et les plus problématiques. Les méthodes de rémédiation traditionnelles axées sur la décontamination ex situ sont inefficaces pour ce type de situation. Cependant, le domaine de la rémédiation in situ est en mesure de nous proposer des solutions concrètes et prometteuses. Étant récentes et encore au stade de développement, ces techniques environnementales sont appelées à évoluer. D'où ce projet de recherche. Ainsi, nous savons qu'il est possible de dégrader le PCE et le TCE en utilisant le processus de «déchloration réductrice». Il s'agit entre autres d'injecter un «donneur d'électrons» dans la zone contaminée pour en accélérer la dégradation in situ des contaminants à travers des processus biologiques et/ou abiotiques. Cette recherche s'articule autour de l'élaboration d'une émulsion capable d'accélérer le processus de «déchloration réductrice» du PCE et du TCE dans l'eau. Il s'agissait également de tester son efficacité sur de l'eau souterraine puisée à même un site contaminé au PCE dans la région de Montréal. L'expérience a été effectuée en laboratoire sur une période de six mois. Les analyses ont nécessité la mise au point d'une méthode analytique faisant appel à un chromatographe à phase gazeuse couplé à un «purge and trap». Elle a permis de mesurer les concentrations de PCE, de TCE et autres composés issus de leur dégradation dans l'eau. Les résultats ont démontré que l'émulsion que nous avons élaborée accélère grandement la dégradation du PCE et du TCE, et qu'elle pourrait constituer la base d'une méthode de rémédiation in situ appliquée à ce type de contaminations. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : PCE, TCE, Déchloration réductrice, Rémédiation in situ, Magnétite.

Le couplage d’un traitement électrochimique avec un procédé biologique est une alternative prometteuse pour la dégradation de composés organo-halogénés biorécalcitrants dans l’environnement. Les procédés d’électroréduction, connus pour couper sélectivement la liaison carbone-halogène, ont été mis en oeuvre afin de réduire la toxicité des molécules cibles et augmenter leur biodégradabilité avant une minéralisation totale des polluants par un traitement biologique. Pour améliorer le rendement de déchloration, la cathode préalablement nickelée a été modifiée par des nanoparticules d’argent car l’argent est considéré comme l’un des meilleurs catalyseurs pour couper sélectivement la liaison carbonehalogène. Le feutre de graphite a été choisi comme support d’électrode pour sa grande surface spécifique. Le principal produit de déchloration de l’alachlor s’est révélé être biorécalcitrant. Pour surmonter ce problème, un traitement par procédé électro-Fenton a été mis en oeuvre pour dégrader les polluants cibles. Une amélioration significative de la biodégradabilité de la solution d’alachlor a pu être observée après le traitement électro- Fenton, et qui est renforcée quand l’atome de chlore a été préalablement éliminé de la structure de l’alachlor par électroréduction. Le bismuth a été également utilisé comme support d’électrode du fait de sa grande surtension visà- vis de la réduction de l’eau. Une grande sélectivité a pu être obtenue sur cathode de bismuth lors de la réduction d’herbicides du type chloracétamide. La réduction électrochimique du dioxyde de carbone a également été réalisée sur électrode de bismuth modifiée par des nanoparticules d’argent comme autre application de cette nouvelle électrode. / Electrochemical process coupling with a biological treatment is a promising alternative for the degradation of biorecalcitrant organo-halogenated compounds in the environment. The electroreduction treatment, known to cut selectively carbon-halogen bonds, was first implemented to decrease the toxicity of the target molecules and increase their biodegradability before a complete mineralization of the pollutants by a biological treatment. To improve the dechlorination efficiency, the cathode was modified by silver nanoparticles after a previous nickelisation, since silver is considered as one of the best electrocatalysts to selectively cleave the carbonhalogen bond. The graphite felt was chosen as the electrode support due to its high specific surface area. For alachlor herbicide, deschloroalachlor, the main by-product after dechlorination, was still biorecalcitrant. To overcome this issue, electro-Fenton treatment, in which hydroxyl radicals were generated to degrade the target pollutants, was implemented. Significant improvement of biodegradability of the alachlor solution was observed after electro-Fenton treatment, which was further improved when the chlorine atom was beforehand removed from the alachlor structure by the electroreduction process. Bismuth was also used as electrode support due to its high overpotential for hydrogen evolution. A high selectivity of chloroacetamide herbicides reduction was observed on the bismuth based cathode. As an extended application of the bismuth based cathode, the electrochemical reduction of carbon dioxide was performed on Bi electrode modified by silver nanoparticles.

L'oxydation de liaisons C-H fortes et la transformation de liaisons carbone-halogène dans des conditions douces sont particulièrement difficiles et représentent un challenge pour les chimistes. Ces réactions sont réalisées dans la nature par l'intermédiaire des métalloenzymes. Dans le but de reproduire cette chimie efficace, nous développons au laboratoire des catalyseurs inspirés de deux des plus puissantes monooxygenases : les cytochromes P450 et la méthane monooxygenase soluble. Il s'agit de complexes binucléaires où deux atomes de fer sont pontés par un atome et stabilisés par des ligands macrocycliques. En particulier, les dimères de phthalocyanine de fer pontés par un atome d'azote (μ-nitrido) sont capables d'activer les peroxydes comme H2O2 afin oxyder, dans des conditions douces, les substrats les plus inertes (méthane, benzène, dichlorométhane). Ces travaux de thèse ont consisté en l'utilisation de ces systèmes bio-inspirés pour décrire la première transformation oxydante des liaisons C-F aromatiques. Cette nouvelle approche peut être utilisée pour la minéralisation de polluants notoires : les composés aromatiques halogénés. La démarche générale de cette thèse a été de (i) décrire la réactivité des complexes de phthalocyanines et porphyrines et (ii) en élucider le mécanisme afin de (iii) comprendre les paramètres clés gouvernants l'efficacité catalytique. Nous avons ainsi décrit le premier système capable de minéraliser les aromatiques perfluorés en conditions douces par transformation oxydante de la liaison C-F en liaison C-OH. Un mécanisme d'époxydation du système-π du substrat fluoré par l'intermédiaire d'une espèce fer-oxo a été proposé et argumenté. Nous avons déterminé l'effet de la nature de l'atome pontant sur la structure du catalyseur et expliqué l'impact crucial de la structure Fe(μ-N)Fe sur l'efficacité catalytique grâce aux caractérisations EXAFS, XANES et des calculs DFT. La synthèse, la caractérisation, et la comparaison de dimères à ligands porphyrazine, porphyrine ou phthalocyanine nous a enfin permis de décrire l'influence du ligand macrocyclique sur la géométrie moléculaire et la structure électronique des complexes / Oxidations of strong C-H and transformation of carbon-halogen bonds under mild conditions are especially difficult and challenging reactions. This reactivity can be achieved in Nature through iron metalloenzymes. In order to reproduce the efficient chemistry found in Nature, we develop bio-inspired diiron macrocyclic catalysts combining the structural features of two the most powerful monooxygenases: cytochrome P450 and soluble methane monooxygenase. Diiron catalysts where two iron atoms are bridged by μ-nitrido group and stabilized by macrocyclic supporting ligands can activate peroxides such as H2O2 for the most challenging oxidations reactions (methane, benzene, dichloromethane) under mild and practical conditions. This thesis is focused on the use of these bio inspired systems for the previously unknown oxidative transformation of the aromatic C-F bonds. This novel approach to the activation of C-F bonds can be used for the mineralization of notorious pollutants: the halogenated aromatics. We (i) described the reactivity of phthalocyanine and porphyrin complexes and (ii) studied the mechanism to (iii) understand and explain the key parameters which gouverns the catalytic efficiency. We had reported the first system able to transform aromatic C-F bonds onto C-OH bonds under mild conditions. Based on mechanistic studies, an epoxidation mechanism mediated by diiron-oxo species has been proposed. We have studied the influence of the bridging atom on the structure and the catalytic efficiency of the catalysts using both spectroscopic and theoretical methods. Finally, the effect of the macrocyclic ligand on molecular geometry and electronic structure of the complexes have been described through the synthesis, the characterization and the comparison of diiron complexes based on porphyrazine, porphyrin or phthalocyanine ligands

Le chlorométhane (CH3Cl) est un composé organique volatile responsable de plus de 15 % de la dégradation de l’ozone stratosphérique due aux composés chlorés. Il est produit majoritairement par les plantes vivantes ou en décomposition. Les bactéries capables d’utiliser le CH3Cl comme source de carbone pour leur croissance peuvent jouer un rôle de filtre dans les émissions de CH3Cl vers l'atmosphère. Ce processus biologique reste à quantifier dans l'environnement, notamment pour les sols forestiers considérés comme un puits majeur de ce composé.Dans les études environnementales, le gène cmu A est utilisé comme biomarqueur de la dégradation bactérienne du CH3Cl. Il code une chlorométhane méthyltransférase essentielle à la croissance bactérienne avec le CH3Cl parla voie cmu (pour chloromethane utilisation), la seule caractérisée à ce jour. Mon projet de thèse avait un double objectif : i) l’approfondissement des connaissances de l’adaptation au CH3Cl chez une bactérie méthylotrophe modèle, Methylobacterium extorquens CM4; ii) l’exploration de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sols forestiers. L’étude RNAseq chez la souche CM4 a montré que la croissance avec le CH3Cl s'accompagne de différences dans la transcription de 137 gènes de son génome (6.2 Mb) par rapport à sa croissance sur le méthanol (CH3OH). Les gènes de la voie cmu, ainsi que d’autres gènes impliqués dans le métabolisme de cofacteurs essentiels à l’utilisation du CH3Cl par cette voie et eux aussi portés par le plasmide pCMU01 de la souche, en font partie. Les paralogues de ces gènes localisés sur le chromosome ne sont quant à eux pas différentiellement exprimés. En revanche, d’autres gènes du chromosome, potentiellement impliqués dans l’excrétion de protons produits lors de la déshalogénation (hppA), la régénération du NADP+ (pnt), ou le métabolisme du cofacteur tétrahydrofolate(gènes gcvPHT), le sont. L’étude de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sol forestier de la réserve naturelle de Steigerwald (Allemagne) a été réalisée sur des microcosmes par une approche de « Stable Isotope Probing ». Les microorganismes capables d’assimiler le CH3Cl marqué au [13C] incorporent cet isotope lourd du carbone dans leur ADN. L'analyse des séquences amplifiées par PCR des gènes codant l’ARN 16S des fractions d'ADN enrichies en [13C] a permis de mettre en évidence de nouveaux phylotypes, du genre Methylovirgula et de l’ordre des Actinomycetales, distincts de ceux auxquelles les souches dégradant le CH3Cl isolées jusqu'ici sont affiliées. En revanche, les séquences du gène cmuA et d’autres gènes du métabolisme méthylotrophe obtenues par PCR à partir de l'ADN enrichi en [13C] sont très proches de celles des souches CH3Cl-dégradantes connues. Les résultats obtenus suggèrent ainsi que des bactéries ayant acquis par transfert horizontal les gènes de dégradation de la voie cmu ou ne possédant pas de gène cmuA contribuent au filtrage biologique du CH3Cl des sols forestiers. A l'avenir, le couplage de différentes méthodes moléculaires et des approches culturales visera à découvrir de nouvelles voies microbiennes de l’utilisation du CH3Cl, et à caractériser l’abondance et la diversité des métabolismes impliqués dans la dégradation du CH3Cl dans les sols et d'autres compartiments environnementaux. / Chloromethane (CH3Cl) is a volatile organic compound responsible for over 15% of stratospheric ozone degradation due to chlorinated compounds. It is mainly produced by living and decaying plants. Bacteria utilizing CH3Cl as sole carbon and energy source for growth were shown to be involved in the filtering of CH3Cl emissions to the atmosphere. This biological process remains to be quantified in the environment, especially for forest soil, a major CH3Cl sink. The cmuA gene is used as a biomarker of bacterial CH3Cl degradation in environmental studies. It encodes a CH3Cl methyltransferase essential for bacterial growth by the cmu (chloromethane utilization) pathway for growth with CH3Cl and the only one characterized so far. My thesis project had a double aim: i) In depth studies of CH3Cl adaptation of a model methylotrophic bacterium, Methylobacterium extorquens strain CM4; ii) Exploration of bacterial CH3Cl-utilizers in forest. An RNAseq study of strain CM4 has shown that growth with CH3Cl leads to a difference of transcription of 137 genes in its 6.2 Mb genome compared to growth with methanol (CH3OH). Among those, genes of the cmu pathway and other genes involved in the metabolism of essential cofactors for CH3Cl utilization by this pathway, are all plasmid pCMU01-encoded. Paralogous genes located on the chromosome were not differentially expressed. On the other hand, other chromosomal genes potentially involved in extruding protons generated during CH3Cl deshalogenation (hppA), NADP+ regeneration (pnt), or in the cofactor tetrahydrofolate metabolism (gcvPHT) were differentially expressed. The diversity of CH3Cl-degrading bacteria in forest soil of the German natural park of Steigerwald was studied in microcosms using stable isotope probing. Microorganisms able to assimilate labeled [13C]- CH3Cl incorporate this heavy carbon isotope in their DNA. Sequence analysis of the PCR-amplified 16S RNA encoding gene from [13C]-DNA fractions uncovered phylotypes of the genus Methylovirgula and of the order of the Actinomycetales, which were not associated with bacterial CH3Cl degradation so far. In contrast, PCR-amplified sequences of cmuA and other genes of methylotrophic metabolism were closely related to known CH3Cl-degrading isolates. These results suggest that bacteria containing genes of the cmu pathway acquired by horizontal gene transfer as well as bacteria lacking the cmu pathway contribute to biological filtering of CH3Cl in forest soil. Future experiments coupling molecular and culture methods will aim to discover new CH3Cl-degrading pathways and to characterize the abundance and diversity of CH3Cl-degradation metabolism in soil and other environmental compartments.