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Évaluation de la toxicité de deux lanthanides (La et Ce) chez les algues vertes unicellulaires à l’aide d’une source organique de phosphore.

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Nguimgou Signing, Bienvenu (2017). Évaluation de la toxicité de deux lanthanides (La et Ce) chez les algues vertes unicellulaires à l’aide d’une source organique de phosphore. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 102 p.

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Résumé

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Les Terres Rares (TR) sont exploitées dans le domaine de la haute technologie, entraînant le rejet de nombreux éléments potentiellement toxiques. Cependant, les effets écotoxicologiques des formes solubles des TR ont été peu étudiés, ce qui constitue un frein à une évaluation adéquate du risque environnemental. Ainsi, le Québec dispose des mines de TR qui devront être exploitées prochainement. Dans cette étude, la spéciation de deux lanthanides (lanthane (La) et cérium (Ce)) a été reliée à leurs effets toxiques. Les phosphates (PO43-) sont des ions essentiels dans les milieux de culture d’algues et ont de fortes affinités avec les lanthanides pouvant entrainer la complexation ou la précipitation du métal d’intérêt. Le projet consistait à tester une nouvelle approche pour mesurer la toxicité de La et Ce chez l’algue verte Chlorella fusca en présence d’une source organique de phosphore. L’exposition était d’une durée de 120 h à pH 5,5. Les concentrations nominales de La et de Ce étaient comprises entre 10 et 70 000 nM. Les concentrations expérimentales ont été mesurées principalement par la technique de spectrométrie d’émission atomique par plasma à couplage inductif (ICP-AES) et la spéciation des métaux dans les milieux d’exposition a été modélisée à l’aide du logiciel MINEQL+ 5.0. La densité cellulaire a été mesurée à tous les 24 h à l’aide d’un compteur de particules. Les résultats démontrent que le -glycérol phosphate (à une concentration initiale de 5×10-6 M) représente une option opportune pour étudier la toxicité de métaux peu solubles en présence de phosphates. Tel qu’anticipé, l’inhibition de la croissance de C. fusca croit avec l’augmentation de l’accumulation de La et de Ce et les CE50 ont été calculées en fonction du rendement final. En absence de tampon, des concentrations efficaces moyennes (CE50) de 570 [190-1050] nM et de 280 [60-630] 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 530 [430-670] nM et 160 [90-250] nM respectivement. Les expériences de toxicité en présence d’acide malique suggèrent que l’ion libre est un indicateur adéquat pour estimer la toxicité. En présence de 10-4 M d’acide malique, une CE50 de 360 [140-780] nM de lanthane a été obtenue en fonction de la concentration totale. Toutefois la distribution des points n’a pas permis d’extraire une valeur basée sur la concentration de La3+ libre. Pour le cérium, ces valeurs étaient de 3900 [2010-6750] nM et 100 [30-200] nM respectivement. Un effet d’hormèse a été observé à des concentrations ≤ 50 nM La en absence d’acide malique et à des concentrations ≤ 500 nM Ce en présence et en absence d’acide malique. Les concentrations environnementales de La et de Ce peuvent se rapprocher des CE50 calculées et la contamination de l’environnement laisse supposer une augmentation des concentrations dans l’eau qui pourraient nuire aux écosystèmes aquatiques dans un proche avenir. Ces résultats démontrent que la nature chimique du milieu d’exposition est d’une importance indéniable lors des tests de toxicité. Ces travaux suggèrent que l'activité de l’ion métal libre en solution reflète la réponse de l’algue au métal. Cette réponse est un paramètre déterminant sur la biodisponibilité et la toxicité des métaux.

Abstract

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The Rare Earth Elements (REEs) are exploited in high-tech applications resulting in the discharge of many toxic elements. However, the ecotoxicological effects of soluble forms of REE have been little studied, which prevents adequate environmental risk assessment. Quebec has REE mines projected to open in the coming years. In this study, the speciation of two lanthanides (lanthanum (La) and cerium (Ce)) was related to their toxic effects. Phosphate (PO43-) is an essential ion in algal culture media and has strong affinities for lanthanides, which may result in the complexation or precipitation of the metal of interest. This project involved testing a new approach to determine toxicity toward a green alga, Chlorella fusca, in the presence of an organic source of phosphorus. Exposure time was 120 hours and the pH was 5.5. Nominal concentrations of La and Ce ranged from 10 to 70,000 nM. Experimental concentrations were measured primarily using the inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) technique and the speciation of the metals in the exposure media was modeled using MINEQL+ 5.0 software. The cell density was measured every 24 h using a particle counter. The results demonstrate that β-glycerol phosphate (at an initial concentration of 5×10-6 M) is an interesting alternative to inorganic phosphate for studying the toxicity of metals of low solubility in the presence of phosphates. As expected, growth inhibition of C. fusca increased with increasing accumulation of La and Ce. The EC50 was calculated based on the final yield. In the absence of buffer, mean effective concentrations (EC50) of 570 [190-1050] nM and 280 [60-630] nM were obtained for lanthanum, depending on whether they were expressed as a function of the total or free-ion concentration, respectively. In the case of cerium, these values were 530 [430-670] nM and 160 [90-250] nM respectively. Toxicological experiments in the presence of malic acid suggest that free ion is an adequate indicator to estimate toxicity. In the presence of 10-4 M malic acid, an EC50 of 360 [140-780] nM of lanthanum was obtained as a function of the total La concentration. However, the data distribution precluded the derivation of an EC50 value based on the free La3+ concentration. For cerium, these values were 3900 [2010-6750] nM and 100 [30-200] nM respectively. For lanthanum and cerium, a hormesis effect was observed at concentrations ≤ 50 nM and at concentrations ≤ 500 nM in the presence and absence of malic acid respectively. Environmental concentrations of La and Ce can be close to the calculated EC50s and future environmental contamination may lead to an increase in water concentrations that could adversely affect aquatic ecosystems in the near future. These results demonstrate that the chemical nature of the exposure medium is of undeniable importance in toxicity tests and suggest that the activity of the free metal ion in solution reflects the response of algae to metal. This response is a key determinant of the bioavailability and toxicity of metals.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Fortin, Claude
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: Chlorella fusca; pH; phosphore organique; lanthane; cérium; ligand; accumulation; toxicité; organic phosphorus; lanthanum; cerium; accumulation, toxicity
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 16 févr. 2018 21:16
Dernière modification: 16 févr. 2018 21:16
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6530

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