Embed Size (px)
Citation preview
Activités proposées pour
estimer le potentiel de
dégradation microbienne
de la chlordécone (CLD)
UMR-193
Hervé MACARIE
UMR-193
Rappels: Structure et propriétés de la CLD
Mirex
C10Cl12
Chlordécone
C10Cl10O
Lumière
Forte hydrophobicité: Log Kow = 4.5*
Intuitivement
composé difficile
à dégrader
biologiquement
*IUPAC agrochemical database 2008
http://sitem.herts.ac.uk/aeru/iupac/1293.htm
Fort encombrement stérique (10 atomes de Cl)
Structure (« cage ») de bishomocubane
Faible solubilité dans l’eau: 3 mg / L (20°C)*
UMR-193
Crise de Hopewell (USA) en 1975, source
de connaissance sur la dégradation de la CLD
Allied Chemical Corp a reçu une amende de 13 millions de dollar*
*Moti (1977). EPA Develops process to destroy kepone. Environ. Management, 1 (6), 491-493.
**Hugget (1989). Kepone and the James river. In: Contaminated Marine Sediments: assessments and
remediation. National Academic Press, Washington D.C., pp. 417-424.
« Si la kepone s’est dégradée significativement dans la rivière
(James River, Va, USA), cela n’est pas évident même après
des milliers d’analyses chimiques pendant 13 ans »
Hugget (1989)**
8 millions ont été investis dans la recherche*
Cela a stimulé un très gros effort de recherche qui s’est arrêté en 1996
C10Cl10OC10Cl9HOEnrichissement aérobie
acétone + peptone + EL
/ 25°C / agitation / 1 semaine/
dark
(14.5%)
C10Cl8H2O
C10Cl10-OH
(4.2%)
(8.2%)
28%
quantité
Initiale
de CLD
CLD-OH
CLD
C10Cl9HO
C10Cl8H8O
*Ondorff & Colwell (1980). AEM., 39, 398-406.
Première évidence d’une déchloration partielle
quantitative de la CLD par des microorganismes*
UMR-193
La CLD ne peut pas être utilisée comme seule source de carbone et
d’énergie par les microorganismes aérobies. Un cosubstrat est
nécessaire pour que la déchloration ait lieu.
Les microorganismes aérobies peuvent seulement arracher 1 or 2
Cl de la CLD dans des conditions de cométabolisme et sont incapables
d’ouvrir le cycle homocubane.
*Ondorff & Colwell (1980). AEM., 39, 398-406.
« la déchloration limitée observée rend la minéralisation complète
de la kepone improbable en aérobiose »
Ondorff & Colwell (1980)*
« De façon alternative, une interaction de mécanismes aérobies et
anaérobies, comme cela a été observé dans le cas du lindane
pourrait permettre un niveau de dégradation significatif de la
chlordécone par des processus biologiques ou chimiques »
Première évidence d’une déchloration partielle
quantitative de la CLD par des microorganismes*
UMR-193
Toxicité des intermédiaires de transformationn de la CLD
par rapport à elle
D’après les travaux de Soileau et Moreland (1983)* l’évolution de la
toxicité pour les mitochondries de cellules de foie de rat serait la
suivante:
CLD alcool ≥ CLD > 8-monohydro-CLD >> 2,8-dihydro-CLD
**Carver & Griffith (1979). J. Agric. Food Chem. 27, 1035-1037
Des résultats similaires ont été obtenus avec la crevette opossum
(Americamysis bahia, « mysid shrimp » en anglais)**
*Soileau & Moreland (1983). Toxicol. Appl. Pharmacol., 67, 89-99
Cela suggère que même une transformation partielle de la CLD
pourrait avoir des conséquences énormes sur sa toxicité et que
par conséquent une telle transformation pourrait être une solution
sans qu’il soit nécessaire d’atteindre la minéralisation ultime.
UMR-193
La vitamine B12 est1:
Un coenzyme à métal de transition (Co). D’autres coenzymes
de ce type utilise le Fe ou le Ni comme métal de transition.
Les conditions expérimentales étaient2:
Déchloration poussée de la CLD in vitro par la vitamine B12
Très commun chez les tous les êtres vivants dont les procaryotes
Connue pour être impliquée dans une déchloration réductive
(conditions anaérobies) fortuite et non spécifique d’organochlorés (par
ex. les halométhanes)
Différents types de solvant (méthanol, éthanol, dioxane) = source
d’hydrogène
Concentrations catalytiques ou stoechiométriques de la vitamine B12
Différents types d’agents réducteurs (thioglycerol, acétoine, borohydrure
de sodium, etc).
Conditions de réaction: 6 à 12 jours / obscurité / temp. ambiante à 60°C
2Schrauzer & Katz (1978). Bioinorg. Chem., 9, 123-143.
1Mohn & Tiedje (1992). Microbiol. Rev., 56, 482-507.
UMR-193*Schrauzer and Katz (1978). Bioinorg. Chem., 9, 123-143.
C10Cl10O C9Cl8-nHn
(n = 3-5)
En fonction des conditions réactionnelles toute la
CLD est transformée et plus aucun intermédiaire
avec la structure homocubane n’est detecté
C10Cl6H5-OH
C10Cl6H4
Déchloration poussée de la CLD in vitro par la vitamine B12
*Schrauzer and Katz (1978). Bioinorg. Chem., 9, 123-143.
Voie proposée pour la
déchloration réductive de la
CLD et l’ouverture du cycle
bishomocubane*
« Il reste à établir si la
kepone et le mirex subissent
des transformations similaires
dans les environnements
anaérobies naturels.
Toutefois, la déchloration
réductive comme moyen pour
décontaminer les sols
nécessiterait d’être
sérieusement considérée »
Schrauzer and Katz (1978)*
Déchloration poussée de la CLD in vitro par la vitamine B12
UMR-193
M. Thermophila pourrait donc être capable d’ouvrir la structure
bishomocubane comme observé avec la vit. B12, mais cela
nécessite d’être confirmé par l’identification des intermédiaires.
Methanosarcina thermophila transforme en 10 jours 86% de la CLD
initiale en intermédiaires similaires à ceux obtenus avec la vit. B12.
Le facteur III du complexe enzymatique de la CO déshydrogénase
et le facteur F430 semblent être impliqués dans le processus.
Le facteur F430 est présent chez toutes les méthanogènes. Cela signifie
qu’elles devraient toutes avoir la capacité d’attaquer la CLD.
*Jablonski et al. (1996). FEMS Microbiol. Lett., 139, 169-173.
M. Thermophila mais aussi les autres méthanogènes semblent être
particulièrement résistantes à la toxicité de la CLD:
**Kiene and Capone (1984). Marine Environ. Res., 13, 141-160.
- M. thermophila pas de toxicité à 0.79 g CLD/L
- Méthanogènes marines pas de toxicité jusqu’à 100 mg CLD/kg MS
de sédiments d’étangs salés**
Déchloration poussée in vivo de la CLD en condition
méthanogénique et en phase liquide
UMR-193
« Les résultats présentés ici suggèrent que des études
supplémentaires sont justifiées afin de déterminer si les
méthanogènes acétoclastes peuvent être utilisées pour la
rémédiation de sédiments contaminés par la kepone… »
Jablonski et al. 1996
*Jablonski et al. (1996). FEMS Microbiol. Lett., 139, 169-173.
Conclusion sur la déchloration poussée in vivo de la CLD en
condition méthanogénique et en phase liquide
1984, découverte de Desulfomonile tiedjei la première
bactérie capable d’utiliser un organochloré comme
accepteur d’électron & de récupérer de l’énergie du procédé*
3-chlorobenzoate (3-CB)
CH4
CO2
Cl-Quels acteurs ? Quelles étapes?
*Mohn & Tiedje (1992) Microbial. Rev.,
56, 482-507.
Enrichissement à partir de la boue d’un digesteur urbain
CH4
Methanospirillum sp.3-CB benzoate
1 H2
3 acétate
2H2
D. tiedjei
Cl-
Synthrophus sp.
CO2
3H2
ATP
UMR-193
Autres déhalogénateurs connus (composés alkyles & aryles)*
*Smidt & Vos (2004) Ann. Rev. Microbiol., 58, 43-73.
Spectre de substrats utilisés par Desulfomonile tiedjei*
Initialement isolé sur 3-chlorobenzoate
Capable de déhalogéner tous les composés aryles ci-dessous avec une:
Incapable de déhalogéner les mono-chlorophénols.
Capable de déhalogener les poly-chlorophénols (par ex. PCP).
Ensuite reconnu comme:
Capable de déhalogener les composés alkyles (par ex. PCE).
Spécificité de déhalogenation aux positions 2, 3 & 4 du benzène
Conclusions: Les déhalogénateurs connus pourraient utiliser
beaucoup plus d’organochlorés qu’initialement pensé!!!
*Mohn & Tiedje (1992) Microbial. Rev.,
56, 482-507.
Aspects fondamentaux de thermodynamique
- La déchloration de la CLD est elle thermodynamiquement favorable?
- La quantité d’énergie libérée est elle suffisante pour la synthèse d’ATP?
- Quelle est la voie de dégradation énergétiquement la plus favorable?
1.
Activités chronologiques proposées pour estimer le
potentiel de dégradation microbienne de la CLD
UMR-193
Nombre
de Cl
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10
Nombre
isomères
4 16 40 52 60 52 40 16 4 1
Résultats préliminaires de l’étude thermodynamique
- Identification de 285 intermédiaires possibles de déchloration ayant
des énergies libre de Gibbs de formation différentes.
- Estimation de l’énergie libre de Gibbs de formation de 65 d’entres
eux (utilisation du programme gaussian®*, temps de calcul sur une station
de travail = 1,5 jours)
*http://www.gaussian.com/g_prod/1.htm
Dr. Novak
Charles Sturt Univ.
Australia
Dr. Dolfing
Newcastle Univ.
UK
Dr. Archelas
CNRS-ISM2-
UPCAM
France
0 2 4 6 8 10 12-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
∆G° of each CLD dechlorination step
Number of Cl atoms in original compound
∆G° reaction (kJ/mol)
CLD + H2
----> CLD-OH
C10Cl10O + H2
----> C10Cl9H1O
C10Cl1H8O + H2
----> C10H10O
- Il n’y a pas d’empêchement théorique à la déchloration de la CLD et à sa
minéralisation dans diverses conditions rédox (aérobiose à méthanogénèse)
- La quantité d’énergie libérée est suffisante pour la synthèse d’ATP
Résultats préliminaires de l’étude thermodynamique
UMR-193
La dégradation de la CLD n’est-elle pas détectée dans Ies sols
des Antilles françaises parce que:
2.
- Ils ne contiennent pas de déhalogénateurs autochtones?
- Leur activité ne peut s’exprimer à cause de conditions
environnementales inadéquates?
(par exemple: conditions aérobies, sols riches en carbone mais
carbone peu fermentescible et donc inadéquat comme accepteur
d’électrons, etc)?
Activités chronologiques proposées pour estimer le
potentiel de dégradation microbienne de la CLD
UMR-193
- Utilisation de populations de méthanogènes provenant de digesteurs
alimentés avec :
Evaluation de la capacité de consortia méthanogènes naturels non
définis et gratuits à déchlorer la CLD en milieu liquide
3.
• Fraction organique des ordures ménagères**
• Des boues de stations d’épuration
• Des eaux usées industrielles (par ex. vinasses de rhum)*
*Disponible en Guadeloupe & Martinique
**Disponible en Martinique
- Essais réalisés en présence de substances humiques purifiées
(e.g. anthraquinone sulfonate)
- Utilisation de sédiments de mangrove
- Essais réalisés en présence de différents donneurs d’électrons
• H2/CO2, méthanol, acétate, éthanol, saccharose, vinasses de rhum*
Activités chronologiques proposées pour estimer le
potentiel de dégradation microbienne de la CLD
UMR-193
Evaluation de la capacité de cultures pures de bactéries
halorespirantes (BHR) disponibles dans des collections à déchlorer la
CLD en milieu liquide.
- BHR anaérobies: Anaeromyxobacter, Dehaloccocoides, Desulfitobacter, etc
- BHR aérobies utilisant une voie réductive:
4.
• Mycobacterium chlorophenolicum
• Sphingobium chlorophenolicum
La CLD liée aux sols et aux sédiments est-elle accessible aux
microorganismes?
- Essais de déhalogenation sur des sols contaminés avec les populations
et les conditions environnementales précédemment sélectionnées
5.
- Comment augmenter cette disponibilité si nécessaire (lavage du sol avec
des tensioactifs, sélection de microorganismes ayant des cellules de petites
tailles pour favoriser leur pénétration dans la structure poreuse du sol, etc)
Activités chronologiques proposées pour estimer le
potentiel de dégradation microbienne de la CLD
UMR-193
Est ce que des séquences de conditions aérobies et anaérobies sont
favorables pour permettre d’obtenir la minéralisation ultime de la
chlordécone?
6.
Activités chronologiques proposées pour estimer le
potentiel de dégradation microbienne de la CLD
UMR-193
Moyens pratiques de mise en oeuvre des concepts obtenus
au laboratoire pour la biorémédiation des sols
Tentative de rémédiation des sols à l’échelle pilote
• Addition d’une culture mixte non définie de méthanogènes ou culture pure de BHR
• Excavation du sol & construction d’andains ou utilisation de suspensions de sol
• Addition d’un donneur d’électron bon marché et abondant (ex. vinasses de rhum)
- Méthodes ex-situ
• Retrait de la membrane et retournement de l’andain pour l’aérer et accélérer la
minéralisation
• Couverture des andains par une membrane imperméable pour favoriser l’anaérobiose
• Amendement du sol avec:
- Méthodes in-situ (travail du sol au moyen de pratique agricole)
Un donneur d’électron bon marché et abondant (ex. vinasses de rhum)
Culture mixte mon définie de méthanogène ou culture pure de BHR
labourage pour assurer un bon contact des deux éléments avec le sol
• Une fois que la CLD est suffisament déhalogénée, nouveau labourage pour aérer
le sol et accélérer sa minéralisation ultime
UMR-193
Pour obtenir une transformation biologique in situ importante de la
CLD, 4 conditions semblent requises:
- Anaérobiose
Message important à ramener à la maison
- Présence de microorganismes ayant la capacité à déchlorer la CLD
- Accessibilité de la CLD
- Présence d’un donneur d’électron et d’une source de carbone
(qui peuvent être identiques)
28 stations
Mangrove de la presqu’île
de la Caravelle
Mangrove de
la Baie du Robert
Mangrove des Salines
de St Anne
Mangrove de la
Baie des Anglais
Mangrove de la Baie
de Fort de France
et de Génipa
Cartographie de la pollution des mangroves de Martinique
par la CLD
UMR-193
UMR-193
Point de prélèvement
Points de prélèvements dans les mangroves de Guadeloupe
