UNIVERSITE MONTPELLIER
Habilitation à Diriger des Recherches
Spécialité : Sciences de la Terre et de l’Environnement
Implication des microorganismes dans les biotransformations et processus de transfert des métaux et métalloïdes dans les
environnements contaminés par les mines
par
Odile BRUNEEL
Chargée de Recherches à l’IRD HydroSciences Montpellier UMR 5569
Soutenue le 29 mars 2016 devant le jury composé de
Bernard OLLIVIER Directeur de Recherche IRD, UMR 7294, Marseille Rapporteur Philippe NORMAND Directeur de Recherche CNRS UMR 5557, Lyon Rapporteur Pascale BAUDA Professeur Université de Lorraine, UMR 7360, Metz Rapporteure Pascal SIMONET Directeur de Recherche CNRS, UMR 5005, Lyon Examinateur Michel LEBRUN Professeur Université de Montpellier, UMR LSTM Examinateur
Ecole Doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, HydroSciences, Environnement
2 SOMMAIRE
I CURRICULUM VITAE... 3
Diplômes et formation... 3
Parcours professionnel... 3
Responsabilités récentes, animations scientifiques, comités... 4
Collaborations récentes... 4
Evaluation de la recherche... 5
II CONTRATS DE RECHERCHE ET FINANCEMENTS ... 6
III ENCADREMENT D’ETUDIANTS ET ENSEIGNEMENT…... 8
Encadrement d’étudiants... 8
Activité d’enseignement... 9
IV PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS... 10
Synthèse de la production scientifique... 10
Publications... 11
Communications, conférences et poster... 14
V ACTIVITE DE RECHERCHE…...15
Préambule ... 15
Travaux antérieurs ... 19
Travaux actuels... 47
VI PROJET DE RECHERCHE ... 55
VII REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES……….…... 60
VIII ANNEXES : SELECTION DE 5 PUBLICATIONS……….……... 67
3
I CURRICULUM VITAE
Odile BRUNEEL
IRD-CR1 Née le 1er avril 1973
odile.bruneel@ird.fr Mariée, un enfant
Affectation actuelle :
En expatriation depuis février 2012 au Laboratoire de Microbiologie et Biologie Moléculaire Université Mohammed V, Faculté des Sciences, Av Ibn Batouta BP1014
Rabat, Maroc
Laboratoire HydroSciences Montpellier, UMR5569 (CNRS/IRD/UM) Université de Montpellier, CC0057 (MSE), 163 rue Auguste Broussonet 34090 Montpellier, France
Domaine de recherche :
Implication des microorganismes dans les biotransformations et processus de transfert des métaux et métalloïdes dans les environnements contaminés par les mines
DIPLOMES ET FORMATIONS
• 2004 : Doctorat en Sciences de l’eau dans l’Environnement Continental, Ecole Doctorale Sciences de la Terre et de l’Eau. Laboratoire HydroSciences Montpellier. Université Montpellier II
• 2001 : DESS Diagnostic, Prévention et Traitements en Environnement, Faculté Libre des Sciences de Lille, Mention Bien
• 1997 : DEA de Biologie, option Biologie des Protistes de Clermont-Ferrand I et II
PARCOURS PROFESSIONNEL Recherche
• Février 2012 - aujourd’hui : en affectation au sein du Laboratoire de Microbiologie et Biologie Moléculaire, Faculté des Sciences, Université Mohammed V, Rabat, Maroc
• Depuis Octobre 2008: Chargée de Recherches 1ère classe à l’IRD
• Octobre 2004 - aujourd’hui : Chargée de Recherches à l’IRD au sein du Laboratoire HydroSciences Montpellier (UMR 5569, CNRS-Université Montpellier-IRD)
• 2001-2004 : Recherche en géomicrobiologie à l’Université Montpellier II dans le cadre de ma thèse. Laboratoire HydroSciences Montpellier, UMR 5569
4 Activités salariées
• 1999-2000 : Professeur des écoles en CE2 à Djibouti (Afrique de l’Est) dans le cadre d’une coopération civile d’aide au développement
RESPONSABILITES RECENTES, ANIMATIONS SCIENTIFIQUES, COMITES
• Représentante par Intérim de l’IRD au Maroc (août 2014-aujourd’hui)
• Membre du comité de pilotage du réseau SICMED Mistrals « Activités minières dans le bassin méditerranéen – Interactions contaminants métalliques / écosystèmes − Interfaces avec la santé, l’environnement »
• Membre élue depuis 2012 de la commission scientifique sectorielle n°1 (CSS1, Sciences physiques et chimiques de l’environnement planétaire) de l’IRD
COLLABORATIONS RECENTES
Instituto de Biologıa Molecular y Biotecnologıa (Volga Iñiguez), Facultad de Ciencias Puras, Universidad Mayor de San Andres, C. 27 Campus Universitario Cota Cota, La Paz, Bolivie (laboratoire soutenus par le DSF de l'IRD dans le cadre du programme "jeunes équipes")
Laboratoire de Microbiologie et Biologie Moléculaire (LMBM, L. Sbabou, J. Aurag et A.
Filali-Maltouf), Faculté des Sciences, Université Mohamed V, Rabat, Maroc
Laboratoire de Physiologie et Biotechnologie Végétale (LPBV, A. Smouni, M. Fahr), Faculté des Sciences, Université Mohamed V, Rabat, Maroc
Equipe de recherche E2G, (R. Hakkou) Département des Sciences de la terre, Faculté des Sciences et Techniques de Guéliz, Université de Cadi Ayyad, Avenue Abdelkarim Elkhattabi, Gueliz, P.O. Box 549, Marrakech, Maroc
Laboratoire Géoexplorations et Géotechniques (A. Ddekayir), Département de Géologie, Faculté des Sciences, BP. 11201, Zitoune, Meknès, Maroc
Institut de Minéralogie et de Physique des milieux Condensés (IMPMC, G. Morin), UMR CNRS 7590, UPMC, 4 Place Jussieu, 75252 Paris, France
Laboratoire AMPERE (E. Navarro), UMR CNRS 5005, Ecole Centrale de Lyon, Université de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully, France et Laboratoire des Symbioses Tropicales et Méditerranéennes, LSTM, UMR 113, TA A-82/J Campus de Baillarguet, 34398 Montpellier, France
Laboratoire Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (BPMP, Patrick Doumas), 2, place Pierre Viala, 34060 Montpellier, France
Equipe Environnement et Microbiologie (EEM, R. Duran, B. Lauga), UMR 5254 IPREM- EEM, Pau, France
Laboratoire de Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie (GMGM, P. Bertin, F.
Ploetze), UMR 7156, Univ Louis Pasteur–CNRS, Strasbourg, France
5 EVALUATION DE LA RECHERCHE
Participaption à un jury de thèse L. Giloteaux en décembre 2009
Participation à différents jurys de Licence, M1 et M2 tous les ans depuis 2005
Evaluations pour les journaux:
FEMS Microbiology Ecology, Microbial Ecology, Extremophiles, Environmental Science and Pollution Research, Geomicrobioloy Journal, Journal of Applied Microbiology, PLOS ONE
Evaluations de projets :
ANR (Blanc, JC), Ec2co (Microbiologie environnementale), FRB (Fondation pour la recherche sur la biodiversité
6
II CONTRATS DE RECHERCHE ET FINANCEMENT
Contrats de recherches nationaux et internationaux
• 2003-2005. Projet labélisé RITEAU (Ministère de l’Industrie, 677 k€). As5 : Mise au point d’un procédé biologique de potabilisation des eaux arséniées. Partenaires : IRH Environnement, BEFS-PEC, LMCP UMR 7590 (G. Morin).
• 2004-2006. Projet ECODYN (AC, FNS, ECCO, 30 k€). « Processus de transfert et écotoxicité de l’arsenic et des métaux associés dans un hydrosystème en aval d’un drainage minier. Contrôles physico-chimiques et microbiologiques ». Partenaires : UMR 7590-CNRS- Universités Paris 6 et 7-IPG (G. Morin), LCABIE, UMR 5034, CNRS Université de Pau (O.
Donard), LEM, Université de Pau (R. Durand), CB UPR 9043, Marseille (V. Bonnefoy), INERIS (J-M. Porcher), BRGM (M. Motelica), ECOLAG, UMR 5119 CNRS (C. Aliaume)
• 2004-2006. Projet PICS CNRS (21 k€), Université de Huelva, Espagne). « Signature de l’activité bactérienne dans les précipités riches en fer des drainages miniers acides ».
Partenaires: Departamento de Geologia, Universidad de Huelva, Espagne (JM. Nieto)
• 2006-2007. PAI Protea (Ministères des Affaires Etrangères et de l’Education Nationale, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche, 10 k€) avec l’Afrique du Sud.
« Metal and metalloid biotransformations in South African acid mine drainage systems”.
Partenaires : Department of Biotechnology (D. Cowan), Department of Chemistry (L. Petrik) University of Western Cape, Capetown, Afrique du Sud
• 2006-2008. Projet EC2CO-3BIO (INSU, CNRS, 40 k€) « Biologie, biominéraux et biotransformations dans les eaux acides minières ». Partenaires : IMPMC, UMR CNRS7590, Paris (G. Morin), IPREM, UMR 5254, CNRS- Université de Pau (R. Duran)
• 2007-2008. Coordinatrice pour HSM du P2R Safe-Water (Afrique du Sud, 15 k€).
« Study of the metal and metalloid biotransformations in South African acid mine drainage”.
Partenaires : Department of Biotechnology (D. Cowan), Department of Chemistry (L. Petrik) University of Western Cape, Capetown, Afrique du Sud
• 2007-2009. Coordinatrice du projet EC2CO-MicroBien (INSU CNRS, 90 k€)
« Impact des microorganismes sur les transformations des métaux et métalloïdes dans des drainages miniers riches en sélénium ». Partenaires : IMPMC, UMR CNRS 7590, Paris (G.
Morin), IPREM, UMR 5254, Pau (R. Duran)
• 2007-2010. Projet ANR RARE, programme blanc (Agence Nationale pour la Recherche, 166 k€) « Reactivity of an arsenic-rich ecosystem: an integrated genomics approach ». Partenaires : GMGM, UMR 7156 de Strasbourg (P. Bertin) ; IMPMC, UMR 7590, Paris (G. Morin) ; IPREM, UMR 5254, Pau (R. Duran)
• Depuis 2009- aujourd’hui. OSU OREME (INSU, INEE, 12 k€/an). Tâche d’Observation 1 (TO1, environ 10 k€/ans) « Suivi des processus hydrobiogéochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières sur le site de Carnoulès ».
Labelisée par l’OSU OREME (http://www.oreme.univ-montp2.fr/spip.php?rubrique41).
Système d’Observation Pollution et adaptabilité biologique en aval des anciens sites miniers
• 2009-2011. Bourse de thèse présidente environnée de l’UM2 (Université Montpellier II, 30 k€, A. Volant). « Etude des processus microbiens et géochimiques de mobilisation et de piégeage des éléments métalliques issus des activités minières ».
• 2010-2011. Projet FRB MIGR’AMD (Fondation pour la Recherche sur la Biodiversité, 40 k€). « Microbial biogeography of acid mine drainage: a study of genetic
7 diversity and species diversity from an evolutionary perspective ». Partenaires : IPREM, UMR 5254, Pau (B. Lauga). Responsable du projet pour HSM
• 2011-2012. Projet Ec2co Microbien. (INSU CNRS, 38 k€) « Rôle des bactéries du genre Thiomonas dans les transformations de polluants métalliques au sein d’écosystèmes miniers ». Partenaires : GMGM, UMR 7156, Strasbourg (F. Ploetze) et LSMBO, UMR 7509, Strasbourg (C. Carapito). Responsable du projet pour HSM
• 2011-2013. Projet MISTRALS (INSU CNRS). Mediterranean integrated studies at regional and local scales. Aide au montage d’un réseau sur les activités minières dans le bassin méditerranéen – Interactions contaminants métalliques / écosystèmes - interfaces avec la santé, l’environnement et la société (Coordinateur : P. Doumas, UMR BPMP Montpellier).
Membre du comité de pilotage
• 2012-2013. Coordinatrice du Projet Ec2co ECODYN/MICROBIEN (INSU CNRS, 60 k€). « Etude des interactions plantes-microorganismes dans un contexte de réhabilitation de sites miniers au Maroc: mécanismes adaptatifs et effets sur le devenir des polluants métalliques ». Partenaires : LMBM, Rabat (L. Sbabou, J. Aurag, A. Filali-Maltouf) ; LPBV, Rabat (A. Smouni, M. Fahr) ; AMPERE, Lyon-LSTM, Montpellier (E. Navarro) ; UMR BPMP, (P. Doumas) ;
• 2012-2014. Projet de coopération CNRS-CNRST avec le Maroc (CNRS, 4 k€).
« Dynamique des métaux et métalloïdes et processus biogéochimiques mis en jeu dans les lacs de carrière du district minier de Zeïda (Maroc) ». Partenaire : Laboratoire d'Ingénierie Géologique de Meknes (A. Dekayir)
• 2014-2017. Projet ANR ECO-TS IngECOST-DMA (ANR, Programme Eco- technologies & Eco-Services, 850 k€). « Ingénierie écologique appliquée à la gestion intégrée de stériles et drainages miniers acides riches en arsenic ». Partenaires : BRGM, Orléans (F.
Battaglia-Brunet, C. Joulian) ; IMPMC, UMR 7590, Paris (G. Morin) ; Sol Environnement, Nanterre (A. Esnault) ; IRH, Gennevilliers (G. Grapin)
8 III ENCADREMENT D’ETUDIANTS ET ENSEIGNEMENT
ENCADREMENT D’ETUDIANTS Licence et IUT
• Julie Mougeot (2008) 2ème année DUT Génie Biologique option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Sandrine Gavalda (2009) 2ème année DUT Génie Biologique option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Cédric Bocquet (2009) 1ère année BTS Analyses Biologiques et Biotechnologie.
Castelnaudary
• Blandine Luce (2009-2010, 19 oct au 19 fév). Licence professionnalisante Géosciences, Traitement et Prévention des Pollutions 5GTPT). UM2, Montpellier
• Aurélia Aidi (2010) 2ème année DUT Génie Biologique option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Coencadrement L. Rubini (2011) 2ème année DUT Génie Biologique, option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Co-encadrement M. Dufour (2012) 2ème année DUT Génie Biologique, option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Co-encadrement L. Causse (2013) 2ème année DUT Génie Biologique, option Analyses Biologiques et Biochimiques. UM2, Montpellier
• Encadrement Keltoum Ouassal (2013) Licence en Sciences de la Vie, module PFE. Faculté des sciences. Université Mohammed V, Rabat, Maroc
Masters
• Noémie Pascault (2006) Master 2 BGAE (Biologie, Géologie, Agroressources et Environnement). Spécialité BIMP (Biodiversité et Interactions Microbiennes et Parasitaires), parcours SM (Systèmes Microbiens). UM2, Montpellier
Publication : Bruneel et al., 2008. Archaeal diversity in a Fe-As rich acid mine drainage at Carnoulès (France). Extremophiles. 12, 563-571
• Amélie Bardil (2007) Master 1 BGAE TEE, R2E (Terre, Eau et Environnement/Recherches en Eau). UM2, Montpellier
• Amélie Bardil (2008) Master 2 BGAE, TEE, R2E (Terre, Eau et Environnement/Recherches en Eau). UM2, Montpellier
Publication : Bruneel et al., 2011. Characterization of the active bacterial community involved in natural attenuation processes in arsenic-rich creek sediments. Microbial Ecology. 61, 793-810
• Anouk Favri (2008) Master 2 Pro Gestion des Ressources en Eaux. Parcours dans le cadre de la formation permanente. UM2, Montpellier
• Camila Cordier (2010) Master 2 BGAE. Spécialité BIMP (Biodiversité et Interactions Microbiennes et Parasitaires), parcours SM (Systèmes Microbiens), UM2, Montpellier
• Encadrement d’une étudiante chilienne, V. Verdejo Parada (2011) Master 1. Mention BGAE, spécialité BIMP, UM2, Montpellier
• Encadrement Ikram Dahmani (2013) Master 2 BIOGECO (Biodiversité, Gestion et Conservation). Faculté des sciences, Université Mohammed V, Rabat, Maroc
• Coencadrement Najoua Mghazli. 2015. Master 2 Production Végétale. Faculté des sciences, Université Mohammed V, Rabat, Maroc
9 Thèses
• Co-encadrement, pour la partie microbiologie, de la thèse de Doctorat d’Ingénieur du CNRS de Marion Egal (2005-2008). Directrice de thèse : F. Elbaz Poulichet (DR CNRS chimiste à HSM). Encadrement par C. Casiot. Encadrement personnel effectif : 5%
• Co-encadrement de thèse d’Aurélie Volant (2009-2012) soutenue le 12/12/12. Ecole Doctorale SIBAGHE. Directeurs thèse : F. Elbaz Poulichet (DR CNRS chimiste, HSM) et P.
Bertin (Professeur au laboratoire GMGM, Strasbourg). Encadrement personnel effectif: 90%
Publications : Bruneel et al. (2011) Characterization of the active bacterial community involved in natural attenuation processes in arsenic-rich creek sediments. Microbial Ecology. 61, 793-810
Volant et al. (2012) Archaeal diversity: temporal variation in the arsenic-rich creek sediments of Carnoulès Mine, France. Extremophiles. 16, 645-657
Volant et al. (2014) Diversity and spatiotemporal dynamics of bacterial communities: physicochemical and others drivers along an acid mine drainage. FEMS Microbiology Ecology. 90, 247-263
• Co-encadrement thèse Ikram Dahmani. Décembre 2013. Faculté des sciences. Université Mohammed V, Rabat, Maroc. Directeur de thèse : J. Aurag (LMBM, Rabat), co-encadrement avec L. Sbabou (LMBM, Rabat) et E. Navarro (AMPERE, Lyon - LSTM, Montpellier).
Encadrement personnel effectif : 60%
ACTIVITES D’ENSEIGNEMENT
Université de Pau et des Pays de l’Adour ; Master 2. Module écologie moléculaire bactérienne. (3 heures/an, de 2004-2006)
Université Montpellier 2 ; DEA SEEC – Etude du rôle des microorganismes dans le transfert de la pollution minière (2 heures/an, 2005-2008)
Université Montpellier 2 ; M2R Fenec, L3Pro GPTP. Sortie terrain sur l’ancien site minier de Carnoulès (Gard) (3 à 9 h/an 2006-2011).
Université Paris VI ; DEA puis M2R Sciences de l’Univers, Ecologie, Environnement – Parcours Hydrologie, Hydrogéologie, Stage terrain et visite de l’ancien site minier de Carnoulès (4 à 8 heures/an, de 2003-2011)
Université Mohamed V de Rabat, Faculté des Sciences, Masters PV & BioGéCo (Module de Microbiologie du sol) (4 à 8 heures/an, 2012-2015)
10
IV PUBLICATION ET COMMUNICATION
SYNTHESE DE LA PRODUCTION SCIENTIFIQUE
Bibliométrie ISI (mai 2015)
Results found 31
Sum of the Times Cited without self-citations 690
Average Citations per Item 26
h-index 17
Journal Nb d’articles IF 2013
The ISME Journal 1 9.267
PLoS Genetics 1 8.167
Environmental Microbiology 1 6.24
Environmental Science and Technology 3 5.481
Water Research 1 5.323
Geochimica et Cosmochimica Acta 2 4.250
Applied and Environmental Microbiology 2 3.952
FEMS Microbiol Ecol 2 3.875
Chemosphère 1 3.499
Vaccine 1 3.485
Chemical Geology 2 3.482
Microbial Ecology 1 3.118
Science of the Total Environment 1 3.163
Environmental Chemistry 1 3.035
Journal of Applied Microbiology 1 2.386
Extremophiles 2 2.174
Applied Geochemistry 2 2.021
Aquatic Geochemistry 1 1.809
Geomicrobiology Journal 1 1.804
Environmental Science: Processes and Impacts. 1
11 PUBLICATIONS
Revues à Comité de lecture dans des revues indexées (ISI & Pubmed)
1. Bruneel O, Personné J-C, Casiot C, Leblanc M, Elbaz-Poulichet F, Mahler BJ, Le Flèche A, Grimont PAD (2003) Mediation of arsenic oxidation by Thiomonas sp. in acid mine drainage (Carnoulès, France). Journal of Applied Microbiology. 95, 492-499
2. Morin G, Juillot F, Casiot C, Bruneel O, Personné J-C, Elbaz-Poulichet F, Leblanc M, Ildefonse P, and Calas G (2003) Bacterial formation of tooeleite and mixed arsenic(III) or arsenic(V)-Iron(III) gels in the Carnoulès acid mine drainage, France. A XANES, XRD, and SEM study. Environmental Science and Technology. 37, 1705-1712
3. Casiot C, Morin G, Juillot F, Bruneel O, Personné JC, Leblanc M, Duquesne K, Bonnefoy V, Elbaz-Poulichet F (2003) Bacterial immobilization and oxidation of arsenic in acid mine drainage (Carnoulès creek, France). Water Research. 37, 2929-2936
4. Duquesne K, Lebrun S, Casiot C, Bruneel O, Personné J-C, Leblanc M, Elbaz-Poulichet F, Morin G, and Bonnefoy V (2003) Immobilization of arsenite and ferric iron by Acidithiobacillus ferrooxidans in acid mine drainage. Applied and Environmental Microbiology. 69, 6165-6173
5. Casiot C, Leblanc M, Bruneel O, Personné J-C, Koffi K, Elbaz-Poulichet F (2003) Geochemical processes controlling the formation of As-rich waters within a tailings impoundment. Aquatic Geochemistry. 9, 273-290
6. Casiot C, Bruneel O, Personné J-C, Leblanc M, Elbaz-Poulichet F (2004) Arsenic oxidation and bioaccumulation by the acidophilic protozoan, Euglena mutabilis, in acid mine drainage (Carnoulès, France). Science of the Total Environment. 320, 259-267
7. Mévelec MN, Bout D, Desolme B, Marchand H, Magne R, Bruneel O, Buzoni-Gatel D (2005) Evaluation of protective effect of DNA vaccination with genes encoding antigens GRA4 and SAG1 associated with GM-CSF plasmid, against acute, chronical and congenital toxoplasmosis in mice. Vaccine. 23, 4489-4499
8. Casiot C, Lebrun S, Morin G, Bruneel O, Personné JC, Elbaz-Poulichet F (2005) Sorption and redox processes controlling arsenic fate and transport in a stream impacted by acid mine drainage. Science of the Total Environment. 347, 122-30
9. Bruneel O, Duran R, Koffi K, Casiot C, Fourçans A, Elbaz-Poulichet F, Personné J-C (2005) Microbial diversity in a pyrite-rich tailings impoundment (Carnoulès, France).
Geomicrobiology Journal. 22, 249 - 257
10. Bruneel O, Duran R, Casiot C, Elbaz-Poulichet F, Personné JC (2006) Diversity of microorganisms in Fe-As-rich acid mine drainage waters of Carnoulès, France. Applied and Environmental Microbiology. 72, 551-556
11. Casiot C, Pedron V, Bruneel O, Duran R, Personné J-C, Grapin G, Drakides C, Elbaz- Poulichet F (2006) A new bacterial strain mediating As oxidation in the Fe-rich biofilm naturally growing in a groundwater Fe treatment pilot units. Chemosphère. 64, 492-496
12. Bruneel O, Pascault N, Egal M, Bancon-Montigny C, Goni M, Elbaz-Poulichet F, Personné J-C, Duran R (2008) Archaeal diversity in a Fe-As rich acid mine drainage at Carnoulès (France). Extremophiles. 12, 563-571
13. Egal M, Elbaz-Poulichet F, Casiot C, Motelica-Heino M, Negrel P, Bruneel O, Nieto JM, Sarmiento AM (2008) Iron isotopes in acid mine waters and iron-rich solids from the Tinto-Odiel Basin (Iberian Pyrite Belt, Southwest Spain). Chemical Geology. 253, 162–171
12 14. Benzerara K, Morin G, Yoon TH, Miot J, Tyliszczak T, Casiot C, Bruneel O, Farges F, and Brown Jr GE (2008) Nanoscale study of As transformations by bacteria in an acid mine drainage system. Geochimica and Cosmochimica Acta. 72, 3949-3963
15. Casiot C, Egal M, Bruneel O, Cordier M-A, Bancon-Montigny C, Gomez E, Aliaume C, Elbaz-Poulichet F (2009) Hydrological and geochemical controls on metals and arsenic in a Mediterranean river contaminated by acid mine drainage (the Amous River, France);
preliminary assessment of impacts on fish (Leuciscus cephalus). Applied Geochemistry. 24, 787-799
16. Egal M, Casiot C, Morin G, Parmentier M, Bruneel O, Lebrun S, Elbaz-Poulichet F (2009) Kinetic control on the formation of tooeleite, schwertmannite and jarosite by Acidithiobacillus ferrooxidans strains in an As(III)-rich acid mine water. Chemical Geology.
265, 432-441
17. Arsène-Ploetze F, Koechler S, Marchal M, Coppee J-Y, Chandler M, Bonnefoy V, Barakat M, Barbe V, Battaglia -Brunet F, Brochier-Armanet C, Bruneel O, G. Bryan C, Cleiss J, Heinrich-Salmeron A, Hommais F, Joulian C, Krin E, Lieutaud A, Lièvremont D, Michel C, Muller D, Ortet P, Proux C, Siguier P, Roche D, Rouy Z, Salvignol G, Slyemi D, Talla E, Weiss S, Weissenbach J, Médigue C, Bertin PN (2010) Structure, function and evolution of the Thiomonas spp. genome inferred from sequencing and comparative analysis.
PLoS Genetics. 6 (2) e1000859
18. Egal M, Casiot C, Morin G, Elbaz-Poulichet F, Cordier MA Bruneel O (2010) An updated insight into the natural attenuation of As concentrations in Reigous Creek (southern France). Applied Geochemistry. 25, 1949–1957
19. Bruneel O, Volant A, Gallien S, Chaumande B, Casiot C, Carapito C, Bardil A, Morin G, Brown Jr GE, Personné JC, Le Paslier D, Schaeffer C, Van Dorsselaer A, Bertin PN, Elbaz-Poulichet F, Arsène-Ploetze F (2011) Characterization of the active bacterial community involved in natural attenuation processes in arsenic-rich creek sediments.
Microbial Ecology. 61, 793-810
20. Bertin PN, Heinrich-Salmeron A, Pelletier E, Goulhen- Chollet F, Arsène-Ploetze F, Gallien S, Lauga B, Casiot C, Calteau A, Vallenet D, Bonnefoy V, Bruneel O, Chane-Woon- Ming B, Cleiss-Arnold J, Duran R, Elbaz-Poulichet F, Fonknechten N, Giloteaux L, Halter D, Koechler S, Marchal M, Mornico D, Schaeffer C, Thil Smith AA, Van Dorsselaer A, Weissenbach J, Médigue C and Le Paslier D (2011) Metabolic diversity between main microorganisms inside an arsenic-rich ecosystem revealed by meta- and proteo-genomics. The ISME Journal. 5, 1735-1747. Cet article a fait l’objet d’une note dans la revue Sciences (2011, vol 332, p1128)
21. Casiot C, Egal M, Bruneel O, Verma N, Parmentier M, Elbaz-Poulichet F (2011) Predominance of aqueous Tl(I) species in the river system downstream from the abandoned Carnoulès mine (Southern France). Environmental Science & Technology. 45, 2056-2084
22. Volant A, Desoeuvre A, Casiot C, Lauga B, Delpoux S, Morin G, Personné JC, Héry M, F Elbaz-Poulichet, Bertin P and Bruneel O (2012) Archaeal diversity: temporal variation in the Arsenic-Rich Creek Sediments of Carnoulès Mine, France. Extremophiles. 16, 645-657
23. Giloteaux L, Duran R, Casiot C, Bruneel O, Elbaz-poulichet F and Goñi-urriza M (2013) A survey of sulfate reducing bacteria in a heavily arsenic contaminated acid mine drainage (Carnoulès, France). FEMS Microbiol Ecol. 83 724–737
13 24. Maillot F, Morin G, Juillot F, Bruneel O, Casiot C, Ona-Nguema G, Wang Y, Lebrun S, Aubry E, Vlaic G, Brown GE Jr (2013) Structure and reactivity of As(III)- and As(V)-rich schwertmannites and amorphous ferric arsenate sulfate from the Carnoulès acid mine drainage, France: comparison with biotic and abiotic model compounds and implications for As remediation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 104, 310-329
25. Resongles E, Casiot C, Elbaz-Poulichet F, Freydier R, Bruneel O, Piot C, Delpoux S, Volant A, Desoeuvre A (2013) Fate of Sb(V) and Sb(III) species along a gradient of pH and oxygen concentration in the Carnoulès mine waters (Southern France)". Environmental Science: Processes and Impacts. 15, 1536-1544
26. Adra A, Morin G, Ona-Nguema G, Maillot F, Casiot C, Bruneel O, Lebrun S, Juillot F, Brest J (2013) Arsenic Scavenging by Al-Substituted Ferrihydrites in a Circumneutral pH River Impacted by the Acid Mine Drainage of Carnoulès, Gard, France. Environmental Science and Technology. 47, 12784-12792
27 Héry M, Casiot C, Resongles E, Gallice Z, Bruneel O, Desoeuvre O, Delpoux S (2014) Release of arsenite, arsenate and methyl-arsenic species from streambed sediment impacted by acid mine drainage : a microcosm study. Environmental Chemistry. 11, 514-524
28 Volant A, Bruneel O, Desoeuvre A, Héry M, Casiot C, Bru N, Delpoux S, Fahy A, Javerliat F, Bouchez O, Duran R, Bertin PN, Elbaz-Poulichet F and Lauga B (2014) Diversity and spatiotemporal dynamics of bacterial communities: physicochemical and others drivers along an acid mine drainage. FEMS Microbiology Ecology. 90, 247-263
Publications soumises
Doumas P, Munoz M, Banni M, Becerra S, Bruneel O, Casiot C, Cleyet-Marel J-C, Gardon J, Noak Y, Sappin-Didier V. Polymetallic pollution from abandoned mines in Mediterranean regions: a multidisciplinary approach of environmental risks. Soumis à Regional Environmental Change
Publications en cours de soummission
Idir Y, Sbabou L, Bruneel O, Filali-Maltouf A and Aurag J. Characterization of root- nodule bacteria isolated from Hedysarum spinosissimum L, growing in mining sites of Northeastern region of Morocco. Sera soumis à Environmental Science and Pollution Research
Publication dans des revues non indexées
Casiot C, Héry M, and Bruneel O (2012) Pollution by mine drainage: towards biological treatment? In: Water at the Heart of Science. IRD Edition, Marseille
Benyassine EM, Dekayir A, Héry M, Delpoux S, Desoeuvre A, Bruneel O, Benhassou H, Rouai M, Casiot C (2013) Contrasted arsenic speciation in two alkaline pit lakes from the abandoned Pb mining area of Zeida (Moulouya, Morocco). International Journal Clean-Soil, Air, Water. Special Focus Issue on Emerging Pollutants in Euro-Mediterranean and MENA Countries
14 COMMUNICATIONS, CONFERENCES ET POSTER
Communication orale (5 dernières années)
Bruneel O, Casiot C, Personné J-C, Volant A, Vadapalli VRK, Petrik L, Cowan DA, Morin G, Duran R, and Elbaz-Poulichet F. Impact des microorganismes sur les transformations des métaux et métalloïdes dans des drainages miniers d’Afrique du Sud.
Proceeding, réunion de restitution du programme Ec2co. Toulouse, France. 22-26 November 2010
Bertin PN, Heinrich-Salmeron A, Pelletier E, Goulhen- Chollet F, Arsène-Ploetze F, Gallien S, Lauga B, Casiot C, Calteau A, Vallenet D, Bonnefoy V, Bruneel O, Chane-Woon- Ming B, Cleiss-Arnold J, Duran R, Elbaz-Poulichet F, Fonknechten N, Giloteaux L, Halter D, Koechler S, Marchal M, Mornico D, Schaeffer C, Thil Smith AA, Van Dorsselaer A, Weissenbach J, Médigue C and Le Paslier D. Diversity of metabolic interactions inside an arsenic-rich microbial ecosystem revealed by meta- and proteo-genomics. BAGECO11, 11th Conference on Bacterial Genetics and Ecology. Corfu, Greece. 29 May - 2 June 2011
Morin G, Ona-Nguema G, Juillot F, Maillot F, Wang Y, Egal M, Bruneel O, Casiot C, Elbaz-Poulichet F, Calas G, Brown JR. How biogenic nano-iron oxides can control the fate of pollutants. Goldschmidt. Prague, République Tchèque. 14-19 août 2011
Casiot C, Delpoux S, Desoeuvre A, Volant A, Egal M, Resongles E, Hery M, Freydier R, Elbaz-Poulichet F, Cadot E, Gardon J, Bruneel O. Spéciation et processus de transfert de métaux et métalloïdes dans les eaux minières: exemple du site de Carnoulès dans le Gard.
Premières rencontres du Réseau "Environnements Miniers Méditerranéens".Montpellier, France. 14-16 mai 2012
Bruneel O, Desoeuvre A, Volant A, Héry M, Casiot C, Delpoux S, Freydier R, Elbaz – Poulichet F. Impact des microorganismes sur le transfert des contaminants métalliques dans les environnements miniers. Premières rencontres du Réseau "Environnements Miniers Méditerranéens". Montpellier, France. 14-16 mai 2012
Casiot C, Bruneel O, Hery M, Delpoux S, Desoeuvre A, Volant A, Resongles E, Freydier R, Elbaz-Poulichet F. Speciation and transfer processes of metals /metalloids in mining water : exemple of studies at the Carnoulès mining site (Gard). 4th SPECIATION seminar;
Biological, environmental and nuclear speciation. Montpellier, France. May 29-31, 2012 Bruneel O, Volant A, Dahmani I, Sbabou L, Navarro I, Héry M, Désœuvre A, Casiot C, Filali-Maltouf A. Study of diversity using next generation sequencing. 4ème Congrès de l'Association Marocaine de Microbiologie (AMM) et 16ème Congrès de l'Association Africaine pour la Fixation Biologique de l'azote (AABNF) sur le thème BIOFERSOL, Biofertilisation des sols et développement durable en Afrique. Maroc, Rabat. 03-07 novembre 2014
Dekayir A, Benyassine M, Casiot C, Hery M, Bruneel O, El Hachimi ML, Rouai M.
Contamination des eaux de lacs de carrières de la mine abandonnée de Zeida (Maroc).
Colloque SICMED. Tunisie, Tunis. 18-20 novembre 2014
Poster (5 dernières années)
Bruneel O, Casiot C, Personné J-C, and Elbaz-Poulichet F. The Carnoulès mine (Gard, France). Generation of as-rich acid mine drainage and natural attenuation processes. 5ème
15 Colloque International « Contamination Métallique : Impact sur l’Environnement, la Santé et la Société ». Oruro, Bolivie. 13-15th October 2010
Elbaz-Poulichet F, Casiot C, Bruneel O, Egal M, Morin G, Miot J, Benzerara K, Duran R, Goni-Urriza, M.; Giloteaux, L. Biologie, biominéraux et biotransformations dans les eaux acides minières – 3BIO. Colloque de restitution EC2CO. Toulouse, France. 23-25 novembre 2010
Bertin P.N., Heinrich-Salmeron A., Pelletier E., Goulhen- Chollet F., Arsène-Ploetze F., Gallien S, Lauga B, Casiot C, Calteau A, Vallenet D, Bonnefoy V, Bruneel O, Chane-Woon- Ming B, Cleiss-Arnold J, Duran R, Elbaz-Poulichet F, Fonknechten N, Giloteaux L, Halter D, Koechler S, Marchal M, Mornico D, Schaeffer C, Thil Smith AA, Van Dorsselaer A, Weissenbach J, Médigue C and Le Paslier D. Diversity of metabolic interactions inside an arsenic-rich microbial ecosystem revealed by meta- and proteo-genomics. Colloque Restitution ANR “Des molécules aux écosystèmes”. Montpellier France, 13-14th September 2011
Lauga B, Volant A, Bruneel O, Fahy A, Laoudi S, Casiot C, Nieto JM and Duran R.
MIGRAMD : Microbial biogeography of Acid Mine Drainage: a study of genetic diversity and species diversity from an evolutionary perspective. Colloque FRB "Les Ressources Génétiques face aux nouveaux enjeux environnementaux, économiques et sociétaux".
Montpellier, France. 21-22 September 2011
Lauga B, Volant A, Bruneel O, Fahy A, Laoudi S, Casiot C, Nieto M and Duran R.
Microbial biogeography of Acid Mine Drainage: a study of specific diversity and molecular diversity, in Colloque Jacques Monod "Génomique écologique intégrative". Roscoff, France.
15-19 octobre 2011
Javerliat F, Volant A, Laoudi S, Bruneel O, Fahy A, Casiot C, Iniguez V, Nieto JM, Duran R and Lauga B. Microbial biogeography of Acid Mine Drainage: a study of genetic diversity and species diversity from an evolutionary perspective, Colloque Génomique Environnementale. Lyon, France. 28-30 November 2011
Volant A, Bruneel O, Desoeuvre A, Casiot C, Bru N, Delpoux S, Héry M, Javerliat F, Fahy A, Elbaz-Poulichet F, Duran R, Bertin P and Lauga B. Spatio-temporal dynamics of bacterial community in the very As-rich creek waters of Carnoulès mine, France. In Ecole Thématique Expert Génomique Environnementale. Aussois, France. 23-27 Avril 2012
Volant A, Bruneel O, Desoeuvre A, Casiot C, Bru N, Delpoux S, Héry M, Javerliat F, Fahy A, Elbaz-Poulichet F, Duran R, Bertin P and Lauga B. Spatiotemporal dynamics of bacterial community in the very As-rich creek waters of Carnoulès mine, France. ISME.
Copenhague, Danemark, 19-24 August 2012
Benyassine EM, Dekayir A, Héry M, Delpoux S, Desoeuvre A, Bruneel O, Benhassou H, Rouai M, Casiot C.Contrasted arsenic speciation in two alkaline pit lakes from the abandoned Pb mining area of Zeida (Moulouya, Morocco). International Symposium On Emerging Pollutants in Irrigation Waters: Origins, Fate, Risks, and Mitigation. Tunisia : Hammamet.25- 28 November 2013
16
V ACTIVITE DE RECHERCHE
PREAMBULE
Lors de mon stage de DEA, effectué en 1997 au sein du CJF INSERM 93-09, Immunologie des Maladies Infectieuses (Tours), j’ai travaillé sur la vaccination génique contre la toxoplasmose en utilisant le gène SAG1. Suite à ce stage et désirant depuis longtemps faire de la coopération mais n’ayant pas trouvé d’opportunités en biologie, je suis partie 2 ans en tant que professeur des écoles en CE2, à Djibouti, dans le cadre d’une coopération civile d’aide au développement. Cette expatriation ayant été extrêmement enrichissante et afin de pouvoir trouver du travail plus facilement dans la coopération, j’ai entrepris, à mon retour en France en 2000, une formation plus appliquée, un DESS « Diagnostics, Prévention et Traitements en Environnement ». Déjà très intéressée par l’Institut de Recherche pour le Développement, j’ai effectué mon stage de fin d’étude de 6 mois en avril 2002 au laboratoire HydroSciences Montpellier, UMR 5569 (IRD, CNRS, Université de Montpellier 1 et 2). Ce stage a porté sur l’identification des microorganismes présents dans les eaux de drainage de la mine de Carnoulès (Gard) et sur l’isolement d’espèces actives sur l’arsenic et le fer. La finalité de ces travaux était, à terme, d’aider au développement de procédés passifs de bio-réhabilitation des effluents miniers et industriels en utilisant ces microorganismes. Très intéressée par ce sujet et par les potentialités d’application de ce travail, j’ai finalement poursuivi cette étude par une thèse au sein de cette même UMR. Après ma thèse, soutenue en avril 2004, j’ai été recrutée à l’IRD en octobre de la même année pour travailler sur l’implication des microorganismes dans les environnements miniers. Mon programme de recherche s’intitule : «Etude des processus microbiens et géochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières».
L'écologie microbienne suscite un engouement très important car les microorganismes, bien qu’invisibles à l’œil nu, sont essentiels à la vie sur terre. Ces microorganismes catalysent en effet les transformations uniques et indispensables aux cycles biogéochimiques de la biosphère de part leurs activités métaboliques. Ils produisent les composants essentiels de la planète et représentent le plus grand réservoir de nutriments terrestre, comme le nitrogène et le phosphore et séquestrent également environ 50% du carbone total des organismes vivants (Whitman et al., 1998). Ils sont également les principaux recycleurs de matières en décomposition, rendant disponible différents types de composés sous forme organique, permettant ainsi la survie et le fonctionnement des écosystèmes (Whitman et al., 1998 ; Falkowski et al., 2008). Parce que les microorganismes sont présents dans les 3 domaines du vivant (Archaea, Bacteria et Eukarya) et qu’ils représentent les groupes les plus diversifiés d’organismes sur Terre, une connaissance de leur diversité est primordiale pour la compréhension du fonctionnement des écosystèmes et des processus planétaires (Pace, 1997 ; Behnke et al., 2011).
17 L'exploitation minière est vitale pour l'économie mondiale, mais l'extraction des composés métalliques génère de grandes quantités de déchets. Actuellement, le volume est estimé à plusieurs milliers de millions de tonnes par an, mais est en augmentation exponentielle en raison de la demande qui ne cesse de croître et de l'exploitation de gisements de faibles teneurs (Hudson-Edwards and Dold, 2015). En l’absence d’une gestion extrêmement rigoureuse des sites miniers, ces derniers sont une source de nuisance importante, en raison de la présence de composés très toxiques comme le plomb, l’arsenic ou le mercure Leur accumulation tout au long de la chaîne alimentaire génère des problèmes importants pour la végétation, la santé animale et humaine.
Lorsque des minéraux sulfurés sont présents dans ces déchets, ils peuvent former, en présence d’eau et d’oxygène, des effluents acides, riches en métaux et métalloïdes, appelés Drainages Miniers Acides (DMA) (Langmuir, 1997). Ces drainages de mine sont considérés comme l’une des plus importantes et pernicieuses forme de pollution des eaux provenant de l’activité minière à travers le monde et représentent d’importants impacts environnementaux et sociaux économique (Hallberg, 2010) avec des coûts de traitements estimés à plusieurs milliards de dollars. Même s’il est très difficile d’estimer l’impact des DMA à travers le monde, il a été suggéré que plus de 12 000 km de cours d’eau étaient touchés par les DMA rien qu’au Royaume Uni (Hallberg, 2010). Le problème de ces DMA est leur potentiel de menace à long terme, avec une production généralement étalée sur des dizaines, voire des centaines d’années après la fermeture des mines (Younger, 1997 ; Hallberg, 2010). Bien que ces milieux soient très hostiles en raison des conditions extrêmes de vie en termes de pH et de concentration en métaux et métalloïdes toxiques, de nombreux microorganismes (Bactéries, Archaea et Eucaryotes), naturellement présents, sont capables de s’y développer (Baker and Bandfiel, 2003 ; Jonhson and Hallberg, 2003). Ces microorganismes adaptés jouent un rôle essentiel car ils sont impliqués dans les mécanismes biogéochimiques contrôlant le comportement des métaux et métalloïdes, qui sont présents dans l’environnement sous différentes formes chimiques qui n’ont ni la même toxicité, ni la même mobilité. Les réactions d’oxydoréduction ou de méthylation sont généralement très lentes et nécessitent la plupart du temps une catalyse qui est bien souvent assurée par les microorganismes. Par exemple, le rôle clé de l’activité des microorganismes (et notamment ceux qui oxydent le fer) est connu depuis longtemps dans les réactions d’oxydation de la pyrite à l’origine de l’apparition des DMA (Edwards et al., 2000a ; Sand et al., 2001 ; Vera et al., 2013). Selon certains auteurs, l’activité microbienne serait à l’origine d’environ 75% de la production des DMA (Edwards et al., 2000b ; Baker and Banfield, 2003). Ces mêmes organismes qui oxydent le fer sont également susceptibles de promouvoir, dans l’eau, la formation d’oxydes de fer qui favorisent l’immobilisation des métaux en les coprécipitant ou en les adsorbant (Johnson and Hallberg, 2003, 2005 ; Johnson, 2014). Les bactéries sulfato-réductrices sont aussi capables d’immobiliser des métaux en favorisant la précipitation directe de sulfures métalliques généralement insolubles (Johnson and Hallberg, 2005). De plus, certains processus métaboliques vont également modifier la mobilité de l’élément toxique et/ou sa toxicité. Par exemple, la forme oxydée As(V) produite par Thiomonas sp. est considérée comme 60 fois moins toxique pour les organismes supérieurs que la forme réduite As(III) à pH acide. Ces quelques exemples illustrent le rôle des microorganismes dans les processus de
18 précipitation, complexation, adsorption, remise en solution et la distribution des différentes formes chimiques en solution.
De plus, les stériles miniers sont généralement constitués de particules très fines facilement transportées par la pluie et le vent, polluants les terres agricoles, les cours d’eau ou les puits environnants et générant un problème de santé publique majeur pour les populations alentours (Mendez and Maier, 2008). Depuis une quinzaine d’années, des travaux se sont intéressés à l’utilisation de plantes pour limiter l’impact de cette pollution ; les déchets pouvant être immobilisés par la mise en place d’un couvert végétal (phytostabilisation) ou être accumulés dans les tissus végétaux (phytoextraction, Ma et al., 2011). Alors que l'établissement d'un couvert végétal sur ces déchets minier reste un défi, les microorganismes peuvent fortement accélérer le processus de phytostabilisation en influençant la croissance des plantes grâce à différents mécanismes (fixation d’azote, solubilisation du phosphate, production de phytohormones, etc., Rajkumar et al., 2012). Ils peuvent aussi intervenir directement sur la mobilisation/immobilisation des métaux et métalloïdes dans le sol (production de sidérophores, d’enzymes, etc. ou transformation rédox de ces éléments (Ma et al., 2011 ; Rajkumar et al., 2012).
Les microorganismes jouent ainsi un rôle primordial dans ces environnements. Leur connaissance présente donc un intérêt fondamental majeur pour la gestion et la remédiation des sites contaminés.
Mon programme de recherche s’inscrit dans le cadre de l’axe 1 (Biogéochimie, Contaminant, Santé) de l’UMR HydroSciences Montpellier qui aborde les questions de pollution et de toxicité pour les écosystèmes aquatiques. Cet axe s’intéresse également aux aspects de bioréhabilitation et de recyclage des eaux. L’étude des pollutions d’origine minière a commencé il y a maintenant une 20aine d’années au laboratoire. D’abord principalement centrée sur les aspects purement géochimiques puis microbiologiques, cette équipe s’intéresse maintenant également à l’impact de ces polluants métalliques sur la santé grâce au recrutement d’un médecin et d’une géographe épidémiologiste. Au sein de cette équipe, je m’intéresse à la partie microbiologie et principalement au rôle des microorganismes dans le transfert des polluants inorganiques. Ce travail inclut à la fois de la microbiologie classique par isolement mais aussi de la biologie moléculaire et maintenant de la génomique. L’équipe de microbiologie comprend actuellement une Assistante Ingénieure depuis 2010 ainsi qu’une maître de conférences recrutée en janvier 2011.
19 TRAVAUX ANTERIEURS
J’ai commencé ma première activité de recherche en 1997 au sein du CJF INSERM 93-09, Immunologie des Maladies Infectieuses (Tours), à l’occasion de mon stage de DEA sur la vaccination génique contre la toxoplasmose en utilisant le gène SAG1. La toxoplasmose est une maladie infectieuse très répandue qui touche les animaux à sang chaud dont l’Homme en raison de la présence d’un parasite protozoaire, Toxoplasma gondii. Généralement bénigne chez l’homme et asymptomatique dans 90% des cas, ce parasite peut menacer la vie lors d’une immunodépression ou peut avoir de graves conséquences pour le fœtus lors de la contamination d’une femme pendant la grossesse (primo-infection) en raison de la transmission transplacentaire du parasite. Durant mon stage, des essais vaccinaux, utilisant de l’ADN codant une des protéines de Toxoplasma gondii, le gène SAG1 (vaccination à ADN), ont été réalisés chez la souris qui présente des formes de toxoplasmose très proches de la toxoplasmose humaine. Cette étude a montré une bonne réponse du système immunitaire de la souris avec la production d’anticorps mais un taux de survie très faible lors de l’immunisation intramusculaire1.
Depuis mon stage de DESS en avril 2001, je m’intéresse à l’implication des microorganismes dans les biotransformations et processus de transfert des métaux et métalloïdes dans les drainages miniers acides. Ce programme de recherche a pour objectif de mieux comprendre les processus biogéochimiques qui contrôlent les transferts de métaux et métalloïdes, en particulier l’arsenic, et d’étudier de manière pluridisciplinaire et intégrée le fonctionnement de ces environnements extrêmes. Il se situe en effet à l’interface de la microbiologie, de la géochimie, mais également de l’hydrogéologie et de la minéralogie. En microbiologie, pour l’étude du chantier de Carnoulès, ce programme de recherche fédère différentes compétences apportées par plusieurs équipes d’autres laboratoires comme la métagénomique ou la métaprotéomique (collaboration étroite avec l’EEM de Pau (R. Duran, B. Lauga) et le laboratoire GMGM de Strasbourg (P. Bertin, F. Ploetze) ou la minéralogie (partenariat avec G. Morin, IMPMC, IPGP de Paris). Ces recherches incluent également la caractérisation physicochimique approfondie de ces environnements extrêmes par les chimistes du laboratoire (C. Casiot, F. Elbaz-Poulichet, MA. Cordier puis S. Delpoux). Ces approches combinées permettent d’obtenir une vision globale et intégrée des processus complexes qui conditionnent les interactions entre les microorganismes et leur environnement.
1 Mévelec MN, Bout D, Desolme B, Marchand H, Magne R, Bruneel O, Buzoni-Gatel D (2005) Evaluation of protective effect of DNA vaccination with genes encoding antigens GRA4 and SAG1 associated with GM-CSF plasmid, against acute, chronical and congenital toxoplasmosis in mice. Vaccine. 23, 4489-4499
20 Introduction à l’étude des drainages miniers acides
L’intérêt pour l’étude de ces écosystèmes extrêmes est multiple. Comme nous l’avons vu, ces microorganismes présentent tout d’abord un grand intérêt pour la gestion des déchets miniers et leur connaissance est primordiale pour mieux gérer leurs impacts sur l’environnement et est également critique pour pouvoir continuer l’exploitation des ressources minérales, dont la demande ne cesse de croitre à travers le monde (Hallberg, 2010). Les microorganismes qui peuplent ces écosystèmes extrêmes sont généralement constitués de communautés simplifiées par rapport aux environnements plus hospitaliers (Tyson et al., 2004 ; Denef et al., 2010). Ceci est dû notamment aux pressions de sélection qu’impose l’adaptation des microorganismes à ces environnements, ainsi que par le nombre limité de sources d’énergie disponible dans le milieu (Baker and Banfield, 2003). Ces environnements sont donc colonisés par des espèces dites spécialistes, généralement peu abondantes, ce qui en font d’excellents modèles pour étudier la dynamique des microorganismes dans le temps et/ou l’espace, d’identifier les paramètres qui les gouvernent, d’étudier leurs capacités d’adaptation, de mieux comprendre leurs interactions et d’explorer les fonctions qu’elles exercent (Denef et al., 2010). Les DMA représentent également des habitats fragmentés, qui possèdent chacun des conditions physicochimique (T°, pH, concentration en oxygènes) et/ou des concentrations en métaux et métalloïdes différents, permettant ainsi d’aborder des questions particulières de biogéographie (Hallberg, 2010 ; Kuang et al., 2012). L’étude de la diversité de ces environnements extrêmes suscite également un intérêt important du fait que ces écosystèmes peuvent représenter un réservoir de nouvelles biomolécules ayant un intérêt biotechnologique.
Enfin, les similarités qui existent entre la minéralogie de ces environnements, comme celui du Rio Tinto en Espagne, et de la planète Mars (vaste dépôts de sulfates et d’oxydes de fer) ont conduit à l’idée que les propriétés de ces acidophiles pourraient être similaires à ceux susceptibles d’être retrouvés sur Mars (Amils et al., 2007).
Parmi les éléments toxiques des DMA, l’arsenic pose un problème particulier parce qu’il est fortement assimilable par les organismes vivants du fait que ses propriétés chimiques sont très voisines de celles du phosphore et du soufre, qui sont des éléments essentiels à la vie (Yammura and Amachi, 2014). Chez l’être humain, il est toxique et induit de nombreuses pathologies dont des cancers et ne devrait pas dépasser 10 µg.l-1 selon l’OMS (Yamanaka et Okada, 1994 ; McClintock et al., 2012 ; Jiang et al., 2013). L’arsenic présent dans l’eau de boisson représente un problème mondial majeur qui touche plusieurs millions de personnes, en particulier au Bangladesh où 35-77 millions de personnes sont concernés (Nordstrom, 2000; Argos et al., 2010 ; Yunus et al., 2011) mais cela touche également de nombreux pays comme les Etats-Unis, la Chine, le Mexique, l’Espagne ou le Canada, etc. (Jiang et al., 2013).
Malgré sa faible abondance dans la croûte terrestre (0.0001%), il est largement distribué dans l’environnement où il est souvent associé avec les minerais métalliques sulfurés comme le cuivre, le plomb ou l’or, etc. (Oremland and Stolz, 2003). Dans les sols, il est généralement retrouvé à des concentrations inférieures à 15 mg.kg-1 (Yammura and Amachi, 2014).
Bien que l’arsenic existe sous 4 états d’oxydation différents (V, III, 0, -III) avec une multitude de formes organiques et inorganiques, l’arséniate (As(V)) et l’arsénite (As(III) sont les formes inorganiques prédominantes dans l’environnement (Ormeland and Stolz, 2005), avec l’As(III) considéré comme plus toxique que l’As(V) (Lièvremont et al., 2009 ; Yammura
21 and Amachi, 2014). L’As(V) est généralement présent sous forme d’oxyanions chargés négativement (H2AsO4-/ HAsO42-) à pH modéré et a ainsi tendance à être fortement adsorbé sur la surface de nombreux minéraux chargés positivement, comme les oxydes et hydroxydes de fer et d’aluminium. L’As(III) est quand à lui généralement présent sous une forme non chargée (H3AsO30) dans l’environnement et est donc habituellement moins adsorbé et donc plus mobile que l’As(V) (Yammura and Amachi, 2014). Dans les environnements aérobies, l’As(V) est souvent la forme prédominante alors qu’en conditions anoxiques, c’est la forme As(III) qui prédomine.
Certains microorganismes ne sont pas seulement résistant à l’As mais le métabolisent activement via des réactions de méthylation, déméthylation, oxydation ou réduction, modifiant ainsi les formes redox de l’As et utilisant certaines de ces étapes pour générer de l’énergie (Oremland and Stolz, 2005 ; Stolz et al., 2010). A ce jour, de nombreux microorganismes, principalement des bactéries capables d’oxyder ou de réduire l’As, ont été isolés d’environnements contaminés par l’arsenic (Oremland and Stolz, 2003 ; Lièvremont et al., 2009). La réduction de l’arséniate comprend une voie de détoxification (gène arsC) ainsi que la respiration (gènes arrA/B). L’organisation de l’opéron ars varie fortement entre les taxons et les gènes de base inclus arsR, arsB et arsC tandis que arsD et arsA peuvent également parfois être trouvés (Oremland and Stolz, 2003). Les gènes arrA/B codent une enzyme réductase active durant la respiration anaérobie, utilisant l’As(V) comme accepteur final d’électron (Costa et al., 2014). L’oxydation microbienne de l’As(III), décrite pour la première fois en 1918, peut être médiée par 2 enzymes distinctes, Aio (comprenant gènes aox, aso et aro) très étudié et Arx récemment décrite par Zargar et al. (2012). L’oxydation aérobie de l’As(III) est catalysée par une arsénite oxidase qui utilise l’O2 comme accepteur terminal d’électrons et qui est codée par les gènes aioB/A (Lett et al., 2012 ; Costa et al., 2014). ArxAB est détectée chez des bactéries oxydant As(III) en conditions anoxiques, où la réduction du nitrate ou du chlorate est couplée à l’oxydation de l’As(III) (Oremland et al., 2009 ; Sun et al., 2010 ; Costa et al., 2014). Certains membres du genre Ectothiorhodospira sont également capables d’utiliser l’As(III) comme donneur d’électrons pour la croissance phototrophe anoxygénique (Kulp et al., 2008). Parce que ces processus de réduction d’As(V) ou d’oxydation d’As(III) affectent directement la spéciation et la mobilité de l’As, l’activité microbienne joue un rôle clé dans les cycles biogéochimiques de ce métalloïde et peuvent être utilisés pour dépolluer les sols et les eaux pollués par l’arsenic (Yammura and Amachi, 2014 ; Costa et al., 2014 ; Sarkar et al., 2014).
L’ancien site minier de Carnoulès a constitué pour le laboratoire HydroSciences un cadre privilégié pour l’étude des interactions entre les microorganismes et les polluants métalliques et notamment l’arsenic (Leblanc et al., 1996). L’intérêt dans ce site réside également dans le fait qu’un système de remédiation naturel est présent où, près de 99% de l’arsenic va précipiter et être piégé dans des minéraux de fer le long des 1,5 km du Reigous, petit ruisseau alimenté par les drainages miniers acides du stérile de Carnoulès (Leblanc et al., 1996). Enfin, la proximité géographique de ce site avec le laboratoire HydroSciences est un facteur non négligeable étant donné les nombreux allers-retours nécessaires pour étudier cet environnement sur le long terme. Ce site atelier est, depuis 2009, un site d’observation de
22 l’Observatoire des Sciences de l’Univers OREME (tâche d’observation intitulé « Suivi des processus hydrobiogéochimiques de transfert des métaux et métalloïdes issus des activités minières sur le site de Carnoulès »). Les connaissances acquises sur ce site avec mes collègues du laboratoire HSM, M. Leblanc, (géologue), J.-C. Personné puis A. Desoeuvre (AI depuis 2010) et M. Héry en 2011 (microbiologistes) ; F. Elbaz-Poulichet et C. Casiot (géochimistes) en association avec G. Morin (minéralogiste à l’IMPMC, Paris) et en collaboration avec 2 laboratoires de microbiologie, l’EEM de Pau (R. Duran, B. Lauga) puis le laboratoire GMGM de Strasbourg (P. Bertin, F. Ploetze) ont permis de mieux comprendre cet écosystème et ont ainsi contribué à fédérer différents groupes de recherches sur ce site.
Description du site minier de Carnoulès
La mine de Carnoulès est située dans les Cévennes dans le Sud de la France et a été définitivement fermée en 1962.
Figure 1. Localisation et carte du site minier de Carnoulès. D’après Bruneel et al., 2005
23 Au Sud-Est du Massif Central, le long des Cévennes, un horizon conglomératique de 3 à 5 m d’épaisseur contenant de la marcasite (et/ou de la pyrite), de la galène, de la barytine et accessoirement de la sphalérite, des sulfo-arséniures (proustite, arsénopyrite) et des sulfure d’antimoine (freibergite) est présent au niveau de la mine de Carnoulès (Leblanc et al., 1996).
Le gisement de 2.5 Mt contenait 3.5% Pb et 0.8% Zn et a été principalement exploité à ciel ouvert puis définitivement abandonné en 1962. Le stérile actuel, d’environ 1.2 Mt qui est confiné derrière une digue, comporte les déchets d’après traitement qui contiennent encore environ 0.7% de Pb et 10% de sulfure de Fe, (Leblanc et al., 1996).
Figure 2. Schéma simplifié du dépôt de stériles miniers de Carnoulès avec en (a) la localisation du forage instrumenté, des carottages réalisés sur le site (T1, T4) et du système de drainage et en (b) une coupe dans le dépôt montrant les différents horizons, la couverture d’argile en surface, les sables gris fins et riches en pyrite, les sables grossiers et le socle composé de quartzites du Trias (b). D’après Casiot et al., 2003a
Ce stérile a une superficie de 5500 m2 et une épaisseur de 10 à 24 m. Il est recouvert d’une couche d’argile de 0.3 m d’épaisseur. En dessous, il est constitué majoritairement de sables à pyrite contenant 75% de quartz et entre 5 et 15 % de pyrite qui contient de 1 à 4% d’As. Les minéraux secondaires incluent le K-feldspath, la biotite, la barytine et la galène (Alkaaby et al., 1985). Ces matériaux sont généralement très fins (taille moyenne des grains de 30 µm) et peu perméables, excepté près du fond où une couche de 2 à 3 mètres d’épaisseur contient du matériel ferrugineux relativement grossier (200 µm) (Koffi et al., 2003). L’oxydation des sulfures est limitée dans la partie supérieure du dépôt, contrairement à ce qui est généralement constaté dans d’autres stériles miniers et est probablement dû à la présence d’une couverture argileuse peu perméable et à la faible conductivité hydraulique du matériau qui limite l’infiltration des eaux de pluie (Koffi et al., 2003). Dans la partie inférieure du dépôt au contraire, les sulfures sont partiellement oxydés en liaison avec la présence d’un drain et la circulation d’eaux à la base du stock, dans une zone à matériaux plus grossiers très probablement en raison de la présence de sources enterrées présentes sous le stérile (Koffi et
24 al., 2003). Le niveau de l’eau se situe entre 1 et 10 m sous la surface en fonction de la localisation dans le stérile et de la saison.
L’eau qui circule dans le stock de déchet donne naissance au ruisseau du Reigous dont la source apparaît à la base de la digue qui retient les déchets. La masse d’arsenic contenu dans ce stock de stériles est estimée à 3000 t. Compte tenu de la masse annuelle d’As rejetée par la source acide (6 t), la durée de vie du système est estimée à au moins 500 ans (Leblanc et al., 2002). Les études physicochimiques ont montré que le débit à la source est relativement faible (0.2 à 1 l.s-1) mais ces eaux coulent toute l’année. Elles sont pratiquement anoxiques à la source mais en quelques dizaines de mètres, on observe une augmentation de la concentration en oxygène. Les flux annuels d’arsenic, calculés au cours de 2 années hydrologiques aux caractéristiques différentes, varient de 2 à 6 t. Les concentrations en As diminuent rapidement en aval, juste avant le confluent avec l’Amous, elles sont en moyenne de 6 mg.l-1 avec de très fortes variations saisonnières (Leblanc et al., 1996). Ces diminutions sont à attribuer en partie à des dilutions avec de petits rus latéraux mais surtout à la précipitation de l’arsenic et à la formation de sédiments riches en fer et en arsenic. Les variations saisonnières du système du Reigous sont fortement marquées : en période d’étiage, les sédiments arséniés s’accumulent mais, en période de fortes pluies (printemps, automne), les sédiments sont érodés et transportés, entraînant une forte augmentation du flux d’arsenic avec un transport essentiellement sous forme particulaire (Leblanc et al., 2002).
A mon arrivée au laboratoire HydroSciences dans le cadre de mon stage de DESS en 2002, les travaux de Leblanc et al. (1996) avaient permis de mettre en évidence à Carnoulès, dans le ruisseau du Reigous qui draine le site, la formation de précipités contenant près de 20%
d’arsenic autour de structures bactériennes, mais les processus géochimiques et microbiologiques à l’origine de la formation de ces solides n’étaient pas connus. Durant ce stage, sous l’encadrement de Jean Christian Personné, j’ai isolé une vingtaine de colonies bactériennes dans les eaux du stock de déchets miniers ainsi que dans les eaux le long du Reigous et j’ai commencé leurs études en laboratoire et en particulier, leurs activités sur l’oxydation du fer et de l’arsenic. La grande majorité de ces souches ont été identifiées comme étant des bactéries des genres Thiomonas et Acidithiobacillus ferrooxidans. Ce travail a permis de décrire plusieurs souches de Thiomonas et de montrer pour la première fois que des souches pures de Thiomonas étaient capables d’oxyder l’arsenic2.
Suite à ce travail, j’ai débuté en décembre 2002 une thèse intitulée « Contribution à l'étude des mécanismes couplés géochimiques et bactériologiques de transfert de la pollution minière sur le site de Carnoulès (Gard) » sous l’encadrement de Jean Christian Personné et de François Elbaz Poulichet, ma directrice de thèse. Bien qu’apportant des informations très
2 Bruneel O, Personné J-C, Casiot C, Leblanc M, Elbaz-Poulichet F, Mahler BJ, Le Flèche A, Grimont PAD. (2003) Mediation of arsenic oxidation by Thiomonas sp. in acid mine drainage (Carnoulès, France). Journal of Applied Microbiology. 95, 492-499
25 intéressantes sur le métabolisme des souches isolées, les techniques classiques d’isolement de souches pures et la caractérisation de leurs activités en laboratoire ne permettent pas de comprendre un écosystème étant donné que près de 99% des organismes ne peuvent être pour l’instant isolés par des approches culturales (Rappé and Giovannoni, 2003). J’ai donc rapidement été amenée à travailler avec le Laboratoire d’Ecologie Moléculaire (R. Duran, EA 3525, Ecologie Moléculaire Microbiologie de l’Université de Pau) pour mettre en œuvre une approche moléculaire qui n’était pas disponible, à l’époque, au Laboratoire HydroSciences.
Processus de génération du drainage minier acide riche en As de Carnoulès
Les eaux de drainage de mines sont générées par l’exposition des minerais sulfurés, telles que la pyrite (FeS2) à l’oxygène et à l’eau (Johnson and Hallberg, 2003 ; Vera et al., 2013).
De nombreux métaux sont présents sous forme de minerais sulfurés, comme la galène (PbS) ou la sphalérite et sont également souvent associés à la pyrite qui est le minerai sulfuré le plus commun. Le fer ferrique (Fe(III)) est le principal oxydant des minerais sulfurés (Baker and Banfield, 2003) :
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO42− + 16 H+
La régénération du Fe(III), selon l’équation ci-dessous, est l’étape limitante de l’oxydation des minerais et nécessite de l’oxygène (Singer and Stumm, 1970) :
14Fe2+ + 3.5 O2 + 14H+ → 14Fe3+ + 7H2O
A pH supérieur à 4, l’oxydation du fer ferreux se produit chimiquement en présence d’oxygène ou biologiquement mais à des pH inférieures à 4, le taux d’oxydation chimique est très lent, voir négligeable et c’est l’activité des microorganismes oxydant le fer qui va avoir un rôle pivot dans la génération des DMA (Baker and Bandfield, 2003 ; Vera et al., 2013). De plus, en raison des faibles pH rencontrés dans ces environnements (jusque -3 comme dans la mine de Richmond aux Etats Unis (Californie, Nordstrom et al 2000), la solubilité des métaux est plus importante et les DMA contiennent donc généralement de très fortes concentrations en métaux et métalloïdes qui vont varier en fonction de la minéralogie de la roche d’origine (Hallberg, 2010).
Des études réalisées au sein du piézomètre S5, situé approximativement au centre du stérile minier en 2001 et 2002, ont montré de très fortes variations de la chimie sur une année qui semblaient être liées au niveau de la nappe et aux concentrations en oxygène dissous3. En période de remontée de la nappe, le niveau d’oxygène est très élevés (7-9 mg.l-1), le pH est acide (1.8), et de très fortes concentrations de fer (proche 20000 mg.l-1) et d’As (jusque 12000 mg.l-1, concentrations parmi les plus importantes au monde) ont été relevées avec les espèces oxydantes qui dominent (As(V) et Fe(III)). Ces teneurs très élevées ont été attribuées à la dissolution de phases secondaires, en particulier des hydroxysulfates de fer contenant jusque 10% d’As, présents dans le stock de déchets. A l’inverse, lorsque le niveau de la nappe diminue et que le milieu devient pratiquement anoxique (DO = 0.5 mg.l-1), le pH remonte autour de 4 et les concentrations en As et en Fe diminuent fortement et se stabilisent (autour
3 Casiot C, Leblanc M, Bruneel O, Personné J-C, Koffi K, Elbaz-Poulichet F (2003) Geochemical processes controlling the formation of As-rich waters within a tailings impoundment. Aquatic Geochemistry. 9, 273-290
