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Etude des effets cocktails sur le devenir, la toxicité et la bioremédiation de phytosanitaires // Study of the cocktail effects on the fate, toxicity and bioremediation of pesticides

ABG-121624
ADUM-55500
Sujet de Thèse
22/03/2024 Contrat doctoral
Université Clermont Auvergne
AUBIERE - France
Etude des effets cocktails sur le devenir, la toxicité et la bioremédiation de phytosanitaires // Study of the cocktail effects on the fate, toxicity and bioremediation of pesticides
Biodégradation, microorganismes, mélanges , formulation, eau, sol
Biodegradation, microorganisms, mixtures, formulation, water, soil

Description du sujet

L'évolution des pratiques agronomiques en agriculture conventionnelle a conduit, pour protéger plus efficacement les cultures, à des épandages parfois répétés de mélanges de matières actives formulées de phytosanitaires, chacune étant appliquée à faible dosage. Le résultat est une contamination multi-résidus croissante des sols, mais aussi des compartiments aquatiques, avec des mélanges de molécules mères mais aussi de divers produits de dégradation. Ainsi, une étude récente a montré que des mélanges de 2 pesticides ou plus étaient retrouvés dans 60% des 300 sols agricoles européens prélevés (Silva et al., 2019) et cette présence de mélanges de résidus de pesticides semble être plutôt la norme que l'exception (Chiaia-Hernandez et al., 2017 ; Riedo et al., 2021). De plus, les agriculteurs sont amenés à épandre, pour amender leurs champs, des effluents d'élevage (lisiers, fumiers) ou boues de stations d'épuration, qui peuvent contenir des résidus médicamenteux, des métaux lourds et autres substances. Les effets de ces multi-contaminations (effets cocktails) sur le devenir de chaque molécule individuellement dans l'environnement ne sont que rarement pris en compte dans les recherches actuelles (Schaeffer et Wijntjes, 2022 ; Smith et al., 2024), ce qui permettrait pourtant d'intégrer les effets cumulatifs, synergiques ou antagonistes des molécules et ainsi de mieux appréhender les impacts réels sur le fonctionnement des écosystèmes, notamment en termes de capacité de biodégradation des différents contaminants présents (synergie ou inhibition), de toxicité et de risque environnemental.

L'objectif de ce travail de thèse est donc d'étudier l'impact de divers mélanges de molécules représentatifs de situations réelles (phytosanitaires, additifs de formulation, antibiotiques, molécules mères et métabolites, éventuellement métaux lourds) sur la biodégradation mais aussi sur la toxicité (croissance de microorganismes, Microtox®) de chacune d'elles, et en particulier des phytosanitaires. Ces études seront réalisées dans un premier temps en milieu liquide. Pour ce faire, (1) nous isolerons, par des cultures d'enrichissement, des microorganismes (souches isolées et/ou consortia) capables de dégrader les molécules d'intérêt à partir de différentes matrices environnementales recevant les phytosanitaires étudiés, afin d'identifier et de caractériser les différents métabolites formés lors de la biodégradation par différentes méthodes analytiques complémentaires (LC/MS, RMN); (2) nous étudierons l'impact, en termes de cinétiques et de voies métaboliques, de la présence de mélanges de molécules dans le milieu sur la biodégradation de chacune d'elles; (3) l'impact des mélanges de molécules pures et formulées (effets cocktails) sera également évalué d'un point de vue toxicité en utilisant un test standardisé (Microtox®), en suivant leur effet sur la croissance de divers microorganismes et en le comparant avec chacune des molécules seules.
Dans une deuxième partie de la thèse, ces souches et/ou consortia pourront être utilisées pour la mise en œuvre de processus de bio-remédiation préventive réalisées en microcosmes de sol dans des conditions contrôlées de laboratoire (Carles et al., 2021) ou en conditions naturelles. Le suivi de l'évolution des souches initialement apportées dans les microcosmes de sols et leurs capacités épuratrices (suivi chimique des molécules mères et des différents produits de dégradation) pourront être appréciés en se basant sur l'utilisation des protocoles et méthodes analytiques développées dans la première partie de la thèse.
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The evolution of agronomic practices in conventional agriculture has led to repeated spreading of formulated pesticide active ingredient mixtures, each being applied at low dosage, in order to protect crops more effectively. The result is a multi-residue contamination of soils but also of water (highly monitored environmental compartments), with mixtures of parent molecules and their various degradation products. For example, a recent study showed that mixtures of 2 or more pesticides were detected in 60% of the 300 European agricultural soils sampled (Silva et al., 2019) and this presence of pesticide mixtures seems to be the norm rather than the exception (Chiaia-Hernandez et al., 2017; Riedo et al., 2021). Moreover, the spreading of farm effluents (manure) or sludge to amend agricultural soils is a common practice but these amendments contain increasing quantities of pharmaceutical molecules, heavy metals and other contaminants. The impact of this multi-residue contamination (cocktail effects) on the fate of the individual molecule is not often considered in the literature (Schaeffer et Wijntjes, 2022; Smith et al., 2024). Nevertheless, this should allow us to investigate cumulative, synergic or antagonist effects and therefore to have a better assessment of the overall real impact on ecosystems, in particular on their degrading capacity of various contaminants present (synergy or inhibition), toxicity and global risk assessment.

The aim of this research work is therefore to study the impact of various mixtures of molecules (pure or formulated pesticides, pharmaceuticals, parent molecules and/or degradation products, heavy metals) on the biodegradation and toxicity (microbial growth, Microtox®…) of each molecule individually, in particular pesticides. These studies will be carried out in liquid media to start with. For this, (1) microbial strains able to degrade the target molecules will be isolated by enrichment cultures from various environmental matrices receiving these contaminants. The metabolites formed will be identified by various analytical techniques (e.g. LC-MS, NMR) in order to establish the biodegradative pathways; (2) the impact of the mixture of pure or formulated molecules on the biodegradation of each one (modulation of kinetics, metabolic pathway) will be studied; (3) this impact will also be assessed from a toxicity point of view, by using a standardized method (Microtox®), monitoring the growth of different microbial strains and comparing it for addition of either single molecules or a mixture.

In a second part of the thesis, the isolated strain(s)/consortia will be used to develop a preventive bioremediation process in soil microcosms under controlled climatic laboratory conditions (Carles et al., 2021) or in outside natural conditions. The evolution of each strain we supply initially, as well as their biodegradative activities, will be monitored. Chemical monitoring of the parent molecules and their metabolites will also be carried out, using the analytical protocols developed in the first part of the thesis.
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Début de la thèse : 01/10/2024

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Concours pour un contrat doctoral

Présentation établissement et labo d'accueil

Université Clermont Auvergne

Etablissement délivrant le doctorat

Université Clermont Auvergne

Ecole doctorale

178 Sciences Fondamentales

Profil du candidat

Le candidat devra être titulaire d'un Master 2 et/ou d'un diplôme d'ingénieur dans le domaine de la chimie environnementale, de la chimie analytique ou de l'écotoxicologie. Le sujet de thèse proposé se situant clairement à l'interface chimie – microbiologie, plusieurs compétences seront requises pour mener à bien ce projet : • De solides connaissances théoriques et pratiques en chimie analytique (HPLC, RMN, LC-MS) • Des connaissances de base ou compétences en microbiologie pasteurienne seraient un plus • Très forte capacité d'organisation, rigueur scientifique, ouverture d'esprit et travail en équipes Nous recherchons un candidat impliqué, motivé par l'interdisciplinarité, avec un goût affirmé pour l'expérimentation et l'analyse, enthousiaste, autonome, rigoureux et méthodique, aimant travailler et communiquer avec différentes équipes et sachant rédiger en français et/ou en anglais. Un bon niveau d'anglais (écrit et oral) est demandé.
The candidate should have a Master's degree in environmental or analytical chemistry, or possibly ecotoxicology. The PhD topic proposed is clearly on the boundaries of chemistry with microbiology, therefore, several skill-sets are required to take on this project. i) solid theoretical and practical competence in analytical chemistry (HPLC, NMR and LC-MS, particularly). ii) Basic knowledge or competence in pasteur microbiology iii) a very pronounced aptitude for organisation, rigour, open-mindedness and aptitude for team work. We are looking for a candidate to get involved in cross-disciplinary research, with a marked taste for experimental analysis, an enthusiastic, rigorous, methodical and autonomous person, who enjoys working and communicating with different research teams. The candidate should be able to write up results and other documents in French and/or English. Fluency in oral English is required, whilst the written standard of the candidate's English should also be high.
20/05/2024
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