Graphical modeling of metal bioavailability to earthworm - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Graphical modeling of metal bioavailability to earthworm

Modélisation graphique de la biodisponibilité des métaux pour le ver de terre

Résumé

Soil organisms like earthworms are exposed to trace metals in contaminated soils. Only a fraction of total metal content in the environment can interact with soil organisms and lead to toxicological effects. Risk assessment of contaminated soils needs to measure the extent of this interaction between metals and organisms (i.e. bioavailability). Bioavailability is how- ever a complex process that cannot be measured directly. A three-step definition had been given: 1) environmental availability designates the metal pools in soil that can potentially be uptake by the organism, 2) environmental bioavailability reflects the process of uptake of the contaminant by the organism and 3) toxicological bioavailability indicates the effects of the contaminant on the organism. A number of chemical and biological methods exist to measure each of these steps but none of them was proven to be fully generic in realistic envi- ronmental contexts. In situ, soils are often lowly contaminated by multiple contaminants and the causal relationships between chemical and biological indicators in such conditions have to be established. In this thesis we propose a graphical model (structural equation model: SEM) to address the causal hypotheses implied by the three-step definition of bioavailability. A laboratory exposure experiment was designed to test a SEM of metal bioavailability to earthworm. We chose a target earthworm species, A. caliginosa, commonly found in temper- ate soils. An analysis of literature data was conducted to verify metal bioaccumulation in A. caliginosa was representative of other earthworm species. We further selected a wide panel of soils to explore a realistic gradient of metal exposure. Specific chemical and biological methods were selected to reflect each step of metal bioavailability in the model. Environ- mental availability was assessed by experimental (extractions) and theoretical (modeling) procedures. Metal quantifications in earthworms and in three subcellular compartments were conducted to constitute observed variables of environmental bioavailability. Finally, for toxicological bioavailability, biomarkers reflecting different processes by which metals exert their effects on earthworms were quantified. The strength of the relationships between single observed variables was investigated over the panel of soils. The results showed indicator- and metal-specific relationships and further highlighted the challenges of relating chemical and biological indicators when considering low levels of bioavailability. The conceptual SEM was then confronted to our empirical observations. The results identified sets of chemical and biological indicators verifying the causal assumptions of the three-step definition of bioavail- ability in field-contaminated soils. This study shows the relevance of the SEM approach, that goes beyond the imperfections of single observed variables to reflect complex theoretical en- tities, and represents a powerful and comprehensive framework to investigate bioavailability in realistic environmental context.
Evaluer le risque environnemental que repr ́esente la contamination du sol par des ́el ́ements en trace m ́etalliques est un enjeu important. Lorsque l’on cherche `a faire le lien entre l’exposition aux m ́etaux et ses impacts sur un organisme, il est n ́ecessaire de prendre en compte la biodisponibilit ́e du contaminant plutoˆt que sa teneur totale dans le sol. Cepen- dant, la biodisponibilit ́e est un concept dont il est difficile de rendre compte par une unique mesure chimique ou biologique. Dans la litt ́erature, les indicateurs les plus utilis ́es ne sont en fait pas hi ́erarchis ́es, apparaissent non g ́en ́eriques, et leur analyse peut ˆetre fauss ́ee par des facteurs confondants. La biodisponibilit ́e peut ˆetre d ́ecrite comme un processus a` trois ́etapes : (i) la disponibilit ́e des m ́etaux dans le sol, (ii) leur absorption par l’organisme et (iii) les effets des m ́etaux sur l’organisme. La mod ́elisation graphique (tel que le SEM: mod`ele par ́equations structurelles) repr ́esente un cadre d’analyse pertinent pour tester les hypoth`eses de causalit ́e qui sous-tendent cette d ́efinition et a` terme parvenir a` identifier des jeux d’indicateurs pertinents pour mesurer la biodisponibilit ́e. Dans cette th`ese, un mod`ele SEM d ́ecrivant la biodisponibilit ́e des m ́etaux pour le ver de terre a ́et ́e d ́evelopp ́e. Pour le tester, nous avons r ́ealis ́e une exp ́erience d’exposition de vers de terre en conditions controˆl ́ees. L’esp`ece de ver Aporrectodea caliginosa a ́et ́e choisie car elle est fr ́equemment trouv ́ee dans les sols temp ́er ́es. Nous avons de plus v ́erifi ́e sa repr ́esentativit ́e quant a` la bioaccumulation des m ́etaux en la comparant `a d’autres esp`eces a` partir des donn ́ees de la litt ́erature. Un large panel de sols contamin ́es in situ et non contamin ́es a ́et ́e choisi afin de cr ́eer un gradient d’exposition r ́ealiste aux m ́etaux (Cd, Pb et Zn). La disponibilit ́e des m ́etaux dans le sol a ́et ́e mesur ́ee par des m ́ethodes exp ́erimentales (extractions) et th ́eoriques (mod ́elisation). Les m ́etaux absorb ́es par les animaux ont ́et ́e quantifi ́es apr`es exposition dans les vers entiers et dans trois fractions subcellulaires. Enfin des biomarqueurs de diff ́erents niveaux d’organisation biologique ont permis d’ ́evaluer les effets des m ́etaux sur les vers de terre. Nos r ́esultats montrent que les relations entre indicateurs consid ́er ́es individuellement ́etaient d ́ependantes de l’indicateur et du m ́etal consid ́er ́e. De plus, nous avons montr ́e les difficult ́es qui ́emergent lorsque l’on cherche a` relier indicateurs chimiques et biologiques de biodisponibilit ́e dans des sols mod ́er ́ement contamin ́es par plusieurs m ́etaux. Enfin, le mod`ele SEM a ́et ́e confront ́e aux donn ́ees et a permis d’identifier des jeux d’indicateurs chimiques et biologiques qui v ́erifiaient les hypoth`eses d’une chaˆıne de causalit ́e entre disponibilit ́e, absorp- tion et effets, et ce dans le contexte de sols faiblement contamin ́es in situ. Cette ́etude montre la pertinence de l’approche SEM qui permet d’aller au-del`a de mesures uniques repr ́esentant imparfaitement le concept de biodisponibilit ́e et de fournir un cadre d’analyse synth ́etique pour ́evaluer la biodisponibilit ́e dans un contexte environnemental r ́ealiste.
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  • HAL Id : tel-02796794 , version 1
  • PRODINRA : 273509

Citer

Léa Beaumelle. Graphical modeling of metal bioavailability to earthworm. Life Sciences [q-bio]. ABIES Doctoral School; AgroParisTech, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02796794⟩

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