Estimer les vitesses de biodégradation des chloroéthènes : l apport des marqueurs microbiologiques

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1 Estimer les vitesses de biodégradation des chloroéthènes : l apport des marqueurs microbiologiques Sébastien KASKASSIAN 1, Cédric MALANDAIN 2, Alexiane GODAIN 3, Thomas GLEIZE 1, Olivier SIBOURG 2 et Timothy M. VOGEL 3 1 BURGEAP Recherche & Développement, 19 rue de la Villette, Lyon Cedex03 2 ENOVEO, 7 place Antonin Poncet, Lyon 3 Environmental Microbial Genomics group, Laboratoire Ampère, CNRS UMR 5005, Ecole Centrale de Lyon, Université de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, Ecully

2 Introduction Démocratisation des méthodes de biologie moléculaire o Preuve qualitative de la présence des mécanismes biologiques (Atténuation Naturelle, biostimulation) o qpcr : mesure la «présence» (ADN) et l «activité» (ARN) des bactéries (Dehalococcoides, gène rrs ou 16S) et gènes impliqués dans la déchloration réductive des chloroéthènes Objectifs du projet Exemple : Gènes impliqués dans la dégradatio réductive des solvants chlorés vcra tcea bvca Lyon - 12/04/2011 ENOVEO Bioengineering Environmental Solutions PCE TCE cis-dce VC Ethene o Vérifier la présence de corrélations entre le nombre de gènes transcrits (ARN) et les vitesses de biodégradation des chloroéthènes o Proposer une méthodologie d interprétation des données d un site intégrant les analyses des biomarqueurs microbiologiques pcea prda 2

3 Site expérimental Méthodologie o Panache concentré en chloroéthènes dans un aquifère alluvial o Mesures dans les eaux et les sols en 12 sondages x 4 à 5 profondeurs : paramètres in-situ, chloroéthènes, accepteurs d e -, biomarqueurs o Prélèvement de carottes de sol et d eau du site pour construire les colonnes de percolation Chloroethenes (µmol/l) Au laboratoire o Montage de 16 colonnes de percolation recouvrant une large palette de conditions (lithologie, concentration, redox, accepteurs d e -, ) o Suivi pendant 1 à 6 mois (entrée / sortie) et sacrifice à la fin (sols) 3

4 µmol/l Vitesses de biodégradation Au laboratoire o Détermination : V bio = [C in - C out ] / T séjour selon 4 méthodes de lissage des C(t) o Corrélation des V bio avec les biomarqueurs des effluents (sauf vcra) ,1 0,01 PCE - out TCE - out cis-dce - out CV - out PCE - in TCE - in cis-dce - in CV - in CE - in CE - out Conc. (µmol/l) vs. Vol. Pore Sur site 0, Volumes de pore o Détermination : V bio = [C amont - C aval ] / T séjour, où T séjour = L*w / (K*i) sur panache 3D interpolé, tests de distance «amont-aval» (4m retenu) o Corrélation des V bio avec les biomarqueurs de l eau du site : ADN.16S, ADN.tceA, ADN.bvcA, ADN et ARN vcra et des sols du site : ARN.tceA et ADN.bvcA PCE (µg/l) fond d aquifère 4

5 Cohérence des approches Comparaison des V bio déterminées sur site et en colonnes de laboratoire au même endroit Les V bio sont du même ordre malgré les différences d approche et de temps de séjour Sur site, V bio déterminées o 18 points x 6 composés o Forte hétérogénéité spatiale : V bio-pce de 0,02 à 319 µg/l/jour o Recherche de modèles de prédiction des V bio à partir des variables corrélées les biomarqueurs (eau et sol) 5

6 Modèles V bio = f [biomarqueurs] Modèles linéaires o Relativement «bons» (R 2 >0,92 sauf PCE R 2 =0,76) o Variables prépondérantes pour les 6 composés biomarqueurs de l eau ADN et ARN (50-50%) 16S, vcra et bvca Cis-DCE PCE V bio PCE # ,5E-06*vcrA.ADN.EAU + 5,0E-05*vcrA.ARN.EAU V bio cis-dce # ,3E-04*vcrA.ADN.EAU - 1,4E-03*vcrA.ARN.EAU V bio Ethene # ,3E-06*16S.ARN.EAU - 1,2E-05*vcrA.ADN.EAU + 5,4E-05*vcrA.ARN.EAU D autres modèles? o Modèles non linéaires difficiles à utiliser o Modèles linéaires sur les colonnes plus sensibles car le jeu de données est moins fourni Ethène 6

7 Retours d expérience (1) Appréciation des mécanismes de biodégradation o Interprétation des données chimiques pour évaluation qualitative o Biomarqueurs complètent l identification des zones favorables à la biodégradation corrélation SCE, CV et éthène avec ARN.16S-eau Approche pour quantifier les cinétiques de biodégradation o Cohérence Approche Site & Approche Labo. estimation V bio et l bio o Bilan coûts / avantages / représentativité on recommande l approche site o Cette approche nécessite une caractérisation détaillée (3D) des concentrations en polluants et paramètres de la nappe + interpolation quel est l apport des analyses isotopiques pour réduire la densité de mesures dans le panache? Quel bilan coûts / avantages? 7

8 Retours d expérience (2) Valorisation des biomarqueurs pour estimer les V bio o Prédiction à partir des biomarqueurs de l eau de nappe (et non des sols) et besoin de l ARN et de l ADN o Faible valorisation des biomarqueurs sol difficultés d extraction dans des sols sableux malgré l optimisation réalisée? o Concentrations en ARN seul ne suffisent pas les corrélations & modèles sont-ils généralisables ou spécifiques au site étudié? aux conditions existantes (AN vs. biostimulation)? 8

9 Capteurs spécifiques des populations microbiennes Perspectives o Biomarqueurs de l eau valorisés / difficulté d extraction depuis les sols o Nouvelle matrice de prélèvement qui mime les populations des sols Robustesse de la démarche, généralisation / spécificité des corrélations et modèles o Tests sur plusieurs sites aux conditions variées o Atténuation Naturelle vs. Biostimulation Compléter chimie & µ-biologie par l isotopie o Identifier la nature des mécanismes AN et des voies métaboliques o Sécurisation du calcul des V bio ( V AN-globale ) notamment pour limiter la densité des points de mesure dans le panache 9