Sujet thèse SIBAGHE 2009
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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 - elbaz@msem.univ-montp2.fr Correspondant : Françoise Elbaz-Poulichet 04 67 14 39 31 - 04 67 14 47 74 - felbaz@univ-montp2.fr 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 ...

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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 - elbaz@msem.univ-montp2.fr
Correspondant :
Françoise Elbaz-Poulichet
04 67 14 39 31 - 04 67 14 47 74 - felbaz@univ-montp2.fr
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.,
Gomez, E., Aliaume, C., 2009. Hydrological and geochemical controls on metals and arsenic
in a Mediterranean river contaminated by acid mine drainage (the Amous River, France);
preliminary assessment of impacts on fish (Leuciscus cephalus). Applied Geochem,
doi:10.1016/j.apgeochem.2009.01.006.
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Tusseau-Vuillemin, M-H., Gourlay, C., Lorgeoux, C., Mouchel, J.M., Buzier, R., Gilbin, R.,
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Elbaz-Poulichet, F., Seidel, J.L., Casiot, C., Tusseau-Villemin, M-H, 2006. Short-term
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