Sujet thèse SIBAGHE 2009

Oudin

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• Langue: Français

Extrait

Biodisponibilité et toxicité des métaux dans

des hydrosystèmes Méditerranéens très

fortement contaminés

Metal bioavailability and toxicity in heavily

contaminated Mediterranean hydrosystems

Déposé le : 12 mars 2009

Date de début : 1 septembre 2009

Sujet susceptible d'obtenir une :Allocation recherche fléchée sur une thématique

prioritaire

ANR Agence de l'Eau-EPIC Port Camargue (demandé)

Directeur :

Françoise ELBAZ-POULICHET

04 67 14 39 31 - 0467144774 - [e-mail]

Correspondant :

Françoise Elbaz-Poulichet

04 67 14 39 31 - 04 67 14 47 74 - [e-mail]

Spécialité :

Eaux continentales et Société

Encadrement :

co-encadrante: Corinne Casiot, CR-CNRS, Laboratoire Hydrosciences

Thématique :

Eau Environnement

Détail :

Les métaux sont introduits dans les eaux par de nombreuses activités humaines. Leur

toxicité vis à vis des organismes aquatiques n’est pas simplement fonction de leur

concentration totale mais de leur spéciation. Pour le phytoplancton c’est la concentration en

ions métalliques libre dissous qui détermine la toxicité. Pour d’autres organismes, la fraction

biodisponible donc potentiellement toxique comprend non seulement les ions libres dissous

mais aussi certains complexes en solution (complexes labiles). Enfin, les métaux liés aux

sédiments sont susceptibles d’être également toxiques.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les relations entre spéciation des métaux et

biodisponiblité pour des organismes cibles de milieu dulçaquicole et saumâtres (moules,

chironomes, gammares). Les transferts entre les sédiments où les métaux sont stockés et l’eau

seront particulièrement étudiés ainsi que les facteurs qui influencent ces transferts: redox,

activité bactérienne, photochimie.

Les sites d’étude sont la rivière Amous et Port Camargue. La rivière Amous est caractérisée

par une pollution importante et exclusive en arsenic, plomb, cadmium, zinc, thallium de l’eau

et des sédiments par les effluents de l’ancienne mine Pb-Zn de Carnoulès (Gard). A Port

Camargue la pollution concerne plus spécifiquement les sédiments. Elle est liée aux peintures

antifouling à base de cuivre et d’organo-étains.

Profil recherché:

Le candidat retenu aura une formation en chimie ou géochimie

Domaine :

Biogéochimie des eaux

Objectif :

Identifier les processus qui influencent les transferts des métaux et métalloïdes des

sédiments vers la colonne d'eau et leur biodisponibilité vis à vis des organismes aquatiques

Mots clés :

metaux, pollution, effets sur les organismes aquatiques

Mots clés anglais :

Metal, water pollution, impact on aquatic organims

Contexte :

L'objectif général de la Directive Cadre sur l'Eau (2000/60/CE) est de maintenir

ou de restaurer la qualité écologique et chimique des eaux en Europe. Sa mise en oeuvre

impose une meilleure compréhension de la dynamique des métaux dans les hydrosystèmes et

des effets sur les organismes.

Les métaux sont majoritairement associés aux sédiments. Hors d’après le modèle de l’ion

libre (Morel, 1983) ou le biotic ligand model, la concentration toxique et/ou biodisponible est

directement liée à la concentration en ion libre en solution (Di Toro et al., 2001). Les flux de

polluants entre les sédiments et les organismes vont dépendre du métal mais aussi de facteurs

chimiques, biologiques et physiques (Amiard, 1992). Ainsi, l'endofaune vivant dans des

sédiments extrêmement enrichis en métaux (deux ou trois ordres de grandeur par comparaison

au fond géologique) peuvent ou non, selon les sites, incorporer dans leur tissus des éléments

métalliques. Afin de mieux évaluer les risques liés à une pollution métallique, il est nécessaire

d’identifier les facteurs qui influencent les échanges à l’interface eau-sédiment et la remise en

solution de métaux sous forme biodisponible.

La fraction biodisponible des métaux dans les eaux peut-être déterminée par différentes

approches expérimentales (Pesavento et al., 2009). La concentration en métal libre peut-être

mesurée par des méthodes électrochimiques ou des techniques séparatives basées sur

l’échange d’ion, les résines complexantes ou les méthodes de micro-séparation comme les

membranes de perméation, Donnan ou DGT. Bien que ces nouvelles techniques améliorent la

caractérisation des niveaux de contamination des milieux aquatiques et la description du

comportement des contaminants pour le biota, elles ne rendent compte que partiellement de

l’exposition des organismes à la fraction des contaminants réellement biodisponibles.

L’étude du niveau de contamination dans les organismes permet aussi de quantifier la fraction

biodisponible de la contamination dans le milieu. Cependant, les différences spatio-

temporelles de contamination entre des organismes d’une même espèce ne traduisent pas

forcément des différences d’exposition à une contamination biodisponible car de nombreux

facteurs biotiques (traits de vie, phylogénie) influencent fortement les capacités de bio-

accumulation (voies d’exposition, temps d’exposition, âge, état physiologique) et les capacités

de gestion et/ou de métabolisation des contaminants accumulés par les organismes.

L’exposition d’organismes modèles (caging) permet de pallier un certain nombre de ces

difficultés.

Deux sites très différents ont été retenus pour l’étude: un milieu dulçaquicole pollué par une

ancienne mine de métaux (la rivière Amous) et une zone de transition (Port-Camargue)

polluée par l’utilisation de métaux notamment le Cu dans les peintures antifouling et le Zn

dans les anodes sacrificielles pour bateau.

Méthode :

La méthode utilisée comporte deux volets.

Sur le site de l’Amous, l’étude sera conduite en collaboration avec le CEMAGREF (Lyon)

(Olivier Geffard) qui se chargera de l’exposition des organismes.

Des différences saisonnières de spéciation des métaux en liaison avec l’apport en matière

organique par exemple (lessivage du bassin versant, production primaire) sont attendues. Les

variations saisonnières de l’activité bactérienne et l’ensoleillement sont également

susceptibles de modifier le rédox de certains éléments (As, Sb…) et donc leur toxicité vis-à-

vis des organismes. Il semble donc opportun de réaliser une exposition d’organismes

(Gammarus Pullex) au cours de deux périodes contrastées (sèche et humide), au cours

desquelles la spéciation des métaux (concentration en ion libre, concentration totale dans la

phase dissoute, colloïdale et particulaire) et des métalloïdes (formes rédox de As, Sb, Tl,

formes méthylées) sera suivie durant toute la durée de l’exposition des organismes avec une

fréquence de prélèvement tri-hebdomadaire. Des organismes seront prélevés en parallèle afin

de déterminer les taux de prélèvement et d’élimination pour les différents métaux et pour la

mesure d’effets.

Deux techniques seront utilisées en parallèle pour déterminer la concentration en métal libre

dans la colonne d’eau: la séparation sur résine complexante de type Chelex (Bowles et al.,

2006 ; Vink, 2002 ; 2009), et la Diffusion Gradient in Thin Film Technique (DGT) (Davison

and Zhang, 1994). Ces deux méthodes se différencient par le fait que la séparation sur résine

permet une mesure instantanée de la concentration en ion libre. La méthode DGT est une

méthode intégrative et ne permet donc pas de tenir compte des variations importantes de

concentrations en métaux dissous à l’échelle journalière particulièrement importantes dans les

hydrosystèmes impactés par des drainages de mines (Gammons et al., 2005a,b; Nimick et al.,

2007).

Pour les éléments présentant plusieurs formes rédox (As, Sb, Tl) ou des formes organiques

(espèces méthylées de As), celles-ci seront quantifiées par couplage HPLC-ICP-MS.

Les variations de pH, oxygène dissous et concentration en sulfures à l’interface eau/sédiment

seront étudiées à l’échelle micrométrique à l’aide de microélectrodes. Les profils de

concentration en métaux et métalloïdes dans les sédiments et à l’interface eau/sédiment seront

étudiés sur un cycle diurne à l’aide de sondes DET.

Sur le site de Port-Camargue,

Un dispositif similaire sera mis en place. Des sondes DGT seront disposées en plusieurs

endroits du port et des moules seront exposées en parallèle.

Des contacts avec (B. Ferrari, Institut Forel, Suisse) sont actuellement pris pour déployer un

ensemble de microcosmes permettant d’exposer des organismes (Chironomes) à l’interface

eau-sédiment et de suivre en parallèle la spéciation des métaux. Ces microcosmes

permettraient aussi d’effectuer des marquages monoisotopiques des sédiments pour quantifier

les échanges à l’interface eau-sédiment et le taux d’assimilation des métaux par les

organismes exposés.

Résultat attendu :

Outils d'évaluation de la toxicité des milieux aquatiques vis à vis des

organismes aquatiques

Référence biblio :

Références citées

Morel, F.M.M., 1983. Principles of Aquatic Chemistry. John Wiley and Sons, New York.

Di Toro, D.M., Allen, H.E., Bergman, H.L., Meyer, J.S., Paquin, P.R., Santore, R.C., 2001. A

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Références récentes des co-encadrantes sur le sujet

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Casiot, C., Egal, M., Elbaz-Poulichet, F., Bruneel, O., Bancon-Montigny, C., Cordier, M-A.,

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