Spectroscopies infrarouge et Raman de microalgues : étude des interactions avec des micro et nanoparticules - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Infrared and Raman spectroscopy of microalgae : study of interactions with micro and nanoparticles

Spectroscopies infrarouge et Raman de microalgues : étude des interactions avec des micro et nanoparticules

Résumé

In a context of contamination of natural waters by anthropogenic micro and nanoparticles (plastics, metals, oxides...), the study of their interactions with freshwater microalgae, the first link in the trophic chain, is essential. Techniques such as vibrational spectroscopies (Raman and infrared), which allow sensitive and rapid analysis without sample preparation, may be of interest. They have been tested here on the model microalga Chlamydomonas reinhardtii to quickly detect the effects of environmental stresses (light, drop of nutrients and presence of metals). Infrared spectroscopy proved to be a good tool, allowing rapid variation in biochemical composition to be monitored, helping to easily discriminate between the different stresses on the microalgae. This technique was then used to assess the impact of the presence of particulate pollutants (metallic and plastic nanoparticles in particular). The short- and medium-term impact of nanoparticles on freshwater microalgae was characterized in parallel with another known stress (nitrogen nutrient deficiency) in order to compare the different responses. The main results of exposure to nanoparticles show overall the immediate non-toxicity of nanoparticles at the tested concentrations. However, a loss of membrane integrity in contact with polystyrene nanoparticles suggests a stronger interaction of the microalgae studied with nanoplastics than with gold nanoparticles of similar size. Infrared spectra of C. reinhardtii showed a modification of protein and carbohydrate bands following environmental changes. In order to understand the variations observed at the level of carbohydrates, components of the microalgae structure and representing an important and complex part of the infrared spectrum, an in-depth study of this area was carried out by deconvolution of the infrared spectra. In order to better understand the response mechanisms involved, a study of the expression of genes (RT-QPCR) related to stress and carbohydrates production was carried out in parallel with infrared spectroscopy. The results thus obtained showed that polystyrene nanoparticle and C. reinhardtii interactions resulted in a genetic and macromolecular response at the carbohydrate level. Thus, the nanoparticle type effect was confirmed by the expression of the gene linked to the biosynthesis of galactose. Understanding the role of the cell-wall in the interaction with nanoparticles, particularly in case of polymers, was also studied by comparing two strains of C. reinhardtii (with and without cell-wall). Finally, microalgae response as a function of the interaction time with nanoparticles was investigated in order to try to understand whether, in the medium term, the responses presented a temporal variation. In addition, in order to better understand the effect of plastic particles at a higher trophic level, complementary work on the impact of microplastics on daphnia was carried out.
Dans un contexte de contamination des eaux naturelles par des micro et nanoparticules anthropogéniques (plastiques, métaux, oxydes…), l'étude de leurs interactions avec les microalgues d’eau douce, premier maillon de la chaîne trophique, est primordiale. Pour cela, des techniques comme les spectroscopies vibrationnelles (Raman et infrarouge) permettant des analyses sensibles, rapides et sans préparation d’échantillon, peuvent avoir un intérêt. Elles ont ici été testées sur une microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii pour détecter rapidement les effets de stress environnementaux (diminution absence de lumière et nutriment et présence de métaux). La spectroscopie infrarouge s’est révélée être un bon outil, permettant l’obtention rapide de la variation de composition macromoléculaire, aidant à discriminer facilement les différents types de stress subis par la microalgue. Cette technique a ensuite été utilisée pour évaluer les impacts de la présence de polluants particulaires (nanoparticules métalliques et nanoplastiques en particulier). L’impact des nanoparticules à court et moyen termes sur des microalgues d’eau douce a été caractérisé en parallèle avec un autre stress connu (carence en nutriment azoté) afin de comparer les effets des différents types de "stress". Les principaux résultats de l'exposition aux nanoparticules montrent globalement la non-toxicité immédiate des nanoparticules aux concentrations testées. Cependant, une perte d’intégrité membranaire au contact des nanoparticules de polystyrène suggère une plus forte interaction des microalgues étudiées avec les nanoplastiques qu'avec les nanoparticules d’or de tailles proches. Les spectres infrarouges de C. reinhardtii ont montré une modification des bandes des protéines et des polysaccharides suite aux changements d’environnement. Afin de comprendre les variations observées au niveau des polysaccharides, composants de la structure de la microalgue et représentant une part importante et complexe du spectre infrarouge, une étude approfondie de cette zone a été réalisée par déconvolution des spectres infrarouges. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes de réponse impliqués, une étude de l’expression des gènes (RT-QPCR) liés au stress et à la production de polysaccharides a été réalisée en parallèle de la spectroscopie infrarouge. Les résultats ainsi obtenus ont montré que les interactions entre nanoparticules de polystyrène et C. reinhardtii entrainaient une réponse génétique et macromoléculaire au niveau des sucres. Ainsi l’effet « type de nanoparticules » a pu être confirmé notamment par l’expression du gène lié à la biosynthèse du galactose. Dans cette dynamique, la compréhension du rôle de la paroi dans l’interaction avec les nanoparticules, dans le cas des polymères notamment, a été étudiée par la comparaison de deux souches de C. reinhardtii (avec et sans paroi). Enfin, la réponse des microalgues en fonction du temps d’interaction avec les nanoparticules a été étudiée afin de tenter de comprendre si à moyen terme, les effets observés sur les microalgues présentaient une variation temporelle. Par ailleurs, afin de mieux comprendre l’effet des particules de plastiques à un niveau trophique supérieur, des travaux complémentaires sur l’impact de microplastiques sur des daphnies ont été menés.
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  • HAL Id : tel-02928966 , version 1

Citer

Maureen Déniel. Spectroscopies infrarouge et Raman de microalgues : étude des interactions avec des micro et nanoparticules. Biologie moléculaire. Le Mans Université, 2020. Français. ⟨NNT : 2020LEMA1012⟩. ⟨tel-02928966⟩
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