Dynamique des composés et des isotopes stables du sélénium : développement analytique et détermination dans les organismes aquatiques.

Dynamics of Se species and stable isotopes : analytical development and determination in aquatic organisms.

• Auteur / Autrice : Claudia Marchán-Moreno
• Direction : Zoyne Pedrero, David Amouroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 06/07/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Feldmann, José Ignacio García Alonso, Stéphanie Fontagné-Dicharry, Maïté Bueno, Warren T. Corns
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jörg Feldmann, José Ignacio García Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spéciation

Sélénium

Mots clés libres

Sélénium

Spéciation

Composition isotopique

Bioaccumulation

Oiseaux de mer

Poissons

Selenium

Speciation

Isotopic composition

Bioaccumulation

Seabird

Fish

Résumé

Le sélénium (Se) est un élément essentiel pour les organismes vivants, jouant un rôle crucial dans les processus métaboliques. L'organotropisme du Se dans les organismes vivants et le rôle de ses espèces dans des processus métaboliques importants, tels que la détoxification du mercure (Hg), ne sont pas complètement compris. La caractérisation de la composition isotopique du Se dans les échantillons biologiques pourrait être un outil crucial pour suivre les sources et la dynamique des composés du Se, comme cela a été démontré pour d'autres éléments. Cependant, l'étude des signatures isotopiques du Se dans les matrices biologiques est rare et limitée à quelques échantillons complexes. Plusieurs défis analytiques doivent être relevés pour la spéciation du Se et la mesure d'isotopes stables dans des matrices biologiques. Cette thèse de doctorat vise à fournir des informations sur le devenir des composés du Se et la dynamique des isotopes dans les organismes aquatiques en utilisant de nouvelles stratégies analytiques.Afin d'évaluer le devenir du Se alimentaire et son effet sur la bioaccumulation du méthylmercure (MeHg), une expérience d'alimentation de poissons modèles d'aquaculture (truite arc-en-ciel, Oncorhynchus mykiss) a été réalisée dans des conditions contrôlées. Les animaux ont été exposés pendant 6 mois à différents régimes alimentaires complétés par une ou plusieurs espèces de MeHg et de Se (12 conditions alimentaires différentes au total). Les tendances de la bioaccumulation dans les principaux organes internes de la truite ont mis en évidence l'impact des espèces du Se alimentaires sur la régulation, le Se(IV) et la sélénométhionine ayant des effets majeurs sur la bioaccumulation du Hg dans le foie et les muscles respectivement, et les sous-produits du thon induisant une teneur en Hg plus faible que les régimes à base de plantes. Ce travail révèle une réduction de la bioaccumulation du MeHg dans la chair des espèces aquacoles modèles étudiées et soulève la question du rôle de la sélénonéine (SEN) dans la bioaccumulation du Hg, signalée dans les tissus du thon, qui expliquerait une tendance aussi singulière. Une méthode basée sur le couplage en ligne de la HPLC, du rayonnement ultraviolet, du traitement thermique, de la génération d'hydrure (HG) et de la spectrométrie de fluorescence atomique a été mise au point. Il a été validé pour la quantification de la SEN par étalonnage externe et sa séparation des espèces de Se organiques couramment trouvées dans les matrices biologiques. Cette approche analytique a permis une analyse rapide et rentable de la SEN. Une méthodologie basée sur la HG couplée à la spectrométrie de masse à plasma inductif multicollecteur, a été développée pour la mesure précise de la signature isotopique du Se dans un ensemble de tissus de pétrels géants (Macronectes giganteus) mais aussi pour la SEN et les nanoparticules (NPs) de Se isolés des tissus. Cette étude représente le premier rapport sur la composition isotopique du Se total et de composés spécifiques du Se chez une espèce d'oiseau marin. L'analyse des résultats a montré que la signature isotopique du Se dans le cerveau reflétait directement l'accumulation de SEN. La biominéralisation des NPs de HgSe dans le foie pourrait induire un enrichissement en isotopes de Se plus lourds avec l'âge des oiseaux de mer. L'étude pilote sur la composition isotopique du Se spécifique aux espèces apporte un éclairage totalement nouveau sur la compréhension des métabolismes du Se dans les organismes vivants et ouvre de nouvelles perspectives pour les recherches futures en chimie, en biologie et en écologie. Dans l'ensemble, les résultats obtenus sur la bioaccumulation, la spéciation et la composition isotopique du Se dans des organismes aquatiques modèles jettent les bases des développements futurs en matière de spéciation et de mesures isotopiques et fournissent des indications précieuses sur le devenir des composés du Se et l'organotropisme dans le biote.

Selenium (Se) is an essential element for living organisms, playing crucial roles in metabolic processes, it has antioxidant capabilities and a beneficial role on health. Se organotropism in living organisms and the role of its species in important metabolic processes, such as mercury (Hg) detoxification, are not completely understood. Several analytical challenges must be achieved for Se speciation in complex biological matrices due to the requirement for specific sample preparation procedures and the lack of standards for identification and/or quantification. In addition, the characterization of Se isotopic composition in biological samples could be a crucial tool for tracking the sources and dynamics of Se compounds as demonstrated for other elements. However, the investigation of Se isotopic signatures in biological matrices is scarce and restricted to a few samples such as bacteria, algae, plants, and fish. The difficulty associated with precise Se stable isotopes measurement in biological samples of animal origin, claims for the development of advanced analytical approaches. This doctoral thesis aims to provide insights into Se-compounds fate and isotope dynamics in aquatic organisms using novel developed different analytical strategies.In order to assess the fate of dietary Se and its effect on methylmercury (MeHg) bioaccumulation, a feeding experiment of aquaculture model fish (rainbow trout, Oncorhynchus mykiss) under controlled conditions was performed. Animals were exposed for 6 months to different diets supplemented with single or multiple MeHg and Se species (a total of 12 different dietary conditions). Bioaccumulation trends in key internal organs of rainbow trout evidenced the impact of dietary Se species on regulation, with selenite and selenomethionine showing major effects in liver and muscle Hg bioaccumulation respectively, and tuna byproducts induced lower Hg content compared to plant-based diets. This work reveals reduced MeHg bioaccumulation on the flesh of the model aquaculture species investigated and raises the question about the role of selenoneine in Hg bioaccumulation, reported in tuna tissues, which would explain such a singular trend. Selenoneine has recently raised considerable interest in the fields of nutrition and environmental research. A method based on the online coupling of liquid chromatography, ultraviolet radiation, thermal treatment, hydride generation, and atomic fluorescence spectrometry (HPLC-UV-TT-HG-AFS) has been developed. It was validated for the quantitative determination of selenoneine by external calibration and its separation from commonly found organic Se species in biological matrices. This analytical approach allowed a cost-effective and fast analysis of selenoneine. A methodology, based on hydride generation coupled to inductively coupled plasma multicollector mass spectrometry (HG-MC-ICP-MS), was developed for the precise measurement of Se isotopic signature in a set of internal organs of giant petrels (Macronectes giganteus) including bulk tissues, selenoneine, and Se nanoparticles (NPs) extracts. This study represents the first report of Se and Se species-specific isotopic composition in seabirds. Analysis of the results showed that the brain Se isotopic signature directly reflected the accumulation of selenoneine. While the biomineralization of HgSe NPs in the liver could induce an enrichment of heavier Se isotopes with the age of seabirds. The pilot study on Se species-specific isotopic composition provides completely new insight on the understanding of Se metabolisms in living organisms and opens new perspectives for future research in chemistry, biology, and ecology. Overall, the results obtained on Se bioaccumulation, speciation, and isotopic composition in model aquatic organisms set the bases for future developments in speciation and isotopic measurements and provide valuable insights on Se-compounds fate and organotropism in biota.