Influence de la matière organique sur la mobilité et la biodisponibilité de l'arsenic liées aux activités bactériennes dans la zone non saturée des sols pollués

The soil microflora plays a major role in the mobilization of metals and metalloids in soils. The global bacterial oxidation of AsIII to AsV tends to decrease the toxicity and mobility of arsenic in soils. The effect of organic matter (OM) on bacterial AsIII oxidation in presence of oxygen and its potential impact on the behavior of arsenic in non-saturated soils has not been determined up to date. However, supply of OM on polluted sites can be proposed in the context of a phytostabilization operation. Furthermore, agricultural soils affected by diffuse As pollution may be fertilized by organic amendments that could impact arsenic transfer. The objective of the present PhD thesis was to quantify the influence of OM on the speciation of As by the polluted soil microflora and the consequences of this process on arsenic mobility. The influence of OM on the speciation of As was evaluated (1) at the physiological and molecular levels on two pure strains and (2) at global level by AsIII oxidation measurements by microbial communities from polluted soils and on soils incubations. The effect of the nature of OM was considered through the comparison of simple and complex substrates. The experiments with Thiomonas delicata and Herminiimonas arsenicoxydans showed a negative effect of OM on the specific AsIII oxidation rate. Yeast extract (YE) induced a decrease of aioA gene (encoding for the big subunit of arsenite oxidase responsible for AsIII oxidation) expression with both pure strains. At the level of soils microbial communities, AsIII oxidizing activity were measured on 8 As-polluted soils. Measurements were realized in culture media containing different concentrations of OM. Two complex OMs were compared: YE and a synthetic mixture of organic matters (SMOM) whose composition was inspired from soils OM characteristics (C/N ratio and proportion of functional groups). Correlations were searched between soils characteristics and AsIII bio-oxidation rate constants with and without added OM. Results indicate that AsIII oxidation rate by the soil microflora was limited by available OM and this limitation was removed by the addition of 0.08 g L-1 of organic C as YE or SMOM. When the addition of OM reached 0.4 g L-1 of C, divergent results were observed: YE was less inhibiting than SMOM. Finally, an experiment was carried out to evaluate the combined influence of microbial activity and SMOM addition on As mobilization from polluted soils incubated as slurries at laboratory scale. A mobilization of As present in the polluted soils was observed in presence of both SMOM and active microorganisms. This PhD thesis enlightens the important role played by OM metabolism within the biogeochemical cycle of As, which should be given consideration in the context of polluted site remediationLa microflore joue un rôle majeur dans la mobilité des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols. L’activité bactérienne globale d’oxydation de l’AsIII en AsV tend à diminuer la toxicité et la mobilité de l’arsenic (As) dans les sols, cependant l’effet de la matière organique (MO) sur cette activité n’a pas été déterminé jusqu’à présent. Il est important de répondre à cette question car sur des sites pollués, un apport de MO peut être préconisé dans le cadre d’opérations de phyto-stabilisation. Par ailleurs, dans un contexte de pollution diffuse, les pratiques agricoles d’amendement des sols pourraient avoir un impact sur le transfert d’As. L’objectif de ce projet de thèse était donc de quantifier l’influence de la MO sur la spéciation de l’As par la microflore de sols pollués, et les conséquences de ce processus sur la mobilité du métalloïde. L’influence de la MO sur la spéciation de l’As a été évaluée (1) au niveau physiologique et moléculaire, sur l’activité de deux souches pures et (2) au niveau global, par l’évaluation de l’activité d’oxydation de l’AsIII par les communautés microbiennes de sols pollués et des incubations de sols. L’effet de la nature même de la MO a été examiné à travers la comparaison de substrats simples et complexes. Les expériences réalisées avec les souches de Thiomonas delicata et Herminiimonas arsenicoxydans ont montré un effet négatif de la MO sur la vitesse spécifique d’oxydation de l’AsIII. L’extrait de levure (EdL) induit une diminution de l’expression du gène aioA codant pour la grande sous-unité de l’arsénite-oxydase permettant l’oxydation de l’arsenic, avec les deux souches pures. Au niveau plus global des communautés microbiennes de sols, l’activité AsIII-oxydantes a été évaluée sur 8 sols pollués par de l’As. Les mesures ont été effectuées dans des milieux de cultures contenant différentes concentrations de MO. Deux MO complexes ont été comparées : l’EdL et une mixture synthétique de molécules organiques (SMOM) dont la composition a été inspirée par les caractéristiques de la MO de sols réels (rapport C/N, contenu en groupes fonctionnels). Des corrélations ont été recherchées entre les caractéristiques des sols et la constante de vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore, avec et sans ajout de MO. La vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore des sols semble limitée par la MO disponible, et cette limitation est levée par un apport de 0,08 g.L-1 de C apporté sous forme d’EdL ou de SMOM. Lorsque l’apport de MO s’élève à 0,4 g.L-1 de C, des résultats divergents sont observés : l’EdL est moins inhibiteur que la SMOM. Enfin, une expérience a été réalisée dans le but d’évaluer l’influence combinée de l’activité microbienne et de l’apport de SMOM sur la mobilisation de l’As présent dans quatre sols pollués, incubés au laboratoire en suspension. Une mobilisation dans la phase aqueuse de l’As présent dans les sols pollués est observée en présence de SMOM et de microorganismes actifs. Ce travail de thèse apporte un éclairage sur le rôle important joué par le métabolisme de la MO au sein du cycle biogéochimique de l’As, phénomène devant être pris en compte lors des études visant à optimiser la remédiation des sites pollué

Influence of organic matter on the mobility and bioavailability of arsenic related to bacterial activity in the unsaturated zone of contaminated soil

La microflore joue un rôle majeur dans la mobilité des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols. L’activité bactérienne globale d’oxydation de l’AsIII en AsV tend à diminuer la toxicité et la mobilité de l’arsenic (As) dans les sols, cependant l’effet de la matière organique (MO) sur cette activité n’a pas été déterminé jusqu’à présent. Il est important de répondre à cette question car sur des sites pollués, un apport de MO peut être préconisé dans le cadre d’opérations de phyto-stabilisation. Par ailleurs, dans un contexte de pollution diffuse, les pratiques agricoles d’amendement des sols pourraient avoir un impact sur le transfert d’As. L’objectif de ce projet de thèse était donc de quantifier l’influence de la MO sur la spéciation de l’As par la microflore de sols pollués, et les conséquences de ce processus sur la mobilité du métalloïde. L’influence de la MO sur la spéciation de l’As a été évaluée (1) au niveau physiologique et moléculaire, sur l’activité de deux souches pures et (2) au niveau global, par l’évaluation de l’activité d’oxydation de l’AsIII par les communautés microbiennes de sols pollués et des incubations de sols. L’effet de la nature même de la MO a été examiné à travers la comparaison de substrats simples et complexes. Les expériences réalisées avec les souches de Thiomonas delicata et Herminiimonas arsenicoxydans ont montré un effet négatif de la MO sur la vitesse spécifique d’oxydation de l’AsIII. L’extrait de levure (EdL) induit une diminution de l’expression du gène aioA codant pour la grande sous-unité de l’arsénite-oxydase permettant l’oxydation de l’arsenic, avec les deux souches pures. Au niveau plus global des communautés microbiennes de sols, l’activité AsIII-oxydantes a été évaluée sur 8 sols pollués par de l’As. Les mesures ont été effectuées dans des milieux de cultures contenant différentes concentrations de MO. Deux MO complexes ont été comparées : l’EdL et une mixture synthétique de molécules organiques (SMOM) dont la composition a été inspirée par les caractéristiques de la MO de sols réels (rapport C/N, contenu en groupes fonctionnels). Des corrélations ont été recherchées entre les caractéristiques des sols et la constante de vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore, avec et sans ajout de MO. La vitesse d’oxydation de l’AsIII par la microflore des sols semble limitée par la MO disponible, et cette limitation est levée par un apport de 0,08 g.L-1 de C apporté sous forme d’EdL ou de SMOM. Lorsque l’apport de MO s’élève à 0,4 g.L-1 de C, des résultats divergents sont observés : l’EdL est moins inhibiteur que la SMOM. Enfin, une expérience a été réalisée dans le but d’évaluer l’influence combinée de l’activité microbienne et de l’apport de SMOM sur la mobilisation de l’As présent dans quatre sols pollués, incubés au laboratoire en suspension. Une mobilisation dans la phase aqueuse de l’As présent dans les sols pollués est observée en présence de SMOM et de microorganismes actifs. Ce travail de thèse apporte un éclairage sur le rôle important joué par le métabolisme de la MO au sein du cycle biogéochimique de l’As, phénomène devant être pris en compte lors des études visant à optimiser la remédiation des sites polluésThe soil microflora plays a major role in the mobilization of metals and metalloids in soils. The global bacterial oxidation of AsIII to AsV tends to decrease the toxicity and mobility of arsenic in soils. The effect of organic matter (OM) on bacterial AsIII oxidation in presence of oxygen and its potential impact on the behavior of arsenic in non-saturated soils has not been determined up to date. However, supply of OM on polluted sites can be proposed in the context of a phytostabilization operation. Furthermore, agricultural soils affected by diffuse As pollution may be fertilized by organic amendments that could impact arsenic transfer. The objective of the present PhD thesis was to quantify the influence of OM on the speciation of As by the polluted soil microflora and the consequences of this process on arsenic mobility. The influence of OM on the speciation of As was evaluated (1) at the physiological and molecular levels on two pure strains and (2) at global level by AsIII oxidation measurements by microbial communities from polluted soils and on soils incubations. The effect of the nature of OM was considered through the comparison of simple and complex substrates. The experiments with Thiomonas delicata and Herminiimonas arsenicoxydans showed a negative effect of OM on the specific AsIII oxidation rate. Yeast extract (YE) induced a decrease of aioA gene (encoding for the big subunit of arsenite oxidase responsible for AsIII oxidation) expression with both pure strains. At the level of soils microbial communities, AsIII oxidizing activity were measured on 8 As-polluted soils. Measurements were realized in culture media containing different concentrations of OM. Two complex OMs were compared: YE and a synthetic mixture of organic matters (SMOM) whose composition was inspired from soils OM characteristics (C/N ratio and proportion of functional groups). Correlations were searched between soils characteristics and AsIII bio-oxidation rate constants with and without added OM. Results indicate that AsIII oxidation rate by the soil microflora was limited by available OM and this limitation was removed by the addition of 0.08 g L-1 of organic C as YE or SMOM. When the addition of OM reached 0.4 g L-1 of C, divergent results were observed: YE was less inhibiting than SMOM. Finally, an experiment was carried out to evaluate the combined influence of microbial activity and SMOM addition on As mobilization from polluted soils incubated as slurries at laboratory scale. A mobilization of As present in the polluted soils was observed in presence of both SMOM and active microorganisms. This PhD thesis enlightens the important role played by OM metabolism within the biogeochemical cycle of As, which should be given consideration in the context of polluted site remediatio

Oxidation of As(III) by the bacterial community of a marine sediment monitored by microcalorimetry

International audienceOxidation of arsenic(III) by the bacterial community of a contaminated sediment (from the Estaque marina, Marseille, France) was studied using microcalorimetry. A low but reproducible heat output was detectable during microbial As(III) oxidation. The thermal effects were of the same order of magnitude as the standard enthalpy for abiotic As(III) oxidation by oxygen. Parameters associated with the biogeochemical cycles of arsenic, iron and carbon were studied in parallel. Amendment with arsenite delayed CO2 production and increased the rate of Fe(II) oxidation in the sediment. These results suggest a correlation between arsenic and iron biogeochemical cycles and mineralization of organic matter

Influence of organic matters on the bacterial As(III) oxidation in polluted soils

Proceedings of the 5th International Congress on Arsenic in the Environment, May 11-16, 2014, Buenos Aires, ArgentinaInternational audienceThe global bacterial AsIII-oxidizing activity tends to decrease As toxicity in soils and its transfer toward underlying aquifers. The influence of different types of organic matters on arsenic speciation by pure strains and soils microflora was determined. Experimental results show that the presence of organic matter has a negative effect on the specific rate of AsIII oxidation by pure strains presenting different metabolisms. In parallel, experiments are performed with various soils from different types of polluted sites: former mining and industrial sites, forest and agricultural soils impacted by mining activities. The effect of yeast extract on the AsIII-oxidizing activity of the soil microflora is evaluated while considering the potential influence of soil parameters. Results suggest a variable influence of yeast extract on AsIII oxidation kinetics according to the range of yeast extract concentration. As a whole, experimental data strongly suggest a negative effect of organic matter on bacterial AsIII oxidation

Influence de substrats organiques sur la cinétique bactérienne d'oxydation de l'arsenic III

La microflore des sols joue un rôle majeur dans le comportement des éléments métalliques et métalloïdes. Certaines bactéries sont ainsi capables d'oxyder l'AsIII en AsV, moins toxique et moins mobile. Des travaux effectués avec des bactéries AsIII-oxydantes dans le cadre de différents projets indiquent un effet très significatif de la matière organique sur l'activité de ces micro-organismes en aérobie. La matière organique apparaît comme ralentissant la transformation de l'AsIII en AsV par les bactéries en condition aérée. L'objectif de ce travail a été d'estimer l'influence d'un apport d'extrait de levure sur la spéciation de l'arsenic par (1) deux souches bactériennes AsIII-oxydantes (H. arsenicoxydans et T. delicata) et (2) la microflore de sols pollués. Des résultats préliminaires suggèrent un effet significatif de la concentration en extrait de levure sur la cinétique d'oxydation de l'arsénite par les deux souches bactériennes. La présence de substrat organique pourrait inhiber le processus d'oxydation, parce que les bactéries métaboliseraient les substrats les plus intéressants du point de vue énergétique. Il est aussi possible qu'en présence de matière organique, le système Ars de réduction de l'AsV soit plus actif et entre en compétition avec le système Aio d'oxydation de l'AsIII, induisant une vitesse d'oxydation globale plus faible. Des expérimentations conduites sur les communautés bactériennes de six sols pollués ont montré une oxydation plus lente de l'AsIII pour les deux sols les plus faiblement contaminés en As. Ceci a permis de mettre en évidence une relation entre la contamination in situ en As et le comportement de la communauté microbienne d'oxydation de l'arsénite. Ces résultats pourraient être dus à une plus grande tolérance des bactéries vis-à-vis de l'As dans les sols ayant les plus hautes teneurs en As, ou bien à une " sélection " de bactéries AsIII-oxydantes autotrophes. La teneur en carbone organique du sol semble influencer les cinétiques d'oxydation de l'AsIII : dans les sols à faible teneur en carbone organique ( 1,4 %), un ajout d'extrait de levure semble ralentir voire inhiber l'oxydation de l'arsénite. Cet ajout de substrat organique à la matière organique déjà présente dans le sol aurait pour effet d'atteindre un seuil inhibiteur pour les sols les plus riches. Les structures des communautés microbiennes des sols étaient aussi probablement d'ores et déjà différentes compte tenu des concentrations originales en matière organique

Influence of organic matter and microbial activities on the mobility of arsenic and metals in polluted soils

International audienceProcesses of remediation on anthropogenic polluted sites often involve the addition of organic amendments to restore soils biological functions and physic-chemical properties. However, interactions between organic matter and bacterial activities with inorganic pollutants drive many biogeochemical reactions influencing metal(loids) mobility. Incubation experiments were performed with four polluted soils sampled on industrial and mining sites all, containing high concentration of arsenic, iron, together with lead and antimony on one site. Soils were incubated in aerobic slurries, with or without addition of a complex mixture of organic substances. Abiotic controls were prepared with autoclaved soils. Arsenic speciation and concentrations of total arsenic and metals were determined at the beginning and at the end of incubation together with bacterial biomass and diversity. Results showed that without organic matter addition, micro-organisms contribute to reduce As and metal concentrations in the aqueous phase. In contrast, when organic matter was added, micro-organisms enhanced As(III), total arsenic and lead concentrations in the liquid phase. Only iron concentration was not increased by microbial activity when organic matter was added, suggesting that As and lead mobilization were not linked to bioreduction of iron oxides, but involved other biogeochemical mechanisms. The addition of organic matter may (i) enhance the solubilization by chelation of metal(loids), and/or (ii) influence bacterial activities directly influencing metal(loids) speciation and mobility. These processes need to be better understood in order to avoid mobilization of toxic elements from soils that may be enriched in organic matter, through amendment or growth of vegetal cover. This work was performed in the frame of Labex VOLTAIRE ANR,10,LABX,100,01

Development and interpretation of activity test for microbial transformation of inorganic arsenic

International audienceArsenic is one of the more widespread toxic trace elements, whose presence in environment is linked either to geological background or human activities. The fate of arsenic in environmental compartments is closely linked to the microbial transformations of the inorganic species AsIII and AsV. In order to monitor the evolution of microbial As-related global activities, a simple batch test has been designed and applied. The principle of the test is based on the monitoring of oxidation of 1 mM AsIII in a basal medium inoculated with environmental samples. Results are interpreted considering of oxidation rate or rate constant, and lapse time. Several phenomena are likely to influence the global oxidation rate, such as the relative activity of diverse oxidizing microbes and the competition between oxidizing and reducing processes, in relation to organic matter bioavailability. AsIII oxidizing activities of microorganisms in eight surface soils from polluted sites were quantified with and without addition of organic substrates to the basal medium. Results suggested that AsIII oxidation rate constant was limited by the low concentration of organic substrate, this limitation being removed by supplying 0.08 g/L of organic carbon. Higher organic carbon input negatively affected AsIII oxidation rate constant. Then, the AsIII oxidizing test was applied to a soil highly polluted by the destruction of chemical weapons, simultaneously with the enumeration of AsIII-oxidizing microbes using the Most Probable Number method. Results suggested that the concentration of AsIII-oxidizing microbes was correlated with the lapse time and not with the oxidation rate. Experiments performed with a pure AsIII oxidizing bacterium confirmed a correlation between the lapse time and initial concentration of active cells, AsIII oxidation being detected when the bacterial concentration was close to 107 cells ml-1. In these conditions, the oxidation rate was independent from bacterial concentration. In a next step, the influence of microbial AsV reduction parameters will be considered

Influence de la matière organique et del’activité bactérienne sur la mobilité de l’arsenicet des métaux dans des sols pollués

International audienceLa restauration des propriétés physico-chimiques et des fonctions biologiquesd’un sol contaminé par des polluants inorganiques nécessitele plus souvent des amendements de matière organique. Cependant, lesinteractions entre la matière organique et l’activité bactérienne des solspeuvent conduire à des réactions biogéochimiques influençant la mobilitédes métaux. Quatre sols pollués, contenant d’importantes concentrationsen As et en métaux, ont été échantillonnés sur des sites industrielset miniers. Ces sols ont été incubés en condition aérobie dans del’eau, avec ou sans addition d’un mélange complexes de composés organiques.Des témoins abiotiques ont été préparés en autoclavant les sols.Les concentrations en As total, As (III), Fe, ainsi que Pb et Sb pour lesdeux sols présentant des concentrations importantes de ces éléments,ont été déterminées au début et à la fin de l’incubation. La biomasse etla diversité bactérienne ont également été évaluées en début et en find’expérience. Les résultats ont montré que, sans ajout de matière organique,les micro-organismes contribuent à diminuer les concentrationsde métaux en solution. En revanche, l’ajout de matière organique dansles incubations biotiques augmente fortement la mobilité de l’As et duPb. Dans ces conditions, seules les concentrations de Fe n’augmententpas, suggérant que la mobilisation de l’As et du Pb n’est pas liée à la bioréductiondes oxydes de fer mais à d’autres processus biogéochimiques.L’ajout de matière organique peut avoir plusieurs effets : (1) augmenterla solubilité des métaux par chélation avec des ligands organiques ;(2) influencer les métabolismes bactériens qui agissent sur la spéciationet la mobilité des métaux. Ces processus ont besoin d’être mieux comprisafin de prédire la mobilisation d’éléments toxiques dans les solspendant leur re-fonctionnalisation. Des expériences en grand volume,dans une colonne instrumentalisée, permettront de vérifier ces résultatset d’étudier le comportement d’un sol pollué dans un environnementcontrôlé. Ce travail a été réalisé dans le cadre du Labex VOLTAIREANR,10,LABX,100,01

Simple or complex organic substrates inhibit arsenite oxidation and aioA gene expression in two β-Proteobacteria strains

International audienceMicrobial transformation of arsenic species and their interaction with the carbon cycle play a major role in the mobility of this toxic metalloid in the environment. The influence of simple or complex organic substrates on arsenic bio-oxidation was studied using two bacterial strains: one – the arsenivorans strain of Thiomonas delicata – is able to use AsIII as sole energy source; the other, Herminiimonas arsenicoxydans, is not. Experiments were performed at two AsIII concentrations (75 and 2 mg/L). At 75 mg/L As, for both strains, expression of aioA gene decreased when yeast extract concentration was raised from 0.2 to 1 g/L. At 2 mg/L As, the presence of either yeast extract or simple (succinate or acetate) organic substrates in the medium during bacterial growth decreased the AsIII-oxidation rate by both strains. When added specifically during oxidation test, yeast extract but not simple organic substrates seems to have a negative effect on AsIII oxidation. Taken together, results confirm the negative influence of simple or complex organic substrates on the kinetics of microbial AsIII oxidation and suggest that this effect results from different mechanisms depending on the type of organic substrate. Further, for the first time, the influence of a complex organic substrate, yeast extract, on aioA gene expression has been evidenced

Influence of organic matters on AsIII oxidation by the microflora of polluted soils

International audienceThe global AsIII-oxidizing activity of microorganisms in eight surface soils from polluted sites was quantified with and without addition of organic substrates. The organic substances provided differed by their nature: either yeast extract, commonly used in microbiological culture media, or a synthetic mixture of defined organic matters (SMOM) presenting some common features with natural soil organic matter. Correlations were sought between soil characteristics and both the AsIII-oxidizing rate constants and their evolution in accordance with inputs of organic substrates. In the absence of added substrate, the global AsIII oxidation rate constant correlated positively with the concentration of intrinsic organic matter in the soil, suggesting that AsIII-oxidizing activity was limited by organic substrate availability in nutrient-poor soils. This limitation was, however, removed by 0.08 g/L of added organic carbon. In most conditions, the AsIII oxidation rate constant decreased as organic carbon input increased from 0.08 to 0.4 g/L. Incubations of polluted soils in aerobic conditions, amended or not with SMOM, resulted in short-term As mobilization in the presence of SMOM and active microorganisms. In contrast, microbial AsIII oxidation seemed to stabilize As when no organic substrate was added. Results suggest that microbial speciation of arsenic driven by nature and concentration of organic matter exerts a major influence on the fate of this toxic element in surface soils