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Spéciation hépatique et distribution tissulaire et sub-cellulaire du mercure: effets sur la toxicité chez les poissons.

Barst, Benjamin D. (2015). Spéciation hépatique et distribution tissulaire et sub-cellulaire du mercure: effets sur la toxicité chez les poissons. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 166 p.

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Résumé

Le mercure est un contaminant d'intérêt mondial, car il affecte même des environnements éloignés comme l'Alaska et l'extrême-arctique canadien. La consommation de poissons contaminés est la principale source de mercure chez les humains et la faune et cela entraîne des effets négatifs sur la santé. Le mercure est également toxique pour les poissons eux-mêmes. Les poissons sont principalement exposés au mercure, comme le méthylmercure, via leurs régimes alimentaires. Le méthylmercure ingéré traverse la paroi intestinale de manière plus efficace que le mercure inorganique. Suite à son ingestion, il est distribué par la veine porte vers le foie. C’est pour cette raison, que la majorité du mercure dans le foie des poissons devrait être sous la forme de méthylmercure, mais des recherches récentes suggèrent que ce n'est pas toujours le cas. En raison du positionnement stratégique du foie dans le système circulatoire, il joue un rôle important dans la détoxication du mercure avant d'atteindre d'autres tissus du poisson. La première partie de cette thèse décrit une nouvelle méthode afin de déterminer la spéciation du mercure dans les tissus des poissons par un analyseur de mercure direct. Le méthylmercure dans le foie et les muscles des poissons est estimé par la différence des mesures directes du mercure inorganique dans un extrait acide et du mercure total dans les tissus entiers. La méthode a été validée par l’analyse d'une substance de référence certifiée (DOLT-4, le foie d’aiguillat), et la comparaison des résultats obtenus sur les tissus de poissons contaminés naturellement, avec une méthode de spéciation du mercure traditionnelle (chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de fluorescence atomique à vapeur froide). Le rendement du mercure organique de DOLT-4, estimé par différence, est en moyenne 99 ± 5 % de la valeur moyenne certifiée pour le méthylmercure. Dans la majorité des échantillons de foie et dans tous les échantillons de muscles, les estimations de mercure organique à partir de la méthode proposée étaient indiscernables des mesures directes de spéciation de méthylmercure (99 ± 6 %). L’estimation de mercure organique par différence entre le mercure et le mercure inorganique totale était moins précise dans les échantillons de foie comportant des proportions de mercure inorganique élevées (≥90 %). Par la suite, la nouvelle méthode a été utilisée pour déterminer les proportions relatives de méthylmercure dans les foies de plusieurs poissons osseux, représentant des espèces primitives et des plus évoluées. Dans les trois espèces de salmonidés, la majorité du mercure total hépatique était présente sous forme de méthylmercure. Inversement, le barbue de rivière (Ictalurus punctatus) et deux espèces primitives, le lépisostée tacheté (Lepisosteus oculatus) et le poisson-castor (Amia calva), comportaient des proportions élevées de mercure inorganique dans leurs foies. Pour les autres espèces de poissons, le méthylmercure composait environ la moitié du mercure hépatique totale. Chez une espèce de poisson donnée, la spéciation hépatique du mercure observée était similaire sur toute la gamme de concentrations de mercure total mesurées. Les différences entre espèces peuvent être issues de différences alimentaires ou encore de métabolismes différents du mercure pour chaque espèce de poisson. Les agrégats de mélano-macrophages (MA) sont des collections de cellules spécialisées du système immunitaire de poissons. Dans les foies de certaines espèces, les MA augmentent en taille et en nombre en fonction de l'exposition aux contaminants, et peuvent être impliqués dans le métabolisme et le stockage du mercure. Afin d'élucider la relation entre les MA et l'exposition aux métaux, nous avons échantillonné des sébastes aux yeux jaunes (Sebastes ruberrimus), une espèce à vie longue qui vit en milieu côtier; l’échantillonnage a eu lieu à l‘est et à l’ouest de l'île Prince of Wales, en Alaska. Les concentrations en métaux (c.-à-d., le méthylmercure, le mercure inorganique, le sélénium, le nickel, le cadmium, le cuivre, le zinc) dans le foie, ainsi que leurs corrélations avec la superficie globale des mélano-macrophages, ont été déterminées. Des sections de tissu hépatique ont été analysées par spectrométrie de masse à plasma induit couplée à l’ablation laser afin de déterminer la répartition des métaux entre les hépatocytes et les MA. La concentration de mercure inorganique dans tout le tissu était le meilleur facteur prédictif de la superficie globale des mélanomacrophages dans le foie et la rate des sébastes aux yeux jaunes. Comparativement aux hépatocytes, les mélano-macrophages comportaient des concentrations relativement plus élevées pour la plupart des métaux mesurés. Cependant, tous les métaux n’ont pas été accumulés de la même manière dans les macrophages, comme indiqué par les différences de proportions de métaux dans les macrophages par rapport aux hépatocytes. Les données d'ablation laser ont été corroborées avec les résultats d’imagerie obtenus par la spectrométrie de fluorescence X sur d'une section du foie d’un sébaste aux yeux jaunes, ces mesures ayant été obtenues sur le synchrotron canadien à Saskatoon. De plus, des ombles chevaliers (Salvelinus alpinus) ont été échantillonnés dans quatre lacs (c.-à-d., Small, 9-Mile, North, et Amituk) couvrant un gradient de contamination au mercure. De la même manière que pour les sébastes aux yeux jaunes, leurs foies ont été examinés afin de déterminer la relation entre les MA et le mercure hépatique. Les MA des quatres populations d’ombles chevaliers étaient plus petits et moins bien définis que ceux des sébastes aux yeux jaunes et n’étaient pas corrélés avec les concentrations de mercure. En revanche, les MA dans le foie de l'omble chevalier peuvent augmenter en nombre en présence de niveaux élevés de fer. Les ombles chevaliers du lac Amituk, qui comportaient les niveaux de fer les plus bas et les concentrations de mercure les plus élevées, possédaient moins de MA et significativement plus d’occurrence de fibrose du foie. Une procédure a été utilisée pour déterminer la répartition sub-cellulaire des métaux entre les fractions potentiellement sensibles et les fractions détoxiquées, chez les foies des ombles chevaliers des lacs Small et Amituk. Au niveau sub-cellulaire, le mercure a été trouvé principalement dans les fractions potentiellement sensibles, ce qui indique que les ombles chevaliers ne détoxiquent pas efficacement ce métal. Enfin, les indices généraux de santé (facteur de condition, l'indice hépatosomatique l'indice gonadosomatique) ont été calculés. Pour les sébastes aux yeux jaunes, les augmentations du facteur de condition et de l'indice hépatosomatique étaient probablement le résultat d’une augmentation de la disponibilité alimentaire. Pour l'omble chevalier, les concentrations de mercure étaient positivement corrélées avec l'indice hépatosomatique, qui était probablement un reflet de l'écologie alimentaire de l'omble. L’alimentation au niveau trophique supérieur conduit à de plus grandes réserves de lipides, mais aussi à une plus grande exposition au mercure. Le facteur de condition et l'indice gonadosomatique n’étaient pas liés aux concentrations de mercure chez l'omble chevalier. En conclusion, selon les indices de santé communs utilisés dans cette étude, le mercure ne semble pas affecter négativement la santé générale des sébastes aux yeux jaunes et de l’omble chevalier.

Abstract

Mercury is a contaminant of global concern as it affects even remote environments such as Alaska and the Canadian High Arctic. Consumption of contaminated fish is the principal source of mercury in humans and wildlife and results in negative health effects. Mercury is also toxic to the fish themselves. Fish are primarily exposed to mercury, as methylmercury, through their diets. Ingested methylmercury crosses the intestinal wall much more efficiently than inorganic mercury, and is circulated via the portal vein to the liver. Therefore, the majority of mercury in fish liver should be methylmercury, however recent research suggests that this is not always the case. Due to the liver’s strategic positioning within the circulatory system it plays an important role in the detoxification of mercury before it reaches other fish tissues. The first part of this research describes a novel method to determine mercury speciation in fish tissue using a direct mercury analyzer. Methylmercury in fish liver and muscle is estimated by difference from direct measurements of inorganic mercury in an acid extract and total mercury in whole tissue. The method was validated by analysis of a certified reference material (DOLT-4 dogfish liver) and naturally contaminated fish tissues with comparison to an established mercury speciation method (gas chromatography cold vapor atomic fluorescence spectrometry). Recovery of organic mercury from DOLT-4, estimated by difference, averaged 99 ± 5% of the mean certified value for methylmercury. In the majority of liver samples and all muscle samples, estimates of organic mercury from the proposed method were indiscernible from direct speciation measurements of methylmercury (99 ± 6%). Estimation of organic mercury by difference between total mercury and inorganic mercury was less accurate in liver samples with high percent inorganic mercury (90%). The outlined method was then used to determine the relative proportions of methylmercury in the livers of several bony fish, representing both primitive and more evolved species. In the three salmonid species, the majority of hepatic total mercury was present as methylmercury. Conversely, channel catfish (Ictalurus punctatus) and the more primitive spotted gar (Lepisosteus oculatus) and bowfin (Amia calva) had elevated proportions of inorganic mercury in their livers. In the remaining species of fish, methylmercury made up approximately half of the total hepatic mercury. These trends in hepatic mercury speciation are similar over a range of total mercury concentrations and may be due to differences in diet or how mercury is metabolized. Melano-macrophage aggregates (MA), collections of specialized cells of the innate immune system of fish. In the livers of some species, MA increase in size and number as a result of contaminant exposure, and may be involved in mercury metabolism and storage. In order to elucidate further the relationship between macrophage aggregates and metals exposure, we sampled yelloweye rockfish (Sebastes ruberrimus), a long-lived species, from the east and west coasts of Prince of Wales Island, Alaska. Metal concentrations in livers (methylmercury, inorganic mercury, selenium, nickel, cadmium, copper, zinc) were determined as well as their correlations with melano-macrophage aggregate area. Sections of liver tissue were analyzed by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry to determine how metals were spatially distributed between hepatocytes and macrophage aggregates. The concentration of inorganic Hg in whole tissue was the best predictor of macrophage area in yelloweye livers and spleens. Macrophage aggregates had higher relative concentrations of most metals compared to the surrounding hepatocytes. However, not all metals were accumulated to the same degree as evidenced by differences in the ratios of metals in macrophages compared to hepatocytes. Laser ablation data were corroborated with the results of Xray synchrotron fluorescence imaging of a yelloweye liver section. Landlocked Arctic char (Salvelinus alpinus) were sampled from four lakes (Small, 9- Mile, North, and Amituk) spanning a gradient of mercury contamination and, similar to yelloweye rockfish, their livers were examined to determine how melano-macrophage aggregates were related to hepatic mercury. The melano-macrophage aggregates of Arctic char were smaller and less well defined than those of yelloweye rockfish and were not correlated with mercury concentrations when including fish from all four char populations. Rather, melano-macrophage aggregates in the livers of Arctic char may increase in number as a result of elevated levels of iron. Amituk Lake char, which had the lowest iron and highest mercury concentrations, had relatively few melanomacrophage aggregates and significantly greater numbers of char with liver fibrosis. A sub-cellular partitioning procedure was employed to determine how metals were distributed between potentially sensitive and detoxified compartments of Arctic char livers from Small Lake and Amituk Lake. At the sub-cellular level mercury was found mainly in potentially sensitive fractions of both Small and Amituk Lake char, indicating that Arctic char are not effectively detoxifying this metal. Finally, common health indices (condition factor, hepatosomatic index, gonadosomatic index) were calculated. For yelloweye, increased condition factor and hepatosomatic index were likely a result of food availability. For Arctic char, concentrations of mercury were positively correlated with the hepatosomatic index, which was most likely a reflection of the feeding ecology of char; feeding at a higher trophic position results in greater lipid reserves, but also a greater exposure to mercury. The condition factor and gonadosomatic index were not related to mercury concentrations in Arctic char. In conclusion, mercury does not appear to be negatively affecting the general health of yelloweye rockfish and Arctic char, based on the common health indices employed in this study.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Drevnick, Paul
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Mots-clés libres: mercure; poisson; spéciation hépatique; toxicité; écotoxicologie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2016 18:35
Dernière modification: 11 févr. 2016 18:35
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3297

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