Les systèmes d’efflux tripartite de type Resistance, Nodulation and cell-Division (RND) sont essentiels dans le maintien de phénotypes de résistance multidrogues et contre les métaux lourds dans nombreuses bactéries Gram-négatives. Le transport de ces composés toxiques hors de la cellule est permis par l’assemblage d’une protéine de type antiporteur cation/proton (unité RND) insérée dans la membrane interne, connectée à une protéine insérée dans la membrane externe, pour former un canal de sorti qui traverse l’entièreté de l’enveloppe cellulaire. Le troisième composant du système, la protéine de type membrane fusion protein (MFP) qui est aussi appelée periplasmic adaptor protein (PAP), est requis pour permettre l’assemblage de tout ce complexe à trois composants. Cependant, les MFPs sont supposées jouer un rôle important et actif dans le mécanisme d’efflux du substrat. Pour mieux comprendre le rôle des MFPs au sein des systèmes d’efflux de type RND, nous avons étudié les protéines ZneB (précédemment appelée HmxB) et SilB, les composants périplasmiques des systèmes ZneCBA et SilABC responsables de la résistance aux métaux lourds chez Cupriavidus metallidurans CH34. Nous avons identifié la spécificité de liaison au substrat de ces protéines, montrant leur capacité à fixer le zinc (ZneB), ou le cuivre et l’argent (SilB). De plus, nous avons résolu la structure cristalline de ZneB à une résolution de 2.8 Å dans la forme apo- et avec un ion zinc fixé. La structure de ZneB possède une architecture générale composée de quatre domaines caractéristiques des MFPs, et la présence du site de coordination au zinc dans une région très flexible à l’interface des domaines β-barrel et membrane proximal. Les modifications structurales que la protéine subit lors de la fixation du zinc on été observée dans le cristal mais aussi en solution, ce qui suggère un rôle actif des MFPs dans le mécanisme d’efflux des métaux, vraisemblablement via la fixation et le relargage de l’ion à l’antiporteur. Les études de sélectivité de transport des antiporteurs ZneA et SilA montre que ces dernières et leurs protéines périplasmiques respectives ont des affinités similaires pour les métaux lourds. De plus, les études de transport ont apportés des arguments en faveur de l’hypothèse de capture cytoplasmique du substrat par l’antiporteur, tandis que la capacité des protéines périplasmiques à fixer les métaux lourds a apporté des arguments en faveur de l’hypothèse de capture périplasmique du substrat par l’antiporteur. Les deux modes de capture pourraient en réalité coexister ;cependant, le débat autour du compartiment cellulaire de capture du substrat par l’antiporteur est complexe et requiert de plus amples efforts afin d’être cerné. / Tripartite resistance nodulation cell division (RND)-based efflux complexes are paramount for multidrug and heavy metal resistance in numerous Gram-negative bacteria. The transport of these toxic compounds out of the cell is driven by the inner membrane proton/substrate antiporter (RND protein) connected to an outer membrane protein to form an exit duct that spans the entire cell envelope. The third component, a membrane fusion protein (MFP) also called periplasmic adaptor protein, is required for the assembly of this complex. However, MFPs are also proposed to play an important active role in substrate efflux. To better understand the role of MFPs in RND-driven efflux systems, we studied ZneB (formerly HmxB) and SilB, the MFP components of the ZneCAB and SilABC heavy metal RND-driven efflux complexes from Cupriavidus metallidurans CH34. We have identified the substrate binding specificity of the proteins, showing their ability to selectively bind zinc (ZneB), or copper and silver cations (SilB). Moreover, we have solved the crystal structure of the apo- and the metal-bound forms of ZneB to 2.8 Å resolution. The structure of ZneB displays a general architecture composed of four domains characteristic of MFPs, and it reveals the metal coordination site at the very flexible interface between the β-barrel and the membrane proximal domains. Structural modifications of the protein upon zinc binding were observed in both the crystal structure and in solution, suggesting an active role of MFPs in substrate efflux possibly through binding and release. The selectivity assays of the antiporter proteins ZneA and SilA demonstrated similar specificities in relation to their cognate MFPs toward heavy metal cations. Moreover, antiporter transport assays provide evidence for cytoplasmic substrate capture by this protein, whereas MFP substrate binding provides evidence for periplasmic substrate capture. Therefore, both modes of capture might co-exist; nevertheless, the substrate capture issue is a complex topic still needing consequent efforts to understand it. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Sur le site minier de Milluni (Bolivie, Altiplano, 4800 m asl), la contamination des eaux de surface et des sédiments par les métaux lourds a été étudiée en combinant des approches géochimiques, minéralogiques et hydrochimiques. Pour les différents métaux, les sources minérales de la contamination ont été établies, ainsi que les processus géochimiques d'altération des minéraux primaires en minéraux tertiaires. La compréhension des mécanismes géochimiques en jeu et les bilans réalisés ont permis de déterminer les origines et les modes de transport et de contrôle des métaux dans cet environnement. Enfin, les carottages des sédiments lacustres et des tourbières ont permis d'évaluer l'évolution historique de la contamination en métaux lourds, notamment au cours du siècle dernier.

Les particules en suspension émises par l'industrie sidérurgique sont des polluants atmosphériques importants, particulièrement à cause des substances toxiques qu'elles peuvent véhiculer. Parmi elles, Cd, Pb et Zn sont particulièrement considérés dans le domaine de la surveillance de la qualité de l'air. La spéciation d'un élément, plus que sa concentration, gouverne ses propriétés toxicologiques et son devenir dans l'environnement. Aussi dans un premier temps, nous nous sommes attachés à caractériser les poussières d'émetteurs de poussières sidérurgiques (atelier d'agglomération, convertisseur à oxygène) et à déterminer la spéciation du Cd, Zn et Pb. Dans un second temps, une étude préliminaire des effets des poussières sur les systèmes vivants a été effectuée. Ce travail a permis d'identifier les espèces porteuses de ces métaux dans les poussières sidérurgiques et d'évaluer l'effet des poussières issues de l'atelier d'agglomération sur des systèmes vivants.

Ce travail concerne l'ingénierie de nouveaux systèmes supramoléculaires à base de ligands phosphorés fluorescents en vue de la réalisation des nouveaux matériaux optiques et de la détection de métaux lourds. Deux nouvelles séries de chromophores de type donneur-accepteur contenant des motifs phénylacétylène et une fonction oxyde ou sulfure de phosphine ont été synthétisées en utilisant le couplage de Sonogashira comme étape clé. Elles possèdent des rendements quantiques de fluorescence élevés ainsi qu'un transfert de charge efficace à l'état excité. Les oxydes de phosphine fluorescents présentent également des propriétés intéressantes en absorption à deux photons et en optique non linéaire. Nous avons également synthétisé des nouveaux ligands bidentes de type oxyde ou sulfure de phosphine pour la détection de métaux lourds polluants. Les chélates d'oxydes de phosphine complexent efficacement le plomb et le cadmium dans un mélange CH3CN/CHCl3. Ils offrent également la possibilité de la détection par fluorescence par absorption à deux photons. Les chélates de sulfures de phosphine présentent de très bonne sensibilité et sélectivité pour le mercure dans un milieu partiellement aqueux. D'autre part, les chélates d'oxydes de phosphine permettent une bonne sensibilisation des ions lanthanides par un transfert d'énergie du ligand vers le métal complexé. Une étude complète du transfert d'énergie de l'un des ligands vers l'ion europium a été réalisée.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce travail décrit certains aspects du réseau d’assainissement en tant que réacteur bio-physico-chimique. Les objectifs principaux sont : d’identifier et de quantifier les sources des eaux circulant dans les collecteurs en se basant sur les signatures isotopiques des eaux et des sulfates dissous; de déterminer la nature minéralogique des phases porteuses des métaux lourds et d’étudier leur cycle géochimique par MET et MEB couplés à la EDXS ; de mettre en évidence la présence d’échange de matière entre les eaux usées et les biofilms par CLSM et MET et d’étudier les conditions hydrodynamiques impliquées dans cet échange dans un réacteur pilote (Couette-Poiseuille). On montre que les données isotopiques permettent d’évaluer la présence des évolutions de concentration des éléments transportés dans le réseau. Le rôle du réseau en tant que réacteur apparaît dans l’évolution de la nature minéralogique des phases phosphatées vers l’aval du réseau et dans la précipitation des métaux lourds dans les compartiments anaérobiques sous forme de phases sulfurées néoformées. Les dépôts des regards de façade et les biofilms sont les lieux de cette néoformation. A l’échelle de la matière organique, l’auto-épuration est révélée par les échanges entre les biofilms et les matières en suspension (MES) suite à la présence des fibres de cellulose dans la structure des biofilms et de morceaux de biofilms au sein de la MES. La majeure partie de ces évolutions se situe en amont du réseau où les contrastes physicochimiques sont les plus importants. Finalement, les expériences modèles au sein du réacteur ont montré l’implication de l’hydrodynamisme dans le détachement des biofilms / This work describes the sewer system as an integrated part of the wastewater treatment system. The main objectives of this study were: identification and quantification of water sources collected in sewer system, referring to isotopic signatures of water and dissolved sulfates; identification of the mineralogical nature of trace element carriers and determination of their geochemical evolution within the sewer by TEM and SEM coupled with EDSX ; Evidencing exchanges between sewage and biofilms, using CLSM and TEM, and investigating hydrodynamic conditions controlling this exchange in an experimental set-up (Couette-Poiseuille reactor). The results indicate that isotopic data may be used to study the tightness of sewer lines and to evaluate the evolution of element concentrations along sewer. Implication of the sewer system as a true biophysicochemical reactor is evidenced in our study by the evolution of the mineralogical nature of phosphate phases downstream of the sewer and by heavy metal precipitations in anaerobic conditions as neoformed sulfide phases. Sump pit deposits and biofilms represent the earlier stage of this neoformation. Organic matter biodegradation was revealed by TEM examination of SM whereas the exchange between biofilms and SM was shown by CLSM. Cellulose fibers from SM were found embedded in exopolymer biofilm matrices and detached fragments from biofilms were identified in sewage. The majority of these evolutions are located upstream of sewer system in which the contrast in physicochemical properties are the most significant. Finally, biofilm model investigations and image processing showed that hydrodynamic conditions are largely implicated in biofilm detachment

La symbiose entre Anthyllis vulneraria et Mesorhizobium metallidurans, mise en évidence dans l'ancienne mine Zn/Pb des Avinières à St Laurent-le-Minier (Gard) permet une entrée d'azote dans les sols grâce à la fixation biologique qui favorise l'installation d'une végétation pérenne d'intérêt pour limiter la pollution métallique via l'érosion éolienne et hydrique. M. metallidurans ayant la particularité de résister à de fortes concentrations en Zn et Cd, la recherche des gènes d'adaptation aux métaux lourds a été mise en œuvre pour mieux connaitre cette bactérie impliquée dans des opérations de phytostabilisation, par des approches de génétique moléculaire et de transcriptomie (RNAseq). Les gènes codant pour des systèmes de séquestration, d'exclusion, de réduction et d'efflux des métaux lourds, dont cadA1, codant pour une PIB-ATPase exportant Cd/Zn ont été identifiés chez deux souches métallicoles associées à Anthyllis ; M. metallidurans STM 2683T (mine des Avinières) et Mesorhizobium sp. STM 4661 (mine d'Eylie). Une étude fonctionnelle de cadA1 a permis de caractériser son rôle dans la résistance aux métaux lourds chez M. metallidurans. Ce gène a ensuite été testé comme marqueur de résistance pour étudier la diversité et la répartition des symbiotes d'Anthyllis sur des sites miniers et non pollués. Pour cela ce travail a été complété par des analyses phénotypiques de tolérance au Zn et Cd et des analyses phylogénétiques basées sur des marqueurs taxonomiques et symbiotiques. La contrainte métallique exercée par les environnements miniers semble influencer la composition et la diversité bactérienne avec une plus forte proportion (i) de phénotype métallicole lié à la présence du gène cadA1 et (ii) de rhizobia appartenant à M. metallidurans ou à une espèce très proche. La plante hôte semble quant à elle influencer la diversité symbiotique des rhizobia, indépendamment de la contrainte métallique. / Efficient nitrogen-fixing symbiosis between Anthyllis vulneraria and Mesorhizobium metallidurans, identified in the highly Zn/Pb polluted mining site of Avinières (St Laurent-le-Minier, Gard county, France) has recently been described as a potential key bioremediation agent for stimulating the growth of a sustainable plant cover and thus limit heavy metal dispersion from contaminated sites. M. metallidurans strains were shown to be resistant to high Zn and Cd concentrations. The aim of our work was to identify and characterize genes involved in heavy metal adaptation in M. metallidurans by using genetic and transcriptomic approaches (RNAseq technology). Putative genes involved in heavy metal adaptation mechanisms such as exclusion, binding, reduction and efflux, like cadA1, encoding an efflux system PIB-type ATPase involved in Zn and Cd export, were identified in two Mesorhizobium strains associated with Anthyllis: M. metallidurans STM 2683T (Avinières mine) and Mesorhizobium sp. STM 4661 (Eylie mine). Functional studies allowed us to characterize the cadA1 efflux protein as involved in metal tolerance in M. metallidurans. Then, cadA1 was used as a metal-resistance marker to study the diversity and the distribution of Anthyllis symbionts from mine soils and unpolluted soils. This work was completed by Zn- and Cd-tolerance phenotype assays and phylogenetic analyses using taxonomical and symbiotic markers. Metals in mine environments seemed to influence the bacterial composition and the diversity with a high proportion of (i) metal-tolerant phenotypes consistent with the detection of the cadA1 gene and (ii) strains belonging to the M. metallidurans species or to a bacterial species close to it. The plant-hosts seemed to impact symbiotic diversity independently of the metal-tolerant property.

La Baie de Marennes Oléron, première zone Européenne d’ostréiculture, est exposée aux apports de contaminants métalliques provenant de la Charente et la Seudre, dont les apports en eau et particules se font directement dans la baie, mais également par la Gironde dont les apports sont indirects et tributaires des forçages hydrologiques et météorologiques. Un réseau de surveillance (2006-2007) a été mis en place sur le fleuve Charente et sur la Seudre afin de déterminer leurs flux bruts métalliques dissous (<0,2µm) et particulaires. En raison d’un faible débit moyen annuel, les flux métalliques de la Seudre sont négligeables. En Charente, les concentrations dissoutes et particulaires en Cd et Cu sont semblables ou supérieurs à celles de la Garonne, représentant des flux spécifiques supérieurs à ceux de la Garonne. La réactivité des ETM dans les estuaires de la Gironde et de la Charente, dans la zone littorale et dans la Baie de Marennes Oléron a été documentée à partir d’une vingtaine de campagnes océanographiques et d’un suivi mensuel (2007) sur la partie sud de la Baie de Marennes Oléron. En Gironde, les concentrations dissoutes totales en Cd, V et U le long des gradients turbides et salins sont représentées essentiellement (>90%) par la fraction labile. En revanche, 30-70% de Co dissous et 50-60% de Cu dissous sont fortement complexés. Les 15 campagnes sur l’estuaire de la Gironde en conditions hydrologiques et saisonnières très contrastées ont permis de documenter la distribution et la spéciation des ETM et de proposer un modèle de calcul des flux nets annuels dissous des ETM exportés en zone littorale. En couplant des mesures ADCP à des prélèvements géochimiques à l’embouchure de la Gironde pendant un cycle tidal et pour différentes conditions hydrologiques, nous avons déterminé les flux résiduels en ETM particulaires au cours d’un cycle tidal. La mise en relation de ces résultats avec un modèle hydro-sédimentaire a permis d’estimer les flux nets en ETM particulaires de la Gironde pour l’année 2007. Pour tracer le transfert des particules de la Gironde dans la Baie de Marennes Oléron nous avons utilisé les rapports élémentaires de la fraction résiduelle des particules et analysé le panache turbide de la Gironde par imagerie satellite. Ces deux approches indépendantes suggèrent que 50% à 75% de la masse totale de MES véhiculées annuellement dans la baie proviennent de la Gironde et transitent majoritairement par le Pertuis de Maumusson. Les résultats inédits obtenus à partir des mesures in situ et d’expérimentations de désorption ont permis de proposer un bilan annuel des flux métalliques des différentes formes de Cd et Cu intégrant la Baie de Marennes Oléron. Près de 61% des apports totaux en Cd dans la Baie de Marennes Oléron sont issus des apports dissous de la Charente alors que 60% des apports totaux en Cu sont représentés par le transfert de particules de la Gironde. / The Marennes-Oléron Bay, Europe’s major oyster production zone, receives direct particle and water inputs by the Charente and the Seudre Rivers. The bay is also indirectly influenced by inputs from the Gironde Estuary, depending on hydrological and meteorological forcing. Fluvial trace metal inputs via the Charente and Seudre Rivers were evaluated during 2006-2007. Trace metal fluxes in the Seudre River were negligible due to its low mean annual freshwater discharge. Dissolved (<0.2µm) and particulate Cd and Cu concentrations and specific fluxes in the Charente River were similar or higher than those in the Garonne River. The reactivity of trace metals in the Gironde/Charente Estuaries, in the coastal zone and in the Marennes-Oléron Bay was investigated by 20 oceanographic campaigns and by a monthly monitoring (2007) of the Southern Marennes-Oléron Bay. The major parts (>90%) of total dissolved Cd, V and U concentrations along the turbidity and the salinity gradients were present in the labile fraction. In contrast, 30-70% of dissolved Co concentrations and 50-60% of dissolved Cu were strongly-bound to dissolved complexes. Based on 15 dissolved trace metal profiles, we evaluated the variability of dissolved trace metal distributions and speciation in the Gironde Estuary and proposed an empirical model for the estimation of dissolved trace metal annual net fluxes exported to the coastal ocean. Coupling ADCP measurements with geochemical data obtained at the Gironde Estuary mouth during entire tidal cycles and for contrasting conditions, we determined the residual particulate trace metal daily net fluxes. Comparison of our results with a hydro-sedimentary model allowed estimating the particulate trace metal net fluxes of the Gironde Estuary at the annual scale for 2007. Characteristic trace metal ratios in the residual particulate fraction of SPM and sediment were identified to trace particle transfer from the Gironde to the Marennes-Oléron Bay. This approach and the study of the shape of the turbid plume by satellite imaging suggest that the Gironde Estuary contributes 50-75% of the total annual SPM inputs into the bay via the Maumusson inlet. Based on these original results and combining in situ measurements and desorption experiments we proposed an annual budget of Cd and Cu fluxes into the Marennes-Oléron Bay. Dissolved Cd fluxes of the Charente Estuary accounted for ~61% of the total Cd inputs into the Marennes Oléron Bay, while ~60% of the total Cu inputs were transported by the particles from the Gironde Estuary.

Notre thèse vise la conception d'un biocapteur ultra-sensible à base d'Arthrospira platensis pour la détection des substances toxiques (métaux lourds et pesticides) pour un contrôle environnemental. Cette étude concerne, dans un premier lieu, le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à des puces en Polydimethylsiloxane (PDMS) et fonctionnalisés par des cellules d'Arthrospira platensis immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer ». L'étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers une étude acoustique (suivi en temps réel), électrochimique et microscopique (microscopie à force atomique (AFM) en milieu sec ou liquide et microscopique électronique à balayage (MEB)). Dans un deuxième lieu, cette étude présente les systèmes conductimétriques basés sur l'inhibition des activités enzymatiques de la cyanobactérie par les polluants. Différents modes d'immobilisation sur des microcapteurs interdigités (IDF) en or, ont été étudiés : immobilisation via les monocouches auto-assemblées « Self Assembled Monolayers », immobilisation via les nanoparticules d'or revêtues par du PAH et co-réticulées à l'albumine à l'albumine de sérum bovin sous vapeur saturée de glutaraldéhyde. Ce principe de détection consiste à inhiber l'Activité Phophatase Alcaline (APA) par les métaux lourds et l'Activité Estérase (AChE) par les pesticides. Des limites de détection excellente (10-20 M) ont été obtenues. Un biocapteur bi-enzymatique a été élaboré avec le même biorécepteur (Arthrospira platensis) pour une multi-détection des polluants. Ce capteur a été testé sur des échantillons d'eaux prélevés sur des effluents hospitaliers et urbains (eaux brutes et traitées) / This thesis focuses on the design of an ultra-sensitive biosensor based on Arthrospira platensis for the detection of toxic substances (heavy metals and pesticides) for environmental monitoring. This study deals with, first, the development of impedimetric and Love acoustic wave systems, associated with Polydimethylsiloxane (PDMS) chips and functionalized with Arthrospira platensis cells immobilized on polyelectrolyte multilayers deposited by the “Layer and Layer” method. Electrochemical, acoustic and microscopic interactions with cadmium and mercury (atomic force microscopy (AFM) in dry or liquid medium and studies of scanning electron microscopy (SEM)) have been performed. This work focuses also on conductometric system based on the inhibition of enzymatic activities of cyanobacteria by pollutants. Different modes of immobilization on gold interdigitated microsensors (IDTs) were studied: immobilization via self-assembled monolayers, immobilization with gold nanoparticles coated with PAH and co-reticulated with bovine serum albumin under saturated vapor of glutaraldehyde. They were based on the inhibition of Alkaline Phosphatase activity (APA) by heavy metals Esterase Activity (AChE) by pesticides. Excellent detection limits (10-20 M) were obtained. A bi-enzymatic biosensor was developed with the same bioreceptor (Arthrospira platensis) for polluants multi-detection. This sensor has been tested on water samples of urban and hospitals effluents (before and after treatment)

L'étude sur le potentiel de bioaccumulation des mollusques comme bioindicateur est un effort important à appliquer rigoureusement dans les régions tropicales. Cette thèse présente les résultats de notre enquête pendant deux ans (2012-2013) dans 4 sites côtiers de la baie de Nha Trang de la province de Khanh Hoa (Viet Nam). L'étude a utilise des méthodes d'analyse appropriées pour déterminer la pollution en métaux lourds des sédiments et interpréter la capacité de bioaccumulation de ces métaux lourds dans plusieurs types de mollusques pour la proposer des bioindicateur et évaluer les risques lies a la consommation de ces mollusques provient des substances toxiques. Les résultats de cette étude ont démontré que la concentration de métaux lourds comme Cr, Cd, Cu et Zn ne présent pas les effets biologiques. Un traitement des résultats sur le choix d'une espece comme bioindicateurs, y compris Laternula anatine, Glauconome virens, Katelysia hiantina et Geloina coaxans en terme de bioaccumulation BSAF de métal dans leurs tissus. Les facteurs de bioaccumulation conduisant au choix d'un espèce particulière, la quelle K.hiantina pourrait être le meilleur indicateur de la pollution par les métaux. / The study on the potential bioaccumulation of mollusks as bioindicator is an important effort that contributes to the findings of method in monitoring pollution in an environment of tropical regions. This thesis reports the results of our investigation of heavy metals in mollusks and sediment samples collected from four coastal sites of different environmentally background in Nha Trang bay and adjacent areas, Khanh Hoa province, Viet Nam during 2 years from 2012 to 2013. The study used suitable analyzing methods update to find the bioaccumulation capacity of trace metals in marine ecosystems, evaluation of the bioavailability of potentially toxic substances on human health risks and available for predicting the environmental fat and effects of pollutions. Results from this study demonstrated that the 5 metals As, Cr, Cd, Cu and Zn concentrations of sediments were acceptable or moderate biological effects. These studied mollusk species including Laternula anatine, Glauconome virens, Katelysia hiantina and Geloina coaxans have high potential factors in term of metal BSAF in their tissues. They have served as good bioindicator organisms, in which K.hiantina might be the best indicator of metal pollution as it is high presence, abundance and wide geographical distribution in the study area.