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Toxicité de deux lanthanides (La, Ce) sur l’algue verte Chlorella fusca.

Beaubien, Cédrick (2015). Toxicité de deux lanthanides (La, Ce) sur l’algue verte Chlorella fusca. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 128 p.

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Résumé

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Avec l’augmentation de l’utilisation et de l’exploitation des lanthanides, une augmentation de la concentration environnementale de ces métaux est anticipée. L’exploitation minière de ces éléments convoités dans les écosystèmes nordiques du Canada rend l’évaluation adéquate du risque environnemental de plus en plus pressante. Dans ce travail, la toxicité et l’applicabilité du modèle de l’ion libre pour prédire la toxicité du lanthane et du cérium ont été étudiées ainsi que l’effet protecteur du calcium. L’algue verte unicellulaire Chlorella fusca a été sélectionnée pour réaliser cette étude à l’aide d’exposition chronique d’une durée de 120 h. Le pH du milieu d’exposition utilisé était de 5,5 et les concentrations nominales de La et Ce étaient comprises entre 10 et 100 000 nM. Les concentrations expérimentales ont été mesurées par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la spéciation des métaux dans les milieux d’exposition a été modélisée à l’aide du logiciel MINEQL+. La densité cellulaire a été mesurée à tous les 24 h à l’aide d’un compteur de particules et elle a été utilisée comme paramètre de détermination de la toxicité. Une diminution du rendement final a été observée dans le cas des deux métaux étudiés. En absence de tampon, des concentrations efficaces médianes (CE50) de 490 ± 70 nM et de 430 ± 60 nM de lanthane ont été obtenues, selon que celles-ci soient exprimées en fonction de la concentration totale ou libre, respectivement. Dans le cas du cérium, ces valeurs étaient de 190 ± 70 nM et 170 ± 60 nM respectivement. Pour le cérium, un effet d’hormèse a été observé a des concentrations <500 nM. L’utilisation de plusieurs tampons (acide iminodiacétique, IDA ; acide malique ; acide nitrilotriacétique, NTA) a permis de démontrer que l’ion libre était un bon indicateur de risque de toxicité. En présence de 10-4 M d’acide malique, des CE50 de 3 800 ± 500 nM et de 260 ± 30 nM de lanthane ont été obtenues, selon que celles-ci soient exprimées en fonction de la concentration totale ou libre, respectivement. Pour le cérium, ces valeurs étaient de 6 000 ± 1 000 nM et 270 ± 60 nM respectivement. Ceci démontre que la caractérisation du milieu d’exposition est très importante lors des tests de toxicité. La détermination des concentrations intracellulaires en lanthanides a également permis de démontrer que l’inhibition de la croissance de l’organisme était liée à l’internalisation de ces métaux dans les cellules peu importe le ligand utilisé. Des expériences en présence de différentes concentrations de calcium ont aussi démontré que le calcium induisait un effet protecteur sur l’algue étudiée en réduisant la quantité de lanthanide internalisé dans les cellules.

Abstract

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With the increase in the use and exploitation of lanthanides, an increase in the environmental concentrations of these metals is anticipated. Before authorizing the development of new mines in northern Canadian ecosystems for these valuable elements, environmental regulators must carry out adequate environmental risk assessments. Such assessments require data on the potential toxicity of these elements in the receiving waters downstream from the mines. In the present work, the toxicity of lanthanum and cerium was studied, as well as the protective effect of calcium, and the ability of the free ion activity model to predict the observed toxicity was tested. The unicellular green alga Chlorella fusca was selected for this chronic exposure study, which was extended to a period of 120 h. The pH of the exposure media used was 5.5 and the nominal concentrations of La and Ce were between 10 and 100,000 nM. The experimental concentrations were measured by Inductively Coupled Mass Spectrometry (ICP-MS) and the equilibrium speciation of the metals in the exposure media was modeled using MINEQL+ software. Cell densities were measured every 24 hours using a particle counter and were used to assess the effects of the lanthanides on algal growth. A decrease in the final algal yield was observed in the case of the two studied metals. In the absence of buffer, half maximal effective concentrations (EC50) of 490 ± 70 nM of total lanthanum, 430 ± 60 nM of free lanthanum, 190 ± 70 nM of total cerium and 170 ± 60 nM of free cerium were obtained. In the case of cerium, an hormesis effect was observed at concentrations <500 nM. The utilization of buffers (iminodiacetic acid, IDA; malic acid; nitrilotriacetic acid, NTA) demonstrated that the calculated free ion concentration was a good indicator of toxicity. In the presence of 10-4 M of malic acid, EC50 of 3 800 ± 500 nM of total lanthanum, 260 ± 30 nM of free lanthanum, 6 000 ± 70 nM of total cerium and 270 ± 60 nM of free cerium were obtained. This shows that the characterization of the exposure medium is very important in toxicity testing. The inhibition of algal growth was also correlated with the intracellular lanthanide concentrations, regardless of the ligand used. Increasing the ambient calcium concentration protected the test algae by reducing the amount of lanthanide internalized into the cells.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Fortin, Claude
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Mots-clés libres: algues vertes; Chlorella fusca; écotoxicité; lanthane; cérium; internalisation; calcium; phosphate; ion libre
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mars 2016 21:18
Dernière modification: 29 mars 2016 21:18
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3351

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