L'importance relative de l'eau et de la nourriture comme vecteurs d'accumulation du cadmium chez le bivalve d'eau douce Pyganodon grandis.

Cooper, Sophie (2008). L'importance relative de l'eau et de la nourriture comme vecteurs d'accumulation du cadmium chez le bivalve d'eau douce Pyganodon grandis. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 279 p.

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Résumé

La dégradation des écosystèmes aquatiques marins et d’eaux douces par les contaminants, tels que les métaux, est étudiée depuis plusieurs décennies. Dans ce domaine, l’utilisation de mollusques comme biomoniteurs se fait de plus en plus commune. En effet, les mollusques sont utilisés pour évaluer l’étendue et l’impact de la pollution métallique dans une région. Leur durée de vie relativement longue, leur tolérance à des concentrations internes élevées de métaux et leur taux de dépuration lent permettent l’utilisation de mollusques comme biomoniteurs à long terme. Cependant, la très grande majorité des études consacrées à l’accumulation des métaux chez les mollusques se sont portées sur des espèces marines. Quelques efforts récents ont été faits ces dernières années pour ajouter des espèces d’eau douce à la liste de biomoniteurs; un candidat potentiel serait le bivalve Pyganodon grandis. De nombreuses études récentes, qui ont suivi les changements spatiaux et temporaux des concentrations en Cd chez ce bivalve, ont démontré qu’il y a une bonne relation entre les concentrations en Cd chez P. grandis et les concentrations de Cd dans son environnement. Cependant, ces études n’ont pu déterminer par quel(s) vecteur(s), l’eau ou la nourriture, provenait le Cd. Avant que P. grandis ne puisse être pleinement exploité comme biomoniteur, il serait important de savoir si ce mollusque accumule les métaux par ingestion ou via l’eau ambiante (ou par les deux vecteurs). L’objectif global de cette étude était donc de déterminer l’importance relative de l’eau et de la nourriture comme vecteurs d’accumulation de Cd chez le bivalve d’eau douce Pyganodon grandis. Afin d’évaluer l’importance relative de chaque vecteur comme source de Cd, le bivalve devait être exposé à une source de Cd à la fois, c'est-à-dire des expositions séparées au Cd aqueux et alimentaire. Les résultats de ces expériences ont été intégrés dans un modèle de bioaccumulation qui a permis de prédire l’importance de chaque vecteur pour divers scénarios d’exposition. Des spécimens adultes de P. grandis ont été recueillis dans un lac peu contaminé de la région de Rouyn-Noranda et transportés au laboratoire à Québec afin d’établir une culture mère. Dans une première série d’expériences, les bivalves ont été exposés à une gamme de concentrations de Cd dissous (0,1; 0,5; 5 et 20 nM) pour une période de 96 h. Afin de faciliter l’alimentation des animaux, les bivalves ont été enlevés de l’aquarium d’exposition et mis dans une chambre expérimentale, remplie d’eau non contaminée, et nourris avec des algues non contaminées. Les taux de filtration des bivalves ont été mesurés durant ces périodes d’alimentation. Dans des expériences subséquentes, les bivalves ont été nourris d’algues vertes (Pseudokirchneriella subcapitata) contaminées en Cd pendant 4 périodes d’alimentation de 4 h. Après la dernière exposition, les bivalves ont subi une période de dépuration de 8 j. Les taux de filtration des bivalves ont été mesurés durant l’expérience d’alimentation afin de calculer les taux d’ingestion des bivalves et l’efficacité d’assimilation du Cd ingéré. Dans une dernière expérience, la répartition subcellulaire du Cd a été déterminée chez des bivalves exposés au Cd aqueux ou alimentaire dans le but d’observer si l’accumulation du Cd dans les fractions subcellulaires changeait selon la provenance du métal. Nos résultats ont montré que le devenir interne à court terme du Cd chez P. grandis dépend de la provenance du métal. Lorsque le Cd provient de la phase aqueuse, la majorité du Cd s’accumule dans les branchies des bivalves, notamment dans les granules, tandis que lorsque le Cd provient d’une source alimentaire, le Cd se dirige surtout vers la glande digestive où il s’associe à la fraction cytosolique de cet organe. Nos expériences ont aussi démontré que le taux de filtration a une influence significative sur l’accumulation du Cd dans les branchies de P. grandis, les concentrations de Cd branchial étant plus élevées chez les animaux ayant un taux de filtration élevé. D’autres expériences seraient cependant nécessaires afin d’explorer l’influence du taux de filtration sur l’accumulation du Cd chez P. grandis. D’autre part, les expériences avec le Cd alimentaire ont démontré que le taux d’ingestion influait sur l’efficacité d’assimilation du Cd alimentaire, l’efficacité d’assimilation étant plus élevée chez les animaux ayant un taux d’ingestion faible. Les résultats de cette thèse, obtenus dans des conditions de laboratoire, suggèrent que l’eau est la source majeure de Cd chez P. grandis dans son habitat naturel. Cette conclusion aidera dans l’interprétation des variations spatiales et temporelles des concentrations en Cd chez P. grandis, puisque nous pourrons dorénavant présumer que ces variations reflètent des changements qui ont eu lieu dans les concentrations de Cd dissous. Cependant, le modèle de bioaccumulation du Cd utilisé durant cette étude n’a pu prédire de manière satisfaisante la concentration de Cd branchiale mesurée chez les bivalves recueillis de lacs de la région de Rouyn-Noranda, les concentrations prédites étant jusqu’à 10 fois inférieures aux concentrations mesurées. Nos expositions au Cd aqueux et alimentaire menées au laboratoire n’ont pas été conçues pour simuler les conditions du terrain. Par exemple, la concentration en Ca dissous retrouvée dans l’eau synthétique utilisée pour l’exposition des bivalves au Cd aqueux et alimentaire était nettement plus élevée que celles observées dans les lacs de la région de Rouyn-Noranda. Il est possible que ces concentrations élevées en Ca aient diminué l’accumulation du Cd chez P. grandis durant nos expériences. Par ailleurs, les concentrations de Cd calculées pour la glande digestive se conformaient plutôt bien aux valeurs observées, le modèle ayant pu prédire adéquatement la concentration en Cd dans la glande digestive chez les bivalves recueillis dans la majorité des lacs. Nos résultats démontrent aussi le besoin d’autres expériences, portant notamment sur l’influence de la densité algale et du type de nourriture sur l’accumulation du Cd par la voie alimentaire, ainsi que sur les concentrations en Cd retrouvées chez les populations d’algues naturelles.

Contamination of marine and freshwater environments by metals has become a global problem. Several attempts have been made in recent years to use aquatic species as sentinel organisms, as they can reveal spatial and temporal variations in bioavailable metal concentrations and overall water quality. The use of bivalves as sentinels has become common practice as their relative long life-spans, their tolerance of high internal metal concentrations and their slow depuration rates allow them to be used as long-term biomonitors. However, the vast majority of past research on metal accumulation in molluscs has been focused on marine species. There has been some interest in recent years for adding freshwater bivalves to the list of sentinel organisms; one potential candidate is the freshwater bivalve, Pyganodon grandis. Recent spatial and temporal studies have shown a strong relationship between Cd concentrations in P. grandis and Cd concentrations in its environment. However, these studies were unable to determine whether P. grandis accumulated Cd from the dissolved or particulate phase (or both). If this bivalve is to be used as a Cd biomonitor, it is important to complement the field studies with laboratory studies that determine the filtration, ingestion and efflux rates, as well as Cd assimilation efficiencies from water and food, for this organism. The results from these laboratory studies could then be used in a bioaccumulation model to estimate the relative importance of waterborne and dietborne Cd as sources of Cd for this bivalve. The main objective of the present study was thus to determine the relative importance of water and food as sources of cadmium for the freshwater bivalve, Pyganodon grandis. In order to better evaluate cadmium uptake from either food or water, the animals were exposed to one source at a time, meaning separate aqueous and dietary exposures. The results of these experiments were then used in a bioaccumulation model to predict the relative importance of each pathway as a source of Cd for P. grandis. Adult specimens of P. grandis were collected from a lake having low trace-metal concentrations in the mining region of Rouyn-Noranda, and were transported to Quebec City to establish a stock culture in the laboratory. In a first series of experiments, bivalves were exposed to several different concentrations of dissolved Cd (0.1, 0.5, 5.0 and 20 nM) during short-term experiments (96 h). During these experiments, the bivalves were removed from their exposure aquaria and allowed to feed on noncontaminated food in a Cd-free medium for 4 h, during which time bivalve filtration rates were measured; these filtration rates were then used to calculate Cd absorption efficiencies from the inhaled water. In second series of experiments, bivalves were fed Cd-contaminated algae (Pseudokirchneriella subcapitata) during 4 x 4-h feeding periods and allowed to depurate for 8 days follow the exposure to dietary Cd. Bivalve filtration rates were measured during the feeding experiments in order to calculate the bivalve ingestion rates and the assimilation efficiency of ingested Cd. In a third series of experiments, the subcellular partitioning of Cd was determined in bivalves exposed to either aqueous or dietary Cd. The goal was to see whether the subcellular partitioning of Cd in the gills and digestive gland of bivalves differed based on route of uptake. The results from the present study illustrate that the short-term fate of cadmium within P. grandis is dependent on its uptake source. When the bivalve is exposed to aqueous Cd, a large proportion of the accumulated Cd is associated with the gills, notably in the calcium-rich granules. Under these conditions, less Cd accumulates in the digestive gland than in the gills, and most of it accumulates in the cytosolic fraction of the digestive gland cells. In contrast, after exposure to diet-borne Cd, the metal is predominantly associated with the digestive gland, although some of the Cd accumulated by the digestive gland is subsequently transferred to the gills (where it again is largely bound to the granule fraction). Bivalve filtration rates were shown to have a significant influence on Cd accumulation from the dissolved phase as [Cd]gills generally increased as bivalve filtration rates increased. These results illustrate the need to take into account filtration and ventilatory activity in dissolved metal accumulation studies. For the dietary Cd exposure, the assimilation efficiency of Cd in bivalves was inversely related to their ingestion rates; AE values decreased as ingestion rates increased, suggesting that lower ingestion rates allow more complete digestion of the algal food and higher assimilation of the associated Cd. The results from simulations with the bioaccumulation model suggest that water is the major source of Cd for P. grandis. These results should facilitate the interpretation of spatial and temporal variations in Cd concentrations accumulated in the whole body or in individual target organs: it can now be presumed that such changes in accumulated Cd reflect changes in bioavailable waterborne Cd. For a final study, we used field data from earlier studies on Cd accumulation in the gills and digestive gland of native bivalves, collected from lakes in the Rouyn-Noranda region, to test our kinetic bioaccumulation model for Cd in P. grandis. Agreement between the gill Cd concentrations predicted with the model and those observed in native bivalves was poor; the model consistently underestimated Cd accumulation in P. grandis gills, even after food was added as a Cd source. This tendency of the biodynamic model to under-predict gill Cd concentrations in wild specimens of P. grandis may be the result of the relatively high dissolved Ca concentrations that were used during the laboratory experiments. On the other hand, the model successfully predicted Cd concentrations in the digestive gland in many of the lakes, notably for bivalves collected from the moderately and highly contaminated lakes. The results of the present study also highlighted the need for additional studies regarding dietary Cd uptake in P. grandis and how algal density and algal species can influence assimilation efficiencies and Cd uptake from food.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Campbell, Peter G.C.
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Hare, Landis
Mots-clés libres:	eau; nourriture; cadmium; bivalve; eau douce; Pyganodon grandis; algues
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	20 nov. 2012 20:45
Dernière modification:	02 juin 2023 12:26
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/457

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