Impacts écotoxicologiques d’éléments terres rares à différents niveaux d’organisation biologique dans un réseau d’eau douce : approches intégrées en mésocosmes indoor

Ecotoxicological impacts of rare earth elements at different levels of biological organization in a freshwater food web : integrated approaches under indoor mesocosms

• Auteur / Autrice : Nicolas Lachaux
• Direction : Laure Giamberini, Elisabeth M. Gross
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Carole Cossu-Leguille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Giamberini, Elisabeth M. Gross, Olivier Geffard, Jörg Schäfer, Séverine Le Faucheur, Catherine Mouneyrac, Arno Christian Gutleb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Geffard, Jörg Schäfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spéciation (chimie)

Mélange

Risques écotoxicologiques

Pollution de l'eau

Toxicologie

Terres rares

Mots clés libres

Eléments terres rares

Ecotoxicologie aquatique

Evaluation du risque environnemental

Mélange

Spéciation

Mésocosme

Rare earth elements

Aquatic ecotoxicology

Environmental risk assessment

Mixture

Speciation

Mesocosm

Résumé

Les éléments terres rares (REE) représentent un groupe de 17 métaux composé des lanthanides, de l'yttrium et du scandium qui partagent des propriétés physicochimiques similaires. Ils ont de nombreuses applications, notamment dans les hautes technologies et la production d'énergie renouvelable. Les activités minières, industrielles, médicales, agricoles et les stations épuration (STEP) rejettent des REE dans les milieux aquatiques. Cela soulève des préoccupations concernant leur potentielle toxicité sur les organismes aquatiques qui reste encore mal comprise. L'objectif principal de cette thèse consistait à analyser la spéciation, la bioaccumulation et les effets biologiques de différents REE sur plusieurs espèces clés des écosystèmes dulçaquicoles dans la perspective d'évaluer le risque environnemental des REE de façon fiable et intégrée. Trois REE représentatifs du groupe ont été testés individuellement et en mélange : le néodyme (Nd), le gadolinium (Gd) et l'ytterbium (Yb). Une approche complémentaire combinant microcosmes (tests standardisés) et mésocosmes a permis d'étudier leur toxicité à différents niveaux d'organisation biologique chez cinq espèces appartenant à différents niveaux trophiques : l'algue unicellulaire Raphidocelis subcapitata, le macrophyte Myriophyllum spicatum, le crustacé Daphnia magna, le bivalve Corbicula fluminea et le poisson Danio rerio. Le devenir, la spéciation et la bioaccumulation des REE dans différents milieux d'exposition (avec ou sans matière organique dissoute = DOM ; avec différentes formes de phosphore) ont été étudiés par modélisation et en mesurant les concentrations de REE dans le milieu et dans les organismes afin de mieux comprendre les effets biologiques observés. Les résultats ont démontré de fortes relations entre spéciation, bioaccumulation et toxicité se manifestant par une diminution de la toxicité et/ou de la bioaccumulation de Nd, Gd et Yb chez toutes les espèces étudiées en présence de DOM et de phosphore inorganique (KH2PO4) qui ont complexé et précipité les REE réduisant leur biodisponibilité. Ces résultats ont mis en évidence l'importance de prendre en compte la spéciation, en utilisant les concentrations dissoutes mesurées et en remplaçant le phosphore inorganique par du phosphore organique, pour éviter une sous-estimation de la toxicité des REE. Nd, Gd et Yb ont été significativement accumulés par les espèces étudiées entraînant des effets toxiques aux niveaux individuel et subindividuel. La distribution interne de Nd, Gd et Yb et plusieurs effets observés indiquent que la perturbation de l'osmorégulation et de l'homéostasie élémentaire est un mécanisme d'action majeur des REE. Les trois REE ont eu des effets additifs en mélange quel que soit l'espèce et le milieu testés. En considérant l'ensemble des résultats et la présence simultanée des tous les REE dans l'environnement, nous avons proposé une approche originale d'évaluation du risque des REE en mélange plutôt qu'individuellement. La valeur seuil de toxicité du mélange de REE a été déterminée à 3,2 µg L-1 en utilisant une approche de distribution de la sensibilité des espèces (SSD). Le risque calculé à partir des tests monospécifiques, de la SSD et les résultats de l'expérience en mésocosme testant différentes espèces à trois niveaux trophiques ont montré que les rejets miniers et industriels actuels pouvaient fortement impacter tous les niveaux trophiques, en particulier les producteurs primaires. Pour le moment, les rejets de STEP représentent un risque limité mais nous avons mis en évidence que Gd, sous sa forme utilisée en imagerie médicale, pouvait être accumulé et induire des effets sur les organismes aquatiques. Le risque environnemental des REE est actuellement limité à quelques hotspots mais il pourrait se répandre dans le futur avec l'accroissement de l'utilisation et des rejets de REE.

Rare earth elements (REE) are a group of seventeen metals composed of the lanthanide series, yttrium and scandium, which share similar physicochemical properties. They have diverse applications, including in hi-tech and green energy areas. Mining, industrial, medical, agricultural activities and wastewater treatment plant (WWTP) release REE in aquatic systems. This raises environmental concerns on their potential toxicity towards aquatic organisms, which is still poorly understood. The main objective of the thesis was to analyse speciation, bioaccumulation and biological effects of different REE on several key freshwater species to allow a reliable environmental risk assessment of REE. Three representative REE have been tested individually and in mixture: neodymium (Nd), gadolinium (Gd) and ytterbium (Yb). A complementary approach combining microcosms (standard tests) and mesocosms afforded to study their toxicity at several levels of biological organization in five species belonging to different trophic levels: a unicellular alga Raphidocelis subcapitata, a macrophyte Myriophyllum spicatum, a crustacean Daphnia magna, a bivalve Corbicula fluminea and a fish Danio rerio. Fate, speciation and bioaccumulation of REE in different exposure media (with and without dissolved organic matter = DOM; with different forms of phosphorous = P) were studied by modelling and measuring REE concentrations in the medium and in the organisms to better understand the observed biological effects. The results demonstrate strong links between speciation, bioaccumulation and toxicity shown by a decrease of toxicity and/or bioaccumulation of Nd, Gd and Yb in all studied species in the presence of DOM and inorganic phosphorous, which complexed and precipitated with REE reducing their bioavailability. These results highlight that it is essential to consider speciation, by using measured dissolved concentrations and replacing inorganic P by organic P, in order to prevent an underestimation of REE toxicity. Nd, Gd and Yb were significantly accumulated in studied species, leading to harmful effects at individual and subindividual levels. Internal distribution of Nd, Gd and Yb and several effects indicated that elementary homeostasis and osmoregulation disturbance is a relevant toxic mechanism of REE. The three REE induced additive mixture effects regardless of the type of species or exposure medium. Taking into account all these results and the fact that REE occur in mixtures in the environment, we propose an original approach by assessing environmental risk of REE in mixture instead of individually. The threshold concentration of REE mixture was determined at 3.2 µg L-1 by using the species sensitivity distribution (SSD) approach. The calculated risk from tests with individual organisms and the SSD together with results from a mesocosm experiment testing different species at three trophic levels show that current mining and industrial releases could strongly affect all trophic levels in aquatic ecosystems, especially primary producers. At present, WWTP effluents should pose a limited risk. However, we demonstrated that Gd, in constrat-agent form used in medicine, can be accumulated and provoke direct effects on aquatic organisms. The environmental risk of REE is currently restricted to some hotspots but it may get higher and more widespread in the future because of the increasing REE uses and releases.