Bioaccumulation des métaux dans les biofilms de rivière

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