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

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

La pollution croissante des milieux aquatiques nécessite la mise au point de nouvelles technologies permettant d'optimiser la surveillance de la qualité de l'eau. Dans ce contexte, nous avons développé un biomarqueur de susceptibilité du degré de la pollution globale des milieux aquatiques intitulé " Sentinelle ". Le principe du biomarqueur Sentinelle est basé sur le niveau de coexpression de deux protéines " Multidrug Resistance " (MDR), la protéine ABCG2-like et la P-gp, dans les érythrocytes de la truite Salmo trutta fario. Le biomarqueur sentinelle a été validé en conditions in vitro grâce au développement des cultures primaires d'érythrocytes de truite. Après l'exposition des globules rouges de truites à des concentrations croissantes d'un polluant modèle, le Benzo-a-pyrène, l'expression de la protéine ABCG2-like et de la P-gp augmente d'une manière dose dépendante. Le biomarqueur Sentinelle a ensuite été validé en milieu naturel sur des truites fario en provenance de différents cours d'eau d'Auvergne. En milieu naturel, les deux protéines MDR sont exprimées différemment dans les érythrocytes de truites fario selon le degré de contamination du cours d'eau. En effet, dans une rivière où la pollution est faible voire nulle, seule la protéine ABCG2-like est exprimée, alors que dans une rivière présentant une contamination plus importante, la P-gp et l'ABCG2-like sont toutes les deux coexprimées par une réponse de type relais. Les expériences menées en conditions in vitro et en milieu naturel, laissent supposer que la protéine ABCG2-like assure une fonction de garde alors que la P-gp assurerait une fonction de protection défensive. En conséquence, selon le niveau d'expression de la protéine de garde et de la protéine de défense, le degré de contamination de la rivière pourrait être évalué. L'intérêt de l'utilisation du biomarqueur Sentinelle a aussi été validé sur des Salmonidés en provenance de pisciculture. Ce nouvel outil biologique apporte des informations plus intégratives et plus précoces sur la qualité des milieux aquatiques, informations essentielles pour une meilleure gestion des ressources en eau.

La pollution croissante des milieux aquatiques nécessite la mise au point de nouvelles technologies permettant d’optimiser la surveillance de la qualité de l’eau. Dans ce contexte, nous avons développé un biomarqueur de susceptibilité du degré de la pollution globale des milieux aquatiques intitulé « Sentinelle ». Le principe du biomarqueur Sentinelle est basé sur le niveau de coexpression de deux protéines « Multidrug Resistance » (MDR), la protéine ABCG2-like et la P-gp, dans les érythrocytes de la truite Salmo trutta fario. Le biomarqueur sentinelle a été validé en conditions in vitro grâce au développement des cultures primaires d’érythrocytes de truite. Après l’exposition des globules rouges de truites à des concentrations croissantes d’un polluant modèle, le Benzo-a-pyrène, l’expression de la protéine ABCG2-like et de la P-gp augmente d’une manière dose dépendante. Le biomarqueur Sentinelle a ensuite été validé en milieu naturel sur des truites fario en provenance de différents cours d’eau d’Auvergne. En milieu naturel, les deux protéines MDR sont exprimées différemment dans les érythrocytes de truites fario selon le degré de contamination du cours d’eau. En effet, dans une rivière où la pollution est faible voire nulle, seule la protéine ABCG2-like est exprimée, alors que dans une rivière présentant une contamination plus importante, la P-gp et l’ABCG2-like sont toutes les deux coexprimées par une réponse de type relais. Les expériences menées en conditions in vitro et en milieu naturel, laissent supposer que la protéine ABCG2-like assure une fonction de garde alors que la P-gp assurerait une fonction de protection défensive. En conséquence, selon le niveau d’expression de la protéine de garde et de la protéine de défense, le degré de contamination de la rivière pourrait être évalué. L’intérêt de l’utilisation du biomarqueur Sentinelle a aussi été validé sur des Salmonidés en provenance de pisciculture. Ce nouvel outil biologique apporte des informations plus intégratives et plus précoces sur la qualité des milieux aquatiques, informations essentielles pour une meilleure gestion des ressources en eau. / Increasing aquatic pollution requires the development of new technologies for to optimize the monitoring of water quality. In this context, we have developed a “biomarker of susceptibility” designating the degree of global pollution in aquatic medium, entitled "Sentinel". The Sentinel biomarker is based on the co-expression level of two major "Multidrug resistance" (MDR) proteins, such as ABCG2-like protein and P-gp, in erythrocytes of brown trout’s in response to aquatic pollution. After developing a primary erythrocyte culture, the Sentinel biomarker was validated in a controlled medium. Trout erythrocytes exposure to increasing concentrations of Benzo-a-pyrene, a model pollutant, induced an increase expression of ABCG2-like protein and P-gp by a dose-dependent response. The Sentinel biomarker was then developed in a natural environment, using the erythrocytes of brown trout collected from the various rivers located in the Auvergne region of France. In the natural environment, both MDR proteins are differentially expressed in the erythrocytes of brown trout depending on the degree of contamination of rivers. Indeed, wild brown trout erythrocytes in an uncontaminated river, expressed only the ABCG2-like protein, whereas, in a river presenting a higher contamination, P-gp and ABCG2-like were both coexpressed with a relay response. Experiments in vitro conditions and natural environment, suggest that ABCG2-like protein acts as a vanguard protective protein, in complement to P-gp which acts as a “defensive” protective protein. Consequently, according to the expression level of the vanguard and defense proteins, the degree of contamination of the river could be evaluated. The use advantage of the Sentinel biomarker has also been validated on Salmonidae erythrocytes form farmed fish. This new tool provides biological information more early and integrative on the quality of aquatic environments. These informations are essential for better management of water resources.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à la caractérisation de matériaux à base d'argiles naturelles en provenance d'Algérie et de Tunisie, pouvant être utilisés en tant que catalyseurs dans l'oxydation de polluants organiques par les réactions Fenton et photo-Fenton. Nous avons également optimisé les paramètres réactionnels (quantité de catalyseur, concentration en polluant...) dans le but d'améliorer les performances catalytiques de ces derniers. En effet, l'oxydation de polluants organiques récalcitrants par des réactions de type Fenton est considérée comme l'une des techniques les plus performantes parmi les procédés d'oxydation avancée (POA). Elle permet d'aboutir dans certains cas au stade ultime de l'oxydation qui est la minéralisation (transformation en CO₂ et H₂O). La caractérisation des argiles à l'état brut par différentes techniques physico-chimiques montre qu'en plus des matériaux argileux, il existe quelques oxydes métalliques dans toutes les argiles étudiées, avec des proportions plus ou moins variées. En particulier, la smectite a montré une contenance assez importante en fer. Les argiles synthétisés montrent une très bonne performance catalytique en un minimum de temps (2 heures de réaction). Le catalyseur à base de smectite calciné à 450°C et tamisé donne le meilleur rendement catalytique. Cette activité peut être expliquée par la forte teneur en fer ainsi qu'à la combinaison entre le choix de la taille des particules et la température de calcination de la smectite. La caractérisation de ce catalyseur a montré que ce matériau mésoporeux contenait une quantité de fer (III) stabilisée dans la structure par le fait de la calcination. / In this study, we are interested to the synthesis and charaterization of materials based on natural clays from Algeria and Tunisia, usable as catalysts in the oxidation of organic pollutants by the Fenton's and photo-Fenton's reaction. We have also optimized the reaction parameters (amount of catalyst, concentration of pollutant...) in order to improve the catalytic performance of these catalysts. Indeed, the oxidation of recalcitrant organic pollutants by Fenton-type reactions is regarded as one of the most effective method amongst the advanced oxidation process (AOPs). It can lead in some cases to the total mineralization of pollutants (conversion into CO₂ and H₂O). The caracterization of the raw clays various physicochemical methods shows that, in addiction to clay minerals, there are some metallic oxides in all studied clays, with varied proportions. Especially, smectite showed a fairly significant iron capacity. The synthesized clays show a good catalytic performance in minimum of time (2 hours of reaction). The smectite catalyst, sieved and calcined at 450°C gives the best performance. This activity can be explained by the high content of iron as well as the combination of the choice of particle size and the calcination temperature of the smectite. The caracterization of this catalyst, showed that this mesoporous material contains an amount of iron (III) stabilized in the structure by the fact of calcination.

Ce sujet de recherche vise mieux comprendre les processus de bio remédiation qui participent à la réduction des charges en polluants dans les écosystèmes aquatiques du type zones humides, en tant que question d'actualité en ingénierie écologique. L'efficacité des processus de phytoremédiation a été largement démontrée par des applications individuelles sur le sol et les sédiments. Cette thèse a pour objectif de démontrer la participation d'une population d'invertébrés dans l'efficacité de la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Les hypotheses de recherche ont été testée expérimentalement en conditions de laboratoire à l'aide d'une série de microcosmes reproduisant chacun une portion d'interface eau/ sédiments similaire aux conditions en zones humides. Dans nos expériences, la bioturbation est réalisée par une population d'oligochètes Tubificidae bien connue comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à extraire les polluants organiques et inorganiques des sédiments par l'accumulation dans leur biomasse. L'influence de cette biodiversité sur les flux et bilan de masse de polluants modèles, a été démontré à l'aide de 2 expériences de laboratoire mettant en oeuvre des séries de microcosmes contaminées avec du Cadmium en tant que métal trace avec une concentration initiale de 20 µg.L-1, dans l'eau surnageante, et de l'atrazine marquée avec une concentration de 5 µg.g-1 de sédiment frais en tant que micropolluant organique persistant et herbicide. Les résultats de ces expériences démontrent que le bio-transport créé par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actifs en présence de contamination ce qui confirme le potentiel de dévelopement de ces organismes en ingénierie écologique. La bioadvection du sédiment et des contaminants par les tubificidae est quantifiée grâce à l'utilisation de luminophores (traceurs particulaires). [...] / The development of efficient bioremediation techniques to reduce pollutant loads in aquatic ecosystems is a challenging research question for ecological engineering. The accuracy of phytoremediation processes has been primarily demonstrated by individual applications on soils or water sediments. The present Ph.D. aims to demonstrate the interest of additional bioturbation combined to phytoremediation processes for the improvement bioremediation efficiency of aquatic sediments. This strategy benefits are tested experimentally in controlled laboratory conditions with a serie of microcosms reproducing each a portion of water/sediment interface such as in wetland areas. In our experiments, bioturbation was carried out by a conveyor-belt invertebrate population, the tubificidae oligochaetes Tubifex tubifex, well known as an active ecological engineer. The phytoremediation was conducted by the riparian plant Typha latifolia known for its ability to remove organic and inorganic pollutants from sediments by accumulation into its biomass. The experiments were managed to demonstrate the effects of this biological influence (plant and inveterbrate) on the mass balances and fluxes of one metal and one pesticide as models of pollutants. Cadmium as a heavy, inorganic and conservative metal pollutant was introduced as a pulse input in the overlying water of the contaminated microcosms, with a cadmium concentration of 20 µg.L-1 in at the initial time of the experiment that lasted one month. In a second experiment, atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time in order to reach a concentration of 5 µg.g-1 of fresh sediment as a source of organic micropollutant and herbicide in the microcosms. The pesticide was radiolabeled with 14C. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments (+/- plants, +/- bioturbation, +/- pollutants) allowing to demonstrate the effects of the biological influence. Our results indicated that the tubificids and the related bioremediation influences are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. Biotransport due to tubificids changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the water to surface sediment and then to the anoxic underlying sediment surrounding the plant roots. [...]