DS0101 - Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement

Élucider les effets des processus physico-chimiques à l'échelle moléculaire sur le devenir et le transport des Quantum Dots dans les sols. – QUADOS

QUADOS : Élucider les effets des processus physico-chimiques à l'échelle moléculaire sur le devenir et le transport des Quantum Dots dans les sols.

Le récent développement des nanotechnologies a permis le développement de nanoparticules fonctionnalisées (NPs, une dimension <100 nm) présentant des propriétés physico-chimiques spécifiques. Du fait de leur taille, les NPs interagissent avec les organismes vivants en franchissant les membranes cellulaires. <br />Plusieurs études ont décrit l'exposition directe d'organismes modèles aux QDs, mais peu voire aucune n'ont étudié leur transfert vers les systèmes aquatiques et leur devenir dans les sols. <br />

Dissémination et devenir des nanoparticules manufacturées

Les Quantum Dots (QDs) sont des nanocristaux semi-conducteurs largement utilisés en électronique et en biomédecine. Leurs importantes propriétés redox posent de nombreuses questions quant au danger de leur dispersion dans les milieux naturels. En particulier les QDs de Séléniure de Cadmium (CdSe), qui contiennent deux éléments potentiellement toxiques pouvant fortement impacter les écosystèmes. Les QDs disséminés dans les sols sont transportés par advection et par diffusion, et leur réactivité dépend des ligands organiques (i.e. substances humiques) pouvant les stabiliser, des bactéries pouvant les complexer, les dissoudre ou les assimiler, et de l'abondance des sites de sorption sur les surfaces minérales. <br />L'acquisition d'informations clés sur les processus physico-chimiques contrôlant la distribution, la transformation et la toxicité des QDs est donc nécessaire. Il convient plus particulièrement de caractériser ces processus à l'échelle moléculaire, afin de comprendre et décrire précisément le devenir des QDs dans l'environnement. <br />Le but principal de ce projet est d'appréhender comment, à l'échelle moléculaire, les processus physico-chimiques impliquant les surfaces minérales, les micro-organismes et les ligands organiques affectent le transport, la réactivité et la dissolution des QDs dans les sols. Les objectifs spécifiques du ce projet sont : <br />(1) Caractérisation des changements des propriétés de surface des QDs lors de leur transport <br />(2) Identification des modes d’interaction entre QDs et constituants du sol (minéraux, biofilms, M.O.) <br />(3) Détermination des processus à l’échelle moléculaire susceptibles de contrôler le cycle des QDs <br />4 Actions : <br />1/ Coordination <br />2/ Métrologie et stabilité des QDs <br />3/ Interaction QDs/Sols <br />4/ Transport QDs en milieu poreux

Une approche innovante est proposée, combinant expériences de laboratoire avec analyses microscopiques, spectroscopiques, isotopiques et modélisation thermodynamique. Les informations collectées seront intégrées à un modèle de transport réactif décrivant le devenir des QDs dans les sols. L'étude sera centrée sur les QDs de CdSe et débutera avec des systèmes simplifiés de laboratoire : colonnes de silice enrobée de ferrihydrite, avant de complexifier le système en intégrant des substances présentes communément dans les sols tels que des biofilms bactériens, des EPS ou des substances humiques. La microscopie électronique (MEB, MET) permettra la détection des éventuels changements de morphologie des QDs et/ou de la formation d'agrégats durant leur transport dans les colonnes de sol. Le rôle des ligands organiques dans l'agrégation des QDs sera aussi suivi par FIFFF. La spéciation des QDs sera étudiée par Cd- and Se- K-edges Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM) et Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS), avec une attention particulière sur l'impact des bactéries et des ligands organiques. Ces données spectroscopiques permettront d'établir un modèle thermodynamique décrivant le devenir de Cd et Se lors de la dissolution des QDs. La réactivité du biofilm et les taux de diffusion des QDs seront étudiés in situ par X-ray Standing Waves Fluorescence Yield (XSW-FY) tandis que les signatures isotopiques de Cd et Se permettront l'identification des processus physico-chimiques impliqués. La complexité croissante des systèmes utilisés permettra de dissocier les paramètres biologiques, géochimiques et physiques qui contrôlent le devenir des QDs dans les sols. Ces résultats amélioreront considérablement la compréhension des mécanismes affectant le transport des QDs dans les sols et le modèle prédictif établit aura des répercutions majeures sur l'évaluation des risques de contamination et le maintien de la qualité des eaux souterraines.

En attente

En attente

1.Granado E., Mondamert L., Sivry Y., Lespes G., Labanowski J. Elucidating quantum dots impact on microbial biofilms using high resolution Lc-MSMS. EUROANALYSIS 18th edition, Bordeaux, France, 6-10 September 2015.
2.Faucher S., Sivry Y., Lespes G. A

Le récent développement des nanotechnologies a permis le développement de nanoparticules fonctionnalisées (NPs) présentant des propriétés physico-chimiques spécifiques. Par exemple, les Quantum Dots (QDs) sont des nanocristaux semiconducteurs largement utilisés en électronique et en biomédecine. Du fait de leur taille, les QDs interagissent avec les organismes vivants en franchissant les membranes cellulaires. Leurs importantes propriétés redox posent de nombreuses questions quant au danger de leur dispersion dans les milieux naturels. En particulier les QDs de Séléniure de Cadmium (CdSe), qui contiennent deux éléments potentiellement toxiques pouvant fortement impacter les écosystèmes. Plusieurs études ont décrit l'exposition directe d'organismes modèles aux QDs, mais peu voire aucune n'ont étudié leur transfert vers les systèmes aquatiques et leur devenir dans les sols. Les QDs disséminés dans les sols sont transportés par advection et par diffusion, et leur réactivité dépend des ligands organiques (i.e. substances humiques) pouvant les stabiliser, des bactéries pouvant les complexer, les dissoudre ou les assimiler, et de l'abondance des sites de sorption sur les surfaces minérales. L'acquisition d'informations clés sur les processus physico-chimiques contrôlant la distribution, la transformation et la toxicité des QDs est donc nécessaire. Il convient plus particulièrement de caractériser ces processus à l'échelle moléculaire, afin de comprendre et décrire précisément le devenir des QDs dans l'environnement. Le but principal de ce projet est d'appréhender comment, à l'échelle moléculaire, les processus physico-chimiques impliquant les surfaces minérales, les micro-organismes et les ligands organiques affectent le transport, la réactivité et la dissolution des QDs dans les sols. Une approche innovante est proposée, combinant expériences de laboratoire avec analyses microscopiques, spectroscopiques, isotopiques et modélisation thermodynamique. Les informations collectées seront intégrées à un modèle de transport réactif décrivant le devenir des QDs dans les sols. L'étude sera centrée sur les QDs de CdSe et débutera avec des systèmes simplifiés de laboratoire : colonnes de silice enrobée de ferrihydrite, avant de complexifier le système en intégrant des substances présentes communément dans les sols tels que des biofilms bactériens, des EPS ou des substances humiques. La microscopie électronique (MEB, MET) permettra la détection des éventuels changements de morphologie des QDs et/ou de la formation d'agrégats durant leur transport dans les colonnes de sol. Le rôle des ligands organiques dans l'agrégation des QDs sera aussi suivi par FIFFF. La spéciation des QDs sera étudiée par Cd- and Se- K-edges Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM) et Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS), avec une attention particulière sur l'impact des bactéries et des ligands organiques. Ces données spectroscopiques permettront d'établir un modèle thermodynamique décrivant le devenir de Cd et Se lors de la dissolution des QDs. La réactivité du biofilm et les taux de diffusion des QDs seront étudiés in situ par X-ray Standing Waves Fluorescence Yield (XSW-FY) tandis que les signatures isotopiques de Cd et Se permettront l'identification des processus physico-chimiques impliqués. La complexité croissante des systèmes utilisés permettra de dissocier les paramètres biologiques, géochimiques et physiques qui contrôlent le devenir des QDs dans les sols. Ces résultats amélioreront considérablement la compréhension des mécanismes affectant le transport des QDs dans les sols et le modèle prédictif établit aura des répercutions majeures sur l'évaluation des risques de contamination et le maintien de la qualité des eaux souterraines.

Coordinateur du projet

Monsieur Yann Sivry (Institut de Physique du Globe de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPGP Institut de Physique du Globe de Paris
LCABIE/ IPREM Université de Pau Laboratoire de Chimie Analytique Bio-inorganique et Environnement - INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO-CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATÉRIAUX
IC2MP-Univ. Poitiers Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers

Aide de l'ANR 368 063 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

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