Approche mécanistique en radioécologie : processus d'accumulation de radionucléides dans les mollusques bivalves

A mechanistic approach to radioecology : radionuclide accumulation processes in bivalve molluscs

• Auteur / Autrice : Romain Stefanelli
• Direction : Christophe Den Auwer, Jean Aupiais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/01/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Yasmine Dechraoui-Bottein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Den Auwer, Jean Aupiais, Marie-Yasmine Dechraoui-Bottein, Dominic Larivière, Gilles Montavon, Melody Maloubier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominic Larivière, Gilles Montavon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioaccumulation

Imagerie

Mytilus

Cobalt

Uranium

Substances radioactives

Spéciation (chimie)

Mots clés libres

Spéciation

Radionucléides

Uranium

Cobalt

Moule

Mytilus galloprovincialis

Imagerie

XAS

SLRT

SIMS

Bioaccumlation

Speciation

Radionuclides

Uranium

Cobalt

Mussel

Mytilus galloprovincialis

Imaging

XAS

SLRT

SIMS

Bioaccumulation

Résumé

Les incidents nucléaires, à l'instar de Fukushima en 2011, soulèvent des préoccupations d'ordre géopolitique, économique et d'acceptation publique. Les océans servent de réceptacle aux pollutions terrestres, notamment aux radionucléides d'origine naturelle (provenant de l'érosion et du ruissellement) et d'origine anthropogénique (issus des essais nucléaires et des rejets nucléaires industriels). La compréhension de la spéciation des radionucléides dans le milieu marin revêt donc une importance capitale pour évaluer leur impact environnemental. Certains organismes marins, notamment les moules, ont la capacité d'accumuler ces radionucléides. L'étude de la spéciation in vivo est fondamentale pour appréhender l'accumulation, la biodisponibilité et la toxicité de ces éléments, ainsi que leur incidence sur l'écosystème marin. Au cours de cette thèse, deux radionucléides ont été examinés : le 60Co, un émetteur gamma provenant de l'activation dans les centrales nucléaires, et l'uranium, un actinide naturellement présent dans le milieu marin, servant de modèle pour les actinides lourds. La glande digestive joue un rôle majeur dans les mécanismes de leurs détoxification chez les mollusques, permettant la mobilisation des métaux et participant aux processus de détoxification. Plusieurs métabolites, notamment les métallothionéines, des protéines de faible poids moléculaire possédant une forte affinité pour les ions métalliques en raison de la présence de groupes thiols, sont impliqués dans ces processus. Le byssus, quant à lui, revêt une grande importance pour les mollusques, leur permettant de s'ancrer sur des supports. Les fils de byssus, principalement composés de collagène, présentent des propriétés adhésives qui suscitent l'intérêt des chercheurs. Des protéines spécifiques, appelées ''protéines du pied de la moule'' (mfp), contiennent une quantité significative de DOPA (l-3,4-dihydroxyphénylalanine), allant jusqu'à 15 % moléculaire, au niveau des fils. La DOPA participe à la complexation d'ions métalliques, tels que le vanadium et le fer, influençant les propriétés mécaniques des fils de byssus. Ce travail a permis de quantifier le cobalt et l'uranium à l'aide de techniques telles que la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la spectrométrie gamma dans les organes, offrant des informations sur leur répartition au sein de différents compartiments subcellulaires. Des outils d'imagerie ont permis de localiser ces métaux à diverses échelles biologiques, tels que les organes par la fluorescence des rayons X (-XRF) et l'émission de rayons X induite par des particules (PIXE) et les cellules par spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS), ont fourni des renseignements sur leur distribution et leur spéciation. La spéciation a été étudiée au moyen de la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et de la spectrofluorimétrie laser à résolution temporelle (SLRT), cette dernière a été utilisé exclusivement pour l'uranium.Cette thèse a permis d'associer quantification, imagerie et spéciation pour mieux comprendre le transfert de l'uranium et du cobalt chez les mollusques bivalves.

Nuclear incidents, such as the one in Fukushima in 2011, raise concerns in terms of geopolitics, economics, and public acceptance. Oceans act as receptacles for terrestrial pollution, including radionuclides of both natural origin (resulting from erosion and runoff) and anthropogenic origin (from nuclear tests and industrial nuclear releases). Therefore, understanding the speciation of radionuclides in the marine environment is of paramount importance to assess their environmental impact. Certain marine organisms, notably mussels, have the ability to accumulate these radionuclides. In vivo speciation studies are fundamental in comprehending the accumulation, bioavailability, and toxicity of these elements and their impact on the marine ecosystem. In the course of this thesis, two radionuclides were examined: 60Co, a gamma emitter originating from activation in nuclear power plants, and uranium, a naturally occurring actinide in the marine environment, serving as a model for heavy actinides. The digestive gland plays a significant role in the detoxification mechanisms in mollusks, allowing for the mobilization of metals and participating in detoxification processes. Several metabolites, including metallothioneins, low-molecular-weight proteins with a strong affinity for metal ions due to the presence of thiol groups, are involved in these processes. The byssus is of great importance to mollusks, enabling them to anchor onto surfaces. Byssal threads, primarily composed of collagen, exhibit adhesive properties that have piqued the interest of researchers. Specific proteins, known as ''mussel foot proteins'' (mfps), contain a significant amount of DOPA (l-3,4-dihydroxyphenylalanine), up to 15% molecular content, in the threads. DOPA plays a role in the complexation of metal ions, such as vanadium and iron, influencing the mechanical properties of byssal threads.This work allowed for the quantification of cobalt and uranium using techniques such as inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and gamma spectrometry in various organs, providing information on their distribution within different subcellular compartments. Imaging tools were used to locate these metals at various biological scales, including organs through X-ray fluorescence (μ-XRF) and particle-induced X-ray emission (PIXE), as well as cells through secondary ion mass spectrometry (SIMS), yielding insights into their distribution and speciation. Speciation was studied using X-ray absorption spectroscopy (XAS), and time-resolved laser-induced spectrofluorimetry (SLRT), the latter being exclusively employed for uranium.This thesis has integrated quantification, imaging, and speciation to gain a better understanding of the transfer of uranium and cobalt in bivalve mollusks.