Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Spéciation de l’uranium“

L’objectif de cette thèse porte sur l’étude de la compartimentalisation cellulaire et de la prise en charge de l’uranium (U) par les protéines cytosoliques des cellules branchiales du poisson zèbre (Danio rerio, espèce modèle en toxicologie aquatique) après exposition contrastées (chronique vs. aiguë, 20 et 250 µg.L-1) par voie directe. Cette étude a nécessité le développement, l’utilisation et le couplage d’outils analytiques de pointe (SEC, IEF hors-gel, RP-UHPLC pour la séparation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS pour la détection) avec comme défis majeurs la conservation des interactions non-covalentes U biomolécule et une sensibilité maximale pour travailler à des niveaux d’exposition proches de ceux rencontrés dans l’environnement. Après extraction, 24 à 32% de la charge branchiale totale en U est contenue dans le cytosol dans lequel la distribution de l’U sur les biomolécules (en fonction de leur PM mais aussi de leur pI) diffère selon le niveau d’exposition. Enfin, une cartographie des biomolécules cibles de l’U a permis (i) de mettre en évidence une affinité particulière de l’U pour les protéines à caractère acide et/ou contenant du phosphore et (ii) d’identifier 24 protéines candidates pour lier U
The objective of this thesis is to study the cellular compartmentalization and the chelation of uranium (U) by cytosolic proteins of gill cells of the zebrafish (Danio rerio, model species in aquatic toxicology) under different direct exposure conditions (chronic vs. acute, 20 and 250 µg.L 1). This study required the development of hyphenated techniques (SEC, IEF off-gel, RP-UHPLC for the separation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS for the detection) with the main challenges of maintaining the non-covalent U-biomolecule interactions and enhancing sensitivity for the analysis of environmentally relevant samples. After extraction, 24% to 32% of the total U detected in the gills were present in the cytosolic fraction, in which the U distribution on the biomolecules (as a function of their MW and pI) varied depending on the exposure level. Finally, U target biomolecules mapping allowed us (i) to highlight a particular affinity of U for acidic and/or P-containing proteins and (ii) to identify 24 protein candidates for U binding

L’étude proposée s’inscrit dans un contexte de contamination croissante de la pédosphère et fait le choix d’appréhender cette problématique via une approche centrée sur la rhizospère et sur les mécanismes gouvernant son évolution. Ces travaux s'intéressent à la relation entre l’uranium – un métal naturel ubiquiste non-essentiel – et le citrate – un acide organique de faible poids moléculaire exsudé par certaines espèces végétales poussant sur un milieu pauvre en phosphore. Parmi ces espèces particulières le lupin blanc (Lupinus albus) fait office de plante modèle. Un sol naturellement riche en uranium prélevé à l’affleurement d’une veine de pechblende a été étudié. L’objectif du travail a été de savoir si l’activité racinaire est suffisante pour provoquer la remobilisation de l’uranium dans la solution du sol et favoriser son transfert. Le système sol/plante a été étudié sur rhizotest et de manière découplée en hydroponie et en réacteurs fermés. Il a été démontré que la présence d’uranium dans un milieu contrôlé (hydroponie) stimule l’exsudation de citrate chez les lupins blancs qui ne sont pas carencés en phosphore et que cette exsudation de citrate favorise la solubilisation de l’uranium dans la solution du sol en réacteurs fermés. Ces résultats ont été confirmés par les observations faites sur rhizotest même si les valeurs obtenues dans ce cas étaient plus nuancées. Ceci justifie les approches utilisées et met en évidence leur complémentarité. Les résultats obtenus ont également permis d’apporter des informations concernant la toxicité de l’uranium, son internalisation dans les cellules racinaires ainsi que sur son transfert des racines aux parties aériennes
The present study is related to the context of pedosphere contamination increasing and chose to consider this issue through a focus on rhizosphere and mechanisms that govern its evolution. This work is oriented on the relation between uranium – a non-essential ubiquitous metal – and citrate – a low molecular weight organic acid exudated by specific species when grown on a phosphorus-deficient environment. Among these particular species white lupine (Lupinus albus) is considered as a model species. Furthermore, a natural soil containing huge amounts of uranium has been collected at the outcrop of a pitchblende vein and used during some experiments. The main aim of this PhD thesis was to determine if the root activity of white lupine is sufficient to cause the remobilization of uranium into soil solution and so to promote the transfer of this contaminant to the plant. The soil/plant system has been studied with rhizotests and by combining datas obtained with hydroponics experiments and batches tests. It has been demonstrated that the presence of uranium in a controlled growth medium (hydropony) stimulates citrate exudation in P-sufficient white lupine. More, this citrate exudation enhances uranium solubilization in soil solution in batches. These results have been confirmed by observations on rhizotest even if the values in this case were more nuanced. This justifies the employed approaches and highlights their coherence and complementarity. The results also allowed to provide additional information concerning uranium toxicity, its internalization in root cells as well as its transfer from roots to aerial parts

La connaissance du comportement géochimique de l’uranium (U) dans l’environnement est essentielle pour en limiter la propagation dans les milieux contaminés. Ce travail de thèse visait avant tout à déterminer l’évolution sur plusieurs milliers d’années des phases non-cristallines de U dans les sédiments naturellement riches en U (jusqu’à plus de 1000 µg/g) du lac Nègre, dans le massif du Mercantour (Alpes-Maritimes, France). Grâce aux rapports isotopiques de U (δ238U et (234U/238U)) et à la spectroscopie d’absorption X (XAS) au seuil L3 de U, il est montré que U est déposé initialement sous forme d’espèces mononucléaires liées à la matière organique, et est rapidement réduit en U(IV). En moins de 700 ans, ces phases sont transformées en polymères de U(IV)-silice avec une structure locale proche de la coffinite (USiO4·nH2O). Cette transformation souligne l’impact de l’abondance de ligands qui limitent la précipitation de phases cristallines de U, mais ne réduit que faiblement la labilité de U, dont la mobilité potentielle reste importante après plus de 3000 ans. A l’échelle du bassin versant, U provient initialement de fractures dans la roche-mère granitique, puis est piégé en grandes quantités dans les sols, en particulier dans la zone humide en amont du lac (jusqu’à > 5000 µg/g U), avant d’être transporté vers le lac par érosion. Cette fixation dans les sols a lieu par complexation sur la matière organique dont certaines structures biologiques, avant réduction partielle en U(IV). On trouve ainsi surtout des formes mononucléaires de U, mais aussi des phases polymériques de U(VI) potentiellement issues d’un vieillissement de U après des milliers d’années d’accumulation
Understanding the geochemical behavior of uranium (U) in the environment is crucial for the limitation of U dissemination in contaminated systems. The primary objective of this thesis was to determine the potential evolution of noncrystalline U phases over thousand years in naturally U-rich lacustrine sediments (up to more than 1000 µg/g) from Lake Nègre, in the Mercantour-Argentera Massif (South-East France). Using U isotopic ratios (δ238U and (234U/238U)) and U L3-edge X-ray absorption spectroscopy (XAS), we show that U is first deposited as organic-bound mononuclear species and is readily reduced to U(IV). In less than 700 years, these species transform into U(IV)-silica polymers with a local structure close to that of coffinite (USiO4·nH2O). This transformation highlights the role of ligand abundance in limiting the precipitation of crystalline U phases, but only slightly reduces the lability of uranium which potential mobility remains significant even after several thousand years. At the watershed scale, U originates from fractures in the granitic bedrock and is subsequently scavenged in the soils, especially in the wetland upstream of the lake (up to > 5000 µg/g), before being transported through erosion. Uranium scavenging in the soils occurs through complexation by organic matter including particular biological structures, followed by partial reduction to U(IV). U is thus mainly present in mononuclear species but also in polymeric U(VI) phases which may potentially result from U aging after thousand years of accumulation

La directive cadre européenne sur l’eau initiée en 2000 a permis d’établir de nombreuses normes de qualité environnement au cours des 18 dernières années pour les composés issus de l’activité anthropique. Cependant la présence naturelle de l’uranium dans l’environnement ainsi que sa réactivité complique la construction des normes. Le transfert de l’uranium entre le sédiment, l’eau et le compartiment biologique est un sujet complexe. En effet, le passage de l’uranium au travers de la membrane cellulaire peut être lié à la composition minéralogique ainsi qu’aux paramètres physico-chimiques. L’objectif de cette étude est d’apporter des fondements scientifiques autour de ces différents paramètres et de déterminer ainsi leur impact sur l’accumulation. De cette façon, la future définition de ces nouvelles normes (NQE) prend en compte la notion de biodisponibilité des contaminants. L’impact fort de phases minéralogiques telles que la ferrihydrite est démontré tant en contexte post-mines qu’au sein d’expérimentations en laboratoire par opposition au quartz dont la capacité de sorption est faible. Une corrélation est notée entre l’accumulation obtenue par un bioindicateur.«Chironomus riparius» et celle mesurée par un système de capteurs passifs intégratifs nommés DGT. Cette corrélation est liée à la présence d’espèces potentiellement biodisponibles telles que UO2OH2(aq), dont l’abondance est obtenue par des calculs de spéciation. Ces premières conclusions permettent de donner les fondements scientifiques afin d’alimenter le débat autour de la construction des normes de qualité environnement
The European Water Framework Directive introduced in 2000 has allowed to establish numerous quality environment standards for the last 18 years for compounds stemming from anthropic activity. However, the natural presence of uranium in the environment as well as itsreactivity complicates the construction of standards. The transfer of uranium betweensediment, water and the biological compartment is complex. Indeed, the passage of uranium through the cellular membrane can depend on the mineralogical composition as well as on the physico-chemical parameters. The objective of this study is to bring scientific foundationsaround these various parameters and hence to determine their impact on the accumulation.This way, the future definition of these new standards (NQE) takes into account the notion of bioavailability of contaminants. The strong impact of mineralogical phases such as ferrihydrite is both demonstrated in a post-mining context as well as within experiments in laboratory, as opposed to the quartz whose sorption capacity is low. A correlation is noted between the accumulation obtained by bioindicator “Chironomus riparius” and the one measured by a system of integrative passive sensors called DGT. This correlation is linked to the presence of potentially bioavailable species such as UO2OH2(aq), whose abundance is obtained by speciation calculations. These first conclusions give scientific foundations to feed the debate around the construction of the environment quality standards

Les gisements d’U de type discordance sont associés à des circulations de saumures chlorurées acides et caractérisés par des tonnages et concentrations exceptionnels ce qui amènent à s’interroger sur les processus de transport et de dépôt de l’U contribuant à leur genèse. Cette thèse est donc dédiée à des études expérimentales de la spéciation de l’U6+ et sa précipitation en UO2 par réduction en U4+ en condition hydrothermale. Concernant le transport de l’U, l’étude de la spéciation de l’U6+ dans ces fluides chlorurés (T ≤ 350°C) est réalisée par spectroscopie Raman et XAS. Les résultats montrant la coexistence de plusieurs complexes d’uranyle chlorurés UO2Cln2-n (n=0-5) dont certaines constantes de complexation sont proposées. Ainsi, la complexation de l’uranyle par les chlorures explique la forte capacité de transport en U6+ par les saumures chlorurées acides, condition nécessaire à la formation de gisements de fort tonnage. Pour le dépôt de l’U, les cinétiques de réduction de l’U6+ en U4+ par H2, CH4, Fe2+ et C-graphite sont mesurées et paramétrées en fonction de la température, de la chlorinité, du pH et de la concentration en réducteur. H2, CH4 et le C-graphite sont être très efficaces, contrairement au Fe2+. Le caractère mobile des gaz réducteurs explique en partie les minéralisations massives et focalisées observées dans ces gisements. Enfin des coefficients de partage UO2/fluide d’éléments en traces, dont certaines ETR, sont mesurés, ouvrant de nouvelles perspectives quant à (i) la compréhension de la signature des ETR caractéristiques de chaque type de gisement d’U, et (ii) la composition des fluides à l’origine des minéralisations uranifères
Circulations of acidic chloride brines are associated with unconformity-related uranium (URU) deposits. The spectacular high grade combined with the large tonnage of these deposits is at the origin of the key questions concerning the geological processes responsible for U transport and precipitation. The aim of this work is to performed experimental studies of U6+ speciation and its reduction to U4+ subsequently precipitation to UO2 under hydrothermal condition. About U transport, the study of U6+ speciation in acidic brines at high temperature is performed by Raman spectroscopy and XAS, showing the coexistence of several uranyl chloride complexes UO2Cln2-n (n=0-5). From this study, complexation constants are proposed. The strong capability of chloride to complex uranyl is at the origin of the transport of U6+ at high concentration in acidic chloride brines. Concerning U precipitation, the reactivity of four potential reductants under conditions relevant for URU deposits genesis is investigated: H2, CH4, Fe2+ and the C-graphite. The kinetics of reduction reaction is measured as a function of temperature, salinity, pH and concentration of reductant. H2, CH4, and the C-graphite are very efficient while Fe2+ is not able to reduce U6+ in same conditions. These mobile and efficient gaseous reductant could be at the origin of the extremely focus and massive character of ore in URU deposits. Finally, first partition coefficients UO2/fluid of trace elements are obtained. This last part opens-up new perspectives on (i) REE signatures interpretation for a given type of U deposit (ii) and reconstruction of mineralizing fluids composition