Modélisation graphique de la biodisponibilité des métaux pour le ver de terre

Graphical modeling of metal bioavailability to earthworm

• Auteur / Autrice : Léa Beaumelle
• Direction : Isabelle Lamy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité PESSAC (Physicochimie et Ecotoxicologie des SolS d'Agrosystèmes Contaminés) - INRA UR251 - Physicochimie et Ecotoxicologie des SolS d'Agrosystèmes Contaminés / PESSAC
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Péry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Lamy, Johanne Nahmani, Mickaël Hedde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Erik Smolders, Rodolphe Gilbin

Mots clés

Mots clés libres

Sol

Modélisation

Biodisponibilité

Vers de terre

Éléments trace métalliques

Soil

Modeling

Bioavailability

Earthworm

Trace elements

Résumé

Evaluer le risque environnemental que représente la contamination du sol par des éléments en trace métalliques est un enjeu important. Lorsque l'on cherche à faire le lien entre l'exposition aux métaux et ses impacts sur un organisme, il est nécessaire de prendre en compte la biodisponibilité du contaminant plutôt que sa teneur totale dans le sol. Cependant, la biodisponibilité est un concept dont il est difficile de rendre compte par une unique mesure chimique ou biologique. Dans la littérature, les indicateurs les plus utilisés ne sont en fait pas hiérarchisés, apparaissent non génériques, et leur analyse peut être faussée par des facteurs confondants. La biodisponibilité peut être décrite comme un processus à trois étapes : (i) la disponibilité des métaux dans le sol, (ii) leur absorption par l'organisme et (iii) les effets des métaux sur l'organisme. La modélisation graphique (tel que le SEM: modèle par équations structurelles) représente un cadre d'analyse pertinent pour tester les hypothèses de causalité qui sous-tendent cette définition et à terme parvenir à identifier des jeux d'indicateurs pertinents pour mesurer la biodisponibilité. Dans cette thèse, un modèle SEM décrivant la biodisponibilité des métaux pour le ver de terre a été développé. Pour le tester, nous avons réalisé une expérience d'exposition de vers de terre en conditions contrôlées. L'espèce de ver Aporrectodea caliginosa a été choisie car elle est fréquemment trouvée dans les sols tempérés. Nous avons de plus vérifié sa représentativité quant à la bioaccumulation des métaux en la comparant à d'autres espèces à partir des données de la littérature. Un large panel de sols contaminés in situ et non contaminés a été choisi afin de créer un gradient d'exposition réaliste aux métaux (Cd, Pb et Zn). La disponibilité des métaux dans le sol a été mesurée par des méthodes expérimentales (extractions) et théoriques (modélisation). Les métaux absorbés par les animaux ont été quantifiés après exposition dans les vers entiers et dans trois fractions subcellulaires. Enfin des biomarqueurs de différents niveaux d'organisation biologique ont permis d'évaluer les effets des métaux sur les vers de terre. Nos résultats montrent que les relations entre indicateurs considérés individuellement étaient dépendantes de l'indicateur et du métal considéré. De plus, nous avons montré les difficultés qui émergent lorsque l'on cherche à relier indicateurs chimiques et biologiques de biodisponibilité dans des sols modérément contaminés par plusieurs métaux. Enfin, le modèle SEM a été confronté aux données et a permis d'identifier des jeux d'indicateurs chimiques et biologiques qui vérifiaient les hypothèses d'une chaîne de causalité entre disponibilité, absorption et effets, et ce dans le contexte de sols faiblement contaminés in situ. Cette étude montre la pertinence de l'approche SEM qui permet d'aller au-delà de mesures uniques représentant imparfaitement le concept de biodisponibilité et de fournir un cadre d'analyse synthétique pour évaluer la biodisponibilité dans un contexte environnemental réaliste.

Soil organisms like earthworms are exposed to trace metals in contaminated soils. Only a fraction of total metal content in the environment can interact with soil organisms and lead to toxicological effects. Risk assessment of contaminated soils needs to measure the extent of this interaction between metals and organisms (i.e. bioavailability). Bioavailability is however a complex process that cannot be measured directly. A three-step definition had been given: 1) environmental availability designates the metal pools in soil that can potentially be uptake by the organism, 2) environmental bioavailability reflects the process of uptake of the contaminant by the organism and 3) toxicological bioavailability indicates the effects of the contaminant on the organism. A number of chemical and biological methods exist to measure each of these steps but none of them was proven to be fully generic in realistic environmental contexts. In situ, soils are often lowly contaminated by multiple contaminants and the causal relationships between chemical and biological indicators in such conditions have to be established. In this thesis we propose a graphical model (structural equation model: SEM) to address the causal hypotheses implied by the three-step definition of bioavailability. A laboratory exposure experiment was designed to test a SEM of metal bioavailability to earthworm. We chose a target earthworm species, A. caliginosa, commonly found in temperate soils. An analysis of literature data was conducted to verify metal bioaccumulation in A. caliginosa was representative of other earthworm species. We further selected a wide panel of soils to explore a realistic gradient of metal exposure. Specific chemical and biological methods were selected to reflect each step of metal bioavailability in the model. Environmental availability was assessed by experimental (extractions) and theoretical (modeling) procedures. Metal quantifications in earthworms and in three subcellular compartments were conducted to constitute observed variables of environmental bioavailability. Finally, for toxicological bioavailability, biomarkers reflecting different processes by which metals exert their effects on earthworms were quantified. The strength of the relationships between single observed variables was investigated over the panel of soils. The results showed indicator- and metal-specific relationships and further highlighted the challenges of relating chemical and biological indicators when considering low levels of bioavailability. The conceptual SEM was then confronted to our empirical observations. The results identified sets of chemical and biological indicators verifying the causal assumptions of the three-step definition of bioavailability in field-contaminated soils. This study shows the relevance of the SEM approach, that goes beyond the imperfections of single observed variables to reflect complex theoretical entities, and represents a powerful and comprehensive framework to investigate bioavailability in realistic environmental context.