Étude de la spéciation et de la biodisponibilité du samarium en présence de matière organique naturelle avec l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii

Abstract

Dans l’optique d’un intérêt technologique croissant pour les éléments de terres rares (ÉTR), il apparaît essentiel d’évaluer leur potentiel impact environnemental. Ainsi, la présente étude porte sur la spéciation et la biodisponibilité de ces éléments métalliques, concepts au cœur desquels se trouve l’ion libre, généralement associé à la biodisponibilité des métaux. Selon les modèles de toxicité actuellement utilisés, la complexation des métaux par des ligands organiques devrait réduire la concentration de l’ion libre et donc, en diminuer la biodisponibilité pour les organismes aquatiques. De récentes études ont toutefois montré des taux d’internalisation supérieurs aux prédictions pour les ÉTR en présence de ligands organiques simples. Ainsi, il semblait nécessaire d’évaluer l’influence de la matière organique naturelle (MON), composée de ligands organiques complexes, sur la spéciation et la biodisponibilité des ÉTR. Dans le cadre de cette étude, le samarium (Sm), un lanthanide de masse molaire intermédiaire, et l’algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii ont été utilisés. La concentration de l’ion libre a été mesurée expérimentalement sur une résine d’échange cationique (IET) en mode dynamique et modélisée par calculs thermodynamiques. Parallèlement, des expériences de bioaccumulation ont permis de mesurer les taux d’internalisation de Sm dans les algues. L’effet de 4 types de MON, d’origine et de composition différentes, a été évalué. Les résultats démontrent clairement que la présence de MON provoque une importante diminution des taux d’internalisation du Sm, les acides humiques semblant responsables d’une plus importante complexation de l’ion libre que les acides fulviques. Les résultats suggèrent également que les concentrations d’ion libre mesurées expérimentalement permettent une meilleure prédiction de l’internalisation du Sm que les concentrations totales ou modélisées avec les constantes d'équilibre existantes, actuellement utilisées dans les calculs thermodynamiques.

As technological interest for rare earth elements (REE) is growing, it is becoming more important to assess their potential environmental impact. Thus, the present study focuses on the speciation and bioavailability of these metallic elements, concepts at the center of which is the free ion, the metal species considered as the best predictor of metal bioavailability. According to the currently used toxicity models, the complexation of metals by organic ligands should reduce the free ion concentration and thus, decrease its bioavailability for aquatic organisms. However, recent studies have shown higher levels of REE internalization than predicted by the models in the presence of simple organic ligands. Thus, it seemed necessary to evaluate the influence of natural organic matter (NOM), composed of complex organic ligands, on the speciation and bioavailability of REE. In this study, samarium (Sm), a lanthanide of intermediate atomic weight, and the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii were used. The free ion concentration was experimentally measured on a cation exchange resin (IET) in dynamic mode and modeled by thermodynamic calculations. Short-term biouptake experiments were used to determine the internalization flux of Sm in algae. The effect of 4 types of NOM, of different origins and composition, was evaluated. The results clearly show that the presence of NOM induces a significant decrease in the internalization fluxes of Sm and that humic acids appear to be responsible for stronger complexation than fulvic acids. The results also suggest that the experimentally measured free ion concentrations allow a better prediction of the Sm internalization than the total or modeled concentrations with the existing equilibrium constants used in thermodynamic calculations.