Traçage du cadmium dans le cacao : du sol à la fève

Tracing cadmium in cacao : from soil to bean

• Auteur / Autrice : Hester Blommaert
• Direction : Géraldine Sarret, Erik Smolders
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 08/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Charlet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachel Atkinson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Nguyen, Hendrik Küpper

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Isotopes

Cacao

Aliments -- Teneur en cadmium

Mots clés libres

Cadmium

Cacao

Transport

Isotopes

Xas

Imagerie

Cadmium

Cacao

Transport

Isotopes

Xas

Imaging

Résumé

La consommation de produits chocolatés est une source significative d’absorption de cadmium (Cd) chez les humains. Des réglementations mondiales ont entrainé des initiatives visant à réduire la teneur en cadmium des fèves de cacao. Les principales stratégies proposées sont i) l’amendement des sols visant à réduire la biodisponibilité du Cd, ii) la sélection des cultivars et la greffe, et iii) les traitements pendant la fermentation des fèves. Le manque de connaissances sur les processus impliqués entrave le développement de ces stratégies. Ce travail vise à améliorer la compréhension des voies et des formes chimiques (spéciation) du Cd lors de son transfert du sol aux fèves, et pendant la fermentation.Tout d'abord, cette étude s’est intéressée aux voies du Cd dans les cacaoyers. Des cultivars à forte et faible accumulation de Cd et un cultivar greffé (faible accumulateur greffé sur un porte greffe différent) ont été comparés. L’analyse des concentrations et des rapports isotopiques du Cd ont été combinées avec des techniques de spéciation et d'imagerie micro et nanométrique pour élucider la distribution et les formes de stockage du Cd. L'absorption totale de Cd était 2,9 et 1,7 fois plus élevée chez le fort accumulateur par rapport au faible et au greffé, respectivement. La principale différence se situe à l'entrée du Cd dans la plante car les distributions entre organes sont similaires entre cultivars. Les données suggèrent des mécanismes d'absorption similaires pour le manganèse (Mn) et le Cd. Par contre, le Cd absorbé se distribue différemment du Mn dans la plante, et est principalement retenu dans les branches (57% du Cd total de l'arbre). L'incorporation du Cd dans les cristaux d’oxalate de Ca (racines et branches) ainsi que la liaison aux ligands S (racines) sont les principaux mécanismes de rétention observés dans le cultivar à forte accumulation. Dans tous les cultivars, les données suggèrent que le Cd est transféré dans les fèves via le phloème à partir des branches.Ensuite, la mobilité du Cd dans le phloème a été analysée en hydroponie avec un traceur isotopique stable (108Cd). Les racines de plantules de cacao ont été divisées en deux compartiments, enrichis en traceur 108Cd ou non enrichis. L'abondance isotopique du 108Cd augmente rapidement dans les parties aériennes, mais aussi dans la racine du compartiment sans traceur après 11 jours. Le Cd est remobilisé dans les tissus en développement via le phloème. Cependant, la fraction remobilisée est faible par rapport au flux lié à la transpiration (xylème) des racines aux feuilles. Par extrapolation des relations source-puits, ces résultats suggèrent que le Cd dans les fèves (puits du phloème) proviendrait de la remobilisation.Enfin, nous avons identifié des changements de spéciation du Cd dans les fèves au cours de la fermentation. Nous avons étudié des fèves faiblement et fortement concentrées en Cd. Dans les fèves non fermentées, la spéciation du Cd était dominée par les ligands soufrés (S) et oxygénés (O) dans les fèves à forte et faible concentration, respectivement. Après incubation à plus de 45°C et dans des conditions acides (pH <5), la concentration de Cd dans les fèves était divisée par 1,5, et le Cd était lié à des ligands O dans les deux fèves. Une combinaison de changements de pH et/ou de décomposition du phytate peut expliquer la mobilité accrue du Cd pendant la fermentation et la migration du Cd de la fève vers la solution.Ce travail a confirmé que la greffe et la sélection des cultivars sont des stratégies d'atténuation prometteuses à moyen et à long terme. Les amendements du sol risquent d’être inefficaces les premières années suivant l'application, en raison de l'important réservoir de Cd dans les arbres qui est la source de Cd dans les fèves. À court terme, l'optimisation des processus de fermentation est une stratégie d'atténuation plus viable.

The consumption of chocolate products contributes significantly to the human cadmium (Cd) intake. Worldwide regulations have sparked initiatives to reduce Cd in cacao beans. The main mitigation strategies proposed are i) amendments to reduce soil Cd bioavailability, ii) cultivar selection and grafting, and iii) treatments during bean fermentation. The development of these strategies is hampered by the lack of knowledge about the biochemical processes that control the Cd migration from soil to bean, and the fate of Cd during fermentation. This work was set-up to increase the understanding of the pathways and chemical forms (speciation) of Cd in its journey from soil to beans in trees and during the fermentation.First, we studied the pathways of Cd in cacao trees. Cacao is a large cauliflorous tree with fruits developing on the trunk, the loading of Cd in the beans may thus be atypical. We compared a high and a low Cd accumulating cultivar and a grafted cultivar, all from a field with similar soil bioavailable Cd. The grafted had the same scion as the low, but was propagated on another rootstock. We combined Cd stable isotope analyses at natural abundance with speciation techniques and elucidated distribution and storage forms of Cd by imaging techniques in micro to nano-scale. The total tree uptake of Cd was factor 2.9 (high) and 1.7 (grafted) higher than in the low cultivar. The Cd distribution within the tree was similar among cultivars. Thus, the main difference was at the entry of Cd in the plant. The total elemental uptake suggested similar uptake mechanisms for manganese (Mn) and Cd. Within the trees, Cd was separated from Mn along the transpiration pathway from roots to leaves, and mostly retained in the branches (57% of total tree Cd). The incorporation of Cd in Ca-oxalate crystals (roots and branches) together with binding to S-ligands (roots) were the major mechanisms of Cd retention observed in the high Cd cultivar. In all cultivars, the isotope data suggested that Cd was loaded into the beans via the phloem from the branches.The phloem mobility of Cd was subsequently analyzed in an experiment with cacao seedlings. A split-root experiment was set up with a stable isotope tracer (108Cd). Roots of cacao seedlings were split into two compartments, either enriched in tracer 108Cd (+) or not (-). The isotopic abundance of 108Cd readily increased in the shoot compartments but also increased in the root of the compartment without tracer from 11 days after spiking, which evidenced that Cd was phloem mobile and remobilized to developing tissues. This fraction of remobilized Cd was still small and the dominant Cd transport pathway was the transpiration pathway (xylem) from root to leaves. By extrapolation of the source-sink relationships, this work suggested that Cd in the beans (phloem sink) can be loaded by remobilized Cd.Cacao beans are fermented prior to further processing into chocolate products. We identified changes in Cd speciation in beans during fermentation. We used samples collected from farms where Cd concentrations were high or low. In unfermented beans, Cd speciation was dominated by sulfur (S) and oxygen (O)-ligands in the high and low Cd beans respectively. After incubation at >45°C and in acidic conditions (pH <5), nib Cd concentration decreased up to a factor 1.5, and Cd was bound to O ligands in both beans. A combination of pH changes and/or phytate breakdown may explain the enhanced Cd mobility during fermentation and the migration of Cd from the nib to the outer solution.This work confirmed that grafting and cultivar selection may mitigate Cd uptake in the nibs on the medium to long term. Soil amendments reducing soil Cd bio-availability may be ineffective in the first years after application, because of the large reservoir of Cd in the trees that is the source of Cd in the beans. On the short term, the optimization of fermentation processes is a more viable mitigation strategy.