Determination of the soil parameters that influence the metal bioavailability and accumulation for the snails (Cantareus aspersus)
DETERMINATION DES FACTEURS DU SOL MODULANT LA BIODISPONIBILITE ET L'ACCUMULATION DES METAUX POUR L'ESCARGOT (Cantareus aspersus)
Résumé
Current environmental risk assessment (ERA) related to the soil contamination by metal consider neither the physico-chemical properties of soil nor the biological mechanisms that modulate metal bioavailability. The aim of this thesis is to study the mechanisms that modulate metal bioavailability for the garden snail Cantareus aspersus (= Helix aspersa) a soil invertebrate living at the interface soil-plant-air (saprophagous and phytophagous intermediate link in the food chain). Bioavailability is assessed by the metal accumulation (internal concentration of metals after 28 days of exposure) and assimilation fluxes. The influence of soil characteristics on availability and bioavailability of metal in soil and contribution of the contamination sources (soils/plants) of snails are the studied variables in two exposure protocols:
In situ, on the twelve sites of the ADEME bioindicator 2 program, multivariate equations have identified organic carbon (Corg), oxides (iron and aluminium) and CEC as modulating parameters of accumulation of Cd, Pb, Cr and Zn and assimilation of Cd and Pb. However, soil properties do not influence neither As assimilation and accumulation nor Sb accumulation. These studies highlight the low bioavailability of As and Sb in soil. Total metal concentration and characteristics of soil allow the explanation of 40 to 67% of accumulated metal in snails. The addition of other variable like plant contribution on snails contamination may improve the understanding of metal bioavailability modulation for snails. These results have led to the establishment of internal concentration of reference (CIRef) of snails exposed on uncontaminated site. Determined for As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn, these CIRef, compared to the internal concentration of snails exposed on various contaminated sites have permit the characterization of the variable bioavailability of metals. The proposed methodology of interpretation (SET: Sum of Excess of Transfer) may define environmental management priorities not based on total metal concentration in soil but on a biological risk assessment intregrating the soil properties influence on metal bioavailability to snails.
In laboratory, by using an agricultural field soil manually modified (contamination, pH and organic matter content) we have determined that the main assimilation source of Pb is the soil (90%) whereas the one of Cd is the lettuce (80%). For both meals, a decrease of two-pH-unit increases the lettuce contribution since an increase of organic matter content increases the soil contribution. By using 17 other soil coming from a contaminated site we identified pH, CEC and oxides (iron and aluminium) as modulating parameter of Cd, Pb and Zn bioavailability for snails. For these soils, total soil metal concentration and EDTA extractable fraction are usable to assess respectively Pb and Cd bioavailability for snails. It signifying that metals strongly bound on the solid phase of soil are bioavailable for snails. For Zn, none chemical method alone allows its bioavailability assessment, its assessment can be only done by using total metal concentration and properties of soil (pH and Al and Fe oxides).
These data underline the necessity to take into account the factors and mechanisms that modulate the metal bioavailability for snails to better model accumulation and assimilation of metal by snails. As no unique chemical method to assess metal bioavailability was determined, we recommend the use of biological measures that identify the real metal bioavailability rather than the use of chemical measures.
Les procédures réglementaires actuelles d'évaluation des risques environnementaux (ERE) des sols contaminés par les métaux ne considèrent ni les propriétés physico-chimiques des sols ni les mécanismes biologiques qui conditionnent pourtant la biodisponibilité des contaminants. L’objectif de cette thèse est l’étude des mécanismes modulant la biodisponibilité des métaux pour l’escargot Cantareus aspersus (syn. Helix aspersa), invertébré vivant à l’interface sol-plante-air (maillon intermédiaire, saprophage, phytophage, de chaînes alimentaires). La biodisponibilité est principalement évaluée ici en mesurant l’accumulation (concentrations internes en métaux après 28 jours d’exposition) et les flux d’assimilation. L’influence de paramètres édaphiques sur la disponibilité et la biodisponibilité des métaux des sols et la contribution des sources de contamination (sols/plantes) des escargots constituent les variables étudiées dans deux conditions d'exposition :
In situ, sur les douze sites du programme ADEME Bioindicateurs 2, nous avons identifié grâce aux régressions multivariées que le carbone organique (Corg), les oxydes (de fer et d’aluminium) et la CEC modulent l’accumulation du Cd, du Pb, du Cr et du Zn ainsi que l’assimilation du Cd, du Pb. Par contre, les paramètres des sols n’affectent ni l’accumulation et l’assimilation de l’As, ni l’accumulation du Sb. Ces études révèlent la faible biodisponibilité de l’As et du Sb dans les sols des sites étudiés. La concentration totale et les caractéristiques des sols permettent d’expliquer 40 à 67% de l’accumulation de métaux dans les escargots. L’intégration d’autres compartiments, notamment la végétation, pourrait améliorer la compréhension des variations de biodisponibilité pour les escargots. Ces résultats ont permis de proposer des concentrations internes de références (CIREF) d’escargots exposés sur les sites non contaminés. Déterminées pour As, Cd, Cr, Cu, Pb et Zn, ces CIREF, confrontées aux concentrations internes d’escargots exposés sur des sites diversement contaminés en métaux, ont permis de caractériser la biodisponibilité variable des métaux. La méthode d’interprétation proposée (SET : Somme des Excès de Transfert) peut ainsi aider à définir les priorités de gestion environnementale non plus seulement sur la base des concentrations totales en métal dans le sol mais sur une évaluation biologique des risques intégrant l'influence des propriétés du sol sur la biodisponibilité des métaux pour les escargots.
En laboratoire, à partir d’un sol agricole artificiellement modifié (contamination, pH et taux de matière organique) nous avons déterminé que la source principale d'assimilation du Pb est le sol (90%) tandis que celle du Cd est la laitue (80%). Pour ces 2 métaux, une diminution de deux unités de pH du sol augmente la contribution de la laitue, tandis qu’une augmentation du taux de matière organique du sol augmente la contribution du sol. A l’aide de 17 autres sols issus d’un site contaminé, nous avons observé que le pH, la CEC et les oxydes (Fe et Al) modulent la biodisponibilité du Cd, du Pb et du Zn pour les escargots. Pour ces sols, la concentration totale en métal du sol et la fraction extractible à l’EDTA sont utilisables pour évaluer respectivement la biodisponibilité du Pb et Cd. Les résultats obtenus suggèrent que les escargots ont accès à la fraction des métaux fortement liés à la phase solide du sol. Pour le Zn, aucune méthode chimique seule ne permet d’estimer sa biodisponibilité, cette dernière étant prédite seulement en associant la concentration totale et les caractéristiques du sol (pH et oxydes d’Al et de Fe).
L’ensemble des résultats souligne la nécessité de prendre en compte les facteurs et les mécanismes qui modulent la biodisponibilité des métaux pour modéliser au mieux leur accumulation et leur assimilation par les escargots. Aucune méthode chimique unique d’estimation de la biodisponibilité des métaux n’ayant pu être déterminée, nous préconisons l’utilisation de mesures biologiques qui reflètent mieux la réelle biodisponibilité.