Publié le 11 avril 2023
** English below ** Note that the presentation will be in English
Conférencier :
Scott Smith a obtenu un bac (1994) et un doctorat (1999) en géochimie à l’université McMaster. Il a affectué un post-doctorat au département de géologie de l’Université de Toronto avant d’intégrer l’Université Wilfrid Laurier (Waterloo, Ontario) en 2001. Il est actuellement professeur titulaire au département de chimie et de biochimie dans cette même université. Le professeur Smith est membre associé du Canadian Rivers Institute et membre du conseil d’administration du Laurier Institute for Water Science. Il travaille en chimie appliquée et collabore souvent avec d’autres scientifiques et ingénieurs. Ses domaines d’expertise comprennent l’élimination et la récupération des nutriments, la géochimie aquatique, l’analyse de la spéciation (P, N, S et métaux), la complexation de surface, la modélisation de l’équilibre chimique, les méthodes numériques, la matière organique dissoute et la spectroscopie moléculaire.
Résumé :
Il est bien établi que la chimie de l’eau peut influencer la toxicité des métaux ; en particulier, la matière organique dissoute (MOD) peut diminuer la toxicité du cuivre, du nickel, du plomb et du zinc. Le rôle de la matière organique dissoute dans la toxicité des métaux, peut être prédit quantitativement à l’aide des modèles de ligands biotiques (MLB). Pour cette modélisation, la MOD est représentée par la quantité mesurable de carbone organique dissous (COD) (en mg de C/L). Généralement, le COD dans les échantillons aqueux est déterminé en laboratoire à l’aide d’un instrument spécialisé appelé analyseur de carbone. Les exigences gouvernementales recommandent l’utilisation des MBL, ou d’autres approches de biodisponibilité, pour établir des critères de qualité de l’eau spécifiques à un site ou encore pour l’évaluation des risques. Malheureusement, de nombreuses autorités locales n’ont pas la capacité de mesurer le COD de manière précise et cohérente ou rencontrent des difficultés logistiques pour accéder aux sites en vue d’un échantillonnage de routine. Deux stratégies pourraient permettre de contourner l’échantillonnage et l’analyse du carbone en laboratoire : (1) la télédétection du COD; (2) la mesure directe in situ du métal biodisponible. Au cours de la présentation, nous discuterons des avantages de ces approches, ainsi que des progrès récents réalisés dans nos laboratoires pour évaluer leur faisabilité dans l’évaluation du risque lié aux métaux, sans échantillonnage et sans analyse ultérieure du carbone en laboratoire.
Afin de valider ce principe, nous avons pu estimer les concentrations de COD dans des lacs (non-impactés) en utilisant la couleur intrinsèque du COD à l’aide de données recueillies par des drones et par Landsat. En utilisant la modélisation MLB, les estimations de COD peuvent être converties en estimations du risque lié aux métaux (c.-à-d. en concentrations d’effets). De même, nous avons démontré que les capteurs à base d’ADN (DNAzymes) ont le potentiel de détecter directement la fraction biodisponible du métal total dans les eaux de surface. L’usage des DNAzymes constitue une nouvelle technologie prometteuse pour la surveillance des métaux biodisponibles bien qu’elle n’ait pas encore été entièrement testée en condition réelle. Notre recherche utilise le GR5, une DNAzyme de clivage de l’ARN, spécifique au Pb2+. Avec le GR5, le plomb agit comme cofacteur spécifique de l’ADN, catalysant le clivage d’un substrat ARN contenant un fluorogène. Dans les échantillons contenant du COD, nous faisons systématiquement varier le pH, le calcium et les concentrations en MOD, puis nous évaluons les changements du signal de fluorescence généré par l’ADNzyme par rapport à la spéciation calculée du plomb. La création de capteurs de biodisponibilité des métaux utilisables sur le terrain est l’objectif ultime de cette technologie basée sur l’ADN. Les deux approches présentées ici représentent des alternatives potentielles à la surveillance traditionnelle du COD pour l’évaluation des risques liés aux métaux, mais les deux méthodes doivent faire l’objet de recherches et de développements supplémentaires.
Ce projet est financé par le CRSNG, l’International Copper Association et Global Water Futures.
Speaker:
Dr. Scott Smith obtained BSc (1994) and PhD (1999) degrees in geochemistry from McMaster University. Scott was a PDF in the Geology department at the University of Toronto before starting at Wilfrid Laurier University in 2001. He is now is a full Professor in the Department of Chemistry and Biochemistry at Wilfrid Laurier University. Dr. Smith is an associate member of the Canadian Rivers Institute and a board member of the Laurier Institute for Water Science. Scott is an applied chemist who often collaborates with other scientists and engineers. His areas of expertise include nutrient removal and recovery, aquatic geochemistry, speciation analysis (P,N,S and metals), surface complexation, chemical equilibrium modelling, numerical methods, dissolved organic matter and molecular spectroscopy.
Abstract:
It is well established that water chemistry can influence the toxic effects of metals; in particular, dissolved organic matter (DOM) can decrease the toxicity of copper, nickel, lead and zinc. This effect, DOM as a toxicity modifying factor, can quantitatively be predicted using established biotic ligand models (BLMs). For this modelling, DOM is represented by the measurable quantity of dissolved organic carbon (DOC; i.e., mg C/L). Typically, DOC in aqueous samples is determined in a laboratory using a specialized instrument called a carbon analyzer.
Many governments recommend use of the BLM, and other related bioavailability approaches, for establishing site-specific water quality criteria, or for risk assessment. Unfortunately, many local jurisdictions lack the ability to consistently and accurately measure DOC or have logistical difficulties accessing sites for routine sampling. There are two strategies that could avoid the need for routine sampling and lab-based carbon analysis: (1) remote sensing of DOC, or (2) direct in situ measurement of bioavailable metal. Advantages of these approaches will be discussed along with recent progress in our research laboratories assessing the feasibility of these approaches to assess metals risk without sampling and subsequent laboratory-based carbon analysis.
As a proof of principle, we demonstrate that by using the intrinsic colour of DOC, for un-impacted lakes in Quebec, using both drone- and Landsat-based methods, it is possible to estimate DOC remotely. Using BLM modelling, the estimates of DOC can be converted to metals risk estimates (i.e., effects concentrations). Similarly, we demonstrate that DNAzymes have the potential to directly sense the bioavailable fraction of total metal in surface waters. DNA-based sensors (so called DNAzymes) are a promising new technology for possible bioavailable metal monitoring that have not yet been fully tested in real waters. Our research utilizes GR5, an existing metal specific RNA-cleaving DNAzyme for Pb2+. In GR5 lead acts as a specific co-factor in DNA catalyzing the cleavage of RNA-containing fluorogenic substrate. In DOC-containing samples we systematically vary pH, calcium and DOM concentrations and assess changes in DNAzyme generated fluorescence signal compared to calculated lead speciation. Field-based metal bioavailability sensors are the ultimate goal for this DNA-based technology. The two approaches presented here represent potential alternatives to traditional DOC monitoring for metals risk assessment but both methods require further research and development. Funded by NSERC, International Copper Association and Global Water Futures.
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