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Effets des métaux traces essentiels et du calcium sur l'accumulation et la toxicité du cadmium chez l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii: inclusion des interactions physiologiques algales dans le modèle du ligand biotique.

Lavoie, Michel (2012). Effets des métaux traces essentiels et du calcium sur l'accumulation et la toxicité du cadmium chez l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii: inclusion des interactions physiologiques algales dans le modèle du ligand biotique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 150 p.

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Résumé

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Plusieurs expériences en laboratoire ont conduit à l'élaboration d'un modèle (le modèle du ligand biotique ou MLB) permettant de prédire l'accumulation et la toxicité des métaux traces chez un grand nombre d'espèces aquatiques dont le phytoplancton. Ce modèle stipule que l'accumulation et la toxicité d'un métal sont reliées linéairement à la concentration de métal lié aux sites membranaires physiologiquement actifs. Ces sites représentent les ligands biotiques faisant souvent parti intégrante des systèmes de transport cationiques membranaires. Le MLB prédit que la concentration de métaux liés à ces ligands biotiques varie linéairement en fonction de la concentration de métal libre (M²⁺) en solution à pH et dureté constants. Le MLB prend aussi compte de la compétition entre différents cations (Ca, Mg, protons) et les métaux pour la liaison au ligand biotique, et donc de leur effet protecteur pour l'accumulation et la toxicité des métaux. Le MLB ne tient pas compte des effets, encore peu connus, des métaux essentiels et non essentiels sur la physiologie des organismes et leurs répercussions sur l'accumulation et la toxicité des métaux. Ce projet doctoral visait à tester l'importance de ce dernier point. Les objectifs de recherche de cette thèse étaient donc : 1) de mesurer l'effet des métaux essentiels sur l'accumulation et la toxicité d'un métal non essentiel, le cadmium (Cd) chez l'algue d'eau douce Chlamydomonas reinhardtii; 2) de scruter les mécanismes par lesquels plusieurs de ces métaux essentiels en combinaison avec le Cd exercent leurs effets modulateurs sur l'accumulation et la toxicité du Cd; 3) d'inclure ces effets physiologiques des éléments essentiels et du Cd à l'intérieur du MLB afin de tester l'adéquation entre les prédictions de notre modèle et les mesures d'accumulation et de toxicité du Cd au laboratoire. Pour ce faire, nous avons réalisé des cultures d'algues en lots au laboratoire dans des milieux où la spéciation des métaux est bien connue et contrôlée à l'aide d'un ligand non assimilable, l'acide nitrilotriacétique. Des cultures de C. reinhardtii ont d'abord été pré-acclimatées à différentes concentrations de métaux traces essentiels (fer ou Fe, cobalt ou Co, zinc ou Zn, manganèse ou Mn, cuivre ou Cu) et aussi à une [Cd²⁺] élevée ou faible. Les algues furent par la suite exposées à différentes [Cd²⁺] sur une période de 3 min, 30 min ou 60 h en présence de différentes concentrations de ces métaux traces essentiels et de calcium (Ca). L'accumulation du Cd était mesurée à l'aide d'un radio-traceur, le 109Cd, et la toxicité du Cd était déterminée en dénombrant le rendement cellulaire après 60 h de croissance. Tel que prédit par le MLB, une augmentation d'un facteur 200 de la [Mn²⁺] ou d'un facteur 100 de la [Fe³⁺] n'affectait pas l'accumulation et la toxicité du Cd mesurées après 60 h de croissance de l'algue. Cependant, une augmentation d'un facteur 10 de la [Cu²⁺] augmentait l'accumulation et la toxicité du Cd²⁺ par approximativement un facteur deux tandis qu'une augmentation d'un facteur 100 de la [Zn²⁺] ou de la [Co²⁺] inhibait l'accumulation et la toxicité du Cd²⁺ par plus de 2 fois. De plus, l'augmentation simultanée de l'ensemble des métaux traces essentiels étudiés diminuait d'un facteur 10 à 40 l'accumulation et la toxicité du Cd²⁺. Ces effets des métaux traces essentiels n'étaient pas influencés par la composition du milieu d'acclimatation de l'algue avant l'exposition et devaient donc apparaître à l'intérieur de l'exposition de 60 h. Puisque la concentration intracellulaire de Cd inhibant de 50% la croissance de l'algue ne variait pas significativement pour l'ensemble des traitements et que la croissance des algues n'était pas affectée par les métaux traces (sauf pour le Cu, où son effet synergique sur l'accumulation et la toxicité du Cd était dû à une baisse du taux de croissance de l'algue et donc à une diminution de la biodilution du Cd), cette modulation de la toxicité du Cd²⁺ par les métaux traces était directement reliée à des effets physiologiques des métaux traces sur les mécanismes d'assimilation du Cd²⁺ et non à l'efficacité de la détoxication intracellulaire du Cd. Les mesures des taux d'accumulation du Cd à court terme (3 ou 30 min d'exposition) chez C. reinhardtii ont donc été entreprises afin d'étudier en détails les mécanismes de transport du Cd. Celles-ci ont premièrement montré que le Cd emprunte au moins trois systèmes de transport distincts pour pénétrer dans les cellules algales. Un système de transport de Cd de faible affinité nommé Cd-1 (KCd Cd-1= 104.87±O.06) et deux autres systèmes de plus haute affinité, les systèmes de transport Cd-2 (KCd Cd-2 = 107.60±0.07) et Cd-3 (KCd Cd-3 = 108.80±0.09). Chez des algues acclimatées à une [Zn²⁺] 100 fois plus élevée (10-9 M au lieu de 1O-11 M Zn²⁺), on a pu démontrer une inhibition non compétitive du transport du Cd par le Zn²⁺. En effet, une baisse significative d'environ 30 à 50% des taux d'internalisation maximaux de Cd, Vcd max, via les trois systèmes de transport du Cd, fut observée. Une acclimatation à 7 x 10-9 M Cd²⁺ pendant 60 h augmentait dramatiquement (d’environ un facteur six) le Vcd max -2 comparativement aux algues acclimatées à < 10-12 M Cd²⁺, une rétroaction positive du Cd. Une pré-acclimatation à des [Zn²⁺] et [Co²⁺] élevées (10-9 au lieu de 1O-11 M) inhibait significativement le mécanisme de rétroaction positive du Cd sur le Vcd max -2 de respectivement 4,5 et 2,5 fois. Cela faisait en sorte que les effets protecteurs du Zn²⁺ et du Co²⁺ sur l'accumulation du Cd après 60 h d'exposition étaient en grande partie dus à la modulation du Vcd max -2. Notons aussi qu'une exposition à 10-3 M Ca²⁺ inhibait significativement le Vcd max -2 moyen d'environ 36% comparativement à une exposition à 2 x 10-5 M Ca²⁺, et ce, pour des algues acclimatées à 2 x 10-5 M Ca²⁺. Ce dernier résultat démontre un effet physiologique rapide et subtil du Ca²⁺ autre que la compétition classique prise en compte dans le MLB. Finalement, une acclimatation des algues à une augmentation combinée de l'ensemble des métaux traces étudiés induisait une diminution significative de l'affinité du Cd pour le système de transport Cd²⁺ d'environ un facteur 4, ce qui expliquait l'effet protecteur dramatique (pour des [Cd2²⁺] loin de la saturation du système de transport Cd-2) de l'ensemble des métaux traces en combinaison sur l'accumulation et la toxicité du Cd. Afin de mieux cerner la nature des trois systèmes de transport du Cd, nous avons aussi mesuré l'accumulation du Zn après des expositions à court terme à l'aide d'un radio-traceur, le 65Zn. Les cinétiques d'accumulation du Zn montraient d'étonnantes similitudes avec celles du Cd, soit la présence d'un système de transport du Zn²⁺ de faible affinité (KZn Zn-1= 105.13±0.08), un autre système de plus grande affinité (KZn Zn-2 = 107.43±0.05) ainsi qu'une zone où l'accumulation du Zn est fortement régulée par l'algue correspondant probablement à un troisième système de transport (KZn Zn-3> 109). Les effets d'une pré-acclimatation à différentes [Zn²⁺] et [Cd²⁺] sur les VZn max-2 étaient aussi d'amplitudes similaires à celles démontrés pour les VCd max-2. De plus, les constantes d'affinité du Zn pour les systèmes de transport Cd-l (KZn Cd-l = 104.97±0.06) et Cd-2 (KZn Zn-2 = 106.95±0.1l; exposition de 3 min) étaient similaires respectivement aux KZn Zn-l et KZn Zn-2. Inversement, les constantes d'affinité du Cd pour les systèmes de transport de Zn-l (KCd Zn-l = 105.07±O.06), Zn-2 (KCd Zn-2 = 107.53±0.09; exposition de 3 min) et Zn-3 (KCd Zn-3 = 108.81±0.08) étaient aussi similaires respectivement aux KCd Cd-l, KCd Cd-2, KCd Cd-3. Nos résultats suggèrent fortement que le Zn et le Cd partagent ces systèmes de transport. Les transporteurs Cd-l/Zn-l seraient probablement des systèmes de transport de cations majeurs, vu leur faible affinité pour le Cd et le Zn tandis que les Zn-2/Cd-2 et Zn-3/Cd-3 pourraient être des transporteurs de métaux divalents tels le Zn. Notre modèle du ligand biotique incorporant les effets physiologiques du Ca et des métaux traces essentiels ainsi que la rétroaction positive du Cd sur l'accumulation du Cd permet de prédire adéquatement l'accumulation du Cd à l'état stationnaire chez C. reinhardtii cultivée en présence de différentes concentrations d'éléments essentiels: Le MLB développé dans cette étude représente un pas de plus vers l'élaboration d'un MLB capable de prédire d'une façon robuste l'accumulation et la toxicité des métaux dans un environnement chimique complexe en milieu naturel.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Fortin, Claude
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: métaux traces; calcium; cadmium; toxicité; algue verte; Chlamydomonas reinhardtii; ligand biotique; Ca²⁺, oligoéléments cationiques; effets physiologiques
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 13 janv. 2014 19:13
Dernière modification: 23 nov. 2015 21:09
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1826

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