Thématiques de recherche

Mon activité est centrée sur les problèmes de traçabilité et de contrôle qualité et sur les problématiques de vieillissements naturels ou simulés.
La traçabilité, processus qui permet de suivre un produit naturel, formulé ou un service depuis sa création jusqu’à sa destruction, est aujourd’hui un enjeu incontournable pour les entreprises. Celles-ci doivent mettre en place des systèmes performants pour identifier les produits défectueux, volontairement ou non. De ce fait, les méthodes analytiques globales comme les méthodes spectroscopiques (proche et moyen infrarouge, fluorescence, Raman) permettent de générer une information rapide sur la qualité des matières premières, le processus de transformation dans la chaîne de production et sur la qualité du produit fini. Le concept de qualité d’un produit inclus généralement le suivi de vieillissement de celui-ci voire son contrôle. En effet la connaissance des processus de vieillissement permet d’optimiser les méthodes de fabrication et de conservation des produits, de comprendre les phénomènes de dégradation et de prévenir la formation de produits de dégradation. Ces problématiques nous ont conduits à développer des méthodologies analytiques originales dans un thème appelé :
Méthodologies avancées pour la spectroscopie et l’analyse chimique. Ce thème rassemble les recherches dans le domaine du traitement des données (chimiométrie), les avancées dans le domaine de la mise au point d’outils simulés de vieillissement (cellules complémentaires liquide-gaz) ainsi que le développement de nouveaux capteurs infrarouge. Ces capteurs ont pour objectif d’être miniaturisés pour des applications in situ ou embarquées (moteurs, chaines de production). Du point de vue du traitement des données ce thème m’a conduit à m’impliquer dans les problématiques multitableaux. En effet pour un même lot d‘échantillons il est facile d’accumuler les données analytiques. Du point de vue du traitement des données, ces données simultanément et non pas technique par technique.

ce thème est un thème transversal puisque les autres thèmes de recherche reposent sur ces avancées méthodologiques.

Le thème vieillissements naturels ou simulés rassemble les projets visant à la compréhension et à la caractérisation des mécanismes de vieillissement des produits naturels (pétrole, huiles végétales) et des produits industriels formulés (polymères multicouches, pesticides ou herbicides). La thèse de F. Gaston, en collaboration avec la société SARTORIUS 2013-2016 a permis de modéliser le vieillissement polymères multicouches soumis à une irradiation gamma. Les résultats obtenus sont extrêmement novateurs car pour la première fois les analyses ont concerné la présence de radicaux (RPE), les matériaux polymériques (IR, Raman), les additifs (GC, HPLC), les tests mécaniques. Les méthodes de résolutions de courbes ont conduit à une meilleure connaissance des procédés de vieillissements afin de mettre en évidence les familles de composés formés ou détruits pendant le processus de vieillissement. Les méthodes multiblock de type ACOMDIM ont permis de montrer l’impact de différents facteurs (doses lots, vieillissement) sur l’évolution des matériaux. Ce thème est actuellement en plein essor puisqu’il a fait l’objet de 8 publications en trois ans et il se poursuit par une thèse financée à nouveau par la société SARTORIUS sur l’impact des rayonnements gamma sur la stabilité des polymères. Sur ce même sujet je suis coordinatrice locale d’un programme européen (Team Cables) horizon H2020 avec le CEA, EDF… Des études ont lieu avec l’IRSN sur l’impact de l’irradiation en présence d’iode sur la stabilité de peintures en utilisant les méthodes multiblock.
Les termes de « métabonomique ou métabolomique » sont aujourd’hui largement utilisés dans le monde scientifique. Ces termes ont été définis précisément par J. Nicholson (1999) puis par O. Fiehn (2001) comme « la mesure quantitative de la réponse multiparamétrique liée au temps d’un système multicellulaire à des stimuli physiopathologiques ou à des modifications génétiques ». Cette approche nécessite la mise en place de techniques analytiques telles que l’infrarouge ou la RMN (méthodes d’analyse globales) et des méthodes chromatographiques (méthodes d’analyses séparatives), capables de détecter la variation de la réponse des métabolites présents les échantillons d’origines biologiques. Comme ces données sont complexes, l’utilisation d’analyses statistiques multivariées de type multiblock est indispensable pour l’interprétation de ces données et pour la détermination de marqueurs biologiques potentiels. Au laboratoire l’étude du vieillissement des huiles végétales permet de mettre en évidence que les peroxydes sont les premiers marqueurs à apparaitre alors que les aldéhydes sont des marqueurs d’un vieillissement plus poussé. Les dérivés phénoliques tels que le tyrosol et l’hydroxytyrosol sont des métabolites qui permettent une résistance assez remarquable.
Cette philosophie de travail a été appliquée à la fermentation en milieu solide. Le principe de cette méthode consiste en la croissance de champignons filamenteux pour la production de biomasse ainsi que de métabolites primaires et secondaires sur des matériaux solides préalablement humidifiés. L’eau indispensable à la croissance du microorganisme se trouve absorbée ou complexés à l’intérieur de la matrice solide. Cette matrice, qui sert à la fois de source de nutriments et de support, est envahie par le champignon au cours de sa croissance. La culture en milieu solide a été conçue comme une stimulation de l’habitat naturel de ce groupe de microorganismes, afin de reproduire les conditions de culture les mieux adaptées, et favoriser ainsi le développement de leur activités métabolique. Il s’agit donc d’une croissance en milieu solide et de fait, la FMS est, parmi les différents types de fermentation, la meilleure candidate pour se rapprocher au maximum des conditions naturelles de développement du microorganisme que ce soit concernant la composition du milieu ou le contrôle de paramètres thermodynamiques comme la température ou l’humidité.
Depuis quelques années, suite aux désordres écologiques engendrés par l’utilisation des pesticides (sourtout les problèmes de santé humaines), le marché des biopesticides se développe même s’il ne représente encore que 2 % du marché des produits phytosanitaires. Le contrôle biologique des ravageurs des cultures représente donc une solution alternative pour lutter contre les nuisances. En particulier parmi des champignons filamenteux (Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae, Paecelomyces lilacinus, Trichoderma harzianum) il existe des souches homologuées pour être utilisées en lutte biologique. Des souches de Trichoderma harzianum peuvent produire la 6-pentyl-pyrone (6PP), métabolite secondaire volatile à forte odeur de noix de coco. Ces molécules bioactives, mais également les spores de T.harzianum présentent des potentialités antifongiques intéressantes susceptibles d’être utilisées pour lutter contre des ravageurs des cultures et donc de limiter les apports de pesticides. C’est dans ce contexte que s’est inscrit le projet de thèse de Rayhane Hamrouni qui a consisté à (i) constituer une collection importante de Trichoderma, (ii) sélectionner des souches productrices des 6PP sur des milieux solides sous stress hydrique, (iii) optimiser les conditions des cultures pour la production de grande quantité de métabolites secondaires, (iv) Extraire et caractériser les molécules (v) cribler l’efficacité de ces métabolites contre les champignons phytopathogènes. Les objectifs de ce travail sont multiples et variés : ils vont de l’extraction, purification et caractérisation de ces molécules volatiles (6PP), à la mise au point au laboratoire et au niveau pilote expérimental, des conditions de culture optimales pour la production de spores et de 6PP par les Trichoderma cette partie est actuellement valorisée par 4 publications et se poursuit par un projet intitulé « Nouvelles pratiques pour une agriculture durable : évaluation des effets de biopesticides et biofertilisants pour la viticulture en région SUD PACA ».

Le thème Produits naturels
Les huiles essentielles sont connues pour contenir beaucoup de molécules chirales importantes primordiales pour l’étude du devenir des allergènes. Différentes techniques analytiques telles que la CPG-SM chirale, la CLHP chirale et l’IR-VCD seront mises en œuvre afin d’étudier leurs constituants chiraux. Nous voulons utiliser la chromatographie gazeuse et liquide chirale pour séparer par exemple, les isomères de formule brute C10H16O, comme l’α-thuyone, la β-thuyone, le camphre, la fenchone, le néral, le géranial et la pipéritone, et les énantioméres (+) et (-) du camphre qui sont présents dans certaines huiles essentielles. En chromatographie liquide il existe 1764 phases stationnaires chirales (PSCs) décrites dans la littérature, dont 200 commerciales, d’après la base de données Chirbase. Lors de travaux préliminaires, nous avons criblé plus de 25 PSCs et séparé l’α-thuyone, la β-thuyone et le camphre par chromatographie liquide. Nous avons par exemple obtenu la séparation de ces 3 composés en 6 minutes sur la colonne TCI-chiral CHS. Les chromatogrammes « empreintes chirales » acquis dépendent de la quantité des 3 composés chiraux majoritaires et de leur stéréochimie, puisque les deux énantiomères du camphre peuvent être présents dans les huiles : (+) pour la sauge et (-) pour l’armoise et l’absinthe. Ces méthodes d’investigation des molécules chirales seront complétées par des techniques d’analyses plus classiques (PIR, MIR et Raman). Afin de développer des outils performants, il faut analyser un grand nombre d’échantillons représentatifs de la variabilité de tous les paramètres associés à une HE (procédés de fabrication, stockage, conditionnement, variété, espèce, origine géographique, cueillette, partie de la plante utilisée…). En associant la performance du traitement chimiométrique, la fiabilité, la rapidité des techniques spectroscopiques et le potentiel discriminant de la signature chirale, nous pourrons développer des outils de caractérisation, de contrôle qualité et de traçabilité des HE ce qui a fait l’objet de la thèse de Sofia Lafhal (2015).
La thèse d’A Said (2016) a permis de développer une méthode originale en combinant les spectroscopies IR et VCD avec la LSE (estimation des moindres carrés) sur les spectres IR et VCD des HE brutes d’Artemisia herba alba (AHA), Bubonium graveolens (BG) et Artemisia arborescens (AA) et leurs constituants majoritaires, nous donne accès aux pourcentages relatifs des trois principaux composés chiraux de l’AHA, qui étaient très proches de ceux donnés par la méthode de référence en GC-MS. Ce qui est encore plus intéressant est le fait que cette méthode a pu fournir la forme énantiomérique présente dans l’HE. Ceci peut être lié à la configuration absolue des constituants majeurs chiraux lorsqu’elle est connue. La comparaison entre les spectres IR et VCD analysés et modélisés par notre méthode donne de très bons résultats avec un pourcentage d’erreur très faible qui varie entre 2 et 9 %. Les pourcentages résultant de cette LSE des spectres IR et VCD sont assez similaires, on en déduit que les thujones et le camphre sont présents dans l’HE sous forme d’un seul énantiomère. Réciproquement la comparaison des pourcentages résultant de la LSE des spectres IR et VCD pourrait être utilisée pour détecter une racémisation ou l’origine non naturelle de l’échantillon
Thème environnement
Le sol constitue un compartiment majeur dans le fonctionnement des écosystèmes, siège du turn-over de la matière organique, processus fonctionnel supportant de nombreux services écosystémiques. Il est notamment susceptible, dans un contexte de changement climatique, de participer aux mécanismes d’atténuation de ces modifications majeures en contribuant au stockage du carbone. Ce potentiel dépend de l’influence de multiples facteurs environnementaux (climat, couvert végétal, substratum géologique, topographie…) et de leurs interactions. Parmi eux, l’usage des terres, passé et présent, ainsi que les pratiques associées (pratiques agricoles, sylvicoles…) jouent un rôle central sur le fonctionnement du sol et les propriétés chimiques et microbiologiques qui en découlent. Mais si l’influence de l’usage des terres (et le changement d’usage) sur la qualité du sol commence à être documentée et spatialisée, peu d’éléments bibliographiques considère l’importance de l’historique des usages sur le fonctionnement actuel du sol. Pour autant, il semble crucial de pouvoir répondre à cette question en reconstruisant la végétation passée- en lien avec l’usage des terres -et son impact sur les structures physico-chimiques du sol puisque celles-ci sont susceptibles de gouverner la productivité et la résilience des écosystèmes face aux nombreux forçages des changements globaux. La matière organique du sol présente une grande variété de molécules, résultantes du type d’occupation des sols, des diversités du couvert végétal et de processus successifs de dégradation et de stabilisation. Il a été montré que la signature chimique de la matière organique peut être caractéristique d’un écosystème, des assemblages forestiers et de leur âge. Elle constitue donc un proxy particulièrement pertinent à cet égard et cette signature chimique autorise une approche intégrant un pas de temps d’une centaine d’années ce qui constitue une échelle temporelle modeste au regard des études paléoenvironnementales intéressant la période de l’Holocène mais tout à fait inédite dans les études pédologiques conventionnelles. Ainsi, l’utilisation de méthodes d’analyses non destructives comme les techniques spectroscopiques (proche et moyen infrarouge, RMN du solide du 13C) permettrait d’appréhender ces signatures et de proposer des modèles prédictifs des usages antérieurs sur la base de la composition chimique de la matière organique des sols.