Bioaccumulation des métaux dans les biofilms de rivière Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea www.irstea.fr J. Faburé, E. Uher, L.C. Fechner Irstea Antony – UR HBAN – Equipe BELCA LES BIOFILMS DE RIVIÈRE Biofilms : communautés complexes de microorganismes dans une matrice d’EPS matériel de choix pour le scientifique : ubiquité, abondance, rôle écologique, réponse rapide aux perturbations environnementales 2 LES BIOFILMS : BIOINDICATEURS DES CONTAMINATIONS URBAINES ? Question : les teneurs en métaux bioaccumulés dans les biofilms reflètent-elles les concentrations biodisponibles? Qu’est-ce que la fraction biodisponible pour un biofilm ? Démarche expérimentale : • Expositions de biofilms au laboratoire • Prélèvements in situ Au préalable, revue biblio et tests d’attaque acide des biofilms avant dosage des métaux accumulés pour déterminer le protocole adéquat 3 PROTOCOLE DE DOSAGE DES MÉTAUX BIOACCUMULÉS DANS LES BIOFILMS Dosage métaux totaux et métaux « intracellulaires » (ou « fraction non échangeable ») après lavage à l’EDTA (cf. protocole de l’EAWAG, publis de Behra et al. 2002, Meylan et al. 2004) • • • • Collecte du biofilm Mise en suspension (eau minérale) Caractérisation de la teneur en MES de la suspension Filtration en conditions « propres » en métaux ~ 20 mL (avec ou sans lavage EDTA) • Attaque acide des filtres avec biofilms : bloc chauffant Digiprep, HNO3/H2O2 (cf. Fechner et al. 2011, ECTX) ; 2 MR pour tester l’efficacité de l’attaque acide • Analyse (SAA ou ICPMS) • Concentrations finales en µg métal/gDW 4 MISE AU POINT DU PROTOCOLE DE DIGESTION AVEC ANALYSE EN AAS ⇒ Choix du protocole HNO3/H2O2 digiprep 5 EVALUATION DE LA QUALITÉ DES DONNÉES ANALYTIQUES HNO3/H2O2 digiprep + ICP-MS CCT 1. Utilisation de 2 matériaux de référence certifié : bryophytes et plancton Avantage : valeur certifiée Inconvénients : matrice pas exactement la même, niveaux ≠ des échanDllons Cr non pris en compte 2. Etude du recouvrement d’un ajout connu de métal • Matrice biofilm • Matrice EDTA (métal extracellulaire) → Complémentarité des méthodes de vérification de la justesse pour évaluer d’où vient le biais 6 BIOFILMS EXPOSÉS AU LABORATOIRE Au laboratoire : expositions de biofilms se développant sur supports artificiels en microcosmes Conditions d’exposition contrôlées Dosage des métaux totaux et intracellulaires en fin d’exposition 7 BIOFILMS EXPOSÉS AU LABORATOIRE 35 30 Total Cd Intracellular Cd 25 20 Fortes corrélations entre niveaux d’exposition et teneurs bioaccumulées 15 10 5 0 control En général forte proportion de métal « intracellulaire » low metal high metal 250 Total Ni 200 Intracellular Ni 150 … sauf fortes concentrations d’expo (pour Zn) ? 100 50 0 control 8000 6000 low metal high metal 8000 Total Zn Total Pb Intracellular Zn 6000 4000 Intracellular Pb 4000 2000 2000 0 control low metal high metal 0 0 1 10 8 100 BIOFILMS EXPOSÉS AU LABORATOIRE Modifications importantes des teneurs bioaccumulées en cas de multiexposition (comparaison expositions mono/bi – métalliques) 1000 20000 15000 800 Total Zn Total Cd Intra Zn 600 Intra Cd 10000 400 5000 200 0 0 témoin Cd Zn Cd + Zn témoin Cd Zn Cd + Zn 9 BIOFILMS PRÉLEVÉS IN SITU Jeux de données terrain obtenus en Seine pour : • étudier le lien entre les niveaux de métaux bioaccumulés dans les biofilms et les concentrations mesurées dans la colonne d’eau (gradient amont/aval de Paris) • identifier d’éventuels paramètres environnementaux influençant la biodisponibilité des métaux vis-à-vis des biofilms o Un premier jeu de données amont/aval de Paris (2009) montre un gradient de contamination des biofilms cohérent avec les niveaux de contamination de l’eau de Seine (Fechner et al. 2012, Env. Poll.) 10 CAMPAGNES DE PRÉLÈVEMENTS EN SEINE Gradient anthropique 3 sites : Marnay (amont), Bougival et Triel (aval) 4 « saisons » : • • • • Campagne 1 « automne 2011 »: 31/08-27/09/11 Campagne 2 « printemps 2012 »: 02/03-03/04/12 Campagne 3 « été 2012 »: 01/06-03/07/12 Campagne 4 « hiver 2012 » : 13/11-18/12/12 N 35 km ~ 4 prélèvements ponctuels d’eau par campagne échantillonneurs passifs et biofilms exposés sur plusieurs semaines (4 à 6 semaines) Triel Marnay 11 RÉSULTATS CAMPAGNES PIREN Totaux Intracellulaires [métaux] dans les biofilms La bioaccumulation augmente avec les niveaux d’exposition (gradient amont/aval) Pas d’influence majeure de paramètres saisonniers (température) Corrélations fortes entre teneurs bioaccumulées et fraction Gradient de contamination métallique totale Cd Co Cu Mn Ni Pb Zn Cd Co Cu Mn Ni Pb Zn [métaux] dans la colonne d’eau totaux dissous DGT-labiles 0,64 0,64 0,69 0,85 0,79 0,78 0,82 0,78 0,65 0,64 0,92 0,80 0,81 0,66 0,58 0,80 0,77 0,89 0,73 0,73 0,64 0,75 0,74 0,59 0,60 0,86 0,85 0,72 12 CONCLUSIONS CAMPAGNES SEINE La fraction particulaire doit être prise en compte pour évaluer la fraction biodisponible pour des biofilms Pas de corrélation avec des paramètres physico-chimiques ou saisonniers (type température) mais peu de données Pas de corrélation entre bioaccumulation et paramètres « grossiers » caractérisant les biofilms (teneur en chlorophylle a, DW, etc.) Besoin de mieux caractériser les communautés pour appréhender les mécanismes de bioaccumulation (influx/efflux de métaux dans les biofilms) 13 RÉSULTATS CAMPAGNE 20 SITES (PROJET BIOMARQUINDIC) Prélèvements de biofilms sur 20 sites répartis dans tout le BV Seine (15j de colonisation, année 2013) Les 20 sites font l’objet d’un suivi pendant 3 ans de différents paramètres biologiques et physicochimiques Analyse des teneurs bioaccumulées et comparaison avec la contamination de l’eau (total/dissous/labile) 14 COMPARAISON TENEURS BIOACCUMULÉES ET TENEURS DANS L’EAU les concentrations dans l’eau (ici Cu total et dissous) reflètent le gradient amont (sites BB et BM) / aval (MB et MM) …avec quelques exceptions : sites 17 et 18 < NQE par exemple 15 COMPARAISON TENEURS BIOACCUMULÉES ET TENEURS DANS L’EAU le « gradient » amont/aval n’est pas retrouvé pour certains sites, les biofilms sont nettement moins (site 20) ou plus contaminés (site 6) que ce à quoi on pouvait s’attendre (avec les valeurs de conta de la colonne d’eau) 16 CORRÉLATIONS ENTRE TENEURS BIOACCUMULÉES ET TENEURS DANS L’EAU Coeff corélation biofilm/eau Cu tot B Cu intra B Cu eau tot 0,63 0,38 Cu eau dis 0,48 0,38 Zn tot B Zn intra B Zn eau tot 0,42 0,16 Zn eau dis 0,34 0,15 Pb tot B Pb intra B Pb eau tot 0,80 0,74 Pb eau dis 0,67 0,67 Ni tot B Ni intra B Ni eau tot 0,17 0,04 Ni eau dis 0,24 0,13 Cd tot B Cd intra B Cd eau tot -0,08 0,07 Cd eau dis -0,04 0,17 même constat pour tous les métaux testés meilleure corrélation pour le plomb 17 PROPORTIONS MÉTAL INTRACELLULAIRE / MÉTAL TOTAL BIOACCUMULÉ % intracellulaire en général élevé mais variable suivant les métaux et les niveaux de contamination « intracellulaire » = non échangeable et pas seulement ce qui est dans les cellules 18 CLASSEMENT DES SITES EN FONCTION DES CONCENTRATIONS CUMULÉES (PB, CD, ZN, CU, NI) 12 10 8 Pb Cd*20 Zn/10 Cu Ni 6 4 2 Site 6 Site 3 Site 4 Site 7 Site 9 Site 2 Site 1 Site 5 Site 17 Site 18 Site 10 Site 8 Site 15 Site 11 Site 20 Site 12 Site 14 Site 16 Site 13 Site 19 0 Contamination cumulée totale biofilm 1 • 2 3 4 5 le classement est semblable au classement réglementaire sauf pour les sites 17 et 18 180 160 140 120 100 Pb Cd*20 Zn/10 Cu Ni 80 60 40 20 0 Site 8 Site 3 Site 20 Site 2 Site 10 Site 1 Site 5 Site 18 Site 17 Site 7 Site 11 Site 6 Site 19 Site 13 Site 14 Site 9 Site 4 Site 15 Site 16 Site 12 Concentration de métaux cumulés 2012 (µg/L) 14 Concentration de métaux cumulée (µg/g poids sec) Contamination cumulées totale (eau) 1 • 2 3 4 5 6 la contamination métallique est différente de celle observée dans l’eau en particulier pour les sites 20 et 4 19 CLASSEMENT DES 20 SITES 14 Eau total Biofilm total Eau dissous Biofilm intracellulaire 13 9 20 8 19 12 16 5 11 17 18 10 Niveau de contamination 1 7 1 2 3 3 4 15 6 4 5 6 20 2 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Résultats du stage à reprendre avec les teneurs mesurées dans la colonne d’eau en 2013 Besoin d’aller plus loin dans la caractérisation des biofilms pour mieux comprendre l’influence de la composition/structure des communautés sur la capacité à bioaccumuler/réguler les teneurs en métaux Intérêt des biofilms (échelle communauté, base chaîne trophique) pour évaluer la fraction biodisponible (complémentarité avec les autres modèles biologiques pas forcément « sensibles » à la fraction particulaire) Caractériser plus finement la fraction « intracellulaire » (ce qui est dans les cellules et ce qui reste adsorbé après lavage à l’EDTA) Caractériser la fraction scotchée à la matrice (via extraction des EPS par exemple) 21