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L'émergence de bactéries multirésistantes dues à une utilisation abusive d'antibiotiques est devenue l'une des menaces les plus dangereuses pour la santé publique. Le développement de nouveaux médicaments et la recherche d'agents antibactériens non traditionnels ont conduit à la nanotechnologie en tant que solution potentielle à ce problème. Les nanoparticules d'argent (NPs d’Ag) sont largement connues pour leur effet antibactérien. Cette étude vise à synthétiser des NPs d’Ag avec différents revêtements et à relier leurs propriétés physico-chimiques à leurs activités biocides, en mettant l'accent sur la façon dont leur charge de surface (estimée par leur potentiel zêta) affecte leurs efficacités antibactériennes et anti-biofilm. Les NPs d’Ag ont été synthétisées en utilisant du citrate comme agent de stabilisation et du polyvinylpyrrolidone, du polyéthylène glycol, de la chitosane et du polyéthylèneimine comme revêtements. La Spectroscopie de Masse à Plasma Inductif de Particule Unique, la Diffusion de Lumière Dynamique et les mesures de potentiel zêta ont été utilisées pour caractériser les NPs d’Ag préparées. La caractérisation des formulations de nanoparticules a montré qu'elles avaient des diamètres similaires d'environ 10 nm et des charges allant de -46 mV à 16 mV. Les comptages de plaques d'agar et les tests de micro dilution ont montré que les NPs d’Ag synthétisées étaient très efficaces pour empêcher la croissance des cellules bactériennes Escherichia coli. Des biofilms d'E. coli ont été cultivés et exposés aux NPs d’Ag, puis vérifiés à l'aide d'une microscopie à balayage laser confocal montrant que les formulations de NP avec un potentiel zêta négatif avaient plus d'activité anti-biofilm que les NP chargées neutres ou positives., The emergence of multidrug resistant bacteria due to the misuse of antibiotics has become one of the most dangerous threats to public health. Development of new drugs and the search for non-traditional antibacterial agents have led to nanotechnology as a potential solution to this problem. Silver nanoparticles (Ag NPs) are widely known for their antibacterial effect. This study aims to synthesize Ag NPs with different coatings and relate their physicochemical properties with their biocidal activities, with special emphasis on how their surface charge (estimated via their zeta potential) affects their antibacterial and antibiofilm efficacies. Ag NPs were synthesized using citrate as a stabilizing agent and polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, chitosan and polyethyleneimine were used as coatings. Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, Dynamic Light Scattering, and zeta potential measurements were used to characterize the prepared Ag NPs. Characterization of the nanoparticle formulations showed that they had similar diameters of around 10 nm and charges ranging from -46 mV to 16 mV. Agar Plate Counts and microdilution assays showed that the synthesized Ag NPs were very effective in preventing growth of Escherichia coli bacterial cells. E. coli biofilms were grown and exposed to the Ag NPs and checked afterwards with a confocal laser scanning microscopy showing that NP formulations with a negative zeta potential had more anti-biofilm activity than neutral or positive charged NPs.

Les nanoparticules d’argent (Ag NPs) sont considérablement utilisées dans l’industrie alimentaire. Elles sont fortement appliquées comme enrobages d’emballages alimentaires afin d’assurer une meilleure qualité des aliments et une plus longue durée de conservation sur les étagères des supermarchés. En revanche, les risques associés aux Ag NPs sont inquiétants. Leurs effets potentiels sur les humains et sur l’environnement suscitent un grand intérêt scientifique. C’est pourquoi il est important de valider des méthodes analytiques pour détecter, caractériser et quantifier les Ag NPs dans la nourriture mise en contact avec ce type de contenant. Les méthodes permettront de mieux comprendre la migration de l'argent vers les aliments directement ingérés par l’humain. La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) est une technique prometteuse pour caractériser et quantifier de petites particules (de quelques nanomètres) à de faibles concentrations (dans l'ordre du ng L-1). Contrairement aux techniques analytiques conventionnelles, telles que les techniques de microscopie et de diffusion de la lumière, le SP-ICP-MS distingue la forme ionique de la forme particulaire de l'analyte. Cette présente étude valide une méthode pour la caractérisation et la quantification des Ag NPs et de l’argent ionique dans deux boissons et trois simulants: jus d'orange, préparation en poudre pour nourrissons, eau Milli-Q, acide acétique à 3% et éthanol à 10%. De plus, une meilleure compréhension du devenir et de la migration de l’argent provenant d'emballages alimentaires nano-activés a pu être obtenue. En effet, les milieux acides et les traitements thermiques ont engendré de plus grands relargages d’argent, sous forme ionique, contrairement aux milieux dits « lipophiles » tels que la préparation pour nourrissons et l’éthanol. En conclusion, ce mémoire nous démontre que les voies de libération des NPs des contenants nano-activés ne sont pas encore très bien comprises. De plus amples études doivent être entreprises afin de pouvoir établir des modèles de migration clairs et afin de mieux comprendre les risques associés à leurs utilisations., Silver nanoparticles (Ag NPs) are increasingly used in the food industry. They are integrated into coatings of various food packaging to help ensure longer product shelf life. However, the risks associated with Ag NPs are currently not well known and their potential effects on humans are causing growing concern. Furthermore, it is not clear whether NPs have greater or lesser risk than dissolved silver ions or bulk phase Ag. Consequently, it is necessary to detect and to characterize the release of silver from silver-enhanced containers into real food matrices using sensitive analytical techniques that allow one to distinguish between silver ions and nanoparticles. Single particle ICP-MS is a promising technique to count and size small particles at low concentrations. Compared to other conventional instrumentation, it can distinguish between ionic and particulate forms of the analyte. This thesis focused firstly on the validation of an analytical method for the analysis of Ag NPs and ionic silver in three different food simulants (Milli-Q water, 10% ethanol and 3% acetic acid) and in two drinks (orange juice and infant milk formula). A better understanding of the aging and of the migration of silver has been reached in these matrices. Essentially, acidic media caused significant NP oxidation whereas organic macromolecules like lipids, proteins and polysaccharides appeared to increase the stability of the NPs. Subsequently, a migration study from silver-enhanced containers showed significant release of dissolved Ag in 3% acetic acid and a lower release in milk formula. Also, heating led to a considerable release of silver from the container. To conclude, further studies are needed to obtain clear release models to better understand the risk on humans and on the environment.

Du fait de leurs propriétés spécifiques, les éléments de terres rares (ETRs) sont des métaux devenus indispensables au développement de notre société moderne. Avec leurs utilisations croissantes, des modifications importantes du cycle biogéochimique des ETRs sont attendues alors que peu est encore connu sur leur devenir et leurs effets une fois rejetés dans l’environnement. Le cérium (Ce) a la particularité d’être utilisé sous forme de sels ou de nanoparticules dans différents produits d’utilisation courante (e.g. additifs de diesel, peintures). En raison de sa réactivité redox particulière, le Ce est naturellement peu soluble dans les eaux de surface et va donc principalement se retrouver dans les sédiments de ces écosystèmes aquatiques. Cependant les propriétés physicochimiques du Ce anthropique peuvent modifier le transport et le comportement de ce dernier. Par exemple, les nanoparticules manufacturées d’oxydes de cérium (Ce NMs) pourvues d’un enrobage peuvent présenter une stabilité colloïdale différente de celles naturellement formées. Les organismes pélagiques des milieux aquatiques, dont les micro-organismes photosynthétiques, d’intérêt dans ce projet, pourraient ainsi être exposés à de nouvelles formes de Ce et à différentes concentrations. Comme il est difficile d'observer des réponses biologiques significatives pour des concentrations d'exposition représentatives de celles susceptibles d’être retrouvées dans l'environnement (< 1 µM), les impacts potentiels du Ce sur le phytoplancton dans des scénarios d'exposition réalistes sont encore mal élucidés. Des résultats contradictoires ont notamment été observés dans la littérature en ce qui concerne la biodisponibilité des Ce NMs pour les microalgues unicellulaires et la relation entre leurs propriétés de surface (i.e. rapport Ce (III)/Ce (IV), enrobage) et les réponses cellulaires. Des données quantitatives sont ainsi toujours nécessaires pour l'évaluation des risques potentiels du Ce pour l’Environnement. Dans ce projet, Chlamydomonas reinhardtii a été sélectionnée comme organisme modèle pour représenter les microalgues présentent dans les eaux douces. Des sels solubles de Ce, Tm, Y et trois types de petites Ce NMs (, Due to their specific properties, rare earth elements (REEs) are metals that have become essential to the development of our modern society. With their increasing uses, significant modifications to the biogeochemical cycle of REEs are expected while little is known about their fate and their effects once released into the environment. Cerium (Ce) has the particularity of being used in the form of salts or nanoparticles in various commonly used products (e.g. diesel additives, paints). Due to its particular redox reactivity, Ce is naturally poorly soluble in surface water and will therefore mainly be found in the sediments of these aquatic ecosystems. However, the physicochemical properties of the anthropogenic Ce can modify its transport and behavior. For example, engineered cerium oxide nanoparticles (Ce ENPs) are generally coated and thus may exhibit different colloidal stability from those naturally formed. Pelagic organisms in aquatic environments, including photosynthetic microorganisms, of interest in this project, could thus be exposed to new forms of Ce and at different concentrations. As it is difficult to observe significant biological responses for environmentally relevant exposure concentrations (

Depuis plus de 10 ans, les nanoparticules sont un sujet d’actualité omniprésent. Qu’elles soient synthétisées en laboratoire pour des applications en nanotechnologie ou naturellement formées par l’érosion, les éruptions volcaniques, les feux de forêt, etc., le destin des nanoparticules métalliques dans l’environnement est encore peu connu. De nombreux chercheurs s’intéressent à différents aspects environnementaux entourant les nanoparticules, tels que la bioaccumulation, biotoxicité, biodisponibilité, etc. Afin de réaliser ces études, un des paramètres importants à considérer est la concentration ainsi que la distribution de taille de ces nanoparticules. Plusieurs techniques existent afin de caractériser en taille ces nanoparticules métalliques. Parmi ces nombreuses techniques, la technique à simple particule d’un appareil de spectrométrie de masse à plasma d’argon à couplage inductif à (sp-ICP-MS) gagne en popularité pour sa rapidité, ses faibles limites de détection et pour ses analyses isotopiques. Avec la technique de sp-ICP-MS, les échantillons liquides sont fréquemment injectés, typiquement à travers un nébuliseur pneumatique avec une chambre de nébulisation. Cette technique permet à une petite quantité de l’échantillon de se rendre vers le détecteur de l’appareil tandis que le reste est récupéré. Le pourcentage qui se rend au détecteur est appelé l’efficacité de transport d’un échantillon et cette valeur doit être connue pour la détermination juste de la concentration des nanoparticules. La difficulté de détermination de l’efficacité de transport avec les nébuliseurs et les chambres de nébulisation est une problématique connue dans la littérature scientifique. La variabilité de l’efficacité de transport, typiquement de l’ordre de 2-5%, résulte en une grande imprécision dans les déterminations de concentrations de nanoparticules. L’objectif de ce présent travail était de remédier à cette problématique en couplant un générateur de microgouttelettes (MDG) à un appareil de spectrométrie de masse à plasma d’argon à couplage inductif (ICP-MS) afin d’augmenter, de manière importante, l’efficacité de transport. Pour y arriver, il était nécessaire de déterminer les paramètres idéaux du générateur, faire les calculs de débit, faire la conception de différents adaptateurs et faire l’optimisation du signal une fois couplé à l’ICP-MS. Une fois optimisé, des analyses de standards de nanoparticules de différentes tailles ont été analysé afin de confirmer que la méthode d’introduction était fonctionnelle. L’étape finale consistait à utiliser le générateur de microgouttelettes comme méthode d’introduction et de procéder à l’analyse de nanoparticules dans une matrice environnementale., Whether synthesized in the laboratory for applications in nanotechnology or naturally formed by erosion, volcanic eruptions, forest fires, etc., the fate of metal nanoparticles in the environment is currently poorly understood. Indeed, their fate can include their dissolution, agglomeration, bioaccumulation, biotoxicity, bioavailability and mobility in natural systems. In order to better understand fate, one of the important parameters to consider is the concentration as well as the size distribution of the nanoparticles. Only a few robust analytical techniques exist that will allow the characterization of metallic nanoparticles at the low concentrations at which they are found in the environment. Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (sp-ICP-MS) is gaining popularity for its speed, low detection limits and potential for isotopic analysis. Presently, liquid samples are generally injected, typically through a pneumatic nebulizer into a spray chamber that results in sample losses on the order of 94-98% since only a small amount of the sample will travel to the detector, while the rest goes to waste. The transport efficiency defines the proportion of sample that actually is measured by the detector and is an essential parameter for determining the concentration of nanoparticles in a sample. The difficulty of precisely calculating the transport efficiency is a known problem in the scientific literature. The variability of the transport efficiency during analysis can lead to very important inaccuracies in the determination of nanoparticle concentrations. The objective of this work was to overcome this problem by coupling a microdroplet generator (MDG) to an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) in order to significantly increase transport efficiency. To achieve this, it was necessary to optimize all of the parameters involved with the coupling of the microdroplet generator and the ICP-MS, including physical instrumentation, gas flow rates, droplet sizes, etc. Once optimized, nanoparticle standards of different sizes were analyzed to confirm that the introduction method was functional. The final step was to use the microdroplet generator as a method of introduction to analyze nanoparticles in an environmental matrix.

Les nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO NP) sont parmi les plus utilisées en industrie. Leur production croissante dans divers secteurs comme les cosmétiques et l’agriculture mène inévitablement à une augmentation de leur présence dans l’environnement, alors que leur risque écologique et leur persistance y sont méconnus. Cette problématique est en partie causée par les faibles concentrations auxquelles elles s’y trouvent, souvent inférieures aux limites de détection des méthodes analytiques classiques. Ainsi, le développement d’une méthode sensible et sélective, telle que la spectrométrie de masse à plasma inductif en mode particule unique (SP-ICPMS), est nécessaire. En permettant la détection une à une de particules métalliques à des concentrations de l’ordre des ng L-1, la SP-ICPMS est prometteuse pour la caractérisation des nanomatériaux (NM) métalliques en milieu aqueux. Toutefois, son utilisation est limitée pour les métaux qui, comme le zinc, se dissolvent rapidement, ou dont la concentration ionique est grande en solution car la limite de détection en taille est alors plus élevée. Lors de ces travaux, une résine échangeuse d’ions a été couplée avec la SP-ICPMS afin de retirer les Zn2+ et ses complexes labiles présents en solution avant l’analyse des suspensions de ZnO NP. Cette technique a été adaptée avec succès sur un instrument ICPMS de grande sensibilité, permettant de diminuer la limite de détection en taille de ZnO NP de 32 à 8,2 nm dans l’eau déionisée. Pour tester la méthode en milieu naturel, des ZnO NP ont été ajoutées à une eau de rivière et leur distribution de taille ainsi que leur concentration ont été analysées. Après 24 h, les particules ajoutées étaient plus stables dans l’eau de rivière qu’elles ne l’étaient dans l’eau déionisée, probablement en raison de son pH plus élevé. De même, la méthode développée a permis l’analyse de colloïdes naturels contenant du zinc et du cuivre dans une eau de rivière et dans une eau de pluie. La stabilité des particules dans ce milieu a par ailleurs été suivie pendant un mois, durant lequel le contenu métallique de ces particules ne s’est que légèrement dissous., The increased production, use and release of engineered nanomaterials (NM) is concerning considering their possible persistence in the environment and their potential toxic issues. Unfortunately, actual knowledge about their presence in natural media is limited, mainly because of their very low concentrations (ng L-1) and the complex matrices in which they are suspected to be found. Therefore, there is a great need to develop analytical techniques that are sensitive, selective and adapted to those natural matrices. To do so, single-particle inductively coupled plasma (SP-ICPMS) is a very promising analytical technique. Allowing the one by one detection of metallic particles, SP-ICPMS has already been used for the characterization of NM in complex media. However, size detection limits (SDL) are higher for some metallic NM, which are, like the Zn base NM, rapidly dissolved or that have a natural high concentration of the ionic form in the sample. As a result, the use of SP-ICPMS for the detection and characterization of zinc oxide nanoparticles (ZnO NP), which is one of the most used in the industry, is a big challenge. To overcome it, an ion-exchange technique was used to remove the Zn2+ and its weakly bonded forms present in solution before their analysis. This technique has successfully been adapted to a highly sensitive ICPMS in order to lower the SDL of ZnO NP, going from 32 to 8.2 nm. To test the setup for a natural media, ZnO NP were spiked and analyzed in river water. After 24 h, particles were found to be more stable in the river water, most probably because of its higher pH. Also, the developed method allowed the analysis of natural zinc and copper containing colloids in river and in rainwaters. Stability of these particles in the rainwater was followed during one month during which the metal mass of the particles on average slightly decreased.

Les activités d’extraction des métaux peuvent être une source importante de contamination dans l’environnement. Les déchets miniers contiennent souvent de fortes concentrations de métaux et ont des conditions physiochimiques qui favorisent la mobilité et/ou la biodisponibilité des métaux traces toxiques. Dans cette étude, nous avons évalué la mobilité du thorium, de l'uranium, du baryum, du manganèse et du chrome à partir des rejets miniers d’une mine de niobium. L’effet de différentes conditions environnementales (pH, dureté de l’eau et présence de la matière organique naturelle) a été évalué. Le thorium n’est pas fortement mobilisé (CTh < 30 μg kg-1) en fonction du pH ou de la dureté de l’eau mais est fortement mobilisé par la présence de matière organique naturelle (i.e. acide fulvique ; CTh > 30 μg kg-1). Par contre, l’uranium est mobilisé en milieu acide (pH 0.2 μm), l’uranium, le baryum, le manganèse et le chrome ont été retrouvé surtout sous forme dissoute (diamètre < 0.2μm). Globalement, la mobilité des métaux est dans l’ordre : Ba et Cr > Mn et U > Th. Le thorium et l’uranium existent plus sous forme de nanoparticules par la présence d’acide fulvique. En présence ou absence d’acide fulvique, toutes les particules du thorium et de l’uranium sont petites., Metal mining activities can be a major source of contamination in the environment. Mining waste often contains high concentrations of metals and has physiochemical conditions that promote the mobility and / or bioavailability of toxic trace metals. In this study, we evaluated the mobility of thorium, uranium, barium, manganese and chromium from niobium mine tailings. The effect of different environmental conditions (pH, water hardness and presence of natural organic matter) was evaluated. Thorium was not strongly mobilized (CTh 30 μg kg -1). On the other hand, the uranium was mobilized in acid medium (pH 0.2 μm), uranium, barium, manganese and chromium were found mainly in dissolved form (diameter Mn and U > Th. Thorium and uranium existed more nanoparticles by the presence of fulvic acid. In the presence or absence of fulvic acid, all the particles of thorium and uranium were small.

Dans l’optique d’un intérêt technologique croissant pour les éléments de terres rares (ÉTR), il apparaît essentiel d’évaluer leur potentiel impact environnemental. Ainsi, la présente étude porte sur la spéciation et la biodisponibilité de ces éléments métalliques, concepts au cœur desquels se trouve l’ion libre, généralement associé à la biodisponibilité des métaux. Selon les modèles de toxicité actuellement utilisés, la complexation des métaux par des ligands organiques devrait réduire la concentration de l’ion libre et donc, en diminuer la biodisponibilité pour les organismes aquatiques. De récentes études ont toutefois montré des taux d’internalisation supérieurs aux prédictions pour les ÉTR en présence de ligands organiques simples. Ainsi, il semblait nécessaire d’évaluer l’influence de la matière organique naturelle (MON), composée de ligands organiques complexes, sur la spéciation et la biodisponibilité des ÉTR. Dans le cadre de cette étude, le samarium (Sm), un lanthanide de masse molaire intermédiaire, et l’algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii ont été utilisés. La concentration de l’ion libre a été mesurée expérimentalement sur une résine d’échange cationique (IET) en mode dynamique et modélisée par calculs thermodynamiques. Parallèlement, des expériences de bioaccumulation ont permis de mesurer les taux d’internalisation de Sm dans les algues. L’effet de 4 types de MON, d’origine et de composition différentes, a été évalué. Les résultats démontrent clairement que la présence de MON provoque une importante diminution des taux d’internalisation du Sm, les acides humiques semblant responsables d’une plus importante complexation de l’ion libre que les acides fulviques. Les résultats suggèrent également que les concentrations d’ion libre mesurées expérimentalement permettent une meilleure prédiction de l’internalisation du Sm que les concentrations totales ou modélisées avec les constantes d'équilibre existantes, actuellement utilisées dans les calculs thermodynamiques., As technological interest for rare earth elements (REE) is growing, it is becoming more important to assess their potential environmental impact. Thus, the present study focuses on the speciation and bioavailability of these metallic elements, concepts at the center of which is the free ion, the metal species considered as the best predictor of metal bioavailability. According to the currently used toxicity models, the complexation of metals by organic ligands should reduce the free ion concentration and thus, decrease its bioavailability for aquatic organisms. However, recent studies have shown higher levels of REE internalization than predicted by the models in the presence of simple organic ligands. Thus, it seemed necessary to evaluate the influence of natural organic matter (NOM), composed of complex organic ligands, on the speciation and bioavailability of REE. In this study, samarium (Sm), a lanthanide of intermediate atomic weight, and the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii were used. The free ion concentration was experimentally measured on a cation exchange resin (IET) in dynamic mode and modeled by thermodynamic calculations. Short-term biouptake experiments were used to determine the internalization flux of Sm in algae. The effect of 4 types of NOM, of different origins and composition, was evaluated. The results clearly show that the presence of NOM induces a significant decrease in the internalization fluxes of Sm and that humic acids appear to be responsible for stronger complexation than fulvic acids. The results also suggest that the experimentally measured free ion concentrations allow a better prediction of the Sm internalization than the total or modeled concentrations with the existing equilibrium constants used in thermodynamic calculations.

Les nanomatériaux sont une classe de produits contaminants émergents et qui sont présents en concentrations croissantes dans l’environnement. Dans les milieux environnementaux complexes, leur détection est souvent compliquée par les interférences provenant des matrices environnementales. L'objectif de ce travail était de voir si c’était possible de suivre et de comprendre le sort des nanoparticules d'argent dans les eaux usées à l'aide de microscopie améliorée en champ sombre (EDM) couplé à l’analyse/imagerie hyperspectrale (HSI). En effet, lorsqu'il est couplée à une analyse pixel par pixel, EDM peut être utilisée pour dépister la présence de nanoparticules, et pour localiser, identifier et suivre leur sort in situ. La transformation de plusieurs nanoparticules d'argent différentes (40, 80 et 100 nm) avec différents revêtements (citrate et polyvinylpyrrolidone) a été analysée dans des milieux complexes (eaux usées, biosolides). Les résultats ont montré que, lorsqu’ajouté dans des systèmes complexes contenant de la matière organique naturelle, certaines nanoparticules sont rapidement transformées (sur une période de 2 heures), comme indiqué par un changement de la longueur d'onde attribuée à leur résonance plasmonique (450-570 nm), conduisant à une diminution de l'intensité du signal de 95%. Sur la base de résultats complémentaires obtenus par diffusion de lumière dynamique (DLS) et de spectroscopie de masse à plasma à couplage inductif de particules uniques (SP-ICP-MS), il a été possible d'attribuer les changements non à l'agrégation des particules ou la dissolution, mais plutôt à une modification de la nature des particules en raison de l'adsorption de la matière organique sur leur surface. Ce travail montrera que les propriétés des nanoparticules dans les systèmes complexes sont très différentes de celles des systèmes simples., Nanomaterials are a class of emerging and increasingly produced contaminants that are present in increasing concentrations. In complex environmental media, their detection is often complicated by interferences from environmental matrices. The objective of this work was to follow the fate of silver nanoparticles in the wastewaters using enhanced darkfield microscopy (EDM) coupled with hyperspectral imaging (HIS). When coupled with a pixel by pixel analysis, EDM can be used to screen for the presence of nanoparticles, and to locate, identify, and follow their fate in situ. Transformation kinetics of several different silver nanoparticles (40, 80 and 100 nm) with different coatings (citrate and polyvinylpyrrolidone) were analysed in complex media (wastewater, biosolids). Results demonstrated that when spiked into complex systems containing natural organic matter, certain nanoparticles were rapidly transformed (over a period of 2 hours), as shown by a shift in the wavelength attributed to their plasmonic resonance (450 to 570 nm) leading to a decrease in signal intensity of 95%. Based upon complementary results obtained by dynamic light scattering (DLS) and single particle inductively coupled plasma-mass spectrometry (SP-ICP-MS), it was possible to attribute the changes not to particle aggregation or dissolution as much as a change in the nature of the particles due to the adsorption of organic matter on their surface. This memoir will show that the properties of the nanoparticles in complex systems are very different from those in simple systems.

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles., Samarium is present in several high technology products such as magnets, lasers, etc., however little is known about to what extent it can pollute environmental matrices. For divalent metals such as Cd, Cu and Ni, toxicity has often been closely correlated with the free ion concentration. Unfortunately, there are currently no techniques available for evaluating the speciation of samarium in environmental matrices. In this study, an economical and easy to use ion exchange technique (IET) using a resin has been studied for use in measuring free samarium. In order to optimize the IET for free samarium determinations, equilibrium times were first determined for pH buffered solutions of samarium (6.7x10 8 M Sm, 1.0 mM MES, pH 6.0) in the presence of different concentrations of sodium nitrate (NaNO3: 0.01 M to 0.5 M). Equilibrium was only attained for the highest concentration of NaNO3. Therefore, another technique using dynamic measurements on the Dowex resin was developed. Thus, the impacts of different organic ligands such as EDTA, citrate, malic acid and Suwannee River fulvic acid Standard I (SRFA) have been investigated using IET in dynamic mode. The calibration of the technique using different concentrations of NTA, EDTA, citrate, malic acid and fulvic acid (SRFA) allowed the determination of accumulation rates. Strong correlations were found between accumulation rates and the free samarium when using EDTA and NTA to control free samarium. The correlation was very low in case of citrate and malic acid suggesting that their complexes with samarium were adsorbed on the resin. Finally, fluorescence quenching titrations (FQT) and SP-ICPMS were used to determine samarium speciation. The free samarium determined by IET is strongly correlated to that calculated by WHAM 7.0 using the stability constant from FQT and that from Sonke (2006). However, the free Sm resulted from IEC-SP-ICPMS technique has been overestimated once compared to that found using VMinteQ or WHAM 7.0 models. The Sm particulates determined by SP-ICPMS have demonstrated that pH has a great influence on Sm exchange on resin and has to be considered while measuring free samarium. Thus, the IET should be associated to other techniques such as fluorescence quenching titration and SP-ICPMS for evaluating the bioavailable Sm concentrations in natural waters.

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales., Nanomaterials are a class of contaminants that are increasingly found in the natural environment. Their environmental risk will depend on their persistence, mobility, toxicity and bioaccumulation. Each of these parameters will depend strongly upon their physicochemical fate (dissolution, agglomeration) in natural waters. The goal of this paper is to understand the agglomeration and heteroagglomeration of silver nanoparticles in the environment. Two different silver nanoparticles (nAg; citrate coated and polyacrylic acid coated) with a diameter of 5 nm were covalently labelled with a fluorescent dye and then mixed with colloidal silicon oxides (SiO2) and clays (montmorillonite). The homo- and heteroagglomeration of the silver nanoparticles were then studied in waters that were representative of natural freshwaters (pH 7.0; ionic strength 10-7 to 10-1 M of Ca2+). Sizes were followed by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and results were validated using enhanced darkfield microscopy with hyperspectral imaging (HSI). Results have demonstrated that the polyacrylic acid coated nAg was extremely stable under all conditions, including in the presence of other colloids and at high ionic strength, whereas the citrate coated nAg formed heteroagregates in the presence of both natural colloidal particles.

L’utilisation de nanoparticules (NPs) dans divers domaines industriels est de plus en plus fréquente ce qui génère leur propagation dans l’environnement. Selon leur persistance, mobilité, bioaccumulation et toxicité, des risques inconnus pour la santé et pour des écosystèmes peuvent en résulter. En effet, la caractérisation et la quantification sont des défis analytiques très complexes en raison de la nature dynamique (petite taille, grande réactivité et instabilité) des nanomatériaux. L'objectif de cette étude est donc de caractériser par ultracentrifugation analytique (AUC) des nanoparticules polymériques (Allosperse® dites allosphères) qui sont destinées à des fins agricoles. Pour y parvenir, différentes NPs métalliques (argent, quantum dot), oxydes métalliques (dioxyde de titane, oxyde de zinc) et NPs de polystyrène ont d’abord été mesurés par AUC à l’aide des différents systèmes de détection (absorbance, fluorescence et interférence). Dans le cas des allosphères, un grand nombre d'essais préliminaires ont été réalisés afin d'optimiser la vitesse d'ultracentrifugation, le temps d'ultracentrifugation, le nombre de numérisations et la concentration de l'échantillon. Un protocole optimisé a été utilisé pour la détermination du diamètre hydrodynamique (dh) des NPs. Les différentes analyses qui ont été réalisées dans cette étude révèlent que l’AUC permet de déterminer la taille de très petites NPs. Par ailleurs, une étude du comportement de ces allosphères pour des pH entre 4-8, des forces ioniques de 0 à 500 mM, en présence ou absence de matière organique naturelle a été entreprise. Les travaux ont montré que le dH était d’environ 7,0 nm avec de petites augmentations à faible pH, ou à très grande force ionique ou dureté. Ces résultats indiquent la grande stabilité physique et chimique des allosphères qui auront, ainsi, une grande mobilité dans les sols. La diffusion de lumière dynamique et la spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été utilisées afin de valider les résultats obtenus par l’AUC., The use of nanoparticles (NPs) in numerous industrial fields is becoming more common, which increases their propagation in the environment. Their generally unknown persistence, mobility, bioaccumulation and toxicity all contribute to increased risks to human health and to ecosystems. Unfortunately, their characterization and quantification are complex analytical challenges due in large part to their dynamic nature (small size, high reactivity and instability). The objective of this study was to characterize polymeric nanoparticles (Allosperse®), which are intended for the dispersion of the nanopesticides using analytical ultracentrifugation (AUC). To achieve this goal, the sizes of various metallic nanoparticles (nAg, QD), metallic oxides (nTiO2, nZnO) and polystyrene nanoparticles (nPS) were first determined by AUC using different detectors (absorbance, fluorescence and interference). In the case of polymeric nanoparticles, a number of preliminary tests were carried out in order to optimize the speed and duration of the ultracentrifugation, the number of scans and the concentration of the NPs for the determination of their hydrodynamic diameter (dh). The analysis indicated that the AUC was able to measure the sizes of the smallest nanoparticles. In addition, evaluations of the behavior of these nanoparticles between pH 4-8, ionic strengths from 0 to 500 mM, in the presence and absence of natural organic matter (NOM) showed that they had a dh of about 7.0 nm with small increases at low pH or for large ionic strengths or hardness. These results strongly demonstrated a high physical and chemical stability of allosphères, which implied that they would have a high mobility in soils. Dynamic light scattering (DLS) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) were used to validate the results obtained by the AUC.

L’étude qui suit porte sur l’évaluation du risque écotoxicologique du cérium, l’élément le plus exploité de la famille des lanthanides. La présence grandissante de ce métal dans notre quotidien rend possible son relargage dans l’environnement. Il est donc primordial de comprendre l’impact qu’il aura sur les organismes vivant dans un système aquatique. Une approche centrée sur le modèle du ligand biotique a été utilisée pour évaluer adéquatement l’interaction entre le cérium et un ligand biotique à la surface de l’algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii. Pour mener une étude sur le risque écotoxicologique d’un élément métallique il faut, avant tout, comprendre la spéciation (répartition sous ses différentes formes chimiques) de l’élément en question. Les premières sections du mémoire vont donc traiter des expériences qui ont été menées pour évaluer la spéciation du cérium dans les conditions expérimentales d’exposition à C. reinhardtii. Il sera question de faire la distinction entre la forme particulaire du métal et sa forme dissoute, de caractériser ces changements par spectroscopie ainsi que d’évaluer le pouvoir complexant de la matière organique naturelle. Les résultats montrent une importante déplétion du métal dissout en solution à pH neutre et basique et une forte interaction avec la matière organique naturelle, peu importe le pH de la solution. Ensuite, les expériences de bioaccumulation seront expliquéesen comparant l’effet du pH, de la présence d’un ion compétiteur et de la présence de matière organique naturelle sur les paramètres d’internalisation du cérium. Les résultats indiquent qu’à pH acide, le comportement du cérium est plus prévisible qu’à pH neutre. Néanmoins, en tenant compte de la complexité des milieux naturels, l’interaction du métal avec les molécules complexantes va diminuer son risque d’interaction avec un organisme vivant., The following study is on the ecotoxicological risk evaluation of cerium, the most widely exploited element of the lanthanide family. The increasing presence of this element in our everyday lives renders possible its release in the environment. It is therefore of primary importance to understand the impact this metal will have on living organisms in aquatic environments. An approach centered on the biotic ligand model was used here to evaluate the interaction between cerium and a biotic ligand at the surface of the unicellular algae Chlamydomonas reinhardtii. To study the ecotoxicological risk of a metallic element one must understand the speciation (partitioning between its multiple chemical species) of the element in question. The first chapters of this thesis will discuss the experiments performed to evaluate cerium speciation under exposure conditions C. reinhardtii. The issue will be to distinguish between the particulate and dissolved species of the metal, to characterise these changes by spectroscopy, as well as to evaluate the complex formation capacity of the metal with natural organic matter. Results indicate an important depletion of dissolved metal in neutral and alkaline solutions as well as a strong interaction with natural organic matter, regardless of solution pH. Bioaccumulation experiments will then be explained and will compare the effects of pH, the presence of competing ions and the presence of natural organic matter on cerium uptake. Results show that cerium’s behaviour is more predictable under acidic pH conditions. Nonetheless, considering the complexity of the natural environment, the interaction of the metal with natural ligands will most likely reduce the risk of cerium’s interaction with living organisms.

L’utilisation accrue des nanomatériaux manufacturés (NM) fait en sorte que les différents acteurs de réglementation se questionnent de plus en plus par rapport à leur destin et leurs impacts sur les écosystèmes et la santé humaine suite à leur rejet dans l’environnement. Le développement de techniques analytiques permettant de détecter et de caractériser les NM en matrice environnementale est impératif étant donné la nécessité d’évaluer le risque relié à ces polluants émergents. Une des approches de plus en plus favorisée est d’utiliser une technique chromatographique et un ou plusieurs détecteurs sensibles dans les buts de réduire les effets de matrice, d’identifier des nanoparticules (NP) selon leurs temps de rétention et de les quantifier à des concentrations représentatives de la réalité environnementale. Une technique analytique utilisant la chromatographie hydrodynamique (HDC) et des détecteurs en ligne ou hors ligne (détecteurs de diffusion statique ou dynamique de la lumière, spectromètre de masse par torche à plasma en mode particule unique (SP-ICPMS), l’ultracentrifugation analytique) a donc été développée. Le couplage de la colonne HDC avec ces détecteurs a permis de caractériser des NP standards et l’optimisation des conditions de séparation de ces nanoparticules de polystyrène, d’or et d’argent a permis de confirmer que les NP y sont bel et bien séparées seulement selon leur taille, tel que la théorie le prédit. De plus, l’utilisation de la colonne HDC couplée au SP-ICPMS a permis de séparer un mélange de nanoparticules d’argent (nAg) et de les détecter à des concentrations représentatives de celles rencontrées dans l’environnement, soit de l’ordre du μg L-1 au ng L-1. Par exemple, dans un échantillon d’eau usée (effluent), un mélange de nAg de 80 et de 40 nm a été séparé et les nAg ont été détectées à l’aide du SP-ICPMS connecté à la colonne HDC (temps de rétention de 25.2 et 25.6 minutes et diamètres déterminés de 71.4 nm et 52.0 nm). Finalement, pour plusieurs échantillons environnementaux auxquels aucun ajout de nanoparticules n’a été fait, les analyses HDC-SP-ICPMS effectuées ont permis de déterminer qu’ils ne contenaient initialement pas de nAg., Due to the widespread use of engineered nanoparticles (ENP), regulatory agencies are very concerned about their fate and their impacts on the environment and on human health. The development of analytical techniques, which will allow the detection, characterization and quantification of ENP in environmental matrices, is therefore critical in order to properly evaluate the exposure associated with these emerging pollutants. One promising approach to detect and quantify the nanoparticles is to couple a chromatographic technique to a sensitive detector in order to: (i) reduce matrix effects; (ii) identify nanoparticles from their retention times and (iii) quantify the ENP at environmentally relevant concentrations. Consequently, the coupling of hydrodynamic chromatography (HDC) was performed with both on-line and off-line detectors (light scattering detectors, inductively coupled plasma mass spectrometer in its single particle mode (SP-ICPMS) and an analytical ultracentrifuge). HDC was first used for the characterization of ENP standards. Separation conditions were optimized for standard nanoparticle suspensions of polystyrene, gold and silver, which allowed us to confirm that the separation was occurring, based on hydrodynamic size, as predicted by theory. By coupling the HDC column to the ICPMS detector in its ‘‘single particle’’ mode, it was possible to separate an ENP mixture and to detect the nanoparticles at environmental concentrations, i.e., in the μg L-1 to ng L-1 range. For example, in a wastewater sample (effluent wastewater), a mixture of two silver nanoparticles (nAg) of 40 and 80 nm were separated and the nAg were detected by SP-ICPMS at retention times of 25.2 and 25.6 minutes. Diameters of 71.4 nm and 52.0 nm were found. HDC-SP-ICPMS analysis carried out on different non-spiked wastewater samples allowed us to conclude that nAg was below the detection limit of 0.1 µg L-1.

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules ont connu un essor sans précédent dans plusieurs domaines. On peut retrouver ces nanoparticules dans des secteurs aussi variés tels que la médecine, l’électronique, les écrans solaires, les cosmétiques et les plastiques, pour ne nommer que ceux-là. Cette utilisation massive a eu un effet pervers sur l’environnement, sachant qu’une grande partie de ces produits se sont retrouvés inévitablement dans les milieux naturels. Plusieurs études révèlent qu’autant la présence des nanoparticules que leurs produits de dissolution sont à prendre en considération lorsque des travaux toxicologiques ou le devenir de ces matériaux sont étudiés. Il est désormais clair que les propriétés de surface de ces nanoparticules jouent un rôle central sur leur comportement dans les solutions aqueuses; que ce soit les interactions avec des organismes ou entre les particules elles-mêmes. Afin d’évaluer le devenir de nZnO, une étude sur la dissolution ainsi que la bioaccumulation a été réalisée avec l’algue modèle Chlamydomonas reinhardtii en présence de nanoparticules ayant différents enrobages. Les nanoparticules d’oxyde de zinc suivantes ont été étudiées : (i) nZnO sans enrobage (nZnO); (ii) nZnO avec enrobage d’acide polyacrylique (nZnO-PAA) et (iii) nZnO avec enrobage d’hexamétaphosphate de sodium (nZnO-HMP). La dissolution était mesurée à l’aide de trois techniques : ultrafiltration par centrifugation (CU); technique potentiométrique (scanned stripping chronopotentiometry, SSCP) et spectrométrie de masse – plasma à couplage inductif couplé à une résine échangeuse d’ions (resin-based inductively coupled plasma-mass spectrometry, resin-based ICP-MS). Les résultats obtenus démontrent une grande tendance à la dissolution pour le nZnO (presque totale) tandis que pour le nZnO-PAA et le nZnO-HMP, la dissolution est dépendante de la nature de l’enrobage le composant. Pour la bioaccumulation sur l’algue testée, les données montrent une grande dépendance au zinc libre issu de la dissolution pour nZnO et nZnO-PAA. À l’inverse, le nZnO-HMP démontre une bioaccumulation plus élevée par comparaison aux mêmes concentrations d’expositions du zinc libre, expliquée par la stimulation de l’internalisation du zinc provoqué par la présence de phosphate constituant l’enrobage de nZnO-HMP., Over the last decade, the use of nanoparticles (NP) has been increasing exponentially in numerous sectors, leading to their massive release into the environment. For example, zinc oxide nanoparticles (nZnO) can be found in areas such as medicine, electronics, sunscreens, cosmetics and plastics. Concerns have therefore been raised about the impacts of the NP on the natural environment, as well as their consequences for humans. Multiple studies reveal that not only the NP but also their dissolution products may have impacts on environmental systems. It is well understood that surface properties of engineered nanoparticles in aqueous solution play a pivotal role in nanoparticle behavior, including their interactions with organisms. Therefore, in order to assess the behavior of nZnO, this study focuses on their dissolution and evaluates the bioaccumulation of 3 nanoparticles with different surface stabilizations by the freshwater algae Chlamydomonas reinhardtii. The following NP were studied: (i) bare nZnO, (ii) polyacrylic acid coated (nZnO-PAA) and (iii) sodium hexametaphosphate coated (nZnO-HMP). Three different techniques were used to quantify dissolution of the nZnO: centrifugal ultrafiltration (CU), scanned stripping chronopotentiometry (SSCP) and resin-based inductively coupled plasma-mass spectrometry (resin-based ICP-MS). The results reveal a high dissolution of the bare nZnO (nearly total) while the dissolution of the polyacrylate coated and hexamataphosphate coated nZnO were highly dependent on the nature of the stabilizer. As a consequence, bioaccumulation in model algae C. reinhardtii was strongly related to the release of free zinc in the bare nZnO and the nZnO-PAA. On the other hand, algae exposed to nZnO-HMP appeared to be stimulated by the phosphate coating, leading to higher bioaccumulation than for the free zinc, once again demonstrating the importance of the nature of the stabilizer.

L’explosion de la nanotechnologie a permis l’intégration d’une multitude de nanoparticules dans des produits de consommation. Les nanoparticules d’argent (nAg) sont les plus utilisées à ces fins, selon les derniers recensements disponibles. La plupart des études toxicologiques, à ce jour, ont fait état de l’implication très évidente de l’ion Ag+ dans la toxicité aigüe des nAg; cependant, quelques études ont mis en évidence des effets toxicologiques dus aux nAg. Il y a un certain consensus à propos d’un risque de contamination des eaux douces via leur rejet par les effluents des réseaux d’aqueducs. Puisque les concentrations en Ag+ sont généralement très faibles dans les eaux douces (de l’ordre du pg L-1), de par la formation de complexes non-labiles avec des thiols (organiques et inorganiques) et des sulfures, la toxicité inhérente aux nAg pourrait ne pas être négligeable- comparativement aux tests en laboratoires. Cette étude s’intéressait donc aux mécanismes de bioaccumulation d’argent par l’algue verte C. reinhardtii suite à l’exposition à des nAg de 5 nm (enrobage d’acide polyacrylique). La bioaccumulation d’argent pour l’exposition à Ag+ servait de point de comparaison; également, les abondances de l’ARNm de l’isocitrate lyase 1 (ICL1) et de l’ARNm de Copper Transporter 2 (CTR2) étaient mesurées comme témoins biologiques de la bioaccumulation de Ag+. Les expériences ont été menées en présence d’un tampon organique (NaHEPES, 2 x 10-2 M; Ca2+, 5x 10-5 M) à pH de 7,00. Pour des expositions à temps fixe de 2 heures, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+; cependant, il n’y avait pas de différence d’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 entre nAg et Ag+. D’un autre côté, pour une exposition à temps variables, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+ et une augmentation de l’abondance de l’ARNm de ICL1 était notée pour nAg. Cependant, il n’y avait aucune différence significative au niveau de l’abondance de l’ARNm de CTR2 entre nAg et une solution équivalente en Ag+. L’ajout d’un fort ligand organique (L-Cystéine; log K= 11,5) à une solution de nAg en diminuait radicalement la bioaccumulation d’argent par rapport à nAg-sans ajout de ligand. Par contre, l’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 étaient stimulées significativement par rapport à une solution contrôle non-exposée à nAg, ni à Ag+. Les résultats suggéraient fortement que les nAg généraient des ions Ag+ au contact de C. reinhardtii., The recent developments in nanotechnology have given rise to a new and increasing economical market where nanoparticles are at the forefront. Recent inventories of the nanoparticles-containing products have shown that silver nanoparticle- containing products are the most frequently used consumer nanomaterial. Due to the fear of a large scale contamination-and even pollution- of the aquatic environment from silver nanoparticles (nAg), studies have been conducted to assess their toxicities, which, in many cases, have been found to be mediated by the concomitant presence of Ag+. Notably, few studies have found evidence of toxicity due to the nAg, per se. Since numerous non-labile complexes are formed with Ag+ in freshwaters- especially with thiols and sulfides-, nAg toxicity might be more relevant in comparison to laboratory tests where the Ag+ tends to dominate toxicity studies. Therefore, this study investigated the mechanisms underlying silver bioaccumulation by the green alga, C. reinhardtii upon exposure to solutions of nAg (nominal size of 5 nm; poly-acrylate coating). Silver bioaccumulation upon exposures to the free ion alone served for comparison. In parallel, the abundance of two mRNAs- ICL1 and CTR2- were used to better understand the mechanisms underlying the bioaccumulation of Ag+ (and potentially nAg). The experiments were conducted in pH buffered solutions (NaHEPES, 2 x 10-2 M; Ca2+, 5x 10-5 M) at pH 7.00. For 2-hour exposures, the silver bioaccumulation for solutions of nAg exceeded what was expected from their Ag+ content only; however, no differences were noticed in the abundance of the expression of ICL1 and CTR2. For variable time exposures, the silver bioaccumulation for solutions of nAg exceeded what was expected from their Ag+ content only. Moreover, the expression of ICL1 was significantly higher for nAg than what was expected based upon an exposure to Ag+ only. When exposed to nAg, expression levels of CTR2 could be predicted from levels based solely on the Ag+ concentrations. The addition of a large excess of L-Cysteine, which is a very strong silver ligand (log K =11.5), to a nAg solution largely decreased silver bioaccumulation, however, bioaccumulation remained significant and the expression of both ICL1 and CTR2 were significantly higher than that of the control solutions (without Ag+). The results strongly suggest that nAg generated Ag+ ions when in contact with C. reinhardtii and that the nAg released to freshwaters might exert its toxicity through organism-contact-dependant release of Ag+.

À cause de leurs propriétés antibactériennes, les nanoparticules d’argent sont couramment utilisées dans un grand nombre de produits tels les tissus, les savons et les produits médicaux. Dans cette industrie en pleine croissance, ces nanoparticules sont produites en grandes quantités et s’accumuleront éventuellement dans l’environnement. Pour comprendre le destin, le transport et la biodisponibilité des nanomatériaux, il est essentiel de comprendre leurs propriétés physicochimiques. Entre autres, il est particulièrement important de quantifier la dissolution des nanoparticules à l’aide de mesures de spéciation chimique. En effet, l’objectif de cette recherche est de déterminer la spéciation chimique des nanoparticules d’argent dans différents sols. Pour y parvenir, différentes concentrations de nanoparticules d’argent ont été incorporées dans un sol et après un certain laps de temps, la forme ionique a été mesurée à l’aide d’une électrode sélective d’argent tandis que l’argent total est mesuré par absorption atomique ou par ICP-MS. L’analyse de la spéciation dans trois sols différents révèle que les caractéristiques des sols influencent grandement la spéciation chimique, plus particulièrement la quantité de matière organique ainsi que le pH du sol. Ainsi, la tendance des résultats semble indiquer que plus un sol est acide, il y aura plus d’ions argent libres tandis que la matière organique adsorbe fortement les ions argent les rendant ainsi moins disponibles en solution. L’observation de la spéciation chimique à long terme indique aussi que les nanoparticules tendent à éventuellement se dissocier et ainsi émettre un plus grand nombre d’ions dans l’environnement. Ces résultats ont des implications importantes dans la détermination des risques environnementaux des nanoparticules métalliques., Because of their antibacterial properties, silver nanoparticles are widely used in common items such as textiles, soaps and medical products. This practice has shown a drastic expansion during the last years thus leading to potential contamination of the environment by nanoparticles. To understand fate, transport and bioavailabity of nanoparticles, it is important to understand their physicochemical properties. More specifically, it is essential to quantify the dissolution of nanoparticles with chemical speciation measurements. The aim of this study is to quantify the speciation of silver nanoparticles in different soils. Different concentrations of silver nanoparticles have been injected in soil and after a specific time, the ionic form was measured with a silver specific electrode while total silver was quantified by atomic absorption or ICP-MS. Chemical speciation measurements in three different soils indicate that a soil’s properties has a large influence on the fate of silver nanoparticles, especially it’s pH and organic matter content. Results show that if a soil is acidic, it will lead to the release of more free silver ions while organic matter tends to adsorb ions making them less available. Over a six month period, nanoparticles seem to fix rapidly to soil solids but also seem to dissociate or oxidise over the months, leading to a greater amount of potentially bioavailable ions. These results have important implications to the determination of environmental risks of metal nanoparticles.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement., Biofilms are primarily communities of microorganisms embedded in a complex exopolymer matrix. They are thought to play an important role as diffusive barriers in environmental systems and human health, resulting in increased resistance to disinfectants and antibiotics. Since mass transport in a biofilm is primarily due to molecular diffusion, it is critical to understand the main parameters influencing diffusive fluxes in a biofilm. In this thesis, a Pseudomonas fluorescens biofilm and two model hydrogels, (agarose and calcium alginate), were investigated. Both self-diffusion (Brownian motion) and mutual diffusion coefficients were quantified. Fluorescence correlation spectroscopy was used to measure the self-diffusion coefficients in a ca. 1 m3 confocal volume in the gels or biofilms, whereas a diffusion cell setup was employed for mutual diffusion measurements. In addition, microelectrode voltammetry was used to evaluate Donnan potential of the gels in order to determine its impact on diffusion. For the agarose hydrogel, the combined observations of a decreasing self-diffusion coefficient coupled with increasing mutual diffusion as a function of a decreasing ionic strength have been attributed to the gel’s Donnan potential. Measurements of the Donnan effect (difference of -30 mV between ionic strengths of 10-4 and 10-1 M) and the corresponding accumulation of ions in the hydrogel (13x enhancement with respect to the bulk solution) indicated that electrostatic interactions can strongly influence the diffusive flux of cations, even in a weakly charged hydrogel, such as agarose. Somewhat surprisingly, for a more highly charged gel such as calcium alginate, varying ionic strength and pH resulted in only small changes to the diffusion of charged probes in the hydrogel. These results suggested that the direct effect of the cations on gel structure (due to an induced swelling or compression) was much more effective than the Donnan effect when influencing solute diffusion. Similarly, for a bacterial biofilm, self-diffusion coefficients were virtually constant across a range of examined ionic strengths (10-4-10-1 M) for both negatively and positively charged small solutes (Db/Dw≈85%) and nanoparticles (Db/Dw≈50%), suggesting that the obstruction effect of the biofilms again overwhelmed the charge effect. The results of this work indicated that among the various major factors affecting diffusion in an oligotrophic environmental biofilm (steric exclusion, hydrophobic and electrostatic interactions), obstruction effects appeared to be the most important when attempting to understand the solute diffusion. While charge effects did not appear to be important to the self-diffusion of charged substrates in the alginate hydrogel or bacterial biofilm, they were key to understanding diffusion through another gel, with numerous biomedical and environmental applications, i.e. agarose. These results should be extremely useful when evaluating the bioavailability of the trace contaminants and nanoparticles in the environment.

Dans les milieux contaminés par les métaux, les organismes vivants sont exposés à plusieurs d’entre eux en même temps. Les modèles courants de prédiction des effets biologiques des métaux sur les organismes (p. ex., modèle du ligand biotique, BLM ; modèle de l’ion libre, FIAM), sont des modèles d’équilibre chimique qui prévoient, en présence d'un deuxième métal, une diminution de la bioaccumulation du métal d’intérêt et par la suite une atténuation de ses effets. Les biomarqueurs de toxicité, tels que les phytochélatines (PCs), ont été utilisés comme étant un moyen alternatif pour l’évaluation des effets biologiques. Les phytochélatines sont des polypeptides riches en cystéine dont la structure générale est (γ-glu-cys)n-Gly où n varie de 2 à 11. Leur synthèse semble dépendante de la concentration des ions métalliques ainsi que de la durée de l’ exposition de l’organisme, aux métaux. L'objectif de cette étude était donc de déterminer, dans les mélanges binaires de métaux, la possibilité de prédiction de la synthèse des phytochélatines par les modèles d’équilibres chimiques, tel que le BLM. Pour cela, la quantité de phytochélatines produites en réponse d’une exposition aux mélanges binaires : Cd-Ca, Cd-Cu et Cd-Pb a été mesurée tout en surveillant l’effet direct de la compétition par le biais des concentrations de métaux internalisés. En effet, après six heures d’exposition, la bioaccumulation de Cd diminue en présence du Ca et de très fortes concentrations de Pb et de Cu (de l’ordre de 5×10-6 M). Par contre, avec des concentrations modérées de ces deux métaux, le Cd augmente en présence de Cu et ne semble pas affecté par la présence de Pb. Dans le cas de la compétition Cd-Cu, une bonne corrélation a été observée entre la production de PC2, PC3 et PC4 et la quantité des métaux bioaccumulés. Pour la synthèse des phytochélatines et la bioaccumulation, les effets étaient considérés comme synergiques. Dans le cas du Cd-Ca, les quantités de PC3 et PC4 ont diminué avec le métal internalisé (effet antagoniste), mais ce qui était remarquable était la grande quantité de cystéine (GSH) et PC2 qui ont été produites à de fortes concentrations du Ca. Le Pb seul n’a pas induit les PCs. Par conséquent, il n’y avait pas de variation de la quantité de PCs avec la concentration de Pb à laquelle les algues ont été exposées. La détection et la quantification des PCs ont été faites par chromatographie à haute performance couplée d’un détecteur de fluorescence (HPLC-FL). Tandis que les concentrations métalliques intracellulaires ont été analysées par spectroscopie d’absorption atomique (AAS) ou par spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-MS)., In contaminated environments, organisms are often exposed to multiple contaminants at the same time. Based upon the current models for predicting metal effects on organisms (e.g., Biotic Ligand Model, BLM, the free ion model, FIAM), the presence of a second metal is predicted to decrease the bioaccumulation and biological effects of the first. In contrast to this prediction, antagonistic, synergistic and additive effects have been well documented in the literature. Phytochelatins (PCs) are a family of thiol-rich peptides with a general structure (γ-Glu-Cys)n-Gly with n=2-11. PCs are involved in both metal homeostasis and the protection of plants from metal toxicity, through their role as metal chelators. Their synthesis depends upon the metal exposure, the duration of exposure and the biological species involved. Therefore, the objective of this study was to determine, in binary mixtures of metals, if the synthesis of phytochelatins could be predicted using equilibrium models, such as the BLM. The study initially examined binary mixtures: Cd-Ca, Cd-Pb and Cd-Cu by comparing the quantity of internalized metal to the amount of phytochelatins produced by Chlamydomonas reinhardtii in response to a metal stress. The bioaccumulation results, after six hours of exposure, showed that Cd decreased in the presence of Ca and very high concentrations of Pb and Cu. In contrast, it increased in the presence of Cu and remained unchanged in the presence of moderate concentrations of Pb. For mixtures of Cu and Cd, a good correlation was observed between the production of PC2, PC3 and PC4 and the quantity of internalized metals. Both bioaccumulation and phytochelatin synthesis were considered to be synergistic. For mixtures of Cd and Ca, the amount of PC3 and PC4 produced decreased with the internalized metal (antagonistic effect); however, in the presence of added Ca, GSH and PC2 production was much higher than predicted. The detection and quantification of the PCs were performed using an optimized protocol for high performance liquid chromatography coupled with fluorescence detection (HPLC-FL); metal uptake was determined using atomic absorption spectrometry (AAS) or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

Les phytochélatines (PC) sont des polypeptides ayant la structure générale, (alpha-Glu-Cys)n-Gly, où n = 2 à 11. Leur synthèse est induite par un grand nombre de végétaux en réponse à une élévation de la concentration du milieu en métaux, en particulier le cadmium (ci-après, Cd). Le but de cette étude a été de développer un outil pour évaluer la biodisponibilité du Cd dans les eaux douces. Pour ce faire, une méthode analytique a été réalisée afin de déterminer les phytochélatines induites dans les algues C. reinhardtii. Celle-ci consiste à utiliser la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LCHP-SM/SM) "on-line". L’ionisation des molécules est celle faite par électronébulisation (IEN) (traduction de electrospray ionisation). L’objectif principal de ce mémoire est la validation de cette méthode : la détermination des courbes de calibration et des limites de détection et l'identification d'interférences potentielles. L’utilisation de dithiothreitol (DTT) à une concentration de 25 mM a été nécessaire à la conservation de la forme réduite des phytochélatines. En effet, suite à la validation de la méthode d’analyse des phytochélatines il a été démontré qu’elle représente un potentiel d’application. Ceci dans la mesure où l’induction des phytochélatines (PC2, PC3 et PC4) dans les algues C. reinhardtii a été possible à deux concentrations de Cd (1 x 10-7 M et 1 x 10 6 M) et ce, après plusieurs temps d'induction (1, 2, 4, et 6 h). Ainsi, l’étude de la stabilité des phytochélatines a été réalisée et toutes les températures examinées ont démontré une diminution des phytochélatines analysées par HPLC-ESI-MS/MS. Il se pourrait que la cause de la dégradation des phytochélatines soit physique ou chimique plutôt que bactérienne. Toutefois, un approfondissement au niveau de la purification de la solution d’extraction serait nécessaire à la mise au point de la dite méthode analytique afin de quantifier les phytochélatines dans l’algue C. reinhardtii., Phytochelatins (PC) are polypeptides having the general structure, (alpha-Glu-Cys)n-Gly, where n = 2 to 11. Many plants respond to an elevated concentration of metals in environment, particularly Cd, by synthesizing PC. The purpose of this study was to develop a tool to assess the bioavailability of the Cd in fresh water by determining phytochelatins in algae, C. reinhardtii, by online HPLC-ESI-MS/MS. The gold of this work was the validation of the analytical method i.e. the determination of the calibration curves and the limits of detection. The addition of dithiothreitol (DTT), 25 mM, was found to be necessary to maintain the PC in their reduced form for analysis. It was shown that the liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-MS/MS) technique has excellent potential for PC analysis, however, it will still requires some more work with respect to sample purification. Furthermore, the stability of the PC was evaluated for different sample storage temperatures. At all temperatures studied, some degradation of PC was observed possibly due to physical rather than chemical or bacterial reasons. Finally, the induction of phytochelatins (PC2, PC3 and PC4) was observed in C. reinhardtii for two Cd concentrations (10-7 M and 10-6 M) and for several induction times (1, 2, 4, and 6 h).

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.