Phytostabilization offers a less expensive alternative to traditional cap and plant methods for containing metalliferous mine tailings to prevent wind erosion and contamination of nearby communities and the environment. However, plant establishment during phytostabilization of pyritic legacy mine tailings in semiarid regions is challenging due to particularly extreme conditions including low pH, low organic carbon, low nutrients, and high toxic metal(loid) concentrations. Microorganisms drive major biogeochemical cycles in soils, however, the roles microorganisms play at the root – soil interface during phytostabilization, particularly in relation to plant health and metal immobilization, are not yet fully understood. The aims of this dissertation are to focus on bacterial communities associated with the roots of buffalo grass used in the phytostabilization of pyritic metalliferous mine tailings to: i) characterize bacterial diversity and communities of rhizosphere and bulk substrate, ii) delineate associations between rhizoplane bacterial colonization patterns and environmental and plant status parameters, and iii) develop an in situ method to visually assess associations between roots, bacteria, and metals. Key findings indicate that after addition of a compost amendment to alleviate the plant-growth inhibiting characteristics of mine tailings, rhizosphere and bulk substrate contain a diverse, plant-growth supporting bacterial community. As substrate re-acidifies due to compost erosion, an emergence of an iron (Fe)- and sulfur (S)-oxidizer and Fe-reducer dominated, less diverse community develops in the bulk and rhizosphere substrate, thus posing a threat to successful plant establishment. However, even at low pH, some plant-growth-promoting bacteria are still evident in the rhizosphere. On the rhizoplane (root surface), the relative abundance of metabolically active bacteria was positively correlated with plant health, verifying the strong association between plant health and bacteria. Furthermore, pH showed a strong association with the relative abundance of Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria on the rhizoplane. In relation to microbe-metal interactions on the root surface, results showed that Actinobacteria and Alphaproteobacteria colocalized with Fe-plaque and arsenic (As) contaminant on the root surface, indicating their potential role in adsorbing or cycling of these metal(loid)s. Developing a more thorough understanding of bacteria-root-metal interactions in relation to plant health and metal immobilization can help to improve phytostabilization efforts and success.

In the last 150 years, the City of Yellowknife has transitioned from an area of traditional subsistence living to the largest city in the Northwest Territories (Canada) due to the economic influence of resource extraction. As resource extraction in the area boomed, large quantities of pollutants from mine tailings and emissions from roaster stacks adjacent to gold mines were deposited on the landscape, leaving a known legacy of elevated surface water, sediment, and soil metal(loid) concentrations. Most of the research to date has focused on arsenic in the region, and my thesis expands the body of knowledge to include other metal(loids) of interest, including antimony, lead, and mercury. My thesis's main objective was to determine the spatial and temporal extent of legacy mining emissions near Yellowknife and assess the associated biological risk from these historic emissions. I analyzed select intervals from 20 lake sediment cores for time constrained metal(loid) contaminants of concern. I used a combination of paleotoxicity and paleoecotoxicology methods to establish a spatial and temporal footprint of biological risk associated with historic gold mining activities in the Yellowknife region. I determined that lakes close to the mine exhibited a low-level hazard to aquatic communities before mining, while the onset of mining increased the hazard posed by sediments deposited to acute levels. I also discovered that lakes within 5 km of Giant Mine exceeded guideline values for sedimentary mercury during active mining. Further, I developed methods in paleoecotoxicology that indicated a concordance between time deposited, estimated risk, and observed mortality of native Daphnia sp exposed to time-constrained sediment archives. My thesis demonstrates that paleotoxicity and paleoecotoxicology are effective methods to separate historic and modern influences of industrial development on aquatic biota. Additionally, my research has application extensions for policymakers, remediation scientists, Indigenous Peoples, and those proposing new industrial ventures.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23495号 / 工博第4907号 / 新制||工||1767(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻 / (主査)教授 米田 稔, 教授 清水 芳久, 教授 高岡 昌輝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

L'Équateur est le 5ème pays producteur de pétrole en Amérique du Sud. Les étapes d'extraction et de raffinage génèrent des déchets contentant des métaux co-émis avec les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), connus pour leurs effets cancérogènes et toxiques chez l'homme. Dans ce contexte et dans le cadre du programme ANR MONOIL, le premier objectif de cette thèse était de déterminer la distribution des métaux dans l'environnement sur les provinces d'Orellana et Sucumbíos (zones d'extraction du pétrole en Amazonie, " NAR ") et dans la ville d'Esmeraldas (raffinerie, sur la côte Pacifique," NPC "). Le 2ème objectif était d'étudier le transfert des métaux depuis le sol ou l'air vers les cacaoyers, largement cultivés en Equateur, et d'en déterminer les impacts sur la santé après ingestion. Enfin, le 3ème objectif était de surveiller la qualité de l'air (PM10) afin d'évaluer l'impact des activités anthropiques et le potentiel oxydatif des particules. Des sols et des cultures ont été collectés dans 31 fermes entre 2014 et 2016. Des échantillons d'air ont été prélevés mensuellement sur 3 sites, à proximité des plateformes pétrolières et de la raffinerie. La composition chimique (teneurs en métaux, carbone organique et élémentaire, ions, sucres, polyols, HAPs) a été déterminée dans les PM10. L'évaluation des risques sanitaires a été réalisée via 3 voies d'exposition. Les effets non cancérogènes et cancérogènes ont été quantifiés à l'aide de l'Indice de Risque (HI) et du Risque Total de Cancer (TCR). La bioaccessibilité du Cd par ingestion a été déterminée avec le test BARGE dans les pâtes et fèves de cacao. La formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) a été quantifiée par spectrophotométrie en utilisant 3 essais acellulaires: DTT, AA et DCFH. Les résultats montrent que dans 72% des sites, les concentrations en Ba, Co, Cu, Cr, Ni, V et Zn dans les sols dépassent les limites de la législation équatorienne. Pour la plupart des cultures, les concentrations en métaux sont inférieures aux limites de détection, sauf pour le Cd dans le cacao et le Pb dans le manioc, qui dérogent aux normes de qualité alimentaire. Les cacaoyers accumulent le Cd dans les feuilles, les cabosses et les fèves. Comme la teneur en Cd du pétrole est inférieure à la limite de détection, les produits agrochimiques et les intrants organiques peuvent être incriminés. Près de 100% de la teneur totale en Cd dans les pâtes et fèves de cacao est bioaccessible par ingestion. Le risque pour la santé après consommation de chocolat oscille entre faible et élevé, selon la quantité ingérée. Dans les PM10, le Ba et le Mo, traceurs spécifiques des activités pétrolières, ont montré des valeurs beaucoup plus élevées que celles enregistrées dans les sites industriels. Les ratios OC/EC étaient plus élevés en Amazonie, suggérant des émissions biogéniques plus importantes. La teneur en HAPs est plus élevée sur la côte, cependant les niveaux de BaP étaient inférieurs aux limites de l'UE. Les résultats du potentiel oxydatif ont montré que les composés émis par l'industrie pétrolière (HAPs, Ba, Ni, Zn), par la combustion de la biomasse (sucres) dans le NAR ainsi que les traceurs industriels dans le NPC (As, Ba, Ni, NH4+) corrèlent avec la génération de ROS. Les principales voies d'exposition aux métaux sont l'ingestion et l'inhalation et, dans une moindre mesure, le contact dermique avec le sol. Les enfants tout comme les adultes sont vulnérables aux effets toxiques de ces composés. Enfin, d'autres facteurs comme la déforestation, l'agriculture et les émissions naturelles (volcans) dans le NAR mais aussi les industries dans le NPC contribuent également aux dégâts environnementaux constatés et aux effets néfastes sur la santé. / Ecuador is the 5th crude oil producer country in South America. Oil extraction and refining generate toxic waste containing metals co-emitted with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), naturally present in crude oil or added during production, and known for their carcinogenic and toxic effects in humans. In this context and as a part of the ANR MONOIL program, the first aim of this PhD research was to determine the distribution of metal(loid)s in the environment in the provinces of Orellana and Sucumbíos (oil extraction, North Amazon " NAR ") and the city of Esmeraldas (oil refining, North Pacific Coast, " NPC "). The second aim was to determine if there was a transfer of toxic metals, such as Cd, from soil or air to cacao crops, widely cultivated in Ecuador, and if the consumption of cacao-based products could imply risks for human health. Finally, the third aim was to monitor air quality over 2 years in both areas to assess the impact of anthropogenic activities and the oxidative burden of particulate matter (PM10). Soils and local crops were collected in 31 small-scale farms, between 2014 and 2016. Monthly PM10 samples were collected in 3 sites, in the vicinity of oil platforms close to the refinery. PM10 chemical composition (contents in metals, organic and elementary carbon (OC, EC), ions, sugars, polyols, PAHs) was determined. Human health risk assessment was performed taking into account ingestion, inhalation and dermal contact. Non carcinogenic and carcinogenic effects were quantified using the Hazard Index (HI) and the Total Cancer Risk (TCR). Bioaccessibility of Cd after ingestion was determined by the BARGE in vitro test in cacao beans and liquors. In aerosols, reactive oxygen species (ROS) formation was quantified using 3 acellular assays: DTT (dithiothreitol), AA (ascorbic acid) and DCFH (2',7'-dichlorodihydrofluorescein). Ba, Co, Cu, Cr, Ni, V and Zn concentrations in 72% of the study soils exceeded the limits of the Ecuadorian legislation. For most of the crops, elements were below the limits of detection but, Cd in cacao and Pb in manioc were above the international standards for food quality. Cacao trees accumulate Cd in leaves, pod husks and beans. Because Cd contents in crude oil were below the detection limits, agrochemical products and natural inputs may also be important sources. Almost 100% of the total Cd content in cacao beans and liquor was bioaccessible by ingestion. The health risk after chocolate consumption was low to high, depending on the ingestion rate and the cacao liquor percentage. In PM10, As, Cd, Ni and Pb were below the EU thresholds. However, Ba and Mo, specific tracers of oil activities, used as weighting agents or catalyzers during drilling and refining, showed values much higher than those recorded in other urban-industrialized sites. PM10 composition depended on oil activity. OC/EC ratios were higher in the NAR (oil extraction) than in the NPC (oil refining), suggesting that biogenic emissions were more important in the Amazon area. PAHs contents were higher in the NPC, but levels of benzo-a-pyrene were below the EU limits. Oxidative potential results showed that compounds emitted by oil industry (PAHs, Ba, Ni, Zn) and by biomass burning (sugars) in the NAR as well as industrial tracers in the NPC (As, Ba, Ni, NH4+) were correlated with ROS generation. Regarding residential exposure, the main routes of exposure to metal(loid)s were first ingestion, inhalation and in a small extent soil dermal contact, being both children and adults vulnerable. Finally, the oil Ecuadorian environment is not only contaminated by oil activities. Other factors like deforestation, agriculture and natural emissions (volcanos) in the NAR and industries in the NPC also contribute to environmental damages and may lead to adverse health effects.

Au Nunavik, il est recommandé aux femmes inuites enceintes et allaitantes de consommer un bouillon à base de poisson, car cela favoriserait la croissance du bébé pendant la grossesse et l’allaitement. Cependant, celles-ci ont une demande nutritionnelle plus élevée et les carences en fer (Fe) et en calcium (Ca) sont fréquentes. De plus, certaines espèces de poissons peuvent être riches en métaux et métalloïdes potentiellement toxiques, tels que le mercure (Hg) et l’arsenic (As), mais peu est connu sur le transfert de ceux-ci vers le bouillon. Ce projet visait à optimiser le bouillon à base de poisson en mesurant les nutriments (potassium (K), Ca, magnésium (Mg), Fe, zinc (Zn), sélénium (Se)) et les métaux et les métalloïdes potentiellement toxiques (Hg, As, cadmium (Cd)) dans diverses espèces de poissons (omble de fontaine (Salvelinus fontinalis), grand corégone (Coregonus clupeaformis), truite grise (Salvelinus namaycush), omble chevalier (Salvelinus alpinus)) et d’autres ingrédients comme les algues (Alaria esculenta), les moules (Mytilus edulis) et les myes (Mya truncata) qui peuvent être riches en Fe et en Ca et augmenter le contenu nutritionnel du bouillon. Nous avions aussi regardé l’utilisation d’un produit commercial, le Lucky Iron Fish (LIF)®, pour augmenter la teneur en Fe du bouillon. Pour évaluer l’effet de la cuisson sur les concentrations dans les ingrédients et le transfert potentiel des nutriments, des métaux et des métalloïdes vers le bouillon, les tissus crus et cuits ainsi que les bouillons ont été comparés. Les analyses incluaient la spéciation du Hg et de l’As dans quelques ingrédients ainsi que la bioaccessibilité des nutriments et des métaux et des métalloïdes potentiellement toxiques dans les algues et les bivalves. La plupart des espèces de poissons étaient d’excellentes sources de K, Mg, Zn et Se, tandis que les algues et les bivalves étaient des sources excellentes de Ca, Mg et Zn et en Fe pour les bivalves. Le LIF était une source potentielle de Fe lorsqu’il était préconditionné dans de l’eau acidifié à un pH de 3,5 et qu’une femme enceinte consommait environ 20 tasses ou 5 L du bouillon en une journée pour avoir des apports similaires à ceux du manufacturier. Les concentrations en métaux et en métalloïdes pour la plupart des ingrédients étaient inférieures à la 2 valeur maximale recommandée pour les ingrédients commerciaux, à l’exception des grosses truites grises qui présentaient des concentrations élevées en Hg surtout dans les joues et les muscles. Cependant, de faibles concentrations en Hg ont été mesurées dans le bouillon de poisson. L’étude de la spéciation du Hg a révélé que les poissons contenaient plus de 90 % de méthylmercure, à l’exception de l’omble chevalier avec 80 %, alors que les autres ingrédients en contenaient moins de 50 %. Deux tissus d’algues crues et les bouillons des deux espèces de poisson (surtout la truite grise) présentaient des niveaux d’As supérieurs à la valeur recommandée. Les algues contenaient environ 40 % d’arsénosucres et 33 % d’arsénolipides et les bivalves contenaient moins de 20 % d’arsénosucres et 66 à 73 % d’arsénolipides. Les truites grises et leurs bouillons contenaient plus de 90 % d’arsénobétaïne. Les enzymes utilisées pour les tests de bioaccessibilité étaient riches en plusieurs métaux essentiels mesurés ; la bioaccessibilité de ces métaux n’a donc pas été quantifiée pour ceux-ci. La bioaccessibilité des métaux et des métalloïdes potentiellement toxiques chez les algues et les bivalves était de 100 % pour le Cd, de 40 % pour l’As total pour les algues et 100 % pour les bivalves, et a varié entre 25 et 50 % pour le Hg total (à l’exception de deux échantillons d’algues à 75 %). D’après nos résultats, tous les bouillons réalisés à partir des différentes espèces de poisson ainsi que leurs différentes parties sont sécuritaires à la consommation pour les femmes enceintes et allaitantes, hormis les muscles et les joues de grosses truites grises. Cependant, le bouillon fait avec de grosses truites grises peut être consommé. De plus, les algues et les bivalves sont d’excellents ingrédients à ajouter à la recette pour optimiser sa teneur en nutriments. Une recette optimale serait donc faite d’un poisson autre que la grosse truite grise, et des algues et des bivalves y seraient ajoutés et consommés en entier pour avoir l’apport nutritionnel de ses ingrédients. / In Nunavik, it is recommended to pregnant and breastfeeding Inuit women to consume fish-based broth because it is said to help the baby’s growth during pregnancy and with lactation. However, these women have a higher nutritional demand and iron (Fe) and calcium (Ca) deficiencies are quite common. Additionally, some fish species can be high in potentially toxic metal(loid)s such mercury (Hg) and arsenic (As) and it is unknown to what extent these can transfer to the broth. This project aims to optimize the fish-based broth by measuring the nutrients (potassium (K), Ca, magnesium (Mg), Fe, zinc (Zn), selenium (Se)) and potentially toxic metal(loid)s (Hg, As, cadmium (Cd)) in various fish species (brook trout (Salvelinus fontinalis), lake whitefish (Coregonus clupeaformis), lake trout (Salvelinus namaycush), Arctic char (Salvelinus alpinus)) and other ingredients like seaweed (Alaria esculenta), mussels (Mytilus edulis) and clams (Mya truncata) which can be rich in Fe and in Ca and increase the nutritional content of the broth. We also looked at the use of a commercial product, the Lucky Iron Fish (LIF)®, to increase the Fe content of the broth. To investigate the effect of cooking on the concentration of various ingredients and the potential transfer of nutrients and metal(loid)s to the broth, raw and cooked tissues and their broth were compared. Analysis included Hg and As speciation in various ingredients as well as the bioaccessibility of the nutrients and potentially toxic metal(loid)s in seaweeds and bivalves. Most fish species were excellent sources of K, Mg, Zn and Se, while seaweeds and bivalves were excellent sources of Ca, Mg and Zn and Fe for bivalves. The LIF was a potential source of Fe when preconditioned in water acidified to a pH level of 3.5 and a pregnant woman consumed approximately 20 cups or 5 L of the broth in a day to have intakes similar to those of the manufacturer. Most ingredients had metal(loid) concentration below the maximum recommended value for commercial ingredients except for large lake trout which had high Hg concentration especially in the cheeks and the muscles. However, low concentrations of Hg were measured in the fish broth. Study of Hg speciation showed that fish contained more than 90% of methylmercury 4 except for Arctic char with 80%, while the other ingredients contained less than 50%. Two raw seaweed tissues and the broth of both fish species (especially lake trout) had As levels above the recommended value. Seaweeds contained roughly 40% arsenosugars and 33% arsenolipids and bivalves contained fewer than 20% arsenosugars and 66–73% arsenolipids. Lake trouts and their broths contained more than 90% arsenobetaine. The enzymes used for the bioaccessibility test were rich in several essential metals measured; bioaccessibility of these metals were therefore not quantified. Bioaccessibility of potentially toxic metal(loid)s in seaweeds and bivalves was 100% for Cd, 40% for total As for seaweeds and 100% for bivalves and varied between 25 and 50% for total Hg (with the exception of two seaweed samples at 75%). According to our results, all broths made from different species of fish as well as their different parts are safe for consumption by pregnant and breastfeeding women, except the muscles and cheeks of large lake trout. However, broth made with large lake trout can be consumed. Additionally, seaweeds and bivalves are excellent ingredients to add to the recipe to optimize its nutrient content. An optimal recipe would then be made with a fish other than large lake trout, and seaweed and bivalves will be added and consumed entirely to obtain the nutritional contribution of these ingredients.

Des particules ultrafines y compris nanométriques, enrichies en métaux (PM) sont émises dans l'atmosphère en zones industrielles et urbaines, puis sont transférées vers les écosystèmes terrestres et aquatiques, avec des conséquences sur la qualité des plantes et la santé humaine. Dans un contexte socio-scientifique mondial où la réglementation sur l’impact (éco)toxicologique des substances et les pressions de l'espace public se renforcent, des études d'impacts environnement-santé sur tout le cycle de vie des PM sont indispensables. La thèse visait tout d'abord l’étude du devenir et de l’impact des métaux des PM: leur cinétique de transfert, les mécanismes de phytodisponibilité, phytotoxicité, et les risques pour la santé humaine lors de l’ingestion de végétaux pollués. Ensuite, à travers le cas de potagers urbains en Chine, une étude socio-scientifique a été réalisée afin de proposer des moyens de gestion durable des risques environnement-santé. Les légumes peuvent accumuler des quantités importantes de métaux par absorption foliaire lorsque des PM pénètrent par les stomates. Des PM de PbO et des nano-CuO induisent une forte phytotoxicité (réduction de la biomasse et des échanges gazeux, nécroses). La phytotoxicité n’est pas simplement régie par la concentration totale en métaux car des bio-transformations se produisent et modifient les formes chimiques des métaux. L’analyse par résonance paramagnétique électronique (EPR) a mis en évidence un changement de spéciation du cuivre dans les tissus des feuilles. Par ailleurs, une influence significative de la nature du métal, de l’espèce végétale et du type d’exposition (foliaire/racinaire) sur la bioaccessibilité gastro-intestinale des éléments a été démontrée. A proximité d’un incinérateur de déchets ou d’une autoroute, l’absorption foliaire des PM induit des concentrations élevée en métaux dans les plantes, en plus du transfert sol-plante. Une bioaccessibilité humaine relativement élevée (60-79%) a été mesurée, suggérant un risque potentiel pour la santé en cas de consommation régulière. Les jardins potagers étudiés présentent un risque sanitaire faible (cas de l’incinérateur) ou modéré (cas de l’autoroute) à l'égard de la consommation humaine des légumes étudiés. Mais, une exposition à différents polluants organiques en plus des métaux est souvent possible. Cette thèse souligne l'importance de prendre en compte l'influence de l'atmosphère en plus de la qualité du sol pour estimer la qualité des plantes consommées cultivées en zones anthropisées (fermes et jardins urbains), pour la gestion durable des agricultures urbaines / Ultrafine particles including nanosized enriched with metal(loid)s (PM) are emitted into the atmosphere of industrial or urban areas, these PM can transfer into soil and water ecosystems and have consequences on plant quality and human health. In a global socio-scientific context that regulation on (eco)toxicity of chemicals and public space pressures are recently increased, studies of environmental and health impacts throughout the life cycle of PM are of crucial sanitary concern. The PhD aims first to study metal(loid)s present in the PM: their transfer kinetic and mechanism of phytoavailability, phytotoxicity, and human health risks-ingestion bioaccessibility. Then, through the case of vegetable gardens near an incinerator and a highway in China, a socio-scientific study was performed in order to give suggestions for sustainable environmental and health risk management for these sites. Vegetables can significantly accumulate metal(loid)s by foliar uptake when PM directly enter into leaves through stomata apertures. Ultrafine PbO and nano-CuO particles caused serious phytotoxicity (reduced biomass and gaseous exchange, and necrosis) after interaction with leaf surface. Phytotoxicity of metal(loid)s is not simply governed by their total concentration, but also depended on the potential bio-transformation. Electron paramagnetic resonance (EPR) analysis clearly evidenced copper speciation change in leaf tissues. Moreover, a significant influence of the nature of metal, plant species and the exposure pathways (foliar/root) on gastro-bioaccessibility of metal(loid)s had been demonstrated. For a social-scientific study near waste incinerator and roadside, we found that atmosphere PM fallouts can induce significant metal foliar uptake in addition to soil-plant transfer. The relatively high human bioaccessibility of metal (60-79%) was measured, suggesting a potential health risk in the case of regular consumption of polluted vegetables. Vegetable gardens present a low (waste incinerator) or moderate (highway) health risk with respect to human consumption quantity of the investigated vegetables, but exposure to different organic pollutants in addition to metals is often possible. Our studies highlight the importance of taking atmosphere and soil quality into account for estimating the quality of consumed plants grown in anthropic areas (farms and kitchen gardens), and for sustainable management of urban agricultures.