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« BIO-ECOMET »
Une méthodologie pour évaluer la biodisponibilité, la
bioaccumulation et les impacts éco-physiologiques des
micropolluants métalliques du sol
Porteurs : Mirella Del Nero, Sylvie Massemin, Anne Boos, Maurice
Millet
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Département de Recherches
Subatomiques
Département de Sciences
Analytiques
Département Ecologie, Physiologie
et Ethologie
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INTRODUCTION
Eau de nappe
Sol
Eau de surface Ruissellement
Air
Bactéries
Emissions atmosphériques
Dépôts
Matières orga. « Stockage »
Transferts des éléments traces métalliques (ETM) du sol à la
chaîne trophique
Transport dissous
Eau de pluie
Eau infiltration
Bio-amplification
Minéraux
Bio-accumulation
Transferts plantes
Rejets liquides : effluents, accidents…
REJETS ANTHROPIQUES : pollution diffuse
- Cd, Pb, Cr, As, U, Ln : toxicité - Zn, Cu, Ni : toxicité
potentielle à [ ] en excès
Cd: 0.5ppm (0,1ppm roches) Pb: 43ppm (26ppm roches)
Sols urbains (France)
Hernandez et al., 2003, Science Total Environment Wei and Yang,
2010, Microchemical Journal
Sol agricole
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Risques de la pollution diffuse: -Transferts accrus -Effets
écotoxicologiques
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OBJECTIFS
Pollution diffuse en ETM des sols : des impacts
éco-toxicologiques?
1. Prévoir les transferts des ETM du sol aux plantes (1er niveau
de la chaîne trophique)
Fraction bio-disponible d’un ETM contrôlée par de nombreux
processus et les conditions physico-chimiques du sol (la
spéciation)
• VERROU
La spéciation chimique d’un ETM :
Rôle des acides organiques complexes des sols : Quelle identité
des espèces métallo-organiques ? Quelle biodisponibilité ?
2. Evaluer les effets éco-physiolologiques (espèce animale au
sein de la chaine trophique)
Effets faibles et différés, Effet « cocktails »
• VERROU L’effet des faibles doses :
La relation entre pollution diffuse et dommages physiologiques
commence à être étudiée: un indicateur fiable ?
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Spéciation chimique des ETM et biodisponibilité Jo
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Physisorption
Complexation de surface
Précipitation de surface
Insertion
Désorption Sorption
Complexation aqueuse
Espèces ETM mobiles
Acides organiques complexes (AOC)
Acides fulviques (AF) Acides humiques (AH)
ETM
Minéraux (Ligands surface)
Eau (Ligands dissous)
Plantes
Espèces ETM bio-disponibles
Espèces ETM (im)mobiles
Représentation simplifiée AF
d’après Manceau et al. (2002)
Effet du pH (e.g. Janot et al., 2013)
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Acide fulvique / acide humique
Interactions surface minérale - ETM – Acides organiques
complexes
Surface minérale - solution
+ Acide Fulvique ou Humique
ESI FTMS : moléculaire
1ères descriptions moléculaires du fractionnement chimique –
Paramètres moléculaires clés
Surface minérale - solution
+ Acide fulvique ou Humique
+ Métaux
Galindo C. et Del Nero M. (2014, 2015); Fleury et al.,
(2016)
Etudes macro. : AF considéré comme un bulk → [GF]moy ,
Kcond.,moy : variables ! Etudes spectro. : AF et AH fractionnent
lors de la sorption → clé pour comprendre interactions (e.g. Zhou
et al. 2001)
1 étude (macro) : Cu bio-disponible corrélé à la formation de
complexes aqueux Cu-fulvate (Gummuluru et al. 2002)
Approche : Etudes de spéciation dans des systèmes
minéral-solution-AOC modèles des sols
Etat de l’art
Un assemblage supramoléculaire de milliers de molécules !
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Piccolo et al. (1996)
Expertise Radiochimie
Spéciation métallo-organique et biodisponibilité
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OBJECTIFS Pollution diffuse en ETM des sols : des impacts
éco-toxicologiques?
1. Prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes (1er
niveau de la chaîne trophique)
• Transferts différés et variables selon le sol
• VERROU La spéciation chimique (contrôle transferts et
biodisponibilité) : Manque de connaissances sur la spéciation et la
biodisponibilité des ETM en présence des AON : pas de
prévisions.
2. Evaluer / prévoir les effets éco-physiolologiques (espèce
animale au sein de la chaine trophique)
Effets faibles et différés, Effet « cocktails »
• VERROU L’effet des faibles doses : La relation entre pollution
diffuse et dommages physiologiques commence à être étudiée: un
indicateur fiable ?
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Paramètres Ecologiques
Paramètres Physiologiques
Succès reproducteur
Croissance des poussins
Condition corporelle des parents
Stress Oxydatif
Métaux lourds : Ercal et al. 2001 Meta-analyse : Isaksson
2010
Augmentation des dommages oxydatifs Augmentation des enzymes
Hormones
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» Etat de l’art La majorité des études en écotoxicologie porte
sur la bioaccumulation et la bioamplification le long des chaines
trophiques et les tissus où les polluants sont stockés.
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ROS
Défenses Antioxydantes
Stress Oxydatif
Dommages Oxydatifs
lipides
protéines
ADN
Sources de ROS:
Mitochondries
Défenses Antioxydantes :
enzymes, vitamines (A,E
and C) Autres Sources
de ROS: UV, toxines Pollution, Processus
xénobiotique
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Paramètres Ecologiques
Paramètres Physiologiques
Succès reproducteur
Croissance des poussins
Condition corporelle des parents
Stress Oxydatif
Hormones
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» Etat de l’art
Télomères
Sletten et al. 2016 (Norway coll.)
Salmon et al. 2016 Stauffer et al. 2017
Expertise DEPE
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Qu’est ce qu’un télomère ?
Télomères= un bon indicateur de
longévité P
ropo
rtion
sur
vivi
ng (%
)
Cawthon et al. 2003
Pourquoi les utiliser?
sénescence
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Prévisionnel
Comprendre les transferts & impacts éco-
toxicologiques
Etudes de la spéciation en solution & aux interfaces
minéral-solution .
Systèmes « modèles » Echelle moléculaire
(Radiochimie, IPHC)*
Socle de mesures
Etudes éco-physiologiques : index de longévité
(DEPE, IPHC)**
Analyses des plantes Phytoaccumulation
(RePSeM, IPHC)
Analyse géochimique – sol Mesures de la biodisponibilité
(Radiochimie, IPHC)
Analyse Air
Analyse des proies (invertébrés) et tissus d’animal
cible - bioamplification (RePSeM, IPHC)
Stress oxydant
* Radiochimie: premières descriptions moléculaires des
interactions minéral-AON **DEPE: Seul groupe français à travailler
sur l’approche pollution - télomères
La spéciation et la biodisponibilité des ETM en présence des
AOC
La relation entre pollution diffuse en ETM et dommages
physiologiques.
METHODOLOGIE Jo
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Site périurbain: Forêt de la Wantzenau
Site urbain: Centre ville (Strasbourg)
Site périurbain: Jardin de la Robertsau
Degré d’urbanisation Google map
Site urbain: Ostwald
Variabilité intra-urbaine
Zone d’Etude en Alsace : sites urbains à péri-urbains
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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes
(1er niveau de la chaîne trophique)
Urbain
Périurbain
Smectite
SOLS Smectite illite chlorite kaolinite
71% 8% 12% 9% 6% 53% 25% 16%
Corg de 2% à 5%
Systèmes modèles
Expériences désorption ETM
Acide fulvique (PPFA) ETM (Cu-Pb-Zn: 1µM)
Hématite ou kaolinite Solution
Analyse AF avant et après sorption (surnageant) par FTMS :
formules chimiques brutes Analyse ICPMS : % ETM sorbés
Molécules AF et % ETM sorbés
1 g/L sol pH 4-8 t : 1-48 h
Agitation Centrifugation
Analyse ICP-MS
surnageant
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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes
(1er niveau de la chaîne trophique)
Acide fulvique
Hématite + (Pb, Cu, Zn)
% E
TM so
rbé Cu
pH
Sans AF AF 2.1mgC/L AF 21mgC/L %
ETM
sorb
é Pb
pH
Molécules AF sorbées à 100%
O/C
H/C
Molécules AF
Molécules AF les plus hydrophobes et Molécules AF les plus
acides et oxygénées (échange ligands)→ Pb > Cu >> Zn
(Contraste avec le système kaolinite-ETM-AF : Zn > Cu > Pb) -
Fleury et al. (in prep.)
complexe aqueux Cu-fulvate
complexe surface-Pb-fulvate
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» VOLET 1: prévoir les transferts des ETMs du sol aux plantes
(1er niveau de la chaîne trophique)
Ordre sorption ETM sur hématite /smectite (exp.) = ordre
rétention ETM sur les sols
Phyto-accumulation des ETM : reflète quantités désorbées des
sols des différents sites
CV urbain péri-urbain
CV urbain péri-urbain
CV urbain péri-urbain
→ Pb (complexe surface-Pb-fulvate) > Cu (complexe aqueux
Cu-fulvate) >> Zn (Zn2+aq)
Smectite, Fe - +
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installation nichoirs
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» VOLET 2 : Evaluer les effets éco-physiologiques (espèce
animale au sein de la chaine trophique)
installation nichoirs
Urbain Péri-urbain Urbain Péri-urbain
Bioamplification de Zn, Cu, Pb Bioamplification Pb (site
péri-urbain Wantz. : Pb est le plus bio-disponible et le moins
concentré)
Relation possible pollution diffuse et stress oxydant
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ORIGINALITE
• Relations entre pollution diffuse des sols et effets
éco-physiologiques sur un vertébré terrestre : un sujet qui
commence à être abordé
• Approche interdisciplinaire et investigations de pointe en
spéciation chimique et écophysiologie évolutive : innovante dans le
contexte environnemental • Dimension nouvelle aux études classiques
de biodisponibilité: la
spéciation métallo-organique dans un milieu très complexe (sol)
• Approche intégrée en écophysiologie : échelle moléculaire à
populationnelle, indicateur de santé
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PERSPECTIVES
• Approche expérimentale : • Structure et stabilité des
complexes métallo-organiques formés dans un
sol (molécules organiques modèles) • effet physiologique d’un
micropolluant (s’affranchir de l’effet cocktail)
• Exporter la méthodologie sur le site d’une ancienne mine
d’uranium (micropolluants métalliques prédominants)
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« BIO-ECOMET »���Une méthodologie pour évaluer la
biodisponibilité, la bioaccumulation et les impacts
éco-physiologiques des micropolluants métalliques du
sol INTRODUCTIONOBJECTIFS ��Pollution diffuse en ETM des sols
: des impacts éco-toxicologiques?Diapositive numéro 4Diapositive
numéro 5OBJECTIFS �Pollution diffuse en ETM des sols : des impacts
éco-toxicologiques?Diapositive numéro 7Diapositive numéro
8Diapositive numéro 9Diapositive numéro 10Diapositive numéro
11Diapositive numéro 12Diapositive numéro 13Diapositive numéro
14Diapositive numéro 15Diapositive numéro 16Diapositive numéro
17Diapositive numéro 18