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Équipe Plantes, Stress & Métaux

Coccomyxa actinabiotis - Phycoremédiation

Publié le 30 janvier 2017



Coccomyxa actinabiotis, une microalgue extrêmement résistante aux rayonnements ionisants et aux métaux. Aspects fondamentaux et appliqués.
Nous avons caractérisé les propriétés d'une nouvelle microalgue découverte dans un environnement nucléaire à rayonnement ionisant élevé. Cette algue a été isolée d'une piscine utilisée pour stocker des éléments de combustible usé dans un réacteur nucléaire. La nouvelle espèce, identifiée au niveau morphologique, biochimique et génomique, appartient au genre Coccomyxa et a été nommée Coccomyxa actinabiotis, à partir des caractéristiques de l'endroit où elle vit (Rivasseau et al. 2010; 2013) Sa radiorésistance évaluée à l'aide d'analyses physiologiques et métaboliques est remarquable pour un eucaryote. C. actinabiotis supporte d'énormes doses de rayonnements ionisants, jusqu'à 20 000 Gy. La moitié de la population survit à 10 000 Gy, ce qui est comparable au procaryote hyper-radiorésistant bien connu Deinococcus radiodurans. Le profil métabolique cellulaire étudié par résonance magnétique nucléaire n'a guère été affecté par des doses de rayonnement allant jusqu'à 10 000 Gy. Sa capacité à fixer les radionucléides et les métaux toxiques a également été examinée. Cette microalgue exceptionnelle accumule fortement les radionucléides. A titre d'exemple, C. actinabiotis est capable de concentrer 110mAg et 60Co d'un facteur 450 000 et 40 000, respectivement. Par conséquent, cette microalgue combine à la fois des propriétés de radiorésistance extrême et d'accumulation de radionucléides, capable de fixer les radionucléides via des processus métaboliquement inactifs et actifs même dans un environnement fortement radioactif, ce qui est particulièrement intéressant pour la décontamination 14C. C'est donc un excellent candidat pour de nouvelles solutions d'assainissement dans un environnement hautement radioactif. Son utilisation pour la bio-décontamination des radionucléides à l'échelle réelle a été validée dans le réservoir de stockage d'une installation nucléaire (Rivasseau et al. 2013). En effet, en une heure, la microalgue s'est révélée aussi efficace que les échangeurs d'ions physico-chimiques conventionnels pour purifier les effluents nucléaires avec 85% de décontamination en 24 h. À l'aide de cet organisme, un processus efficace de biodécontamination de radionucléides à échelle réelle a été réalisé dans un réservoir de stockage de combustible nucléaire avec une réduction importante du volume de déchets par rapport au processus physico-chimique habituel. La faisabilité de nouvelles solutions de décontamination pour l'industrie nucléaire et pour les opérations de nettoyage environnemental a été démontrée.
Nous avons également entrepris l'étude des mécanismes impliqués dans l'accumulation et la détoxification de deux métaux toxiques, l'argent et le cobalt (Leonardo et al. 2014). La distribution élémentaire à l'intérieur des cellules de C. actinabiotis a été déterminée à l'aide de la spectroscopie de fluorescence X à rayonnement synchrotron nano (SR-nXRF) au niveau de la ligne d'imagerie à nano fluorescence ID22 de la European Synchrotron Radiation Facility. La haute résolution et la grande sensibilité de cette technique ont permis d'évaluer les associations élémentaires et les exclusions dans les compartiments sous-cellulaires de microalgues. Un traitement quantitatif des scans a été mis en œuvre pour obtenir des concentrations absolues de chaque élément endogène et exogène avec une résolution spatiale de 100 nm et comparée à la teneur macroscopique dans le cobalt et l'argent déterminée par ICP-MS. L'imagerie nXRF a été complétée par TEM-EDS, ce qui a donné une distribution différentielle d'argent dans la paroi cellulaire, le cytosol, le noyau, les chloroplastes et les mitochondries avec une résolution unique. L'analyse des éléments endogènes dans les cellules de contrôle a révélé que le fer avait une distribution unique ; le zinc, le potassium, le manganèse, le molybdène et le phosphate avaient leurs maxima co-localisés dans la même zone. Le soufre, le cuivre et le chlore étaient répartis presque homogènement dans toute la cellule. La distribution subcellulaire et la quantification du cobalt et de l'argent dans la microalgue, évaluées après exposition contrôlée à diverses concentrations, ont révélé que les métaux exogènes étaient principalement séquestrés à l'intérieur de la cellule plutôt que sur le mucilage ou la paroi cellulaire, avec une compartimentation préférentielle. Le cobalt était réparti de façon homogène à l'extérieur du chloroplaste. L'argent a été localisé dans le cytosol à faible concentration et dans la cellule entière à l'exclusion du noyau à forte concentration. L'exposition à de faibles concentrations de cobalt ou d'argent n'a pas altéré la localisation ni la concentration d'éléments endogènes dans les cellules. À notre connaissance, il s'agit du premier rapport sur la co-localisation des éléments et la ségrégation au niveau sous-cellulaire dans les micro-algues au moyen du synchrotron nXRF.

Conception et développement d'un pilote de bioprocédés pour le traitement des déchets nucléaires
L'industrie nucléaire génère des substances toxiques radioactives et nécessite des procédés de décontamination à l'intérieur des installations elles-mêmes et des effluents rejetés dans l'environnement. La décontamination des radionucléides est actuellement effectuée en utilisant des méthodes physico-chimiques. Malgré leur robustesse et leur efficacité, ces méthodes sont coûteuses, ne suppriment pas complètement certains éléments, notamment le 14C, l'un des principaux radionucléides libérés dans les effluents, et génèrent de grands volumes de déchets secondaires lorsqu'ils sont appliqués à des contaminations environnementales. Les méthodes biologiques se sont révélées efficaces et compétitives dans diverses applications industrielles. Cependant, aucune méthode viable n'est actuellement disponible pour la biodécontamination de milieux hautement radioactifs. Pour résoudre ce problème, nous avons développé une unité de traitement basée sur l'utilisation de la micro-algue photosynthétique Coccomyxa actinabiotis. La spécification technique a été élaborée pour concevoir le processus et construire l'unité pilote en tenant compte des contraintes liées à l'utilisation d'une matrice biologique dans un environnement nucléaire. L'unité de traitement à l'échelle pilote, basée sur cette microalgue, comprend différentes tâches pour assurer les objectifs du processus : les algues doivent d'abord être produites dans un milieu de croissance et récoltées avant d'assurer le traitement des effluents contaminés. La faisabilité de ces opérations est étudiée à l'échelle du laboratoire. (i) la production de biomasse, (ii) la séparation et la concentration de la biomasse par microfiltration (Gouvion Saint Cyr et al. 2014) (iii) la décontamination des effluents d'argent-110m, de cobalt-60, de carbone -14, sont recherchés. Sur la base des résultats obtenus à l'échelle du laboratoire, la faisabilité de la bio-décontamination des radionucléides par la microalgue à l'échelle pilote a été étudiée et démontrée. Grâce à ce travail, le développement d'un procédé innovant doit être envisagé pour la décontamination des effluents liquides de l'industrie nucléaire. Ce travail a confirmé le potentiel élevé des algues pour assurer l'élimination des polluants.