Mécanismes d’adsorption des métaux lourds par les exopolysaccharides bactériens:

Mécanismes d’adsorption des métaux lourds par les exopolysaccharides bactériens:

Le système Xanthane-Cuivre comme modèle d’étude

Benjamin CAUSSE

Plan de la présentation I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

G é n é r a l i t é s

M a c r o s c o p i k M

i c r o s c o p i k

Introduction

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives

Intro

Problématique environnementale: devenir des ETM dans les sols ?

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

- Méthode: couplage transfert en milieu poreux/chimie des solutions - Nécessité de connaître: le sol (phases orga. et minérale), les

polluants (orga. ou métallique)

- Objectif: évaluation de la mobilité et de la toxicité des polluants

Transfert de polluants vers la nappe phréatique d’après Behra 1987.

Intro

Les différentes échelles d’étude

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Echelles abordées dans notre étude.

Intro

I-1

Composition chimique du sol

II-1 Titrages du xanthane: état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-1 Définition préliminaire

Réactivité : (≠ chimie orga.) capacité d’une surface (colloïdal au dissout) à échanger des protons en fonction du pH.

Conséquence : Complexation possible des cations métalliques.

Proton de surface : ions hydronium relargués par une surface réactive vers le milieu ext.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-1 Composition chimique du sol

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice SiO₂

Calcaire CaCO₃

Argiles, Oxyhydroxydes Fe et Mn…

Smectites: feuillets de « SiO4 » et « Al(OH)₆ »

Echanges et adsorptions de cations (espace interfoliaire, bordures)

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose, humine

Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice

Calcaire Argile

I-1 Composition chimique du sol

Matynia 2009

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes

I-2 Réactivité des substrats bactériens

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle atomique

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2

I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-2 Réactivité des substrats bactériens

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice

Calcaire Argile

I-1

II-1 II-2

I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-2 Réactivité des substrats bactériens

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice

Calcaire Argile

(Tortora 2003)

I-1

II-1 II-2

I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-2 Réactivité des substrats bactériens

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice

Calcaire Argile

Acides Neutres

Bases

I-1

II-1 II-2

I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m 10^-6 m Colloïdal Silice

Calcaire Argile

(Muris 2004)

I-1 Réactivité des substrats bactériens

I-1

II-1 II-2

I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

I-1 Réactivité des substrats bactériens

Matière Minérale :

Matière Organique : Morte

Lignine, cellulose Acides humiques Acides fulviques Protéines

Sucres

Acides Nucléiques, acides gras, phospholipides

Vivante Microorganismes Champi. Bact.

Biofilms

Particulaire, dissout

10^-9 m Colloïdal 10^-6 m Silice

Calcaire Argile

ADN Protéines

Sucres (EPS)

(Matsukawa & Greenberg 2004)

I-1

II-1 II-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

I-2

I-2 Réactivité du biofilm vs bactéries libres

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

4 5 6 7 8 9 10

pH

scaled mol [HS] / gPr

3 4 5 6 7 8 9 10

BF: pH 3.3 > 11 BF: pH 7.4 > 3.3 > 11 BF: pH 7.9 > 9.9 > 6.6

Bactéries libres Biofil m

Muris 2004

Muris 2004 Muris 2004

Guiné 2006 Tourney 2008

Muris 2004

― Muris2004, Guiné2006, Tourney2008: biofilm plus réactif (H⁺ et Zn²⁺) que bactéries libres.

― Filloux 2003: Rôle structurant des EPS dans les biofilms bactériens.

― Matsukawa & Greenberg 2004: EPS critique formation du biofilm de Pseudomonas aeruginosa.

― Pour comprendre la réactivité du biofilm, nécessité de connaître la réactivité des EPS le constituant:

Réactivité des EPS vis-à-vis des ETM?

Bacillus licheniformis P. putida

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

I-2

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

-Origine bactérienne

-Structure chimique déterminée

-A priori réactif (groupes fonctionnels, COOH, PO₄H, NH₂) -Non gélifiant (travail dans H₂O)

-Littérature abondante

-Polluants métalliques caractéristiques (Zn, Pb, Cu, Cd) (urbains)

-Cu polluant agricole (viticulture, fongicide, phytotoxique, lisier) -Oligoélément mais affinité avec la MO: bioaccumulation toxique

(stérilité, foie, …)

-Cu aisément dosable en solution aqueuse (forme aérobie +II)

ExoPolySacharride (EPS):

Elément Trace Métallique (ETM):

Xanthane

Cu

(d’après Badin 2009)

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1

II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

- Un EPS modèle sécrété par Xanthomonas campestri (Janssen et al.

1975)

- Littérature abondante mais réactivité aqueuse vs ETM peu explorée (Bergmann et al. 2008).

- Définition de la concentration en protons de surface: [H_S] = [PyrCOO^-] + [GlcCOO^-]

H⁺ H⁺

I-1

II-1

II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

- Structure cristalline en hélices 5₁ déterminée par DRX (Moorhouse et al. 1977)

- Transitions conformationnelles hélices rigides-brin flexibles vs T et FI (Morris 1977, Milas & Rinaudo 1979, Moris 1995, Laneuville

2004).

- Transitions conformationnelles hélices simples-hélices doubles (Foss et al. 1987, Capron et al. 1998)

I-1

II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

- Structure solide en hélices 5₁déterminée par DRX (Moorhouse et al.

1977)

- Transitions conformationnelles hélices rigides-brin flexibles vs T et FI (Morris 1977, Milas & Rinaudo 1979, Moris 1995, Laneuville

2004).

- Transitions conformationnelles hélices simples-hélices doubles (Foss et al. 1987, Capron et al. 1998)

II-1

I-1

II-1

II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

- Structure solide en hélices 5₁déterminée par DRX (Moorhouse et al.

1977)

- Transitions conformationnelles hélices rigides-brin flexibles vs T et FI (Morris 1977, Milas & Rinaudo 1979, Moris 1995, Laneuville

2004).

- Transitions conformationnelles hélices simples-hélices doubles (Foss et al. 1987, Capron et al. 1998)

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme

I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

T₁ T₂ T I-1

II-1

II-2

I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-2 Matériel & méthode: caractérisation du xanthane

- Analyses: CPG des oses neutres, RMN ¹³C et ¹H

- Résultats: RMN¹H ci-dessus et CPG : rapport Man/Glc=3/4 - Interprétations:

-PyrCOOH (1) présent 1 motif sur 2.

-GlcCOOH (2) et acétate présents sur chaque motif.

- 1mmol_monomère/g_xanthane

- Calcul de la réactvité théorique aux protons: [H_S]_th= 1.5 mmol/g_xanthane

- Définition mélange équivalent Mix=Pyr+GlcA = [Pyr à 0.5mmol/L]+

[GlcA à 1mmol/L]

I-1

II-1

II-2

I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-2 Matériel: titrages et isothermes de sorption du cuivre

Dispositif Expérimental de titrage

Liaison interface informatique

[H

]

= [H

] - [H

] - + [HO

] [H

]

K

I-1

II-1

II-2

I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-2 Matériel: titrages et isothermes de sorption du cuivre

Dispositif Expérimental de titrage

Liaison interface informatique

Conditions expérimentales : FI = 0.01, 0.1 et 0.5 M (NaNO₃) T = 25°C

[Xanthane] = 1 à 2 g.L^-1 Titrages pH :

Sens + et –

Sans/Avec Cu²⁺ 0.03mM<[Cu²⁺]<0.13mM . Isothermes de sorption Cu²⁺:

pH fixés 3.5 et 5.5

2.10^-5M < [Cu]_tot < 2.10^-3 M.

[Cu]_aq électrode spécifique au cuivre.

Bilan de matière [Cu]_ads = [Cu]_tot – [Cu]_aq. Calibration des électrodes en []

Expériences supplémentaires:

Mélange équivalent Pyr+GlcA titrages et isothermes

Dichroïsme Circulaire = f(pH) du xanthane

à l’IBS (D. Madern)

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique

III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats: Titrage du mélange équivalent Pyr+GlcA =f(FI)

- Pyr+GlcA modèle simple (discret 2 pK à ajusté).

- Evolution en fonction de FI suit la loi de Davies: composés dissouts.

- GlcA respecte bien valeurs tabulées.

- Pyr plus acide qu’attendu: hyp. plus sous forme libre (-I,+I).pKaPyr_libre > pKaPyr_lié

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-3 Résultats: Titrages du xanthane à différentes FI

- Modèle simple à 2 pK discrets défaillant vs FI

- Développement d’effets électrostatiques: modèle du condensateur cylindrique du xanthane avec pK_intr=2. Bases structurales Zhang et al. 1987 et Sho et al.1986. C=/

- Validation du modèle à condensateur cylindrique pour FI<0.2 M + = Na⁺

-= COO^-

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats: Comparaison xanthane et mélange Pyr+GlcA pour FI=0.1M

- Meilleure similitude de comportement pour FI=0.1M

- Modèle simple à un pKa_moyen=2.5 et T=1.5mmol/g

FI=0.1M

La réactivité acide-base du Xanthane est similaire à celle du mélange d’acide qui le constitue. pK_Xan = pK_Mix = 2.5 et Hs_théorique = Hs_exp =

1.5mmol_Hs/g_Xan

FI=0.1M

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats: Titrages en présence de cuivre (FI=0.1M)

- Précipitation de Cu(OH)_2(s) pour les pH > 6.5 (LogKS(I=0 à 1M)=-18.7 à -18.9 Martell & Smith 2004)

- Complexation Xanthane-Cu > complexation Mixt-Cu : effet coopératif/multivalence - Chute d’adsorption à pH neutre !

- Comportement original. Problème de modélisation en thermodynamique classique.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

II-3 Résultats: Isothermes d’adsorption du cuivre

- Comportement original reproductible: chute d’adsorption de Cu²⁺ à pH acide sur le xanthane

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats: Modélisation des isothermes d’adsorption de Cu

- Log KCu-Xan-pH3.5 = 3 ±0.1 > Log KCu-Xan-pH5.5 = 2.6 ±0.1 XanCOO^- + Cu²⁺ ↔ XanCu⁺

- Une transition conformationnelle pH-dépendante peut-elle expliquer ces résultats ?

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Discussion: transitions conformationnelles du xanthane.

- Morris 1977, Milas & Rinaudo 1979: Transitions conformationnelles du xanthane en fonction

de T et de FI : chute du pic à 205 nm pour le xanthane désordonné.

-Nous n’avons pas engendré de transition conformationnelle en F.I.

ni T- Car FI = 0.1M Consante lors des titrages - Tm(FI=0.1M) ~ 80°C or manip à 25°C

- Zhang et al. 1987 montrent une baisse de la longueur de persistance des hélice à pH acide…

Ordon né

Désordon né

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats complémentaires: Dichroïsme circulaire

190 200 210 220 230 240 250 -5*10^-5

5*10^-5 1*10^-4 1.5*10^-4

2*10^-4

0

Xan. pH 3 Xan. pH 7 Xan. pH 11



Longueur d’onde (nm)

Ordonné pH neutre et basiques Désordonné pH acide

- Il existe une transition conformationnelle pH-dépendante.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Discussion: Modèle thermodynamique du xanthane à 2 états 1/2

pKa=2.5pKtransition=5

LogK_pH3.5= 3

LogK_pH5.5=2 .6

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Discussion: Modèle thermodynamique du xanthane à 2 états 2/2

Xanthan Coil complexes intramoléculaire

bipyruvate+Cu favorisés Xanthan ordonné (hélices)

complexes intramoléculaires bipyruvate+Cu (chélatant)

défavorisés

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique

III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire, Matériel & Méthode MM

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

Le problème du système équivalent:

Les conditions expérimentales

Choix et contraintes en MM Pour un temps raisonnable

de calcul:

- Trop d’eau

- Pas assez de xanthane ni Cu²⁺

-Pyr 1 motif sur 2 et GlcA chaque motif (cf. II)

-Hypothèse d’un polymère stéréorégulier PG, G, PG, G… (bactérien, homogénéisation de charge)

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Construction des boîtes modèle à pH3 et pH5.5

(pK<2.26)

(pK3.02)

Rappel: 1 Cu²⁺/2 monomères Insaturés –Taux couv.~1/3 1^ère approx. Pelote inclut confo agreg. _{Hélice 5}

1 d’après Perez & Vergelati 1987

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Matériel & méthode: structures désordonnées du xanthane à pH3

XCOIL XKOIL

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Matériel & méthode: structures ordonnées du xanthane à pH3

XSIMPLE XANTI XPARA

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Matériel & méthode: conditions de périodicité

-Exemple des conditions de périodicités pour les hélices doubles antiparallèles

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Matériel & méthode: conditions initiales (CI)

-Exemple des conditions initiales des systèmes XSIMPLEa et b, et XPARA/XANTIc et d

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Matériel & méthode: CI - boites prêtes pour la MD

-Exemple des conditions initiales des systèmes XSIMPLEc, et XANTIa

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Matériel & méthode: boites supplémentaires

- Tests d’hydratation du xanthane: valider les simulations plus simples (avec moins d’eau)

- Contre ions Na⁺ pour les structures hélices, contre ions Cu²⁺ pour la structure coil.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Matériel & méthode: scénarios en MD

- pH 3 = 6 MD: XCOILa,b,c,d, et XKOILb,d.

- pH 5.5 = 12 MD: XSIMPLEa,b,c,d, et XANTIa,b,c,d, et XPARAa,b,c,d.

-4 MD d’hydratation (XCOILe, XSIMPLEe, XANTIe, XPARAe).

- Champ de force Universal ForceField UFF (Rappe et al. 1992)

(harmonique, tous les élem.)

Basé sur des données expérimentales.

- Interactions longue distance Particle Mesh Ewald (Ding et al.

1992, Cheatham1995):

Cut-of à 25A° amélioré par sommations par mailles dans un crystal.

- Mode NVT Constant (cart T cste., [Xanthane] fixée ->N,V).

Ajustement P.

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle atomique

III-2

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Résultats à pH3 : XCOIL et XKOIL

0 500 1000 1500

t (ps) T (°K) 300

600

900

590

300 FILMS XCOIL

- Toute l’exploration dynamique est réalisée à 900K.

- Grande souplesse des chaînes: sites PG, PP favorisés.

- Peu de Cu-Libre.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Résultats à pH5.5 : XSIMPLE, XANTI, XPARA

FILM XANTI

- Grande rigidité des structures ordonnées: moins de chelatants inter chaines (PG)

- Une partie des PG remplacée par les PGintra

- Plus grande proportion de Cu-Libre et sites simples (P, G)

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Résultats: sites d’adsorption

- pH3: Sites chelatants favorisés (PG,PP,PGintra).

- pH5.5: Plus de Cu-Libre à pH5.5 qu’à pH3.

- Expliqué par une grande souplesse des chaînes à pH3 et la rigidité des hélices à pH5.5 (et sites impliqués dans interactions inter

hélices).

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Résultats des sytèmes hydratés

- A pH3 le temps de MD est insuffisant pour capter les cuivres.

- A pH5.5 le temps de MD est suffisant pour équilibrer

« l’adsorption » des Na⁺_.

- Les systèmes finaux hélices hydratés sont compatibles avec le modèle structural

du condensateur cylindrique du xanthane.

4nm

XCOILe XPARAe

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Méthode indirecte d’évaluation des énergies de complexation 1a/3

1a) Energie de stabilisation du Cuivre hexacoordonné dans l’eau

E

= E

- E

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Méthode indirecte d’évaluation des énergies de complexation 1b/3

1b) Energie de stabilisation du Cuivre par un site simple

E

= E

- E

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Méthode indirecte d’évaluation des énergies de complexation 2/3

2°) Calcul des énergies de complexation des 7 sites potentiels sur des syst. simples -300

-400

-500

-600

Estabilisation [k.J.mol^-1] Cu-Libre

P G

PGintra

GG PP PG

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Méthode indirecte d’évaluation des énergies de complexation 3/3

3°) Pondération des E_Cu-Ligand par l’occurrence de chaque site (c.l.):

―

E

= -522 kcal.mol

< E

= -488 kcal.mol

― Retrouve la tendance des résultats expérimentaux

― Démontre qu’une moins grande densité de sites libres à pH acide peut être compensée/dépassée par une meilleure organisation conformationnelle (formation de chelatants inter et intra chaînes)

― Extension à l’agrégation d’hélices à pH3: confo. inter chaînes agreg.

incluses dans confo. pelote

― Extension à d’autres molécules ?

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Discussion: MM vs Titrages

―G°_model-pH3/G°model-pH5.5 = ECu-xanthane pH3/ ECu-xanthane pH5.5 = 1.07

―G°_exp-pH3.5/G°_exp-pH5.5 = LogKCu-xanthane-pH3.5/ LogKCu-xanthane-pH5.5 = 1.15

― Bonne évolution qualitative. Quantification totale nécessiterait prise en compte de l’énergie d’hydratation du xanthane. Evaluation

envisageable sur les systèmes hydratés…

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages

III-3 Résultats & discussion: RDF

vs. RDF

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Méthode : Calcul des RDF-Cu-Ligand

1/2

- Fonction de Distribution Radiale théorique (RDF_MD):

-x: distance au Cu²⁺ central

-y: densité de probabilité de présence - Calcul sur MD 1 ns 300K, (∫4000 états ≠)

- Contribution deux premières couches élec. (O, C) exclusivement - Sur les sites simples

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Stratégie EXAFS: Calcul des RDF-Cu-Ligand

2/2

- Le site Cu-Libre n’a qu’un seul pic (O) et les autres ont deux pics (C et O) - 2.09A° = r_{O chelate} < r_{O simple} =2.11 A° < r_{O Libre} = 2.13A°

- A_{O chelate} > A_{O simple} -A_{C chelate} > A_{C simple}.

Sites simples Sites chelatants

LibreSimpleChelate

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Principe et résultats: calcul des RDF-MD: c.l. des RDF-Cu-Ligand

Plus grande amplitude des RDF-MD à pH3 qu’à pH5.5

pH3 pH5.5

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P

Intro

III-3 Résultats RDF-EXAFS

Plus grande amplitude des RDF-EXAFS à pH3.5 qu’à pH5.5

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P

Intro

III-3 Résultats: Fits EXAFS

La modélisation des données EXAFS (fits FEFF6) confirme le moins grand nombre

de voisins de la première et deuxième couche à pH5.5 qu’à pH3.5.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P

Intro

III-3 Discussion RDF-MD vs RDF-EXAFS 1/2

1.96 A° 1.94 A° 1.96 A°

2.43A° 2.38A° 2.35A°

_picEXAFS = 0.45 A° > 0.35A° = _picMD

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P

Intro

III-3 Discussion RDF-MD vs RDF-EXAFS 2/2

I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsme I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle atomique

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives

Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

Synthèse des principaux résultats

Compléments d’études: Diffusion de la lumière def. État Coil en agrégation

MD simulation à pH3 agrégation plusieurs hélices identiques, pelote

?

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

Conclusions & Perspectives

Echelle Moléculaire

-

- Modèle QM/MM: RDF_model avec prise en compte des effets quantiques - Effets de conformation: sites chelatants, variable pH

Echelle Macroscopique

-

- C_COOH/C_tot-HA =1/12 LogK_CuHA = 2.5 à 3.8 (Matynia 2009)

- C_COOH/Ctot-macromol-Sol ? seuil critique effet chelatant (réactivité MO sol vs ligands simples)

Echelle Transferts réactifs ?

-

- Conformation vs. mobilité ?

- Pb confo. indice de résultats contradictoires (Muris 2004 & Tourney et al. 2008 vs Ueshima et al. 2008)

Avancer dans la compréhension des mécanismes réactifs ETM vs sols

Cécile Delolme Yves Perrodin Lorenzo Spadini Géraldine Sarret Delphine Tisserand Karim Mazeau

Alain Heyraud Jean Martins

Véronique Guiné Jean-Paul Gaudet Roberto Geremia Yohann Curtet

Dominique Madern Christine Bigot

Etienne Jaillard

Anne-Marie Boulier Alain Manceau

Martine Lanson Gaspard Causse Marion Causse

Les thésards du LGIT

Tous mes compagnons de cordée pendant ces 3 ans…

MERC

I!

Questions ?

I-1

II-1 II-2 I-2

I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Mécanique moléculaire: fonction d’énergie potentielle

- L’énergie est champ de force dépendante: k_d, k_, k_, k_, A, B, , d₀, ₀, ₀.

pot

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Mécanique moléculaire vs Dynamique moléculaire

- Minimisation d’énergie (ME) (steapest descent, newton- raphson) dépend des CI

- La dynamique moléculaire (MD) est indépendante des CI:

-(1) Augmentation de T

-(2) Exploration, déformation, recherche de l’état d’équilibre

-(3) Baisse de T

Les barrières d’énergie potentielle sont difficiles à franchir si E_C trop faible.

Statistiquement, les systèmes tendent vers des états d’équilibre

ME

(1)

(2)

(3)

MD

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Matériel et méthode: synthèse du polysaccharide xanthane 1/2

-Cerius2. Cermav. Serveur cecicsgi2

-Calcul des charges méthode Qeq (Ding et al. 1992)

-ME: Smart Minimizer de Cerius2 conv. crit.= 10-3kcal.mol-1

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Matériel et méthode: synthèse du polysaccharide xanthane 2/2

-Pyr 1 motif sur 2 et GlcA chaque motif (cf. II)

-Hypothèse d’un polymère stéréorégulier PG, G, PG, G… (bactérien, homogénéisation de charge)

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-1 Matériel & méthode: structures ordonnées du xanthane à pH3

Hélice 5₁ d’après Perez & Vergelati 1987

XSIMPLE

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Stratégie EXAFS: Validation des RDF-Cu-Ligand

et

1/2

-Similitudes:

- r_{O chelate} < r_{O simple} < r_{O Libre}

- A_{C Libre} = 0 < A_{C Simple} < A_{C Chelate} -A_{O Simple} < A_{O Chelate}

-Différences:

- rdans xanthane = r_solo + 0.05A° (gène stérique) - AO Libre dans xanthane < AO Libre solo car RDF intégrée sur molécules d’eau en cours d’échange…

Validation des RDF-Cu-Ligand solo représentative des RDF-Cu- Ligand dans xanthane

Plan de la présentation I-1 Composition chimique du sol

II-1 Xanthane: rapide état de l’art

II-2 Matériel & méthode: titrages, isothermes, dichroïsmes I-2 Réactivité des composantes du biofilm

I-3 Définition du système d’étude Xanthane-Cuivre

II-3 Résultats & discussion: modèle thermodynamique III-1 Définition du problème à l’échelle moléculaire

III-2 Résultats & discussion: Modélisation Moléculaire vs. Titrages III-3 Résultats & discussion: RDF_MD vs. RDF_EXAFS

C&P Conclusions & Perspectives Intro

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-1 Dynamique moléculaire (MD)

Application du Principe Fondamental de la Dynamique (Newton) à i atomes:

- Calcul des r_i(t) et v_i(t) pas à pas (génération des v₀ distrib.

Maxwell à T_fixée)

- Pas d’intégration t = 1 fs = 1.10^-15 s << fréquences de vibrations des molécules

- Cerius2. Cermav. Serveur cecicsgi2

- Champ de force Universal ForceField UFF (Rappe et al. 1992)

(harmonique, tous les élem.)

Basé sur des données expérimentales

- Interactions longue distance Particle Mesh Ewald (Ding et al.

1992, Cheatham1995):

Cut-of à 25A° amélioré par sommations par mailles dans un crystal.

- Calcul des charges méthode Q_eq (Ding et al. 1992)

- ME: Smart Minimizer de Cerius2 conv. crit.= 10^-3kcal.mol^-1 - Mode NVT Constant (cart T cste., [Xanthane] fixée ->N,V).

Ajustement P.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Stratégie EXAFS: Validation des RDF-Cu-Ligand

et

2/2

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P Intro

III-3 Corrélation linéaire distances EXAFS (réelles)-distance MM sous UFF

Référence CSD: Bi-malate de cuivre

R

= 0.9731 * r

– 0.0916 [A°]

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2

III-3

C&P

Intro

III-3 Résultats EXAFS

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 EXAFS: Généralités

- Principe : Spectroscopie d’absorption X. Rayonnement synchrotron

- Objectif : Accéder à l’environnement atomique d’un métal : Nombre de Coordination, Distances métals-voisins

Ici Photo ESRF

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Matériel & méthode: préparation des échantillons EXAFS

-Problème: maximiser la complexation pour éviter d’observer Cu²⁺

dans l’eau.

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Méthode: traitement des données EXAFS

-Extraction -Analyse

-Génération des RDF-EXAFS

-Modélisation des premières couches (FEFF6)

I-1

II-1

II-2

I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-2 Méthode: modélisations des titrages sans effet électrostatique

- Modèle discret à deux pK: 4 paramètres T₁, T₂, pK₁, pK₂.

- Calcul de l’écart modèle vs expérience: Somme Normalisée des moindres Carrés (NSS):

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3

III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-3 Résultats: Titrage du mélange équivalent Pyr+GlcA =f(FI)

- Faible évolution des pK en fonction de FI très bien décrite par la loi de Davies

(A=0.5 usi et B=0.25)

- On a bien affaire à des composés dissouts

I-1

II-1

II-2

I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

II-2 Méthode: modélisations des titrage avec effet électrostatique

- Prises en compte des effets de FI: modèle du condensateur cylindrique du xanthane

- Face négative: contoure xanthane, face positive contre ions Na⁺ (FI).

- Distance entre les plaques R2-R1 = f(FI) = (AN en nm)

- Calcul de la capacitance C = / par le théorème de Gauss

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P Intro

III-2 Méthode directe d’évaluation des énergies de complexation

― La méthode ne permet pas de conclure. ECu-XanpH3 et ECu-XanpH5.5 se recouvrent dans leurs écart type!

― Pas adapté car énergie calulée à un instant donné t=300ps MDfinale or devrait être une intégration sur 1 ns MDfinale. Necessité de programmer la méthode.

―La méthode directe permet de conclure sur les énergies relatives des sites de complexation:

E_PG~E_PP~E_GG <E_PGintra <E_P~E_G <E_Cu-Libre <0

I-1

II-1 II-2 I-2 I-3

II-3 III-1 III-2 III-3 C&P

Intro

III-2 Méthode: traitement des données EXAFS

-Extraction -Analyse

-Génération des RDF-EXAFS

-Modélisation des premières couches (FEFF6)

Principe : Spectroscopie d’absorption X. Rayonnement synchrotron

Objectif : Accéder à l’environnement atomique d’un métal : Nombre de Coordination, Distances