« BIO-ECOMET »

Une méthodologie pour évaluer la biodisponibilité, la bioaccumulation et les impacts éco-physiologiques des

micropolluants métalliques du sol

Porteurs : Mirella Del Nero, Sylvie Massemin, Anne Boos, Maurice Millet

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Département de Recherches

Subatomiques

Département de Sciences

Analytiques

Département Ecologie, Physiologie

et Ethologie

INTRODUCTION

Eau de nappe

Sol

Eau de surface Ruissellement

Air

Bactéries

Emissions atmosphériques

Dépôts

Matières orga. « Stockage »

Transferts des éléments traces métalliques (ETM) du sol à la chaîne trophique

Transport dissous

Eau de pluie

Eau infiltration

Bio-amplification

Minéraux

Bio-accumulation

Transferts plantes

Rejets liquides : effluents, accidents…

REJETS ANTHROPIQUES : pollution diffuse

- Cd, Pb, Cr, As, U, Ln : toxicité - Zn, Cu, Ni : toxicité potentielle à [ ] en excès

Cd: 0.5ppm (0,1ppm roches) Pb: 43ppm (26ppm roches)

Sols urbains (France)

Hernandez et al., 2003, Science Total Environment Wei and Yang, 2010, Microchemical Journal

Sol agricole

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Risques de la pollution diffuse: -Transferts accrus -Effets écotoxicologiques

OBJECTIFS

Pollution diffuse en ETM des sols : des impacts éco-toxicologiques?

1. Prévoir les transferts des ETM du sol aux plantes (1er niveau de la chaîne trophique)

Fraction bio-disponible d’un ETM contrôlée par de nombreux processus et les conditions physico-chimiques du sol (la spéciation)

• VERROU

La spéciation chimique d’un ETM :

Rôle des acides organiques complexes des sols : Quelle identité des espèces métallo-organiques ? Quelle biodisponibilité ?

2. Evaluer les effets éco-physiolologiques (espèce animale au sein de la chaine trophique)

Effets faibles et différés, Effet « cocktails »

• VERROU L’effet des faibles doses :

La relation entre pollution diffuse et dommages physiologiques commence à être étudiée: un indicateur fiable ?

Spéciation chimique des ETM et biodisponibilité Jo

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Physisorption

Complexation de surface

Précipitation de surface

Insertion

Désorption Sorption

Complexation aqueuse

Espèces ETM mobiles

Acides organiques complexes (AOC)

Acides fulviques (AF) Acides humiques (AH)

ETM

Minéraux (Ligands surface)

Eau (Ligands dissous)

Plantes

Espèces ETM bio-disponibles

Espèces ETM (im)mobiles

Représentation simplifiée AF

d’après Manceau et al. (2002)

Effet du pH (e.g. Janot et al., 2013)

Acide fulvique / acide humique

Interactions surface minérale - ETM – Acides organiques complexes

Surface minérale - solution

+ Acide Fulvique ou Humique

ESI FTMS : moléculaire

1ères descriptions moléculaires du fractionnement chimique – Paramètres moléculaires clés

Surface minérale - solution

+ Acide fulvique ou Humique

+ Métaux

Galindo C. et Del Nero M. (2014, 2015); Fleury et al., (2016)

Etudes macro. : AF considéré comme un bulk → [GF]moy , Kcond.,moy : variables ! Etudes spectro. : AF et AH fractionnent lors de la sorption → clé pour comprendre interactions (e.g. Zhou et al. 2001)

1 étude (macro) : Cu bio-disponible corrélé à la formation de complexes aqueux Cu-fulvate (Gummuluru et al. 2002)

Approche : Etudes de spéciation dans des systèmes minéral-solution-AOC modèles des sols

Etat de l’art

Un assemblage supramoléculaire de milliers de molécules !

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Piccolo et al. (1996)

Expertise Radiochimie

Spéciation métallo-organique et biodisponibilité

OBJECTIFS Pollution diffuse en ETM des sols : des impacts éco-toxicologiques?

1. Prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes (1er niveau de la chaîne trophique)

• Transferts différés et variables selon le sol

• VERROU La spéciation chimique (contrôle transferts et biodisponibilité) : Manque de connaissances sur la spéciation et la biodisponibilité des ETM en présence des AON : pas de prévisions.

2. Evaluer / prévoir les effets éco-physiolologiques (espèce animale au sein de la chaine trophique)

Effets faibles et différés, Effet « cocktails »

• VERROU L’effet des faibles doses : La relation entre pollution diffuse et dommages physiologiques commence à être étudiée: un indicateur fiable ?

Paramètres Ecologiques

Paramètres Physiologiques

Succès reproducteur

Croissance des poussins

Condition corporelle des parents

Stress Oxydatif

Métaux lourds : Ercal et al. 2001 Meta-analyse : Isaksson 2010

Augmentation des dommages oxydatifs Augmentation des enzymes

Hormones

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» Etat de l’art La majorité des études en écotoxicologie porte sur la bioaccumulation et la bioamplification le long des chaines trophiques et les tissus où les polluants sont stockés.

ROS

Défenses Antioxydantes

Stress Oxydatif

Dommages Oxydatifs

lipides

protéines

ADN

Sources de ROS:

Mitochondries

Défenses Antioxydantes :

enzymes, vitamines (A,E

and C) Autres Sources

de ROS: UV, toxines Pollution, Processus

xénobiotique

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Paramètres Ecologiques

Paramètres Physiologiques

Succès reproducteur

Croissance des poussins

Condition corporelle des parents

Stress Oxydatif

Hormones

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» Etat de l’art

Télomères

Sletten et al. 2016 (Norway coll.)

Salmon et al. 2016 Stauffer et al. 2017

Expertise DEPE

Qu’est ce qu’un télomère ?

Télomères= un bon indicateur de

longévité P

ropo

rtion

sur

vivi

ng (%

)

Cawthon et al. 2003

Pourquoi les utiliser?

sénescence

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Prévisionnel

Comprendre les transferts & impacts éco-

toxicologiques

Etudes de la spéciation en solution & aux interfaces minéral-solution .

Systèmes « modèles » Echelle moléculaire

(Radiochimie, IPHC)*

Socle de mesures

Etudes éco-physiologiques : index de longévité

(DEPE, IPHC)**

Analyses des plantes Phytoaccumulation

(RePSeM, IPHC)

Analyse géochimique – sol Mesures de la biodisponibilité

(Radiochimie, IPHC)

Analyse Air

Analyse des proies (invertébrés) et tissus d’animal

cible - bioamplification (RePSeM, IPHC)

Stress oxydant

* Radiochimie: premières descriptions moléculaires des interactions minéral-AON **DEPE: Seul groupe français à travailler sur l’approche pollution - télomères

La spéciation et la biodisponibilité des ETM en présence des AOC

La relation entre pollution diffuse en ETM et dommages physiologiques.

METHODOLOGIE Jo

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Site périurbain: Forêt de la Wantzenau

Site urbain: Centre ville (Strasbourg)

Site périurbain: Jardin de la Robertsau

Degré d’urbanisation Google map

Site urbain: Ostwald

Variabilité intra-urbaine

Zone d’Etude en Alsace : sites urbains à péri-urbains

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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes (1er niveau de la chaîne trophique)

Urbain

Périurbain

Smectite

SOLS Smectite illite chlorite kaolinite

71% 8% 12% 9% 6% 53% 25% 16%

Corg de 2% à 5%

Systèmes modèles

Expériences désorption ETM

Acide fulvique (PPFA) ETM (Cu-Pb-Zn: 1µM)

Hématite ou kaolinite Solution

Analyse AF avant et après sorption (surnageant) par FTMS : formules chimiques brutes Analyse ICPMS : % ETM sorbés

Molécules AF et % ETM sorbés

1 g/L sol pH 4-8 t : 1-48 h

Agitation Centrifugation

Analyse ICP-MS

surnageant

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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes (1er niveau de la chaîne trophique)

Acide fulvique

Hématite + (Pb, Cu, Zn)

% E

TM so

rbé Cu

pH

Sans AF AF 2.1mgC/L AF 21mgC/L %

ETM

sorb

é Pb

pH

Molécules AF sorbées à 100%

O/C

H/C

Molécules AF

Molécules AF les plus hydrophobes et Molécules AF les plus acides et oxygénées (échange ligands)→ Pb > Cu >> Zn (Contraste avec le système kaolinite-ETM-AF : Zn > Cu > Pb) - Fleury et al. (in prep.)

complexe aqueux Cu-fulvate

complexe surface-Pb-fulvate

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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes (1er niveau de la chaîne trophique)

Ordre sorption ETM sur hématite /smectite (exp.) = ordre rétention ETM sur les sols

Phyto-accumulation des ETM : reflète quantités désorbées des sols des différents sites

CV urbain péri-urbain

CV urbain péri-urbain

CV urbain péri-urbain

→ Pb (complexe surface-Pb-fulvate) > Cu (complexe aqueux Cu-fulvate) >> Zn (Zn2+aq)

Smectite, Fe - +

installation nichoirs

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» VOLET 2 : Evaluer les effets éco-physiologiques (espèce animale au sein de la chaine trophique)

installation nichoirs

Urbain Péri-urbain Urbain Péri-urbain

Bioamplification de Zn, Cu, Pb Bioamplification Pb (site péri-urbain Wantz. : Pb est le plus bio-disponible et le moins concentré)

Relation possible pollution diffuse et stress oxydant

ORIGINALITE

• Relations entre pollution diffuse des sols et effets éco-physiologiques sur un vertébré terrestre : un sujet qui commence à être abordé

• Approche interdisciplinaire et investigations de pointe en spéciation chimique et écophysiologie évolutive : innovante dans le contexte environnemental • Dimension nouvelle aux études classiques de biodisponibilité: la

spéciation métallo-organique dans un milieu très complexe (sol) • Approche intégrée en écophysiologie : échelle moléculaire à

populationnelle, indicateur de santé

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PERSPECTIVES

• Approche expérimentale : • Structure et stabilité des complexes métallo-organiques formés dans un

sol (molécules organiques modèles) • effet physiologique d’un micropolluant (s’affranchir de l’effet cocktail)

• Exporter la méthodologie sur le site d’une ancienne mine d’uranium (micropolluants métalliques prédominants)

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