Analyse microchimique de l'accumulation de métaux dans les coquilles de gastéropodes en tant que biomarqueurs de l'exposition aux métaux dans les eaux douces

Microchemical Analysis Of Metal Accumulation In Gastropod Shells As Biomarkers Of Metal Exposure In Freshwaters

• Auteur / Autrice : Maëva Marimoutou
• Direction : Séverine Le Faucheur, Gilles Bareille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• 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

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cobalt

Effets de la pollution

Gastéropodes

Mots clés libres

Mollusques

Biominéraux

Bioindicateurs

Cobalt

Mésocosmes

Molluscs

Biominerals

Bioindicators

Cobalt

Mesocosms

Résumé

Les gastéropodes possèdent des caractéristiques de bioindicateurs de qualité des eaux. Leurs coquilles accumulent les métaux présents dans leur environnement, tout en restant inertes. Celles-ci pourraient donc servir d'archive biologique de contamination métallique. Néanmoins, la relation entre les concentrations en métaux dans le milieu et la coquille n'est pas toujours évidente. En effet, la coquille est une structure carbonatée dont la cristallisation et la composition varient en fonction des couches, dans lesquelles la concentration en métaux varient. De plus, la régulation des métaux dans les tissus mous pourrait jouer un rôle. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'utilisation de l'accumulation des métaux dans la coquille de Radix balthica comme biomarqueur de l'exposition aux métaux en eau douce. La spectrométrie de masse à plasma inductif par ablation laser femtoseconde (Fs-LA-ICP-MS) et la spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) ont été utilisées pour analyser les métaux et leur environnement moléculaire dans la coquille de gastéropodes exposés aux métaux sur le terrain, et au Co dans des mésocosmes. Les métaux ont été mesurés dans les coquilles totales et les tissus mous par ICP-MS. La distribution du Co a été évaluée dans les tissus mous par LA-ICP-MS et par centrifugation différentielle.La coquille de R. balthica adultes se composent de trois couches : périostracum (~3 μm), prismatique complexe (~150 μm) et nacrée (~10 μm). Le Sr et Ba étaient distribués de manière homogène. Le Cu, Co, Ni, Pb et Zn ont été principalement trouvés dans le périostracum, dont il a été démontré être enrichi en fragments peptidiques et phospholipidiques. Chez les R. balthica prélevées sur des sites soumis à une contamination urbaine, les concentrations de métaux mesurées dans la couche externe de la coquille se sont avérées être un meilleur indicateur de l'exposition au Sr, Ba, Zn et Ni libres que celles mesurées dans de la coquille totale et dans les tissus mous. Cependant, cette approche pourrait avoir des limites dans le cas du Co. En effet, l'accumulation du Co atteignait un plateau lorsque les gastéropodes étaient en phase de reproduction active. En revanche, celle-ci décrivait une corrélation linéaire avec les concentrations de Co libre dans l'eau ambiante dans les gastéropodes collectés en automne. Cette différence pourrait provenir de la régulation du Co dans les tissus mous avec l'implication active du Co dans le métabolisme des gastéropodes en été et l'utilisation de la coquille comme voie de détoxification en automne. Cette hypothèse est basée sur le fait que l'accumulation de métal en fonction du niveau d'exposition dans les tissus mous et la coquille a montré des tendances inverses.Le Co a induit des effets sur la reproduction, avec un retard dans l'éclosion de masse et la diminution du nombre de masse. Le Co était principalement présent dans l'hépatopancréas et le manteau des gastéropodes exposés au Co pendant 28 jours. Il était principalement dans les mitochondries et les granules. Ces granules pourraient être stockés dans le manteau à partir duquel plusieurs processus pourraient se produire, conduisant à l'incorporation des métaux dans les coquilles. En outre, sur la base de l'affinité des métaux avec les composés organiques et de leur présence observée dans le périostracum, un mécanisme possible de transfert des métaux traces vers la coquille pourrait être la liaison des métaux aux composés organiques impliqués dans la formation du périostracum.Cette thèse a apporté de nouvelles connaissances sur l'accumulation des métaux chez les gastéropodes d'eau douce. Le présent travail a mis en évidence l'utilisation de la couche externe de la coquille du gastéropode R. balthica comme biomarqueur de l'exposition aux métaux dans les rivières. Cependant, l'utilisation de la coquille peut être limitée pour le Co, pour lesquels l'accumulation dépend du stade physiologique de l'organisme.

Freshwater gastropods have interesting characteristics as indicator species such as sessile and ubiquitous. Their shells accumulate the chemical elements, such as metals, present in their environment throughout their life, while remaining inert. Shells could therefore serve as bioarchives of metal contamination. Nevertheless, the relationship between metal concentrations in the environment and those measured in shells is not always straightforward. Indeed, shells are carbonate structures whose crystallization and composition vary according to the layers, in which metal accumulation may vary. Moreover, the way molluscs handle metals in soft tissues can also play a role. The aim of the PhD thesis was to evaluate the use of metal accumulation in the shell of Radix balthica as a biomarker of metal exposure in freshwater. Femtosecond-Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (Fs-LA-ICP-MS) and Time-of-Flight secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) were used to examine metals and their molecular environment in the shell of gastropods exposed to metals in the field and to Co in mesocosms for 28 days. Metal concentrations were measured in the whole shells and soft tissues by ICP-MS. Cobalt distribution was examined in the soft tissues using LA-ICP-MS and differential centrifugation. The shell layers of R. balthica adults were found to be composed, from the outer to the inner surface, of a periostracum layer (~3 μm), a complex prismatic aragonitic layer (~150 μm) and a nacreous aragonitic layer (~10 μm). The distribution of metals was studied in these three layers. The Sr and Ba were homogeneously distributed as these elements can probably replace Ca in the shell crystalline structure. Copper, Co, Ni, Pb and Zn were mainly found in the periostracum, which was demonstrated to be enriched in peptide and phospholipid fragments. In the native R. balthica collected in sites under urban contamination, metal concentrations measured in the outer shell layer were found to be a better proxy for free Sr, Ba, Zn and Ni exposure than those measured in the whole shell and soft tissue. However, that approach could have some limitations. Indeed, Co accumulation in the outer shell layer of gastropods exposed to Co was found to depend on the life cycle stage of the gastropods, with Co accumulation reaching a plateau when gastropods were in their active reproductive state. In contrast, Co accumulation in the outer shell layer of gastropods collected in autumn linearly correlated with the free Co concentrations in ambient water. This difference may come from Co handling in the soft tissues with the active involvement of Co in the gastropod metabolism in summer and the use of the shell as detoxifying pathway in autumn. This hypothesis is based on the fact that metal accumulation as a function of exposure level in soft tissue and shell showed inverse trends. Cobalt induced impacts on R. balthica reproduction with a decrease in mass number and a delay in mass hatching. Cobalt was mainly found in the hepatopancreas and the mantle of gastropods exposed to Co for 28 days. At the subcellular level, Co was found mainly in the mitochondria and granules fractions. These granules could be stored into the mantle, from which several processes could occur, leading to metal incorporation into the shells. Furthermore, based on the affinity of metals with organic compounds and their observed presence in the periostracum, a possible mechanism for the transfer of trace metals to the shell could be the binding of metals to the organic compounds involved in periostracum formation. This thesis provided new knowledge on metal accumulation in freshwater gastropods. The present work further highlighted the use of the outer shell layer of the gastropod R. balthica as a biomarker for metal exposure in rivers. However, the use of the shell may be limited for essential metals such as Co, for which accumulation depends on the physiological stage of the organism.