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Bioaccumulation du slnium et effets biologiques induits
chez le bivalve filtreur Corbicula fluminea.
Prise en compte de lactivit ventilatoire, de la spciation du
slnium
et de la voie de contamination. Elodie FOURNIER Octobre 2005
IRSN-2005/58 - FR
Laboratoire de Radiocologie et dEcotoxicologie IRSN - Sige
social - 77, av. du Gnral-de-Gaulle - 92140 Clamart Standard +33
(0)1 58 35 88 88 - RCS Nanterre B 440 546 018
T H S E
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Thse
Prsente Luniversit Bordeaux 1
Ecole Doctorale
Sciences du Vivant, Gosciences et Sciences de lEnvironnement
Par
Elodie Fournier
Pour lobtention du titre de Docteur Mention Sciences
Spcialit Ecotoxicologie
Bioaccumulation du slnium et effets biologiques induits
chez le bivalve filtreur Corbicula fluminea.
Prise en compte de lactivit ventilatoire, de la spciation du
slnium
et de la voie de contamination.
Thse soutenue le 10 octobre 2005
Aprs avis de : Mr Campbell P., Professeur, INRS-ETE, Universit
du Qubec Rapporteur Mr Fisher N., Professeur, Universit de New-York
Rapporteur
Devant la commission dexamen forme de : Mlle Adam C., Chercheur,
IRSN Cadarache, encadrante IRSN Mr Bourdineaud J.P., Professeur,
LEESA, Universit de Bordeaux 1, Prsident Mr Campbell P.,
Professeur, INRS-ETE, Universit du Qubec Mr Fisher N., Professeur,
Universit de New-York Mme Garnier-Laplace J., HDR, IRSN Cadarache,
Directrice de thse Mr Massabuau J.C., Directeur de recherche, CNRS
5805, Co-directeur de thse Mme Potin-Gautier M., Professeur,
Universit de Pau
N dordre : 3029
-
Remerciements
Je tiens adresser mes trs sincres remerciements tous les membres
du jury qui ont
accept de juger ce travail et lensemble des personnes qui ont
contribu llaboration de
cette thse.
Tout dabord, je souhaiterais remercier Mme Jacqueline
Garnier-Laplace et Mr Jean-
Christophe Gariel de mavoir accueillie au sein de leur quipe et
de mavoir confi ce sujet
de thse. Un merci particulier Jacqueline, en tant que directrice
de thse, pour la confiance
quelle a su me porter et la disponibilit dont elle a fait preuve
tout au long de cette thse. Je
tiens galement exprimer ma reconnaissance Jean-Charles Massabuau
pour avoir co-
dirig avec grand intrt ce travail. Malgr la distance,
Jean-Charles a toujours su me
conseiller et apporter ses enseignements aviss sur la partie
physiologie du bivalve. Je tiens
galement adresser ma gratitude Christelle Adam pour son
encadrement en temps que
tuteur IRSN et laide prcieuse quelle ma apporte lors de la
rdaction de ce manuscrit.
Merci Christelle pour sa bonne humeur permanente, son immense
gentillesse, ses
encouragements et sa confiance.
Je suis trs sensible lhonneur que mont fait Mrs les Professeurs
Campbell et
Fisher, en acceptant dtre rapporteurs de ce travail de thse. Je
tiens galement remercier
Mr le Professeur Bourdineaud qui a gentiment accept dtre membre
du jury.
Je ne saurai oublier de saluer, dans ces remerciements, Monsieur
Damien Tran, qui
est le premier mavoir initie lcophysiologie et lcotoxicologie
chez le bivalve, en
matrise, puis en DEA. Damien a su me donner le got de la
recherche, lenvie et la
motivation ncessaire pour poursuivre dans cette voie. Je tiens
galement remercier tous les
membres du LEESA, o le sjour est toujours rendu agrable. Aprs
mavoir accueillie en
matrise, puis en DEA, ils ont contribu la ralisation des
analyses dexpressions
gntiques au cours de cette thse.
-
Je remercie enfin tous les membres du laboratoire qui ont
particip, de prs ou de
loin, au bon droulement de ce doctorat. Merci plus
particulirement :
- Marcel Morello, pour les nombreux et rapides dosages en
scintillation liquide quil a
effectus pour moi.
- Virginie Camilleri, avec qui il est trs agrable et apprciable
de travailler. Je la
remercie pour lefficacit et limplication dont elle a fait preuve
lors de mes dernires
exprimentations.
- Isabelle Cavali pour mavoir enseign lart et la manire de
dompter le FIAS,
appareil de mesure du slnium.
- Magali Floriani, et son jouet, le MET, pour les heures quelle
a passes inclure,
couper, recouper, observer, analyser, sonder, photographier, Je
la remercie dune
part pour sa rigueur et son implication dans le travail, mais
aussi pour son amiti,
coute et soutien tout au long de cette thse.
- Brigitte Ksas pour tous ses petits services rendus facilitant
la vie au laboratoire :
gestion des dchets, des corbis, des commandes,
- Olivier Simon, pour sa promptitude leffort de pche.
- Herv Spor, pour sa disponibilit, pluri et multi fonctionnalit,
diplomatie, patience et
sa confiture aux abricots.
- Sabrina Barillet, ma voisine de bureau, pour tous ses
enseignements et dpannages
informatiques.
- Hlne Morlon, pour mavoir initie la culture algale, mais aussi
au monde des
grimpeurs et plongeurs.
- Christophe et Thomas, pour leurs blagues orientes et
douteuses, qui finissent
toujours par faire rire.
- Claudine, pour sa gentillesse, disponibilit et ses carambars
la fraise.
- Super Roro, pour sa Grande Gentillesse (parfois trop grande
!).
- et tous les autres.
Enfin, merci tous mes proches de mavoir toujours soutenue et
encourage.
-
Liste des abrviations
AE : Assimilation Efficiency (Efficacit dAssimilation)
AFSSA : Agence Franaise de Scurit Sanitaire des Aliments
ANDRA : Agence Nationale de la gestion des Dchets
Radioactifs
BCF : BioConcentration Factor (Facteur de BioConcentration)
CAT : Catalase
CE : Coefficient dExtraction
coxI: Gne de la cytochrome c oxydase 1
Cyst : Cystine
DPM : Dsintgration Par Minute
EC : Effect Concentration (Concentration dEffet)
EPA : Environmental Protection Agency
ERO : Espces Ractives de lOxygne
FC : Facteur de Concentration
GPx : Glutathion Peroxydase
GSH : Glutathion rduit
GSSG : Glutathion oxyd
HG-QFAAS : Hydride Generation - Quartz Furnace Atomic Absorption
Spectrometry
HSM : High Salt Medium (milieu de culture des algues)
ICP-AES : Spectromtrie dEmission Atomique Source Plasma Couplage
Inductif
LC : Lethal Concentration (Concentration Ltale)
MET : Microscope Electronique Transmission
mt1: Gne de la mtallothionine 1
NOEC : No Observed Effect Concentration (concentration sans
effet observ)
rpS9: Gne de la protine ribosomique S9
SeCyst : Slnocystine
SeMet : Slnomthionine
SOD : Superoxyde dismutase
-
S9 : Fraction obtenue aprs centrifugation 9000 g pendant 30
minutes
RDA : Recommended Dietary Allowance
bT : Priode biologique
TCA : Acide TrichloroActique
tit : Gne de la titine
W.
V : Dbit ventilatoire
-
Table des matires 1. BASES
BIBLIOGRAPHIQUES.......................................................
7
1.1. Le contaminant tudi : le
slnium.......................................... 7 1.1.1. Proprits
gnrales...................................................................................
7
1.1.2. Sources et concentrations de Se dans
lenvironnement........................... 11
1.1.3. Cycle biogochimique du
slnium.........................................................
13
1.1.4. Mtabolisme du slnium chez les animaux
........................................... 15
1.1.5. Bioaccumulation du slnium chez les organismes aquatiques
.............. 17
1.1.6. Rle physiologique et toxicit du
slnium............................................. 27
1.2. Le modle biologique tudi : Corbicula fluminea
................. 39 1.2.1.
Origine.....................................................................................................
39
1.2.2. Intrt cotoxicologique : espce bioindicatrice
..................................... 39
1.2.3.
Ecologie...................................................................................................
39
1.2.4. Anatomie et
physiologie..........................................................................
41
1.2.5. Branchies et mcanique
ventilatoire........................................................
43
1.2.6. Facteurs du milieu influenant la physiologie respiratoire
de C. fluminea .
.................................................................................................................
47
2. DEMARCHE EXPERIMENTALE ET PRINCIPAUX
PARAMETRES ETUDIES
..............................................................................
51 2.1.1. Dmarche exprimentale
.........................................................................
51
2.1.2. Paramtres tudis
...................................................................................
55
2.1.3. Articulation du
mmoire..........................................................................
65
3. MATERIELS ET METHODES
..................................................... 69
3.1. Conditions exprimentales
....................................................... 69 3.1.1.
Origine et maintenance des organismes
.................................................. 69
3.1.2. Choix du milieu dexposition
..................................................................
69
3.1.3. Dispositif exprimental
...........................................................................
69
3.1.4. Voies de contamination
...........................................................................
71
3.2. Mesure du dbit ventilatoire
.................................................... 73
3.3. Mthodes danalyses du
slnium............................................ 75
-
3.3.1. Dosage du slnium stable
......................................................................
75
3.3.2. Dosage du 75Se
........................................................................................
79
3.4. Dosages biochimiques
............................................................... 81
3.4.1. Protocoles de prparations des fractions S9 pour le dosage
des
biomarqueurs
.................................................................................................................
81
3.4.2. Protocole de dosage des activits enzymatiques
..................................... 83
3.5. Expression de
gnes...................................................................
87
3.6. Le Microscope Electronique Transmission (MET) et la
spectromtrie par dispersion dnergie
(EDS)............................................ 89 3.6.1.
Appareillage
............................................................................................
89
3.6.2. Prparation des chantillons
....................................................................
89
3.7. Fractionnement subcellulaire et chromatographie basse
pression
.....................................................................................................
91 3.7.1. Prparation des fractions subcellulaires
.................................................. 91
3.7.2. La chromatographie dexclusion strique
............................................... 93
3.8. Bases thoriques de la modlisation des transferts du
slnium
.....................................................................................................
97
3.9. Analyses statistiques des rsultats
......................................... 101
4. RESULTATS ET
DISCUSSION..................................................
103
4.1. Bioaccumulation du slnium chez C. fluminea : rle de la
ventilation du bivalve et de la spciation du slnium
............................. 103 4.1.1. Bioaccumulation du slnium
par la voie directe : effet de la ventilation
du bivalve et de la spciation du
slnium.....................................................................
105
4.1.2. Bioaccumulation du slnium par la voie trophique : effet
de la
ventilation du bivalve et de la spciation du
slnium................................................... 123
4.1.3. Comparaison de la bioaccumulation du slnium par la voie
directe et par
la voie
trophique.............................................................................................................
147
4.1.4. Principales avances et conclusions du chapitre
................................... 165
-
4.2. Bioaccumulation du slnium diffrents niveaux
dorganisation biologique chez C. fluminea
.............................................. 167 4.2.1.
Introduction
...........................................................................................
167
4.2.2. Rsultats
................................................................................................
171
4.2.3.
Discussion..............................................................................................
179
4.2.4. Principales avances et conclusions
...................................................... 189
4.3. Toxicit subcellulaire du
slnium......................................... 193 4.3.1. Suivi du
statut anti-oxydant de C. fluminea lors dune exposition au
Se....
...............................................................................................................
193
4.3.2. Effet du slnium sur lexpression de gnes
......................................... 207
4.3.3. Effet dune exposition au Se sur lultrastructure des
cellules branchiales
de C. fluminea
...............................................................................................................
213
4.3.4. Principales avances et conclusions du chapitre
................................... 225
5. CONCLUSION GENERALE
....................................................... 227
5.1. Synthse des principales avances
......................................... 227 5.1.1. Avances
concernant lcophysiologie du
bivalve................................ 227
5.1.2. Avances concernant la bioaccumulation du
slnium......................... 231
5.1.3. Avances concernant la toxicit du
slnium........................................ 235
5.2. Perspectives de recherches
..................................................... 237 5.2.1.
Concernant lcophysiologie de C.
fluminea......................................... 237
5.2.2. Concernant la bioaccumulation
.............................................................
239
5.2.3. Concernant la
toxicit............................................................................
241
-
1
Introduction gnrale
Le dveloppement de lindustrialisation a conduit des
contaminations de plus en plus
importantes de lensemble des cosystmes. Une fois prsents dans
lenvironnement, les
polluants subissent de nombreux phnomnes de transport, par lair,
ou par leau et
aboutissent gnralement dans le domaine aquatique. La
contamination des milieux
aquatiques devient donc un problme fondamental car elle peut
constituer un risque pour la
biocnose et la prservation des ressources. Lune des priorits de
la Directive Cadre
europenne sur leau (2000/60/CE) du 23/10/2000 est la protection
de tous les milieux
aquatiques naturels avec un objectif de bon tat cologique pour
les eaux de surface
lhorizon 2015. Parmi les substances classes comme toxiques, le
slnium est un lment
pour lequel la concentration maximale admissible pour les eaux
de surface, 10 gL-1, est
rgulirement dpasse. Des anomalies en slnium ont ainsi t releves
dans les eaux de
captage ou de redistribution dans de nombreux dpartements
franais (AFSSA, 1999;
AFSSA, 2004). Le dpassement des concentrations en Se peut
provenir des nombreuses
utilisations du slnium par lhomme (mdecine, agriculture,
industrie) qui font quil va
pouvoir tre relargu dans lenvironnement, par les eaux uses,
lirrigation de zones agricoles
naturellement riches en Se ou encore la production et la
combustion du charbon (Barceloux,
1999; Lemly, 2004). Dans le domaine du cycle du combustible
nuclaire, son isotope
radioactif, le 79Se, fait partie de la liste des radionuclides
vie longue et est prsent comme
lment prioritaire au sens de lvaluation de la sret selon la
mthodologie dveloppe par
lANDRA (Agence Nationale de la gestion des Dchets RAdioactifs)
(ANDRA, 2001). Dans
ce cadre gnral, ltude des processus daccumulation et de toxicit
du slnium dans les
cosystmes aquatiques continentaux est primordiale.
Le slnium est un lment essentiel chez les organismes vivants
dans une gamme
troite de concentrations (Hodson et Hilton, 1983; EPA, 2004). La
toxicit du slnium dans
lenvironnement sest dj manifeste plusieurs reprises, notamment
par des effets sur la
reproduction ou une mortalit accrue chez des populations de
poissons et doiseaux
aquatiques (Lemly, 2002a; Ohlendorf, 2002; Hamilton, 2004;
Lemly, 2004). Cependant, la
comprhension de limpact de cette pollution est limite par la
complexit de nombreux tats
doxydation du slnium, qui vont gouverner son cycle biogochimique
et sa toxicit. Dans le
milieu aquatique en conditions oxydantes modrment oxydantes, il
a tendance former des
oxyanions, slnite Se(+IV) et slniate Se(+VI) (Coughtrey et al.,
1983), qui sont trs
mobiles et donc potentiellement biodisponibles pour les
organismes.
-
2
-
3
Lors de son transfert dans les rseaux trophiques, il pourra tre
converti en diffrentes
formes organiques et inorganiques. Peu dtudes ont t menes
concernant les effets lis
ces diffrents tats redox sur les organismes de niveau trophique
suprieur. De plus, pour un
mme modle biologique, la bioaccumulation est rarement apprhende
par les 2 voies de
contamination (directe-trophique). La majorit des tudes en
laboratoire prenant en compte la
spciation du slnium, ont t ralises sur des modles unicellulaires
phytoplanctoniques ou
bactriens (Kiffney et Knight, 1990; Riedel et al., 1991; Hu et
al., 1996; Riedel et Sanders,
1996; Riedel et al., 1996; Morlon, 2005). Cest pour ces raisons,
que nous avons choisi
dtudier un modle biologique consommateur primaire, appartenant
la classe des bivalves.
Parmi ces animaux, diverses espces vivent linterface eau/sdiment
et sont trs utilises en
cotoxicologie en tant que bioindicateurs de contamination.
Ils peuplent de nombreux systmes aquatiques o les
caractristiques du milieu
peuvent tre trs variables. Leur activit ventilatoire sert deux
fonctions primordiales :
respiration et nutrition. Ainsi, leurs branchies sont la fois
une voie de passage pour des
contaminations directes et trophiques. Le bivalve Corbicula
fluminea a t choisi car de
nombreux aspects de sa physiologie respiratoire ont dj t
largement tudis (Tran, 2001).
Rcemment, il a t montr que chez cet organisme, deux facteurs
vont pouvoir conditionner
lentre de polluants : la spciation chimique du contaminant
considr et lintensit de
lactivit ventilatoire du bivalve (Tran et al., 2004b).
Ainsi, pour comprendre les processus impliqus dans laccumulation
du slnium et sa
toxicit chez C. fluminea, les facteurs qui ont t pris en compte
sont la spciation chimique
du slnium, la dpendance de lactivit ventilatoire du bivalve vis
vis des conditions
environnementales et la voie de contamination. Notre dmarche
exprimentale a consist tout
dabord tudier limpact de diffrentes formes chimiques de Se et de
diffrentes intensits
ventilatoires du bivalve, obtenues en modifiant les apports
trophiques, sur la bioaccumulation
aprs une exposition de trois jours par la voie directe et par la
voie alimentaire. Limpact du
slnium lui-mme sur la ventilation a t valu.
Dans un deuxime temps, afin dapprcier plus finement les
processus daccumulation
du slnium chez C. fluminea par la voie directe, des cintiques
daccumulation et de
dpuration de diffrentes formes chimiques de Se ont t ralises sur
70 jours. La
distribution tissulaire du slnium a galement t caractrise
diffrents niveaux
dorganisation biologique, tissulaire et subcellulaire.
-
4
-
5
Pour finir, les effets potentiellement toxiques du slnium ont t
apprhends aux
niveaux cellulaire et molculaire. Ainsi, leffet de diffrentes
formes chimiques de Se sur la
morphologie du tissu branchial, le statut antioxydant du bivalve
et lexpression gntique de
certaines protines a t analys.
Ce mmoire sarticule en 5 parties. La premire partie est une
synthse
bibliographique, rassemblant des donnes concernant dune part le
slnium, ses proprits
chimiques et biologiques, sa prsence dans les cosystmes
aquatiques ainsi que sa
bioaccumulation et ses impacts chez les organismes, et dautre
part, le bivalve, son cologie,
son anatomie et sa physiologie respiratoire. Dans la seconde
partie, la dmarche
exprimentale et les principaux paramtres tudis sont exposs. La
troisime partie prsente
les principaux matriels et mthodes utiliss. Dans la quatrime
partie, sont exposs et
discuts lensemble des rsultats exprimentaux. Enfin, la cinquime
partie tablit une
synthse et la conclusion du travail effectu en ouvrant sur de
nouvelles perspectives.
-
6
Tableau 1 : Principales formes chimiques des composs naturels
slnis.
Formes Nom Etat de valence Formes chimiques
Slniate Se(+VI) H2SeO4; HSeO4-; SeO42-
Slnite Se(+IV) H2SeO3 ; HSeO3- ; SeO32-
Slnium lmentaire Se(0) Inorganiques
Slniure Se(-II) H2Se ; HSe- ; Se2-
Slnocystine Se-CH2CHNH2COOH
Slnomthionine CH3CH2Se(CH2)2CHNH2COOH
Dimthylslniure (CH3)2Se
Dimthyldislniure (CH3)2Se2
Dimthylslnone (CH3)2SeO2
Se-mthylslnocystine MeSeCH2CHNH2COOH
Organiques
Se-mthylslnomthionine
Se(-II)
(CH3)2Se(CH2)2CHNH2COOH
-
7
1. BASES BIBLIOGRAPHIQUES
1.1. Le contaminant tudi : le slnium
1.1.1.Proprits gnrales
1.1.1.1. Proprits chimiques
Le slnium (symbole Se, numro atomique 34) est un mtallode qui
appartient au
groupe VI (oxygne, soufre, polonium, tellurium) du tableau
priodique. Il ressemble
troitement au soufre (S) par ses proprits chimiques telles que
taille atomique, nergies de
liaison, potentiels dionisation et principaux degrs doxydation
(Tinggi, 2003; Johansson et
al., 2005).
Dans lorganisme, le slnium est prsent sous forme de slnol
(R-SeH) ou de
slnother (R-Se-R). Il peut galement se combiner au soufre
(R-S-Se-H ou R-S-Se-S-R) ou
sy substituer pour former de nombreux composs analogues slnis :
slnomthionine
(SeMet) et slnocystine (SeCyst) (Ducros et Favier, 2004). Des
diffrences existent dans la
chimie du soufre et du slnium, notamment entre les potentiels
doxydorduction ou
dionisation des composs homologues. Par exemple, les composs
slnis ont tendance
tre beaucoup plus nuclophiles que les composs soufrs (Arteel et
Sies, 2001). Le slniure
dhydrogne (pKa = 3.7 pour le couple H2Se/HSe- ; pKa = 5.7 pour
le couple HSe-/Se2-) est un
acide plus fort que le sulfure dhydrogne (pKa = 6.9 pour le
couple H2S/HS- ; pKa = 8.5 pour
le couple HS-/S2-) (Johansson et al., 2005). Ainsi, le slnium
sous forme de slnol (R-SeH)
est aisment dissoci aux pHs physiologiques, ce qui est important
pour son rle catalytique
(Tinggi, 2003). La cystine (Cyst) est le plus souvent sous forme
protone aux pHs
physiologiques alors que la SeCyst est principalement sous forme
anionique (pKa = 5.2 pour
la SeCyst et pKa = 8.3 pour la Cyst), ce qui facilite le rle
catalytique du slnium dans les
slnoprotines (Ducros et Favier, 2004; Johansson et al., 2005)
.
Les diffrentes formes chimiques des composs slnis naturels sont
prsentes dans
le Tableau 1. Il existe plusieurs composs slnis dans les tissus
de plantes et
danimaux (Whanger, 2002). La SeCyst (acide amin slni) est la
forme prdominante dans
les tissus animaux lorsque du slnite leur est administr (Hawkes
et al., 1985; Schrauzer,
2000; Whanger, 2002).
-
8
Figure 1 : Etats doxydation du slnium en solution (daprs Sby et
al., 2001),
25 C, 1000 hPa (pression atmosphrique) et [Se] = 0.1 M. La zone
dlimite en
gris reprsente la zone doxydo-rduction susceptible dtre
rencontre dans
lenvironnement.
Tableau 2 : Les isotopes du slnium (Nuclide 2000, 1999).
Masse atomique relative (gmol-1) 78.96
Nombre disotopes : 25
Nombre disotopes stables : 5
Nombre disotopes quasi stables : 1
Nombre disotopes metteurs + : 9
Nombre disotopes metteurs - : 10
-
9
Si lon donne de la SeMet aux animaux, la SeMet sera le compos
majeur trouv initialement
mais il sera rapidement converti en SeCyst (Whanger, 2002). Les
crales et les plantes
fourragres convertissent le slnium inorganique principalement en
SeMet (Schrauzer,
2000). La SeMet est la forme majoritaire dans les graines de
crales et levures (Whanger,
2002). Chez Saccharomyces cereviciae 90 % du slnium est sous
forme de SeMet
(Schrauzer, 2000). Dune manire gnrale, la SeMet est rapporte
comme tant la forme
prdominante dans les tissus de plantes et dalgues (Guo et Wu,
1998; Tinggi, 2003).
Dans les cosystmes aquatiques, le slnium existe sous quatre tats
de valence :
slniate (+VI) ; slnite (+IV) ; slnium lmentaire (0) et slniure
(-II). Le slniate (+VI)
et le slnite (+IV) sont les formes les plus communes des eaux de
surface en conditions
oxydantes modrment oxydantes (Coughtrey et al., 1983). La
stabilit des diffrents tats
redox est fonction du potentiel lectrochimique du milieu (Sby et
al., 2001) (Figure 1). Dans
la nature, le slnium sous forme Se(-II) peut tre associ des
mtaux tels que HgSe, PbSe,
CdSe, CuSe (EPA, 2004). Un certain nombre de donnes concernant
la spciation du
slnium dans les eaux continentales et marines a t rapport dans
la littrature (Robberecht
et Grieken, 1982; Conde et Sanz Alaejos, 1997; Cutter et Cutter,
2004). Dune manire
gnrale, les formes majoritaires sont slnite et slniate. Il y a
assez peu de donnes sur les
composs organiques slnis. Ils sont gnralement minoritaires
(Robberecht et Grieken,
1982). Cependant, dans une tude rcente (Cutter et Cutter, 2004),
il a t montr que dans la
baie de Sacramento, les slniures organiques reprsentaient 40 %
du slnium total, tandis
que le slnite en reprsentait 13 % et le slniate 47 %. Ltude de
la distribution du
slnium dans 11 eaux de surface diffrentes, indique quen moyenne,
16 % du slnium total
est fix sur la phase particulaire (EPA, 2004).
1.1.1.2. Proprits nuclaires
Le slnium possde 6 isotopes stables ou quasi-stables (Tableau
2). Sa masse
atomique relative est de 78.96 gmol-1. Il possde galement
plusieurs isotopes radioactifs, qui
sont exclusivement artificiels. Le 79Se est un produit de
fission nuclaire (metteur -, demi-
vie : 1.1106 ans). Il sagit dun radionuclide vie longue, qui est
class comme lment
prioritaire pour lvaluation des risques associs aux sites de
stockage des dchets selon la
mthodologie dveloppe par lANDRA pour son rfrentiel biosphre de
2001 (ANDRA,
2001). Le 75Se (metteur + / , demi-vie : 120 jours) est utilis
en radiologie et pour les
traages.
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10
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11
1.1.1.3. Proprits biochimiques gnrales
Le slnium est un lment trace essentiel pour les humains et pour
une grande varit
despces animales (Tinggi, 2003). Il est essentiel pour le
fonctionnement denzymes anti-
oxydantes, notamment la glutathion peroxydase (GPx) qui contient
de la SeCyst dans son site
actif. Il existe galement de nombreuses autres slnoprotines (la
slnoprotine P ou encore
la thioredoxine rductase) qui ont besoin de Se pour leur activit
catalytique (Himeno et
Imura, 2000; Ducros et Favier, 2004). Il a galement t montr quil
pouvait constituer un
agent prventif du cancer (Tapiero et al., 2003) et de maladies
inflammatoires (Ducros et
Favier, 2004).
La frontire entre concentrations en slnium physiologiquement
essentielles et
toxiques est trs troite. La dose minimale requise par jour chez
lhomme est de 55 gkg-1
(RDA : Recommended Dietary Allowance) et la dose maximale
acceptable est de 350 gkg-1
(UL : tolerable Upper intake Level) (Goldhaber, 2003). La
dficience en Se chez lHomme
est responsable de la maladie de Keshan (Bokovay, 1995). Les
symptmes dune intoxication
au slnium peuvent tre lapparition de troubles digestifs
(diarrhes), de signes
neurologiques (convulsions, coma), des irritations cutanes, des
troubles respiratoires et une
odeur alliace de lhaleine (INRS, 2002).
1.1.2. Sources et concentrations de Se dans lenvironnement
Le slnium est naturellement prsent dans lcorce terrestre une
concentration
denviron 0.05 mgkg-1 (Coughtrey et al., 1983). Deux inventaires
des concentrations pouvant
tre retrouves dans le milieu aquatique sont disponibles dans la
littrature (Robberecht et
Grieken, 1982; Conde et Sanz Alaejos, 1997). Les concentrations
en Se dans les eaux de
surface, marines et continentales, sont rarement suprieures au
gL-1 en milieu non
contamin (allant du ngL-1 au 1/10 de gL-1). Sa large utilisation
par lhomme peut induire
une augmentation de ces niveaux, jusqu des concentrations
pouvant atteindre plusieurs
centaines de gL-1.
-
12
Figure 2 : Cycle biogochimique du slnium dans les cosystmes
aquatiques
(daprs Fan et al., 2002).
Les flches pleines indiquent les processus qui peuvent mener des
risques cotoxicologiques tandis
que les flches en pointill indiquent les processus de
volatilisation du slnium lorigine dune perte nette de
slnium de la part du systme aquatique. Les flches avec des
points dinterrogation reprsentent des processus
supposs. (a, a) prise en charge et transformation des espces
inorganiques par les producteurs primaires
aquatiques (b) relargage de composs organiques par les
producteurs primaires aquatiques (c) prise en charge
de composs organiques par les producteurs primaires aquatiques
(d) oxydation abiotique de composs
organiques en oxyanions (e) relargage dalkyslniures par raction
abiotique (f) relargage dalkyslniures
par les producteurs primaires aquatiques (g) volatilisation des
alkyslniures dans latmosphre (h) oxydation
des alkyslniures en formes inorganiques (i) formation de slnium
lmentaire par les organismes plagiques
et benthiques (j) formation de dtritus par les producteurs
aquatiques (k) bioaccumulation dans la chane
trophique et consquences potentielles en termes dcotoxicit (l,l)
assimilation des oxyanions de slnium aux
sdiments depuis la colonne deau (m,m) oxydation du slnium
lmentaire en oxyanions de slnium (n)
ractions redox entre Se(0) et Se(-II) (o) assimilation de
Se(-II) depuis le sdiment vers les organismes
benthiques (p) oxydation de Se(-II) du sdiment en slnite.
slnite slniate
dimthylslniure dimthyldislniure
slniure
slnium lmentaire
-
13
Il est largement utilis par lHomme des fins industrielles et
mdicales. La
production mondiale de slnium est de 1900 tonnes par an
(Bokovay, 1995). Les usages
industriels de ce mtallode et de ses composs peuvent tre diviss
en diverses catgories :
applications lectriques/lectroniques (30 %), fabrication de
pigments (19 %), industrie de
verre (20 %), mtallurgie (14 %), applications agricoles et
biologiques (6 %), autres usages
comme vulcanisation de caoutchouc ou oxydation de catalyseurs
(11 %) (Bokovay, 1995).
Dans le domaine mdical, le slnium est utilis comme complment
alimentaire, mais aussi
dans le traitement des pellicules, de la dermatite sborrhique et
dautres maladies de la peau
(George, 2003). Ainsi, un certain nombre dactivits anthropiques
conduisent aux rejets de Se
dans lenvironnement : production et combustion du charbon,
exploitation de mines de Cu,
Zn, Ni, Ag ; dcharges municipales ; eaux uses ; fertilisation et
irrigation des fins
agricoles ; processus industriels (Barceloux, 1999; Lemly,
2004).
Dans le milieu aquatique, les sources de slnium dans leau
viennent des dpts sec
et humide, de latmosphre, et du drainage de la surface. Certains
sites contamins sont
relativement bien documents. Cest le cas de la rserve de
Kesterson (Californie, US) o
lagriculture est intensive (Barceloux, 1999). Les eaux
dirrigation sont draines dans des sols
avec de fortes concentrations en slnium. Suite dimportantes
pluies, on peut noter des
concentrations en Se allant jusqu 162 gL-1 au niveau de
certaines tendues deau
(Ohlendorf, 2002). Un autre site pollu trs document est le lac
Belews (Caroline du Nord,
US), qui a t contamin par des eaux uses provenant dune centrale
lectrique charbon
(Barceloux, 1999). Des eaux uses charges en Se (150-200 gL-1)
ont t relargues de
1974 1986. La concentration moyenne dans ce lac est de 10 gL-1
(Lemly, 1999).
1.1.3.Cycle biogochimique du slnium
Le cycle du slnium est troitement li aux premiers niveaux de la
chane trophique
(dcomposeurs et producteurs primaires), qui reprsentent une
biomasse importante dans les
cosystmes. Ils conditionnent les cintiques de bioaccumulation et
de biotransformation vis
vis des maillons trophiques suprieurs. Les principales
connaissances concernant le cycle
biogochimique du slnium sont rsumes dans la Figure 2.
-
14
-
15
- Se(+IV) et Se(+VI) sous forme doxyanions dissous sont accumuls
par les
producteurs primaires et biotransforms en formes organiques
Se(-II)
(Vandermeulen et Foda, 1988; Fan et al., 2002; Simmons et
Wallschlger,
2005).
- Le slnium ainsi pris en charge par les producteurs primaires
est ensuite
transfr aux maillons trophiques suprieurs (Zhang et al., 1990;
Fan et al.,
2002).
- Les producteurs primaires volatilisent du slnium (slniures
mthyls, Se(-
II)) qui peut tre vacu vers latmosphre ou retransform en
slnite.
- Les producteurs primaires peuvent aussi relarguer des composs
organiques
Se(-II) ou du Se(0), forms par rduction biologique (Hu et al.,
1996).
- Ce Se(0) peut tre rduit en slniures inorganiques ou organiques
et roxyd
en selnite ou slniate, par les microorganismes du sdiment (Fan
et al.,
2002). La prise en charge de Se(0) par un consommateur (le
bivalve) a
galement t rapporte dans la littrature (Luoma et al., 1992).
- Parmi les phnomnes abiotiques, il y aurait des phnomnes
doxydation et
de rduction dans la colonne deau (Fan et al., 2002) ainsi que
des
prcipitations du slnium avec les mtaux pour donner des
slniures
mtalliques (EPA, 2004).
La bioaccumulation du slnium par la voie trophique apparat plus
importante que la
bioaccumulation par la voie directe (Zhang et al., 1990; Besser
et al., 1993). Ainsi les
phnomnes de biotransformations au niveau des premiers maillons
de la chane alimentaire,
vont conditionner les niveaux de bioaccumulation du slnium chez
les organismes de niveau
trophique suprieur.
1.1.4.Mtabolisme du slnium chez les animaux
Le mtabolisme du slnium a t abord par plusieurs auteurs
(Ganther, 1999;
Schrauzer, 2000; Whanger, 2002; Ducros et Favier, 2004). Le
mtabolisme du slnium chez
les mammifres a t clairement dcrit par Ducros et Favier (2004)
et indique que :
-
16
Figure 3 : Voies mtaboliques des diffrentes formes dapport en
slnium (daprs
Ducros et Favier, 2004).
Figure 4 : Mtabolisme cellulaire du slnium (daprs Ducros et
Favier, 2004).
-
17
Labsorption intestinale du slnium est leve (50-95%) et dpend de
la forme
dapport du slnium, ainsi que du statut physiologique vis vis du
slnium. La SeMet est
mieux absorb que le slnite et lest par un transport actif
analogue celui de la mthionine.
Le slnite est absorb par simple diffusion et le slniate, presque
aussi efficacement
transport que la SeMet, lest par un transport actif commun avec
celui des sulfates.
Lensemble des formes de slnium organiques et inorganiques peut
tre utilis par
lorganisme mais leur mtabolisme est diffrent.
Le mtabolisme du slnium dpend de la forme chimique ingre (Figure
3). Le
slnite entre dans les cellules par transport anionique et est
rapidement conjugu au
glutathion sous forme de slnodiglutathion (Ganther, 1999; Ducros
et Favier, 2004). Les
acides amins slnis utilisent les transporteurs membranaires
destins leurs homologues
soufrs et sont mtaboliss en utilisant les voies mtaboliques des
enzymes soufres. Le
slnium absorb est rduit ltat de slniures (H2Se) puis incorpor
dans les protines sous
forme de SeCyst par lintermdiaire dun ARNt spcifique (Figure 4).
La SeCyst est
considre comme le 21e acide amin. Elle est code par un codon UGA
qui est normalement
considr comme un codon stop. Lacide amin est inclus dans les
protines par un
mcanisme co-traductionnel assez complexe. Une partie du slnium
va tre utilise pour
produire des slnoprotines, qui sont des protines qui vont avoir
besoin du slnium pour
leur activit catalytique. Elles incorporent du slnium sous forme
de SeCyst dans la chane
polypeptidique. Dautres formes de Se vont directement dans des
protines que lon nomme
protines contenant du slnium , mais ces protines nont pas besoin
du slnium pour leur
activit catalytique, contrairement aux slnoprotines. Elles
incorporent le slnium par
substitution de la mthionine par la SeMet.
Lexcrtion du slnium absorb se fait sous forme de drivs
mthyls
(mthylslnol, dimthylslniure et trimthylslnonium) ou de
slnosucres excrts dans
les urines et/ou par les poumons.
1.1.5.Bioaccumulation du slnium chez les organismes
aquatiques
1.1.5.1. Processus de bioaccumulation et de prise en charge
du
slnium
-
18
-
19
Rappels sur les processus de bioaccumulation
Chez les organismes aquatiques, et plus particulirement les
bivalves, les barrires
biologiques traverser, sont lpithlium branchial, la paroi du
tube digestif, et la coquille
(qui est souvent rapporte comme un site de bioaccumulation). Les
contaminants de la phase
dissoute sont plus facilement absorbs par les surfaces
directement en contact avec le milieu
extrieur, tandis que les mtaux/mtallodes associs la phase
particulaire seront plutt
ingrs et internaliss aprs solubilisation dans le tube digestif,
ou transfrs par endocytose
pour subir ensuite une digestion lysosomale. Une fois cette
premire barrire passe, les
mcanismes de transfert des mtaux/mtallodes vers le milieu
intracellulaire font appel la
diffusion (passive ou facilite), au transport actif et
lendocytose (phagocytose et
pinocytose). La diffusion, quelle soit simple ou facilite par la
liaison avec un ligand, se fait
dans le sens du gradient de concentration. Le transport actif
est contraire au gradient de
concentration, il ncessite donc de lnergie.
Prise en charge
La prise en charge du slnium a principalement t tudie chez des
modles
unicellulaires. Riedel et al. (1991) se sont intresss 3 espces
phytoplanctoniques
(Anabaenas flos aquae, Chlamydomonas reinhardtii, et Cyclotella
meneghiania) et 3 formes
chimiques de slnium (slnite, slniate et SeMet). Ces auteurs
suggrent que le slnite
serait fix par une sorption passive, tandis que slniate et SeMet
impliqueraient un processus
biologique. Morlon (2005) montre au contraire lexistence dun
double systme de transport
du slnite, de faible et de forte affinit, chez Chlamydomonas
reinhardtii.
Une inhibition du transport du slnium par certains anions, et
notamment du transport
du slniate par le sulfate est admise chez les organismes
phytoplanctoniques (Williams et al.,
1994; Riedel et Sanders, 1996) ainsi que chez la daphnie (Ogle
et Knight, 1996). Certains
auteurs soulignent dautres inhibitions de transport, telles que
linhibition du transport du
slnite par le phosphate (Riedel et Sanders, 1996; Lee et Wang,
2001), par le sulfate
(Morlon, 2005) et par le nitrate (Morlon, 2005).
Linfluence des cations en solution a galement t explore.
Laccumulation du
slniate chez Chlamydomonas reinhardtii augmente avec
laugmentation du calcium,
magnsium et ammonium dans le milieu (Riedel et Sanders,
1996).
-
20
Tableau 3 : Facteurs de bioconcentration (BCF) du slnium par la
voie directe,
exprims sur la base du poids sec (p.s.) (non exhaustif).
Modle biologique Biotope Forme chimique de
Se
Temps
dexposition BCF p.s.
Rfrence
bibliographique
slnite 2-10 jours BCF
267-1004
slniate 2-10 jours BCF
30-115
Anabaena flos aquae
Cyanobactrie dulaquicole
SeMet 2-10 jours BCF
1520-12193
Kiffney et
Knight, 1990
slnite 1 jour
BCF
441-1600
slniate
1 jour
BCF
414-493
Chlamydomonas
reinhardtii
Algue verte
unicellulaire
dulaquicole
SeMet
1 jour
BCF
5320-36300
Besser et al.,
1993
Chlorella vulgaris
Algue verte
unicellulaire
dulaquicole slniate 12 24 jours BCF
400
Dobbs et al.,
1996
slnite 4 jours
BCF
221-3650
slniate 4 jours
BCF
65-293 Daphnia magna
Daphnie dulaquicole
SeMet 4 jours
BCF
30300-
382000
Besser et al.,
1993
Lysmata seticaudata
Crevette marin slnite 6-52 jours
BCF
10 - 30
Fowler et
Benayoun, 1976
Mytilus edulis
Moule marin slnite 10-63 jours
BCF
20 100
Fowler et
Benayoun, 1976
Lepomis macrochirus
Poisson dulaquicole
slniate-slnite
6 : 1 60 jours
BCF
5-7
Cleveland et al.,
1993
-
21 1BCF : Le BCF est le rapport entre la concentration de Se
accumule dans lorganisme et la concentration de Se dans leau.
Dans le cas des animaux, un effet antagoniste du slnium et du
mercure a t montr
chez deux espces de poisson (Chen et al., 2002). La
concentration de Hg diminuait
exponentiellement avec laugmentation de concentration en slnium
dans le muscle.
Aucune tude sur les mcanismes de transport du slnium na t ralise
chez le
bivalve. Cependant, quelques tudes ont t menes sur les mcanismes
de transport dacides
amins tels que la mthionine ou danions tels que les sulfates, in
vitro, sur des cellules
branchiales de bivalves. Ainsi, il a t montr que labsorption de
la mthionine par les
branchies du bivalve Mya arenaria tait ralise via un transport
actif (Stewart, 1978). En ce
qui concerne le transport du sulfate chez les bivalves, il a t
montr chez la moule Dreissena
polymorpha quil est relativement lent par rapport celui des
autres ions (Dietz et Byrne,
1999).
1.1.5.2. Bioaccumulation par la voie directe
La bioaccumulation dpend troitement des formes de Se tudies. Les
principales
valeurs de BCF trouves dans la littrature sont rapportes dans le
Tableau 3. Il a t montr
chez plusieurs espces vgtales et animales (allant de lalgue
unicellulaire au poisson) que la
SeMet tait la forme la plus bioaccumule suivi du slnite puis du
slniate (Kiffney et
Knight, 1990; Riedel et al., 1991; Besser et al., 1993). Les
valeurs des facteurs de
bioconcentration (BCF1), exprims sur la base du poids sec sont
cependant trs variables. En
ce qui concerne la SeMet, le BCF est de 1520-12193 pour la
cyanobactrie Anabaena flos
aquae (Kiffney et Knight, 1990), 5320-36300 pour lalgue verte
Chlamydomonas reinhardtii
(Besser et al., 1993) et 30300-382000 pour la daphnie Daphnia
magna (Besser et al., 1993).
En ce qui concerne le slnite, le BCF est de 267-1004 pour la
cyanobactrie Anabaena flos
aquae (Kiffney et Knight, 1990), 441 1600 pour lalgue verte
Chlamydomonas reinhardtii
(Besser et al., 1993) et 221-3650 pour la daphnie Daphnia magna
(Besser et al., 1993). Pour
le slniate, le BCF est de 30-115 pour la cyanobactrie Anabaena
flos aquae (Kiffney et
Knight, 1990) , 414-493 pour lalgue verte Chlamydomonas
reinhardtii (Besser et al., 1993)
et 65-293 pour la daphnie Daphnia magna (Besser et al.,
1993).
En ce qui concerne les modles bivalves, les niveaux de base en
slnium mesurs
chez des populations vivant dans des milieux non contamins (<
1 gL-1) sont de lordre de
3.1 gg-1 p.s. pour Macoma balthica et de 2.8 gg-1 p.s. (soit
environ 0.4 gg-1 p.f.) pour
Corbicula sp. (Johns et al., 1988).
-
22
-
23
Nous navons pas trouv de donnes dans la littrature concernant la
bioaccumulation des
diffrentes formes chimiques de Se chez ces organismes. En effet,
les tudes ralises sur les
bivalves ne sintressent quau slnite dissous, ou bien son
transfert par la voie trophique.
Chez la moule Mytilus edulis, le slnium prsent naturellement, se
retrouve
essentiellement au niveau des branchies et du manteau, puis, de
la masse viscrale et des
muscles (Fowler et Benayoun, 1976). Ces auteurs montrent quaprs
une contamination au 75slnite dissous, le slnite saccumule dans
tous les organes de la moule, mais
prfrentiellement au niveau de viscres (puis au niveau des
branchies, du muscle et enfin du
manteau). Au bout de 63 jours le BCF a une valeur denviron 100,
mais le plateau nest
toujours pas atteint (Fowler et Benayoun, 1976). Zhang et al.
(1990) montrent que la
bioaccumulation du 75slnite est plus importante par la voie
trophique que par la voie directe,
de plus dun ordre de grandeur. Ces auteurs soulignent que par la
voie directe, le slnite est
principalement accumul ou fix sur la coquille (> 50 %). Au
niveau du corps mou, la masse
viscrale et les branchies sont les organes cibles. Chez la
crevette Lysmata seticaudata, aprs
contamination par la voie directe avec du 75Slnite, la plus
forte concentration de Se est
retrouve au niveau de lexosquelette (BCF = 10 30) (Fowler et
Benayoun, 1976). En ce qui
concerne le modle biologique poisson, les tudes rapportes sur
Lepomis macrochirus
montrent une biodisponibilit faible des formes inorganiques de
Se avec un BCF < 5 aprs 60
jours dexposition (Cleveland et al., 1993).
La localisation intracellulaire du slnium a t tudie chez les
bactries contamines
avec du slnite, pour lesquelles on observe classiquement
lapparition de granules denses
aux lectrons dans le cytoplasme, signe dune dtoxication par
rduction du slnite en
slnium lmentaire (Garbisu et al., 1996; Kessi et al., 1999; Roux
et al., 2001). Chez
lalgue verte Chlamydomonas reinhardtii, Morlon et al. (2005) ont
observ du slnium
associ du calcium et du phosphore, lintrieur de vacuoles
granuleuses, aprs exposition
du 75Selenite. En ce qui concerne la localisation cellulaire du
slnium, des granules minraux
constitus dagglomrats de particules cristallines dans le foie
des ctacs dents, otaries et
cormorans ont t observs (Nigro et Leonzio, 1996). Ces granules,
contenant du Hg et du
slnium taient principalement localiss dans le cytoplasme et les
macrophages.
-
24
Tableau 4 : Facteurs de bioconcentration (BCF) et efficacits
dassimilation (AE) du
slnium par la voie trophique (non exhaustif).
Modle biologique Biotope Forme chimique de Se
initiale
Temps
dexposition
BCF p.s.
ou AE
Rfrence
bibliographique
Lepomis
macrochirus
poisson
dulaquicole SeMet 90 jours BCF
0,5 1,0 Cleveland et al., 1993
Brachionus
calyciflorus
rotifre
dulaquicole Algues contamines avec
du slniate 11 20 jours
BCF
500 Dobbs et al., 1996
Pimephales
promelas
poisson
dulaquicole Rotifres contamins
avec du slniate 11 jours
BCF
154 - 400 Dobbs et al., 1996
Lysmata seticaudata
Crevette marin
Moules contamine avec
du slnite 6-52 jours BCF 6-20
Fowler et Benayoun,
1976
Diatomes contamines
avec du slnite
AE
86 % Macoma balthica
bivalve
marin Se lmentaire
(biorduction du
sdiment contamin avec
du slnite)
2.5 heures
AE
22 %
Luoma et al., 1992
Phytoplancton contamin
avec du slnite
AE
34-66 % Elminius modestus
patelle marin
Zooplancton contamin
avec du slnite
30-45
minutes AE
74 %
Rainbow et Wang,
2001
Crassostrea
virginica
bivalve
marin Phytoplancton contamin
avec du slnite
40-60
minutes
AE
70 %
Reinfelder et al.,
1997
Macoma balthica
bivalve marin
Phytoplancton contamin
avec du slnite
40-60
minutes
AE
78 %
Reinfelder et al.,
1997
Mercenaria
mercenaria
bivalve
marin Phytoplancton contamin
avec du slnite
40-60
minutes
AE
92 %
Reinfelder et al.,
1997
Mytilus edulis
bivalve marin
Phytoplancton contamin
avec du slnite
40-60
minutes
AE
86 %
Reinfelder et al.,
1997
Menidia menidia
poisson juvenile marin
Zooplancton contamin
avec du slnite 1-4h
AE
29 %
Reinfelder et Fisher,
1994
-
25 1AE : LAE est le pourcentage de Se restant dans lorganisme
aprs la vidange du tube digestif, par rapport la quantit totale
ingre.
1.1.5.3. Bioaccumulation du slnium par la voie trophique
Trs peu dtudes se sont intresses au transfert trophique en
prenant en compte les
formes chimiques de slnium initiales. Seule une tude montre chez
le poisson chat Ictalarus
punctatus que la SeMet est mieux bioaccumule que le slnite
lorsque ces formes sont
incorpores dans la nourriture (Wang et Lovell, 1997). La plupart
des tudes de transfert
trophique ralises ont utilis le slnite comme premire source de
slnium.
Les principales donnes trouves dans la littrature sont rsumes
dans le Tableau 4.
Ltude du transfert trophique du slnium au clam Puditapes
philippnarum (phytoplancton
marin Phaeodactylum tricornutumin contamin avec du 75slnite)
montre que laccumulation
est un processus rapide, et induit une contamination plus
importante que par la voie directe
(Zhang et al., 1990). Aprs 18 jours de contamination,
laccumulation du slnium se fait
essentiellement au niveau des viscres puis des branchies. De
mme, le poisson Lepomis
macrochirus accumule plus de slnite par la voie trophique que
par la voie directe (Besser et
al., 1993). Laccumulation du slnite par ces deux voies seraient
additives chez Lepomis
macrochirus (Besser et al., 1993) et Pimephales promelas
(Bertram et Brooks, 1986).
Bertram et Brooks (1986) indiquent que les taux de dpuration du
slnite suggrent
lexistence de 2 compartiments fonctionnels : un pool de Se non
li (inorganique)
correspondant une dpuration rapide (voie directe) et un pool de
Se organiquement li
correspondant une dpuration dpendante du mtabolisme cellulaire
(voie trophique).
Chez la crevette Lysmata seticaudata, le slnium apport par la
voie trophique
(broyat de Mytilus galloprovincialis contamin avec du 75slnite)
saccumule principalement
au niveau de la masse viscrale (BCF = 6 20) (Fowler et Benayoun,
1976).
Plusieurs tudes concernant lefficacit dassimilation (AE1) du
slnium ont t
ralises, et notamment sur bivalves marins. Le bivalve Macoma
balthica a une efficacit
dassimilation du slnium de 86 % lorsquil est nourri avec des
diatomes pr-exposes au
slnite et de 22 % lorsquil est nourri avec du slnium lmentaire
(sdiment contamin en 75slnite ayant subi une rduction bactrienne)
(Luoma et al., 1992). Chez la patelle Elminius
modestus nourrie avec du phytoplancton contamin en 75slnite,
lefficacit dassimilation du
slnium varie de 34 66 %. Lorsquelle est nourrie avec du
zooplancton, son efficacit
dassimilation est plus importante, de lordre de 74 % (Rainbow et
Wang, 2001).
-
26
-
27
Chez quatre bivalves marins (Crassostrea virginica, Macoma
balthica, Mercenaria
mercenaria et Mytilus edulis), il a t montr que lefficacit
dassimilation du slnium tait
proportionnelle la fraction de Se prsente dans le cytoplasme des
algues ingres (Isochrysis
galbana contamin en 75slnite), avec une efficacit dassimilation
comprise entre 72 et 92
% (Reinfelder et al., 1997). Chez lamphipode L. plumulosus, il
ny a pas de relation entre Se
dans le cytoplasme des cellules algales et efficacit
dassimilation (Schlekat et al., 2002). Par
contre, ces auteurs ont montr que lefficacit dassimilation du
slnium chez le bivalve
Macoma balthica, variait proportionnellement la fraction de Se
cytoplasmique dans les
algues ingres et que le bivalve Potamocorbula amurensis pouvait
assimiler du slnium non
cytoplasmique partir du phytoplancton.
En ce qui concerne les consommateurs secondaires, ltude du
transfert trophique
entre des rotifres contamins avec du slniate et le poisson,
montre un assez important
facteur de bioconcentration (BCF = 154-400 p.s.), cependant il
est infrieur celui calcul
lors du transfert entre algues et rotifres (BCF = 500 p.s.)
(Dobbs et al., 1996). Il a t montr
que lefficacit dassimilation du slnium entre le coppode Acartia
sp. (expos au 75Slnite) et le poisson juvnile Menidia sp. ntait que
de 29 % (Reinfelder et Fisher, 1994).
Ceci est mettre en relation avec le fait que le 75Slnite
saccumulait 60 % dans
lexosquelette des coppodes. Le poisson devait absorber les
tissus mous des coppodes et
rejeter lexosquelette chitineux. Ainsi, outre leffet de la
spciation des polluants, les
mcanismes de nutrition et de digestion propres chaque organisme
modulent les entres du
polluant et conditionnent lefficacit dassimilation dun
polluant.
1.1.6.Rle physiologique et toxicit du slnium
Le slnium est essentiel pour la plupart des organismes vivants,
mais dans une
gamme de concentrations trs troite, au-del de laquelle il
devient toxique (Hodson et Hilton,
1983; EPA, 2004).
A faible concentration, il permet de lutter contre les dommages
engendrs par le stress
oxydant, par sa prsence au niveau de la glutathion peroxydase
slnium dpendante (Himeno
et Imura, 2000; Arteel et Sies, 2001; Tapiero et al., 2003;
Tinggi, 2003; Ducros et Favier,
2004). Cependant, il peut exercer des effets toxiques de plus
fortes concentrations.
-
28
-
29
Parmi tous les polluants classs comme prioritaires, le slnium
est celui qui se
caractrise par la gamme la plus troite entre les concentrations
bnfiques pour le biota et les
concentrations dltres. Ainsi, la concentration ncessaire au
maintien des processus
mtaboliques est de 0.5 gg-1 p.s. pour les organismes aquatiques
et terrestres. Des
concentrations suprieures ce seuil dun ordre de grandeur,
pourraient tre toxiques chez le
poisson (EPA, 2004). Des concentrations infrieures 0.1 gg-1
(poids sec) dans la nourriture
de la truite arc-en-ciel peuvent conduire des symptmes de
dficience svre, tandis quau-
dessus de 10 gg-1, des effets toxiques commencent se manifester
(Hodson et Hilton, 1983).
Chez le poisson, la toxicit (sur la reproduction et le
dveloppement) peut se manifester suite
des expositions chroniques dans leau < 5 gL-1 (Lemly,
1999).
1.1.6.1. Rles physiologiques
Le slnium est un lment essentiel pour la majorit des organismes
vivants,
indispensable comme cofacteur minral pour la biosynthse de la
glutathion peroxydase
(GPx) (Himeno et Imura, 2000; Arteel et Sies, 2001; Tapiero et
al., 2003; Tinggi, 2003;
Ducros et Favier, 2004).
De plus, chez les mammifres 30 slnoprotines ont t identifies,
ayant un rle
physiologique de premire importance ou bien non encore identifi
(Arteel et Sies, 2001).
Jusqu prsent, les protines caractrises fonctionnellement (12)
contiennent toutes lacide
amin SeCyst.
Parmi les diffrentes slnoprotines connues, on peut notamment
citer (Himeno et
Imura 2000, Arteel, 2001, Ducros et Favier 2004) :
La famille des GPx
Les GPx, enzymes antioxydantes, constituent une des principales
lignes de dfense
contre les agressions produites par les radicaux libres de
loxygne.
Dans la famille des GPx (subdivise en 4), la plus abondante chez
lanimal est la GPx
cellulaire (Himeno et Imura, 2000). Localise essentiellement
dans le cytosol, son rle est de
piger le H2O2 (alors que le H2O2 produit dans les peroxysomes
est pig par la catalase
localise dans ces organites). La GPx membranaire (phospholipide
hydroperoxyde GPx) a un
rle dans la protection des biomembranes contre la peroxydation
lipidique. Il existe galement
la GPx extracellulaire (plasmatique) et la GPx gastrointestinale
qui, elles aussi, inhibent la
production de radicaux libres (Ducros et Favier, 2004).
-
30
-
31
Thiordoxine rductase
Elle est situe dans le cytoplasme des cellules et catalyse la
rduction de la
thiordoxine, qui est une protine de faible poids molculaire
responsable de la rduction de
biomolcules oxydes. La rduction de la thiordoxine serait un
mcanisme important de
rgulation de la croissance cellulaire normale ou tumorale, mais
aussi de la mort cellulaire
programme (Ducros et Favier, 2004).
Slnoprotine P
Elle est principalement localise dans le plasma et a la
particularit de possder 10
atomes de Se par polypeptide. Sa fonction na pas encore t lucide
(Ducros et Favier,
2004). On lui attribue plusieurs rles : un rle antioxydant
extracellulaire et une activit
peroxydase spcifique des phospholipides.
En plus de laction de ces slnoprotines, un effet anticancer du
slnium est attribu
certains mtabolites du slnium (Tapiero et al., 2003).
1.1.6.2. Mcanismes de toxicit
Substitution Soufre-Slnium
La premire cause de toxicit du slnium est une erreur dans le
processus de synthse
protique (Lemly, 2002b). Le soufre, constituant cl des protines,
forme des ponts disulfures
entre les diffrents acides amins ce qui confre la protine sa
structure tertiaire. Cette
structure est ncessaire pour le bon fonctionnement des protines
en tant que composant
cellulaire ou enzyme. Lorsque le slnium est prsent en trop
grande quantit, il se substitue
au soufre et forme des ponts trislniures (Se-Se-Se) ou
slnotrisulfure (S-Se-S) ce qui
empche la formation des ponts disulfures ncessaires. Les
protines ne sont alors plus
fonctionnelles et ne peuvent plus jouer leur rle. Les
consquences peuvent tre nombreuses,
la plus documente est un effet tratogne chez le poisson (Lemly,
1993b).
Le slnium peut se substituer au soufre pour former de la SeMet.
Lincorporation de
la SeMet la place de la mthionine (Met) naltre pas la structure
des protines mais peut
influencer lactivit des enzymes si la SeMet remplace la Met
proximit du site actif
(Schrauzer, 2000). Chez les plantes, la toxicit du slnium peut
tre explique par la
participation de la SeMet ( la place de la Met) dans linitiation
du processus de traduction qui
diminuerait le taux de synthse protique (Eustice et al.,
1981).
-
32
Tableau 5 : Donnes dcotoxicit du slnium
Modle biologique Voie de
contamination
Forme
chimique de Se
Effet observ, dure, et
critre statistique choisi Valeur
Rfrence
bibliographique
slnite LOEC 4 jours
= 3 mgL-1
slniate LOEC 4 jours
= 3 mgL-1
Anabaenas flos aquae
cyanobactrie
Directe
SeMet
Diminution chlorophylle a
aprs 2 et 4 jours, LOEC
LOEC 2 jours
= 0.1 mgL-1
Kiffney et
Knight, 1990
slnite LOEC
> 79 mgL-1
Slniate LOEC
< 79 gL-1
Thalassiosira pseudonana
algue
Directe
slniate
Inhibition du taux de
croissance en phase
exponentielle, LOEC et
EC100 EC100
79 mgL-1
Price et al., 1987
Chlorella pyrenoidosa
algue Directe slniate
Inhibition de croissance en
tat stationnaire, EC50
IC50 = 800
gL-1 Bennett, 1988
Chlamydomonas
reinhardtii algue verte Directe slnite
Inhibition de croissance
96h, EC50
IC50 96h
= 6320 gL-1
Morlon et al.,
2005
slnite NOEC
= 58 gL-1
slniate NOEC
= 116 gL-1
SeMet LC50 96h
= 1.5 gL-1
Corophium sp.
amphipode Directe
slnocystine
Survie 96h, NOEC et
LC50
LC50 96 h
= 12.7 gL-1
Hyne et al.,
2002
Diminution du dbit
ventilatoire aprs 1h, EC50
EC50 1h
= 200 gL-1 Perna perna
moule Directe slnite
Augmentation du dbit
ventilatoire aprs 1h, EC50
EC50 1h
~ 500 gL-1
Watling et
Watling, 1982
slnite Inhibition de croissance,
aprs 12 jours, EC100 Mle Kunming
souris Trophique
Se lmentaire Inhibition de croissance,
aprs 12 jours, EC50
6 mgkg-1j-1 Zhang et al.,
2005
slnite EC100 24 h =
25 mgL-1 Kratinocytes de souris
Directe
(cultures
cellulaires) Slnocystamine(C4H12N2Se2)
Apoptose aprs 24h, EC100
EC100 24 h =
250 mgL-1
Stewart et al.,
1999
-
33
Formation de radicaux libres
La toxicit du slnium peut provenir de la gnration danions
superoxydes due
linteraction du slnium avec des groupements thiols. Un important
mcanisme met en cause
la formation de mthyl slnium CH3Se- qui, soit entre dans le
cycle redox et gnre du
superoxyde ou un stress oxydant, ou bien forme des radicaux
libres qui se lient
dimportantes enzymes ou protines et les inhibent. Par exemple,
la SeMet peut donner du
mthylslnol et gnrer un superoxyde en prsence de glutathion
(Palace et al., 2004).
Accumulation de slniure dhydrogne
Un second mcanisme met en cause la SeCyst, qui, prsente en excs,
induit
linhibition du mtabolisme de mthylation du slnium, engendrant
une accumulation de
slniure dhydrogne (mtabolite intermdiaire) dans les animaux et
pouvant ainsi causer des
troubles hpatocytaires (Nakamuro et al., 2000).
1.1.6.3. Donnes dcotoxicit concernant les organismes
aquatiques
et terrestres
Quelques tudes ont t ralises concernant la toxicit des
diffrentes formes de
slnium sur les organismes vivants. Les donnes de toxicit trouves
dans la littrature (aussi
bien au niveau de la reproduction, de la croissance, que des
activits enzymatiques) sont
rapportes dans le Tableau 5.
Organismes aquatiques
La cyanobactrie Anabaenas flos aquae est 30 fois plus sensible
la SeMet quau
slnium inorganique (aussi bien slnite que slniate). Le premier
effet (LOEC) sur la
synthse de la chlorophylle a a t observ aprs une exposition de 4
jours 3.0 mgL-1 (38
M) de slnium inorganique (slniate, slnite) versus aprs une
exposition de 2 jours 0.1
mgL-1 de SeMet (Kiffney et Knight, 1990).
-
34
-
35
Les concentrations essentielles et toxiques de slnite et slniate
pour la croissance de
la diatome marine Thalassiosira pseudonana, ont t values (Price
et al., 1987). Les
rsultats indiquent que cette algue est plus sensible au slniate
quau slnite. Une lgre
inhibition du taux de croissance en phase exponentielle est
observe chez T. pseudonana
partir des concentrations suprieures 1 mM (79 mgL-1) de slnite
(LOEC). Aucune
dficience de croissance na t observe pour des valeurs atteignant
1 nM (79 ngL-1).
En ce qui concerne le slniate, pour des concentrations
infrieures 0.1 M (7,9
gL-1), Thalassiosira a des difficults crotre, le taux de
croissance ne reprsente quun
quart de la croissance maximale. Laddition de 1 mM (79 mgL-1) de
slniate la culture est
toxique et la croissance est compltement inhibe.
Chez lamphipode Corophium sp. les acides amins slnis,
slno-L-mthionine et
slno-DL-cystine, sont plus toxiques (LC50 96h = 1.5 et 12.7
gL-1) que les formes
inorganiques, slnite et slniate (NOEC 96h = 58 et 116 gL-1 )
(Hyne et al., 2002).
Une inhibition de croissance de 50 % chez Chlorella pyrenoidosa
a t rapporte pour
une concentration de 800 gL-1 (10 M) de slniate dans le milieu
(Bennett, 1988).
Chez E. Coli, la thymidylate synthase ayant de la SeMet
substitue la Met, prsente
une activit spcifique 40 fois plus importante que lenzyme
normale. De mme, si plus de la
moiti des 150 rsidus de Met sont substitus par de la SeMet, la
Galactosidase est inactive
(Schrauzer, 2000).
Des effets toxiques du slnite ont pu tre observs en termes de
modifications de
lultrastructure de cellules algales (Morlon et al., 2005) et de
lamelles branchiales de poisson
(Lemly, 1993a). Les effets pathologiques observs par Lemly
(1993b) au niveau de la
branchie du poisson tlosten Lepomis cyanellus (exposs une
contamination au slnium
dans le lac Belews, Caroline du Nord, US) sont une dilatation
des sinus et un gonflement des
lamelles branchiales. Cette dilatation des lamelles branchiales
due au slnium, pose des
problmes de flux sanguin, dchanges gazeux inefficaces et une
rponse mtabolique accrue
(augmentation de la demande respiratoire et de la consommation
doxygne). Des effets
tratognes ont aussi t observs dans ce lac. Des effets sur la
reproduction et le
dveloppement du poisson peuvent se manifester suite des
expositions chroniques dans
leau des concentrations de Se infrieures 5 gL-1 (Lemly,
1999).
-
36
-
37
Des dommages ultrastructuraux chez la daphnie ont t observs ds
16 h dexposition
2 mgL-1 de slnite (Schultz et al., 1980). Dans tous les tissus
observs (muscles, nerf), les
premiers organites touchs taient les mitochondries. Elles
commenaient par gonfler et
semblaient se dsorganiser. Le gonflement tait suivi par
lapparition de granules denses dans
la matrice mitochondriale. Les mitochondries pouvaient finir par
dgnrer avec le temps.
Mammifres terrestres
Plusieurs auteurs ont montr une toxicit du slnium chez la souris
qui tait
largement dpendante de la forme chimique de Se considre. Ainsi,
Zhang et al. (2005),
montrent que le slnite prsente une toxicit plus importante que
le slnium lmentaire
pour la souris. Ils observent dans le foie de souris, aprs
administration de slnite, une
diminution de la catalase et de la superoxyde dismutase, une
augmentation du malonaldhyde
A, ainsi quune diminution du glutathion et paralllement, une
augmentation des glutathion
peroxydase et transfrase. Les modifications de ces marqueurs
sont le signe dun stress
oxydant aprs exposition au slnite.
Stewart et al. (1999), montrent galement par des tudes in vitro
sur cultures
cellulaires de souris, que le slnium peut induire un stress
oxydant et lapoptose. Ils montrent
que le slnite et la slnocystamine cre des adduits lADN,
lapoptose et quils sont
cytotoxiques pour les kratinocytes de souris. En revanche, aucun
effet ntait observ aprs
exposition la SeMet.
La dose ltale moyenne de SeMet (LD50) chez des rats ayant reu
une injection
intraperitonale est de 4.25 mgkg-1 et ainsi, comparable celle du
slnite et slniate. Les 2
isomres de la SeMet ( L- et D- slnomthionine) prsentent la mme
toxicit chez le rat et
sont tous les 2 accumuls dans le muscle squelettique, cur, foie
et rythrocytes des degrs
quivalents, il ny a que le taux de Se plasmatique qui est plus
faible dans le cas de la slno-
L-mthionine (Schrauzer, 2000).
Il a galement t montr que le slnite de sodium pouvait altrer le
potentiel de
membrane de la mitochondrie et donc contribuer lapoptose (Kim et
al., 2002) chez le rat.
Loxydation des groupements thiols par le slnite, entranerait une
chute du potentiel de
membrane mitochondriale engendrant un relargage de cytochrome c,
conduisant lapoptose.
Leffet anticancer du slnium pourrait tre du ce phnomne.
-
38
Figure 5 : Modle biologique, C. fluminea, positionn dans le
substrat.
1 cm
-
39
1.2. Le modle biologique tudi : Corbicula fluminea
Le bivalve Corbicula fluminea a t choisi car il est trs
reprsentatif des cosystmes
aquatiques continentaux. Il peut tre retrouv dans de nombreux
cosystmes aussi bien
lotiques que lentiques. Dautre part, sa physiologie respiratoire
a largement t tudie
rcemment (Tran et al., 2000; Tran et al., 2001; Tran et al.,
2002; Tran et al., 2003; Fournier
et al., 2004; Tran et al., 2004a; Tran et al., 2004b).
1.2.1.Origine
C. fluminea ou palourde asiatique est un bivalve deau douce
fouisseur vivant
linterface entre le substrat et la colonne deau (Figure 5). Cest
une espce invasive qui a tout
dabord colonis les continents asiatique, africain, australien et
la Nouvelle guine, pour
ensuite coloniser le continent nord amricain. Elle est lheure
actuelle en pleine phase
dexpansion en Europe. Des densits allant jusqu 2500 individusm-2
ont t rencontres au
sein de rivires anglaises (Aldridge et Muller, 2001).
1.2.2.Intrt cotoxicologique : espce bioindicatrice
C. fluminea est un modle biologique trs utilis en cotoxicologie
aquatique. Il
rpond aux critres dun bon bioindicateur de pollution : il est
prsent en grande quantit, il
est sdentaire, ubiquiste, de collecte facile, de taille et de
dure de vie ncessaire et suffisante
(3-4 ans) et il possde une relativement large rsistance aux
pollutions.
1.2.3.Ecologie
C. fluminea est une espce benthique peu exigeante quant son
habitat. Elle colonise
aussi bien les systmes lotiques que lentiques. Espce
opportuniste, elle prfre les substrats
composs de sable et de graviers, mais peut saccommoder de
substrats mous comme les
fonds vaseux. Elle peut coloniser des milieux dont les
tempratures extrmes sont comprises
entre 2 et 34 C. Loptimum thermique se situe entre 20 et 25 C
(Foe et Knight, 1986). Elle
peut vivre dans des milieux dont la salinit est comprise entre 0
3 (Gunther et al., 1999).
-
40
Figure 6 : Schma des principaux organes de C. fluminea (Britton
et Morton, 1982).
-
41
Une tolrance de C. fluminea des salinits allant jusqu 13 a t
dcrite par
certains auteurs (Morton et Tong, 1985). Son rgime alimentaire
est microphage slectif, se
nourrissant prfrentiellement dalgues, organismes
zooplanctoniques, bactries et dtritus
organiques. Il sagit dune espce hermaphrodite (Dillon,
2000).
1.2.4.Anatomie et physiologie
Dans un contexte de bioaccumulation de contaminants, on peut
distinguer 2
compartiments chez C. fluminea : la coquille (ou exosquelette),
forme de 2 valves
quilatrales et le corps mou qui comprend la masse des organes
(Figure 6). Le manteau
recouvre entirement la face interne de la coquille et englobe
lensemble du corps mou. Les 2
lobes du manteau fusionnent postro-latralement pour former les
siphons inhalant et
exhalant. Les branchies permettent C. fluminea de filtrer leau
pour assurer les changes
respiratoires (leau passe sur lpithlium respiratoire des
branchies o loxygne va diffuser
de leau vers le sang) et se nourrir en pigeant des particules
dont la taille peut atteindre
quelques m (algues unicellulaires phytoplanctoniques, bactries
ou bien particules
organiques). Leau entre par le siphon inhalant, circule dans la
cavit pallale et les branchies
pour ressortir par le siphon exhalant.
Lactivit ventilatoire est provoque par les battements des cils
latraux situs sur les
branchies. Les mouvements des valves ne sont pas responsables de
larrive de leau sur les
surfaces dchange, mais leur fermeture interdit toute circulation
deau en protgeant la masse
des organes. Les muscles adducteurs sont lorigine de lactivit
valvaire. Le pied de C.
fluminea sert la locomotion dans le substrat.
-
42
Figure 7 : Reprsentation schmatique de la branchie de bivalve
(Le Pennec et al., 2003)
Figure 8 : Organisation dune branchie filaments rflchis (Mytilus
edulis)
(daprs Le Pennec et al., 2003)
Lame interne Lame externe
Manteau
Feuillet direct (= descendant)
Axe branchial
Septe interfolliaire Feuillet rflchi (= ascendant)
Cavit interfollaire
Gouttire alimentaire
Espace lacuneux
Jonction interfilamentaire
Cils fontaux
Cils latro- fontaux
Cils latraux
-
43
1.2.5.Branchies et mcanique ventilatoire
1.2.5.1. Anatomie des branchies
La branchie existe de chaque ct du corps sous forme de 2 lames,
externe et interne
(Figure 7). Chaque lame est constitue dun feuillet descendant et
dun feuillet ascendant
relis laxe branchial. Cest dans cet axe que se trouvent les
troncs vasculaires affrent et
effrent et les principaux muscles assurant les mouvements
branchiaux (Le Pennec et al.,
2003). Llment de base de la branchie est le filament. Tous les
filaments sont disposs en
srie, parallles entre eux. Chez C. fluminea, comme chez tous les
eulamellibranches, ils sont
longs troits et rflchis (Figure 8). Sur une mme lame, tous les
feuillets sont semblables, on
parle de branchie lisse. La ciliature des filaments consiste
essentiellement en cils frontaux,
latro-frontaux et latraux. Leau circule dans le tissu branchial
grce au mouvement des cils
latraux. On considre que les ostiums participent, en fonction de
leur degr
douverture/fermeture, la rgulation du dbit. Chaque filament est
soutenu par un tissu
conjonctif, par des fibres musculaires et un tissu de soutien
(chitine).
1.2.5.2. Fonction des branchies
Les branchies remplissent plusieurs fonctions : lhmatose du sang
et la capture de
particules alimentaires. Les cellules ciliaires et mucus
attirent, slectionnent, capturent et
conduisent les particules vers les palpes et la bouche.
Lintensit de lactivit dpend de
nombreux facteurs extrieurs dclencheurs comme la temprature, la
charge particulaire et de
facteurs internes de rgulation (Tran et al., 2002; Le Pennec et
al., 2003).
1.2.5.3. Mcanique ventilatoire
La rgulation du dbit ventilatoire dpend dune part de lactivit
des cils et dautre
part de la contraction des muscles branchiaux (Gardiner et al.,
1991; Medler et Silverman,
2001; Gainey et al., 2003).
-
44
Figure 9: Schma de deux filaments branchiaux montrant les cils
impliqus dans
lactivit ventilatoire du bivalve (modifi daprs Jorgensen,
1990).
Figure 10 : Structure branchiale (daprs Medler et Silverman,
2001).
Figure 11 : a. Dimension des tubes aquifres chez 3 bivalves lors
du relchement et de
la contraction musculaire de 3 bivalves. b : coupe transversale
de branchies relches de M.
mercenaria ; c : coupe transversale de branchies contractes de
M. mercenaria (Gardiner et
al., 1991).
a b
c
Eau inspire
ostium
Cils latraux (mouvement deau)
Cils frontaux (dplacement des particules)
Cils latro-frontaux (collecte des particules)
Fibres musculaires Ostium externe
Ostium interne Tissu conjonctif
filament
-
45
Le rle des cils
Les trois types de cils qui se trouvent sur les filaments ont
chacun une fonction bien
prcise dans la mcanique ventilatoire (Figure 9). Les cils
latraux, situs dans les canaux
interfilamentaires o se trouve un pithlium respiratoire, crent
un mouvement deau et sont
donc responsables de lactivit ventilatoire (Jorgensen, 1990). Il
existe aussi les cils latraux
frontaux qui vont collecter les particules alimentaires
(Silverman et al., 1996). Les cils
frontaux vont quant eux vont fonctionner comme un tapis roulant
sur lequel sont
transportes les particules alimentaires pour tre emportes vers
les palpes labiaux, la bouche
et le tractus digestif. Les particules sont piges par un tapis
de mucus et les cils frontaux
dplacent ce mucus.
Le rle des muscles
Le diamtre des passages deaux travers les branchies dpend des
contractions de la
musculature branchiale (Figure 10). Jorgensen (1990) dcrit la
mcanique ventilatoire chez
les bivalves filtreurs. Il indique que lactivit ventilatoire
varie avec le degr douverture des
valves et louverture des siphons. Suite la fermeture des valves,
une modification de
lextension du siphon et du manteau est observe, ce qui peut
affecter la pompe branchiale en
affectant les distances interfilamentaires. Les muscles qui
rtractent le manteau et le siphon
sont en continuation des muscles qui se trouvent la base des
branchies. Ainsi, la rtractation
du manteau et siphon peut diminuer laxe branchial et donc celui
des hmibranchies. Une
diminution des canaux interfilamentaires est alors constate,
cependant, la largeur des
filaments reste identique. Cette rduction de la largeur du canal
interfilamentaire (drive
dune fermeture des valves) participerait la diminution du dbit
ventilatoire. Une relaxation
excessive des muscles namplifie pas ou que trs peu la capacit
ventilatoire.
Medler et Silverman (2001), qui ont tudi leffet dune
modification de la
musculature branchiale de C. fluminea sur les processus de
ventilation, indique que les
muscles des Eulamellibranches sont organiss dune faon rguler la
dimension des
passages deau. Ils montrent que la contraction des muscles
branchiaux diminue la distance
interfilamentaire, la taille des ostiums internes et du tube
aquifre (Figure 11). Ceci indique
que laltration du tonus musculaire des muscles lisses peut
modifier le dbit ventilatoire.
-
46
Figure 12 : A : Coupe transversale de branchie montrant 3
filaments chez Dreissena
polymorpha. f : cils frontaux ; c : cils latro-frontaux ; l :
cils latraux ; e : cellules
pithliales ; o : ostium ; i : ostium interne ; w : tube aquifre
; w : tube aquifre central ;
trait = 25 m. B : Dtails des cellules pithliales de filaments f
: cellules pithliales
frontales ; p : cellules pro-latro-frontales ; c : cellules
latro-frontales ; l : cellules
pithliales latrales ; e : cellules pitheliales indiffrencies; m
: cellules mucus, ct : tissu
conjonctif. trait = 5 m (Silverman et al., 1996).
Figure 13 : A : Coupe transversale de branchie dAnodonta
(antrio-postrieure de
gauche droite). B : Coupe transversale de filaments
(dorso-ventral). F : filament ; NM :
bande musculaire ; O : ostiums. trait = 50 m. (daprs Gardiner et
al., 1991).
A B
A B
-
47
Gardiner et al. (2001), montrent que chez les moules deau douce,
il existe 2 types de
bandes de muscles stris. Il y a dune part, les bandes de muscles
situes la base des
filaments. Elles alternent avec les ostiums. Lors de la
contraction de ces muscles, on a
diminution du canal interfilamentaire. Dautres fibres
musculaires se trouvent au niveau de
lpithlium qui borde le tube aquifre et autour de lostium
interne. Ils contrlent le diamtre
des ostiums internes.
1.2.6.Facteurs du milieu influenant la physiologie respiratoire
de C. fluminea
Certains facteurs du milieu sont susceptibles dinfluencer
lactivit valvaire
(mouvement douverture et de fermeture des valves) et
ventilatoire des bivalves, ce qui peut
entraner des variations tout fait importantes dans les taux
daccumulation dun polluant
(Tran et al., 2001; Tran et al., 2002; Tran et al., 2004b).
Loxygne, la variation de
concentration de plancton, la temprature, le stress ainsi que la
nature du contaminant, sont
parmi les facteurs qui peuvent entraner des variations de dbit
ventil.
Oxygnation du milieu
C. fluminea est capable de maintenir constante sa consommation
doxygne lorsque
loxygnation du milieu varie de lhypoxie (10 % de saturation
lair) jusqu lhyperoxie
(200 % de saturation lair) (Tran et al., 2000). C. fluminea
maintient lhomostasie de son
milieu intrieur en termes doxygnation via un ajustement de la
ventilation et sans
modification du dbit cardiaque.
Ces changements doxygnation du milieu (de 4 40 kPa) modifient
profondment les
processus de contamination par le cadmium (Tran et al., 2001).
LO2 peut influencer les
cintiques de charge du polluant et lorganotropisme en modifiant
les teneurs relatives de
bioaccumulation dans les organes. Lorsque lO2 diminue dans le
milieu, C. fluminea
hyperventile pour maintenir constant lapprovisionnement en O2
dans ses cellules. En
hypoxie, les flux de cadmium traversant les cavits branchiales
augmentent,
lhydrodynamisme de leau ventile est modifi et lanimal se
contamine plus vite par voie
directe.
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Tableau 6 : Facteurs environnementaux pouvant modifier la
physiologie respiratoire
de C. fluminea.
Facteur du milieu
tudi
Effet physiologique
observ
Rfrence
bibliographique
Densit algale Ajustement du dbit
ventilatoire
Tran et al., 2002.
Temprature Ajustement du dbit
ventilatoire
Tran et al., 2002.
pO2 Ajustement du dbit
ventilatoire
Tran et al., 2000 ;
Tran et al., 2004
pCO2 Ajustement du dbit
ventilatoire Tran et al., 2004
Polluant U Fermeture des valves Fournier et al., 2004
Polluant Cd Fermeture des valves Tran et al., 2003
Polluant Cu Fermeture des valves Tran et al., 2004
Polluant U
Ajustement du dbit
ventilatoire
Ajustement de
louverture/fermeture
des valves
Tran et al., 2004
-
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Densit de phytoplancton
La nourriture a une influence fondamentale sur lactivit
ventilatoire et ceci dpend de
la temprature. A 15 C, la ventilation dpend de lapport trophique
quand la concentration de
plancton dans le milieu est < 2105 cellsmL-1, tandis qu 25 C
la ventilation dpend de
lapport trophique quand la concentration de plancton est <
5105 cellsmL-1 (Tran et al.,
2002).
Temprature
Lactivit ventilatoire de C. fluminea dpend de la temprature via
son influence sur le
mtabolisme. Une augmentation de mtabolisme demande un
approvisionnement en oxygne
(comburant) et en nourriture (carburant) plus important, ainsi
quune augmentation de la
vitesse dlimination du CO2, un des produits finaux du mtabolisme
(Tran et al., 2002). Le
phnomne a t montr chez divers bivalves dont Brachidontes
striatulus (Masilamoni et al.,
2002). Tran et al. (2002) montrent que les niveaux de base en
termes de dbit ventilatoire de
C. fluminea sont de 12.8 mLh-1g-1 pour des concentrations de
plancton non limitantes (>
2105 cellsmL-1) 15 C et de 26.5 mLh-1g-1 pour des concentrations
de plancton non
limitantes (> 5105 cellsmL-1) 25 C.
pH
Fournier et al. (2004) nont pas observ deffet direct dune
modification du pH de 6.5
5.5 sur lactivit valvaire de C. fluminea, cependant un effet
indirect a t observ. En
prsence duranium, la chute de pH entrane une modification de la
spciation chimique de
lU(VI) en solution et entrane la fermeture des valves. Une
diminution des priodes dactivit
a t observe chez un autre bivalve Anadonta cygnea quand le pH
passait de 8 4 (Pynnnen
et Huebner, 1995).
Prsence dun contaminant
Les bivalves possdent un moyen de protection vis vis de la
survenue dun
contaminant qui est la fermeture rapide de leurs valves.
Diffrents valvomtres actuellement
sur le march, permettent lenregistrement de lactivit valvaire
des bivalves.
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Lenregistrement de ces mouvements peut tre utilis sur le terrain
pour la dtection
de pollutions aigus (Slooff et al., 1983; Kramer et al., 1989;
Sluyts et al., 1996) ou en
laboratoire pour valuer la toxicit de composs chimiques (Markich
et al., 2000). Les auteurs
dterminent des seuils de sensibilit aux polluants pour une espce
de bivalve donne, au-del
desquels lactivit valvaire de ces bivalves est perturbe (Markich
et al., 2000; Tran et al.,
2003; Fournier et al., 2004; Tran et al., 2004a). Des
modifications de lactivit ventilatoire de
C. fluminea ont galement t rapportes dans la littrature. Tran et
al. (2004) montrent une
chute du dbit ventilatoire en prsence duranium. A notre
connaissance, une seule
publication (Watling et Watling, 1982) a rapport des effets du
slnium au niveau de
lactivit ventilatoire dun bivalve. Chez la moule Perna perna,
ils ont test leffet dune
exposition directe au slnite sur 1 heure. Ils rapportent une
inhibition de la ventilation des
concentrations de slnite allant de 100 300 gL-1, une stimulation
de 300 700 gL-1 et
puis une inhibition aux valeurs plus leves.
2. DEMARCHE EXPERIMENTALE ET PRINCIPAUX PARAMETRES ETUDIES
2.1.1.Dmarche exprimentale
Le slnium est prsent dans lenvironnement sous plusieurs tats
doxydation
et sous diverses formes chimiques ( 1.1.1.1). Il a t montr que
sa bioaccumulation et sa
toxicit dpendaient des diffrentes formes chimiques mises en jeu
( 1.1.5 et 1.1.6). Les
effets des diffrentes formes chimiques de Se sur sa
biodisponibilit, sa bioaccumulation et sa
toxicit ont t trs tudis chez les organismes phytoplanctoniques.
En revanche, peu
dtudes se sont intresses aux maillons trophiques suprieurs. De
plus, ltude de la voie
trophique et de la voie directe sur un mme modle biologique a
rarement t fait.
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Dans ce