Toxicité bactérienne du fer zéro valent nanométrique sulfuré dans les systèmes aérobies et anaérobies : implications pour les stratégies de nettoyage des solvants chlorés
Contexte académique
L’utilisation généralisée et le rejet inapproprié de solvants chlorés (comme le tétrachloroéthylène et le trichloroéthylène) ont entraîné une pollution grave des sols et des eaux souterraines à l’échelle mondiale. Ces polluants menacent non seulement la sécurité des eaux souterraines, mais peuvent également affecter la santé humaine via la chaîne alimentaire. Bien que les techniques traditionnelles de déchloruration microbienne par réduction puissent dégrader ces polluants, leur taux de dégradation est relativement faible et s’arrête souvent à des produits intermédiaires plus toxiques. Pour améliorer l’efficacité de la dégradation, les matériaux de fer zéro-valent nanométrique (nZVI) ont été introduits dans la dépollution, car ils peuvent dégrader rapidement les solvants chlorés par réaction chimique. Cependant, la forte réactivité du nZVI peut également être toxique pour les communautés microbiennes, en particulier lorsqu’elle est combinée avec des techniques de biorestauration.
Ces dernières années, le fer zéro-valent nanométrique sulfuré (S-nZVI) est devenu un matériau innovant en raison de sa sélectivité et de sa réactivité accrues envers les solvants chlorés. Cependant, les recherches sur la toxicité potentielle du S-nZVI envers les communautés microbiennes restent limitées. Cette étude vise à évaluer la toxicité du S-nZVI en conditions aérobies et anaérobies, en particulier son impact sur les communautés microbiennes dégradant les solvants chlorés, afin de fournir une base scientifique pour les stratégies combinées de biorestauration et de restauration abiotique.
Source de l’article
Cet article a été réalisé par une équipe de recherche composée de membres de l’Université technique du Danemark (Technical University of Denmark), du département des eaux souterraines de la région capitale du Danemark (Capital Region of Denmark), du Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ German Research Center for Geosciences), de l’Université libre de Berlin (Free University of Berlin) et de l’Université de Copenhague (University of Copenhagen). L’article a été publié le 3 avril 2024 dans la revue Geo-Bio Interfaces sous le titre Bacterial toxicity of sulfidated nanoscale zerovalent iron in aerobic and anaerobic systems: implications for chlorinated solvent clean-up strategies.
Processus et résultats de la recherche
1. Synthèse et caractérisation des matériaux
L’étude a d’abord synthétisé deux matériaux différents de fer zéro-valent nanométrique sulfuré : l’un sulfuré avec du sulfure de sodium (Na₂S), et l’autre avec du dithionite de sodium (Na₂S₂O₄). Les matériaux ont été caractérisés par microscopie électronique à transmission (TEM), spectroscopie photoélectronique X (XPS) et diffusion des rayons X à haute énergie (HEXRD). Les résultats ont montré que le matériau Na₂S-S-nZVI présentait une couche uniforme de sulfure de fer (FeS) à sa surface, tandis que le matériau Na₂S₂O₄-S-nZVI présentait une structure plus complexe, composée d’un mélange de sulfure de fer et d’hydroxyde de fer (Fe(OH)₂).
2. Expériences de toxicité bactérienne
L’étude a choisi Shewanella oneidensis MR-1 (S. MR-1) comme sujet d’expérience pour évaluer la toxicité des matériaux S-nZVI et nZVI en conditions aérobies et anaérobies. La viabilité cellulaire a été mesurée par dénombrement des unités formant des colonies (CFU) et par la méthode de bioluminescence de l’adénosine triphosphate (ATP). Les résultats ont montré qu’en conditions aérobies, la toxicité des matériaux S-nZVI envers S. MR-1 était significativement plus faible que celle des matériaux nZVI, avec la toxicité la plus faible pour le Na₂S-S-nZVI. En conditions anaérobies, les différences de toxicité entre les trois matériaux étaient plus faibles, mais les matériaux S-nZVI présentaient toujours une toxicité plus faible.
3. Expériences de toxicité sur les communautés microbiennes mixtes
L’étude a également évalué l’impact des matériaux S-nZVI et nZVI sur la communauté microbienne commerciale de déchloruration KB-1® et sur une communauté de dégradation du trichloroéthylène (TCE) cultivée en laboratoire. L’activité des communautés microbiennes a été surveillée par la méthode de bioluminescence de l’ATP. Les résultats ont montré que la communauté KB-1® présentait une tolérance significativement plus élevée aux matériaux S-nZVI et nZVI que la communauté cultivée en laboratoire, en particulier à des concentrations élevées (1000 mg/L), où l’activité ATP de KB-1® restait élevée. En revanche, la communauté cultivée en laboratoire s’est rapidement inactivée après exposition au nZVI.
4. Analyse des mécanismes de toxicité
En utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM), les chercheurs ont observé qu’en conditions anaérobies, les matériaux nZVI et Na₂S₂O₄-S-nZVI formaient des précipités minéraux abondants à leur surface, qui adhéraient étroitement à la surface des cellules, ce qui pourrait entraîner leur inactivation. En revanche, le matériau Na₂S-S-nZVI a montré une meilleure stabilité, sans formation de précipités minéraux évidents. De plus, l’étude a révélé que la toxicité en conditions aérobies était principalement liée à la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), tandis qu’en conditions anaérobies, la toxicité était liée à des dommages directs à la membrane cellulaire et à la formation de précipités minéraux.
Conclusion et importance
Cette étude montre que le fer zéro-valent nanométrique sulfuré (S-nZVI) présente une faible toxicité bactérienne dans la dépollution des solvants chlorés, en particulier en conditions aérobies, où le matériau Na₂S-S-nZVI présente un avantage significatif. De plus, la tolérance élevée de la communauté KB-1® aux matériaux S-nZVI et nZVI suggère son potentiel important dans les stratégies combinées de biorestauration et de restauration abiotique. Les résultats de cette étude fournissent une base scientifique pour optimiser les techniques de dépollution des solvants chlorés, en particulier dans la conception de stratégies combinées où l’utilisation de matériaux S-nZVI peut réduire significativement la toxicité envers les communautés microbiennes, améliorant ainsi l’efficacité de la dépollution.
Points forts de la recherche
- La sulfuration réduit la toxicité bactérienne du nZVI : En conditions aérobies, la sulfuration réduit significativement la toxicité du nZVI envers S. MR-1, avec la toxicité la plus faible pour le matériau Na₂S-S-nZVI.
- Impact des différentes méthodes de sulfuration : Le matériau nZVI sulfuré avec du sulfure de sodium présente une meilleure stabilité et une toxicité plus faible, tandis que le matériau sulfuré avec du dithionite de sodium montre une oxydabilité et une toxicité plus élevées.
- Haute tolérance de la communauté KB-1® : La communauté KB-1® présente une tolérance significativement plus élevée aux matériaux S-nZVI et nZVI que la communauté cultivée en laboratoire, ce qui démontre sa valeur dans les stratégies de restauration combinées.
- Diversité des mécanismes de toxicité : La toxicité en conditions aérobies est principalement liée à la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), tandis qu’en conditions anaérobies, elle est liée à la formation de précipités minéraux et à des dommages à la membrane cellulaire.
Autres informations utiles
L’étude souligne également que la réactivité sélective et la faible toxicité des matériaux de fer zéro-valent nanométrique sulfuré ouvrent des perspectives prometteuses pour la dépollution environnementale. Les recherches futures pourraient explorer l’impact des différentes méthodes de sulfuration sur les performances des matériaux, ainsi que la manière d’optimiser les procédés de sulfuration pour améliorer l’efficacité de la dépollution et la compatibilité environnementale.