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Prise en charge de l’argent dissous et nanoparticulaire par des liposomes et par une chaîne trophique simple.

Guilleux, Camille (2017). Prise en charge de l’argent dissous et nanoparticulaire par des liposomes et par une chaîne trophique simple. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 179 p.

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Résumé

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La présence croissante de nanomatériaux dans les produits de consommation a amené la communauté scientifique à étudier le devenir environnemental de ces contaminants d’intérêt émergent. Comprendre leurs transformations et leurs interactions avec les organismes vivants est une étape cruciale dans l’étude de leurs impacts sur les écosystèmes aquatiques. Les nanoparticules d’argent, utilisées principalement pour leurs propriétés antibactériennes, sont parmi les nanomatériaux les plus courants. La façon dont ils interagissent avec les organismes aquatiques, et en particulier la façon dont ils traversent la membrane biologique, demeure incertaine. Dans ce projet, nous avons étudié la prise en charge des nanoparticules d'argent et de l’argent dissous par des liposomes. Ces vésicules unilamellaires composées de phospholipides ont longtemps été utilisées pour modéliser les membranes biologiques naturelles. Cela permet d'étudier l'internalisation potentielle de l'argent par diffusion passive à travers la bicouche phospholipidique. Les liposomes ont été synthétisés en utilisant des techniques d'extrusion et les fuites potentielles de la membrane ont été contrôlées tout au long des expériences. La chromatographie d'exclusion stérique a été utilisée pour séparer les liposomes de leur milieu de préparation pour ensuite les exposer pour une courte période de temps (100 min) à de l'argent dans différentes conditions où Ag+, AgS2O3- ou AgCl0 étaient les espèces dominantes. À la fin de l'exposition, une résine échangeuse de cations Ambersep GT74 (0,3 g par échantillon, >95% efficacité) a été utilisée pour lier le métal dissous non assimilé. Des expériences similaires ont été menées avec les complexes HgCl20 et Cd(DDC)20, tous deux hydrophobes et connus pour diffuser de façon passive à travers les membranes biologiques. Enfin, les liposomes ont été mis en contact avec des nanoparticules d'argent recouvertes de PVP de 5 nm de diamètre, en utilisant la même technique (résine Ambersep GT74, 0,5 g par échantillon, >90% efficacité). La cinétique d'absorption de Ag+, HgCl20 et Cd(DDC)20 ne montre pas d'augmentation dans le temps, contrairement à AgS2O3- et AgCl0, qui semblent traverser la bicouche phospholipidique. Cela semble en contradiction avec notre hypothèse initiale selon laquelle les complexes lipophiles de Hg et Cd pourraient traverser la membrane alors que l'argent ne le pourrait pas. Cependant, les résultats de la littérature montrant la diffusion passive de HgCl20 et Cd(DDC)20 ont été réalisées avec des bicouches lipidiques planaires, dont la perméabilité, liée à leur rayon de courbure, semble être plus élevée que celle des liposomes. En outre, la perméabilité des liposomes semble être sélective aux ions, permettant aux anions de passer plus facilement que les cations. Cela expliquerait pourquoi AgS2O3- pourrait traverser la membrane alors que Ag+ ne pouvait pas ou très peu. Dans le cas des nanoparticules d'argent, seule une adsorption à la surface des liposomes semble se produire. Nous n'avons observé ni de rupture de la membrane ni d'invagination des nanoparticules à l’intérieur des liposomes. Par extrapolation, nous pouvons donc faire l’hypothèse que, dans le cas des nanoparticules d’argent, le risque principal pour les cellules biologiques non endocytotiques serait l’élévation de la concentration en argent libre aux abords de la membrane cellulaire due à l’adsorption des AgNPs sur celle-ci. Nous avons pu confirmer cette hypothèse lors de l’exposition en mésocosmes d’une chaîne trophique simple aux nanoparticules d’argent. Les AgNPs n’étaient pas biodisponibles aux algues Chlamydomonas reinhardtii. Les daphnies, exposées aux algues et à l’eau douce des mésocosmes contenant les nanoparticules, n’ont pris en charge les AgNPs, à hauteur de quelques ng par organisme, que via l’ingestion d’eau et/ou l’adsorption à leur surface.

Abstract

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The increasing presence of nanomaterials in consumer products has led the scientific community to study the environmental fate of these contaminants of emerging concern. Understanding their transformations and interactions with living organisms is a crucial step in the study of their impacts on aquatic ecosystems. Silver nanoparticles, used mainly for their antibacterial properties, are among the most common nanomaterials. How they interact with aquatic organisms, especially how they cross biological membranes, remains uncertain. This project focused on the uptake of dissolved silver and silver nanoparticles by liposomes. These unilamellar vesicles composed of phospholipids have long been used to model natural biological membranes. This approach allows one to study the potential uptake of silver by passive diffusion through phospholipid bilayers. The liposomes were synthesized using extrusion techniques and potential membrane leakage was monitored throughout. Size exclusion chromatography was used to remove the outer buffer and the liposomes were then exposed over time to silver under different conditions where Ag+, AgS2O3- or AgCl0 were the dominant species. At the end of the exposure, Ambersep GT74 cation exchange resin (0.3 g per sample, > 95% efficient) was used in order to bind the non-assimilated dissolved metal. Similar experiments were conducted with the complexes HgCl20 and Cd(DDC)20, both hydrophobic and both known to diffuse passively through biological membranes. Finally, liposomes were put in contact with 5-nm polyvinylpyrrolidone-coated silver nanoparticles, using the same technique (Ambersep GT74 resin, 0.5 g per sample, > 90% efficient). The uptake kinetics of Ag+, HgCl20 and Cd(DDC)20 show no increase over time, unlike AgS2O3- and AgCl0, which appear to go through the phospholipid bilayer. This observation seems to be in contradiction with our initial hypothesis that lipophilic Hg and Cd complexes would be able to cross the membrane whereas silver would not. However, experiments in the scientific literature showing passive diffusion of HgCl20 and Cd(DDC)20 have been performed with planar lipid bilayers, whose permeability, linked to their radius of curvature, seems to be higher than that of liposomes. Moreover, the permeability of liposomes seems to be ion-selective, allowing anions to pass more easily than cations. This would explain why AgS2O3- could cross the membrane while Ag+ could not. Only adsorption of silver nanoparticles on the surface of the liposomes occurred. We observed neither disruption of the membrane nor invagination of the nanoparticles into the liposomes. By extrapolation, we can therefore hypothesize that, in the case of silver nanoparticles, the main risk for non-endocytotic biological cells would be the elevation of the free silver concentration near the membrane surface due to adsorption of the AgNPs. We were able to confirm this hypothesis during the exposure of a simple trophic chain to silver nanoparticles in mesocosms. Silver nanoparticles (AgNPs) were not bioavailable to the alga Chlamydomonas reinhardtii. Daphnids, exposed to the same alga and to fresh water from mesocosms to which AgNPs had been viii added, accumulated AgNPs, up to a few ng per animal, only by ingestion of non-algal particles and / or by adsorption on their surface.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Fortin, Claude
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: liposomes; modèle membranaire; biodisponibilité de l’argent dissous; nanoparticules d’argent
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 nov. 2017 21:23
Dernière modification: 27 nov. 2017 21:23
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6519

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