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									                                       Proposition de thèse


Titre : Interactions radionucléides - populations bactériennes issues de sols contaminés



Laboratoires impliqués :
   - IRSN DEI/SECRE, Laboratoire de Radioécologie et d’Ecotoxicologie (LRE), CE Cadarache
   - UMR 6191, Université Aix-Marseille II/CEA/CNRS, Laboratoire des Interactions Protéine Métal
       (LIPM), Cadarache
   - UMR. 5084, Universités de Bordeaux I et II/CNRS, Laboratoire de Chimie Nucléaire Analytique et
       Bioenvironnementale (CNAB), Gradignan


Directrice de thèse : Catherine Berthomieu, LIPM Cadarache
Co-directrice de thèse : Claire Sergeant, CNAB Bordeaux



Résumé du sujet
Ce projet vise à évaluer les interactions entre radionucléides (Cs, Sr, U...) et populations bactériennes
issus d'un sol fortement contaminé par des déchets radioactifs, afin d’estimer le rôle possible de ces
microorganismes sur la migration des radionucléides dans le sol et l'eau et sur leur stabilisation
biologique éventuelle dans les sols. Le site retenu pour l'étude est une tranchée située dans la zone
d'exclusion de Tchernobyl, étudiée par l'IRSN et 2 instituts ukrainiens depuis 1999. Celle-ci contient les
déchets de décontamination de la forêt Rousse, mélange de la couche superficielle du sol forestier
originel, de particules de combustible et de matières organiques contaminées. Le suivi réalisé in situ a
permis de mettre en évidence une migration de certains radionucléides depuis le sol de la tranchée
jusqu'à la nappe phréatique et de suspecter un rôle important des microorganismes du sol dans ce
phénomène. La thèse se déroulera en 4 parties : (1) impact des radionucléides sur la diversité
structurelle de populations bactériennes de la tranchée, (2) étude des interactions et des capacités de
résistance de bactéries cultivables issues de cette tranchée vis à vis de radionucléides, (3)
caractérisation biochimique d'1 ou 2 souches sélectionnées pour leur capacité à concentrer ou chélater
les radionucléides, (4) études des capacités de séquestration de radionucléides par 1 des souches
précédentes non plus en culture pure mais dans un sol.



Contexte du sujet :
    Suite à l’explosion accidentelle du réacteur n°4 de la centrale nucléaire de Tchernobyl le 26 avril
1986, et de l’incendie qui a suivi, d’énormes rejets de produits radioactifs se sont produits et répandus
dans l’environnement par l’intermédiaire d’un nuage radioactif.
A environ 2,5 km de la centrale accidentée, dans la zone d’exclusion, des tranchées ont été creusées
dès 1987 à des fins de stockage temporaire (entreposage). Depuis 1999, l’IRSN, en collaboration avec
deux instituts ukrainiens, entretient un site expérimental autour de la tranchée T-22. Celle-ci contient
les déchets de décontamination de la forêt Rousse, mélange de la couche superficielle du sol forestier
originel, de particules de combustible à l’origine des migrations de radionucléides dans l’environnement
et de matière organique contaminée en cours de décomposition 1. Depuis 20 ans, les matériaux de cette
tranchée sont soumis à l’infiltration des eaux de pluie. L’IRSN dispose aujourd’hui d’informations
permettant de décrire cette tranchée en termes de composition, de propriétés physico-chimiques et
hydrauliques. Ces données alimentent des recherches sur le comportement des radionucléides dans

1
    Dugai et al.(2005) Environ Geol 47, 869-881.


                                                                                                    1/4
l’environnement et notamment sur le transport du strontium 90, du césium 137, de l’uranium et du
plutonium dans la zone non saturée et l’aquifère sous-jacent. Les principaux facteurs identifiés qui
influencent le transport de ces radionucléides sont les suivants : la vitesse de dissolution des particules
de combustible nucléaire dans la tranchée, la diffusion et la dispersion des radionucléides dans les
zones non saturées et saturées, la stratification de la nappe phréatique, l’environnement géochimique
et l’interaction des radionucléides avec les composantes du sol.
     Parmi ces composantes du sol, les microorganismes sont fortement pressentis pour avoir un impact
sur les différents facteurs influençant le transfert des radionucléides. On sait qu’il existe des
microorganismes capables de s’adapter et de survivre dans des environnements extrêmes, et
notamment en termes de température et en présence de radiations 2,3. En l’absence d’oxygène
(anaérobiose) les bactéries peuvent utiliser les mécanismes de transfert d’électrons pour "respirer" et
montrer une très grande capacité réductrice vis à vis de multiples éléments, qu’ils soient radioactifs ou
non. La capacité à résister aux rayonnements ionisants a été décrite chez plusieurs espèces
bactériennes, phylogénétiquement éloignées, affiliées aux genres Acinetobacter, Chroococcidiopsis,
Deinococcus, Hymenobacter, Kineococcus, Kocuria, Methylobacterium et Rubrobacter 4. Parmi les plus
résistantes, des espèces comme Deinococcus radiodurans ou Rubrobacter radiotolerans peuvent survivre
à des doses allant jusqu’à 15 000 Gray. Les mécanismes impliqués mettent en jeu des systèmes
performants de réparation des cassures double-brin de l’ADN et de protection et réparation des
dommages oxydatifs sur les protéines 5,6. Cependant, ces processus sont complexes, multifactoriels et
restent encore largement inconnus. Des organismes radiorésistants ont été décrits dans des
environnements variés et, en particulier, au niveau de sites pollués par des déchets nucléaires ainsi que
des environnements arides et désertiques 7,8. Des bactéries susceptibles de sporuler et radio-résistantes
ont d’ailleurs déjà été mises en évidence dans les sols superficiels de régions proches de Tchernobyl9.
     Les laboratoires impliqués dans cette thèse sont associés et soutenus par le GNR TRASSE (Actions
2008-1C (2008-2010) et 2009-1A (2009-2011)) sur des recherches concernant cet aspect microbiologique
pour lequel on ne dispose que de très peu de données à Tchernobyl. Trois missions sur le terrain se sont
déroulées en 2008 et 2009 et ont permis de commencer un inventaire et une caractérisation des
bactéries présentes dans la tranchée, ayant résisté à de forts taux de radioactivités (jusqu’à 450 Bq/g
de sol).


Sujet de thèse proposé :
    L’objectif de ce travail est d’estimer l’impact des radionucléides et des rayonnements (, , ) sur
les populations bactériennes des sols de la tranchée, pour pouvoir ensuite définir le rôle possible de ces
microorganismes sur la migration des radionucléides dans le sol et l’eau et sur leur stabilisation
biologique éventuelle dans les sols, freinant ainsi les transferts vers la nappe phréatique.

    La première partie du travail consistera à évaluer l'impact des radionucléides sur la diversité
structurelle des populations bactériennes de la tranchée. Ceci se fera par comparaison des profils
moléculaires obtenus par la technique de PCR-DGGE de l’ADNr 16S amplifié à partir du métagénome
d'échantillons prélevés en différents points de la tranchée et pour lesquels les concentrations en
radioéléments sont connues. Les profils générés donnent une représentation des populations
bactériennes dominantes présentes dans les échantillons et les variations dans la structure des
communautés bactériennes seront mises en relation avec différents facteurs (niveau de radioactivité
par exemple) par des outils statistiques. Afin d’élargir au maximum cette étude, plusieurs couples
d’amorces seront utilisés pour la PCR : amorces universelles Bacteria ou amorces spécifiques de groupes

2
  Nazina TN et al. (2004) FEMS Microbiol. Ecol. 49, 97-107.
3
  Mironenko NV et al. (2000) Ecotox. and Environ. Safety, Environ. Res., section B, 45, 177-187.
4
  Cox MM, Battista JR (2005) Nat Rev Microbiol. 3, 882-92.
5
  Zahradka K et al. (2006) Nature 443, 569-73.
6
  Ghosal D et al. (2005) FEMS Microbiol Rev 29, 361-75.
7
  Fredrickson JK et al. (2004) Appl Environ Microbiol 70, 4230-4241.
8
  Rainey et al. (2005) Appl Environ Microbiol 71,5225–5235.
9
  Zavilgelsky GB et al. (1998) J of Photochem Photobiol B: Biology, 43, 152-157.


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tels que les Actinobacteria, Bacteroïdetes, Cyanobacteria, Alpha-, Beta-, Gamma-proteobacteria et les
Firmicutes.

      La seconde partie consistera en l'étude plus spécifique de bactéries cultivables issues de la banque
d’isolats (aérobie et anaérobie) constituée par les équipes du LIPM à Cadarache et du CNAB à
Gradignan. Seront étudiées en particulier la résistance des bactéries à la radioactivité et leur capacité
d'interactions avec des radionucléides.
      Les critères d’effet recherchés concerneront la survie et la croissance des cultures de bactéries
soumises à des expositions internes ( ou ) ou externes . Concernant les expositions externes, la
résistance à la radioactivité des bactéries sera évaluée à la fois pour des expositions aiguës à fortes
doses; mais également des expositions chroniques à plus faibles doses. En effet, au niveau des
différents points de prélèvement de la tranchée, la dose au niveau du sol peut atteindre 40 µGy/h.
Dans le sol où sont exposées les bactéries, celle-ci peut augmenter considérablement selon la proximité
ou non avec des particules chaudes et le type d'émetteurs ( ,  ou ). Les expositions externes aiguës
                                                             60
                                                               Co Cigal (CEA-Cadarache) permettant de
délivrer des doses de plusieurs kGy. Les expositions externes chroniques seront menées en utilisant
l'irradiateur à source de 137Cs Micado-Lab du LRE, qui permet de délivrer des doses de 1 mGy/jour à 3
Gy/jour.
      Concernant les expositions internes, les bactéries seront mises en cultures sur des milieux
contenant des émetteurs ou choisis parmi ceux présents dans la tranchée T22. Outre la résistance
des bactéries à ces expositions, les capacités d'interactions entre bactéries et radionucléides seront
également étudiées.
Dans une première phase, les souches capables de séquestrer ou concentrer des radionucléides tels
qu’U, Sr et Cs seront sélectionnées notamment en utilisant les traceurs radioactifs 90Sr et 137Cs (LIPM-
LRE). Pour cela, les bactéries seront testées par groupes, chacun étant constitué d'une dizaine de
souches regroupées par genre. Ces tests impliqueront la mise en culture liquide de l'ensemble des
isolats de la banque, puis leur mélange à des concentrations comparables en cellules. Les solutions
bactériennes seront mises au contact des radionucléides à différentes concentrations pendant un temps
donné. La concentration en radionucléides dans le milieu et dans les culots bactériens sera mesurée
après centrifugation.
Dans une deuxième phase, des études d’interaction uniquement pour les mélanges d'espèces
sélectionnés lors de la phase précédente seront également menées avec le 99Tc (CNAB), l’241Am et dans
la mesure du possible le 239Pu (LRE), ces isotopes étant présents dans les sols de la tranchée.
Enfin la troisième phase consistera à tester individuellement les capacités de séquestration des
radionucléides des différentes souches composants les mélanges d'espèces sélectionnés précédemment.

    La troisième partie de la thèse consistera en une caractérisation biochimique d'une ou 2 souches
particulièrement intéressantes sélectionnées pour leur capacité à concentrer ou chélater les
radionucléides, afin d'identifier et caractériser les processus de séquestration des radionucléides Sr, Cs
et U ainsi mis en évidence (LIPM).

    La dernière partie du travail consistera à évaluer les capacités de séquestration d'un radionucléide
par une des souches sélectionnées précédemment non plus en culture pure, mais dans un sol modèle de
caractéristiques physico-chimiques proches de celui de la tranchée de Tchernobyl. Des expériences en
sol stérilisé seront menées en parallèle afin de discriminer le rôle de la bactérie de celui des
composantes abiotiques du sol sur la séquestration du radionucléide étudié.


Déroulement de la thèse :
    Le travail de thèse s’effectuera à Cadarache, au sein de Laboratoire de Radioécologie et
d'Ecotoxicologie (IRSN) et du Laboratoire des Interactions Protéine Métal (UMR Université Aix-Marseille
II/CEA/CNRS) et également au laboratoire de Chimie Nucléaire Analytique et Bioenvironnementale
(CNAB) de Gradignan.




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    Des réunions semestrielles d’avancement de la thèse seront supervisées par un comité de pilotage
réunissant au minimum des membres des trois unités de recherche, deux experts extérieurs et d'une
personne de l'IRSN/SARG qui assure la coordination du GNR TRASSE pour l'IRSN.


Profil et compétence recherché :
Le candidat devra être titulaire d'un Master 2 Recherche ou d'un diplôme lui permettant d'obtenir une
équivalence de M2 préalable à l'inscription en thèse
- Profil recherché : école d'ingénieur en biologie/agronomie ; Master II recherche
- Compétences recherchées : écologie microbienne, microbiologie, biologie, agronomie, sciences du
    sol


Contact pour envoi des candidatures :
Mme Laureline FEVRIER
IRSN/DEI/SECRE/LRE – bat 186
Ce Cadarache
B.P. 3
13 115 Saint Paul-lez-Durance
Tel : 04.42.19.95.17
Mail : laureline.fevrier@irsn.fr


Date limite de candidature : 15 avril 2010




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