Toxicité, transfert et gestion subcellulaire de l’yttrium (Y) chez trois organismes d’eau douce
Thèse ou mémoire
2018-11 (octroi du grade: 2019-05-08)
Auteur·e·s
Cycle d'études
DoctoratProgramme
Sciences biologiquesMots-clés
- Terres rares
- fractionnement subcellulaire
- écotoxicologie
- eau douce
- transfert trophique
- Rare earth
- Yttrium
- Ecotoxicology
- Bioassays
- Trophic transfer
- Subcellular fractionation
- Daphnia magna
- Chironomus riparius
- Oncorhynchus mykiss
- Health Sciences - Environmental Sciences / Sciences de la santé - Sciences de l’environnement (UMI : 0768)
Résumé·s
Les métaux inclus dans le groupe des éléments de Terres Rares (ETR), ressource
essentielle à l’électrification des transports et à la production d’énergie éolienne, entre autres,
pourraient être exploités au Canada dans un futur proche. Cette exploitation minière, associée
à leur utilisation industrielle croissante, serait susceptible d’entraîner une contamination en
ETR des milieux aquatiques dulcicoles. Il convient donc d’évaluer le danger associé à ces
métaux pour ces écosystèmes. L’yttrium (Y) est parmi les quatre ETR les plus abondants, le
seul faisant parti du groupe dit des ETR lourds. Il est aussi celui dont la toxicité a le moins fait
l’objet d’études à ce jour. Pourtant, de premières études suggèrent des écarts de toxicité
significatifs entre les ETR lourds et les ETR légers. Cette thèse vise par conséquent à évaluer
en laboratoire la toxicité et le transfert trophique de l’Y en relation avec son fractionnement
subcellulaire chez trois organismes dulcicoles : Daphnia magna, Chironomus riparius et
Oncorhynchus mykiss.
L’étude de la distribution intracellulaire des métaux ouvre des voies prometteuses en
écotoxicologie. Cependant, suivant l’organisme considéré et la méthode d’homogénéisation
utilisée, le protocole de fractionnement peut conduire à une séparation erronée des différentes
composantes subcellulaires. Le premier volet de cette thèse vise de ce fait à optimiser, à l’aide
d’essais enzymatiques, le protocole de fractionnement pour nos trois organismes. Quel que
soit le protocole appliqué, des écarts importants ont été observés entre les fractions
véritablement séparées et validées durant nos essais et celles prédites dans la littérature en
absence de vérification. Ce volet de la thèse se conclut sur l’établissement de protocole de
fractionnement adaptée à chacun de nos organismes et sur la recommandation de préférer
l’utilisation de fraction validées aux fractions prédites dans toutes études de fractionnement
subcellulaire des métaux.
La toxicité chronique de l’Y est évaluée dans le deuxième volet de la thèse à travers
des bioessais exposant nos trois organismes à des concentrations sub-létales en Y. Seule
l’espèce benthique, C. riparius, a présenté des signes de toxicité pour des concentrations
d’exposition proches de celles relevées en milieu naturel. Par ailleurs, différentes stratégies de
régulation subcellulaire de l’Y ont été mises en évidence entre chaque organisme. D. magna
ii
par exemple, en accumulant très majoritairement l’Y dans ses fractions détoxiquées, était
capable de bioaccumuler des quantités d’Y par masse de tissu jusqu’à cent fois plus élevées
que les deux autres organismes.
Le troisième volet de la thèse examine le potentiel de transfert trophique de l’Y. Des
expériences d’exposition de O. mykiss soit à des daphnies soit à une eau préalablement
enrichie en Y ont ainsi été réalisées et comparées. Comme prédit à la vue du fractionnement
subcellulaire de cet élément chez D. magna, le transfert trophique de l’Y s’est avéré très faible
durant nos essais. Au niveau des tissus, ce métal se distribuait dans l’ordre suivant chez
O. mykiss : intestin > branchies > foie > muscle. Toutefois, à l’inverse des autres organes,
aucun phénomène de dépuration n’était mesuré dans le foie. Le volet conclut sur l’importance
de cet organe dans l’étude de la toxicité des ETR.
Cette thèse contribue à perfectionner la méthode de fractionnement subcellulaire des
métaux et les interprétations qui lui sont liées. Elle confirme l’intérêt de ce type d’analyse dans
la compréhension des mécanismes liés à la toxicité et au transfert des métaux. Enfin, à travers
l’estimation de seuils de toxicité pour l’Y et de son potentiel de transfert trophique, cette thèse
contribue à l’évaluation du risque induit par l’Y sur les écosystèmes dulcicoles. Metals included in the Rare Earth Elements (REE) group, a key resource in green
energy technologies, may soon be exploited in Canada. This, combined with their increasing
industrial use, could lead to contamination of freshwater ecosystems by these metals. REE risk
assessment is therefore of emerging concern. Yttrium (Y) is the only heavy REE amongst the
four most abundant REE. It is also the one that has been the subject of the least toxicity studies
even though previous studies have shown a higher toxicity for heavy REE than for light REE.
Hence, this thesis aims to evaluate in the laboratory the toxicity and trophic transfer of Y, in
relation to its subcellular fractionation, in three freshwater organisms: Daphnia magna,
Chironomus riparius and Oncorhynchus mykiss.
Analysis of metal subcellular distribution provides promising insights in
ecotoxicology. Nonetheless, depending on the organism and the homogenisation step chosen,
the fractionation protocol may lead to an erroneous separation of the different subcellular
components. Thus, the first part of this thesis optimizes the fractionation protocol for our three
organisms. Regardless of the protocol used, we observed significant gaps between predicted
fractions in literature and fractions validated in our trials. This section concludes with the
establishment of fractionation protocols adapted to each of our organisms and the
recommendation to use validated fractions instead of predicted ones in future subcellular
fractionation studies.
The chronic sublethal toxicity of Y was assessed in the second part of this thesis
through bioassays on our three organisms. C. riparius, the benthic species, was the only one
presenting adverse effects at exposure levels close to those already reported in natural
ecosystems. In addition, we observed different subcellular Y management strategies for each
organism. For instance, D. magna, by accumulating Y mainly in its detoxified fractions, was
able to bioaccumulate up to 100 times more Y than the other two organisms.
The last part of this thesis investigates the trophic transfer potential of Y. Experiments
consisting in the exposure of trouts either to Y-spiked daphnids or Y-spiked water were
performed. As predicted from Y subcellular partitioning in D. magna, Y trophic transfer was
low in our trials. Inside O. mykiss, Y was distributed following this order:
iv
guts > gills > liver > muscle. However, unlike other organs, the liver was the only one for
which no Y-depuration was measured. We concluded on the importance of the liver in REE
toxicity analysis.
This thesis contributes to optimize metal subcellular fractionation method and data
produced by this approach. It shows the importance of understanding the mechanisms behind
metal toxicity and its transfer in the food chain. Finally, by measuring Y toxicity thresholds
and Y trophic transfer potential, this thesis contributes to the risk assessment of Y on
freshwater ecosystems.
Note·s
Cette thèse a été réalisée en collaboration avec l'INRS-ETE et le CEAEQ de Québec.Ce document diffusé sur Papyrus est la propriété exclusive des titulaires des droits d'auteur et est protégé par la Loi sur le droit d'auteur (L.R.C. (1985), ch. C-42). Il peut être utilisé dans le cadre d'une utilisation équitable et non commerciale, à des fins d'étude privée ou de recherche, de critique ou de compte-rendu comme le prévoit la Loi. Pour toute autre utilisation, une autorisation écrite des titulaires des droits d'auteur sera nécessaire.