Écotoxicité de nanoparticules de graphène fonctionnalisées sur des biofilms d'eau douce - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Ecotoxicity of functionalized graphene nanoparticles on freshwater biofilms

Écotoxicité de nanoparticules de graphène fonctionnalisées sur des biofilms d'eau douce

Paul Braylé
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1365262
  • IdRef : 255004788

Résumé

The growing use of carbon nanoparticles in recent years has raised many questions about their release into the environment and their potential effects on ecosystems. In this work, the impacts of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) nanoparticles on a mixed freshwater biofilm, composed of a bacterial consortium accompanied by the diatom Nitzschia palea, were assessed. An analysis of the bacterial community composition highlighted the ability of the nanoparticles to deviate the temporal dynamics of the biofilm-forming community. The effect of these nanomaterials on microbial diversity was accompanied by functional changes, particularly in the heterotrophic activity of the community. Growth of the diatom Nitzschia palea was enhanced in the presence of GO and rGO. These original results led to further research into the mechanisms behind the positive effects of GO and rGO on diatom growth in pure culture. When cells are exposed to these nanoparticles, only GO significantly improves the growth parameters of N. palea. The results also show changes in the physiology of these cells. The absence of effect observed in the presence of rGO highlights the importance of oxygen groups present on the graphene surface in inducing cell growth. Thus, the response of N. palea to the presence of GO results in (i) an increase in its chlorophyll pigment content and (ii) the sticking of GO to the biofilm formed by the diatom by producing extracellular polymeric substances (EPS). This bonding process purifies the water column and eliminates any effect on the photosynthetic activity. The GO has subsequently been shown to increase the diatom's heterotrophic activity. EPS, which provide a physical barrier while increasing the proximity of the diatom to the nanoparticles, would be the carbon source enabling this activity. Biofilm-GO proximity led to an increase in defects and a reduction in GO, as revealed by RAMAN spectroscopy. The processes linking GO modification to increased photosynthetic potential, heterotrophy and growth rate in this species remain to be elucidated. This work highlights the ability of graphene nanoparticles to modulate freshwater biofilms at different levels of environmental complexity. It also reveals the ability of Nitzschia palea to adapt to exposure to functionalized graphene nanoparticles. With vital roles in watercourses, disruption of biofilms and their role in the carbon cycle could have more far-reaching consequences at ecosystem level.
L’usage croissant des nanoparticules de carbone au cours de ces derniers années suscite de plus en plus de questions sur leurs rejets dans l’environnement et leurs potentiels effets sur les écosystèmes. Au cours de ces travaux, les impacts de nanoparticules de graphène oxydé (GO) et de graphène oxydé réduit (rGO) sur un biofilm mixte d’eau douce, composé d’un consortium bactérien accompagné de la diatomée Nitzschia palea, ont été évalués. Une analyse de la composition de la communauté bactérienne a permis de mettre en évidence la capacité des nanoparticules à dévier la dynamique temporelle de la communauté formant le biofilm. L’effet de ces nanomatériaux sur la diversité microbienne s’est accompagné de modifications fonctionnelles, en particulier de l’activité hétérotrophique de la communauté. La diatomée Nitzschia palea quant à elle, voit sa croissance améliorée en présence du GO et du rGO. Ces résultats originaux ont conduit dans la suite des travaux de recherche à essayer de comprendre les mécanismes à l’origine des effets positifs du GO et rGO sur la croissance de la diatomée en culture pure. Lorsque les cellules sont exposées avec ces nanoparticules, seul le GO améliore significativement les paramètres de croissance de N. palea. Les résultats montrent aussi des changements dans la physiologie de ces cellules. L’absence d’effet observé en présence de rGO met en évidence l’importance des groupements oxygénés présents à la surface du graphène dans l’induction de la croissance cellulaire. Ainsi, la réponse de N. palea à la présence du GO se traduit par (i) l’augmentation de son contenu en pigments chlorophylliens et (ii) le collage du GO dans le biofilm formé par la diatomée en produisant des substances polymériques extracellulaires (EPS). Ce collage permet d’épurer la colonne d’eau et d’écarter tout effet pouvant impacter le système photosynthétique. Il a par la suite été démontré que le GO avait la capacité d’augmenter l’activité hétérotrophique de la diatomée. Les EPS, qui fournissent une barrière physique, tout en augmentant la proximité de la diatomée avec les nanoparticules, seraient la source de carbone permettant cette activité. La proximité biofilm-GO a abouti à l’augmentation de défauts et à une réduction du GO, mises en évidence par spectroscopie RAMAN. Les processus liant la modification du GO à l’augmentation du potentiel photosynthétique, de l’hétérotrophie et du taux de croissance chez cette espèce restent à élucider. Ces travaux mettent en évidence la capacité des nanoparticules de graphène à moduler les biofilms d’eaux douces à différents niveaux de complexité environnementale. Ils révèlent aussi la capacité d’adaptation ponctuelle de Nitzschia palea face à une exposition à des nanoparticules de graphène fonctionnalisées. Ayant des rôles vitaux dans les cours d’eaux, la perturbation des biofilms et de leur rôle dans le cycle du carbone pourrait avoir des conséquences plus importantes au niveau des écosystèmes.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04511519 , version 1 (19-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04511519 , version 1

Citer

Paul Braylé. Écotoxicité de nanoparticules de graphène fonctionnalisées sur des biofilms d'eau douce. Sciences agricoles. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2023. Français. ⟨NNT : 2023INPT0110⟩. ⟨tel-04511519⟩
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