De l'exposition aux eets

La toxicité d'un métal pour les organismes dépend de sa disponibilité environnementale et de sa bioaccumulation (gure 2.6). Plus précisément, les eets toxiques d'un métal sur un organisme sont liés à sa spéciation, sa concentration dans les diérents compartiments abiotiques (partition solide-liquide), sa prise en charge, son internalisation, son transport et sa distribution interne ainsi que son interaction avec les biomolécules [35, 60, 34]. L'ensemble de ces facteurs sont liés à la durée d'exposition, les conditions environnementales, la composition des milieux abiotiques et les espèces considérées.

2.3.2.1 Spéciation

La spéciation chimique d'un élément est la distinction entre les diérentes formes chimiques possibles (espèces) de cet élément dans un environnement donné [144]. La distribution des métaux entre ces diérentes formes est en équilibre dynamique. La spéciation est la base de la compréhension du devenir des métaux trace dans les milieux aquatiques [144].

Les métaux en solution peuvent être présents sous forme :

 d'ion libre (en réalité, en solution aqueuse, les cations métalliques sont associés à des molécules d'eau qui forment une sphère d'hydratation [34]),

Figure 2.6  Schéma conceptuel pour évaluer les processus de bioaccessibilité et biodisponibilité des métaux dans les systèmes aquatiques (d'après Drexler et al. [60])

◦ des ligands minéraux (HCO−

3, CO2−

3 ,Cl−, SO2−

4 , S2−/HS−,...),

◦ des ligands organiques monomères simples (acides acétique, phénol, acides aminés, acides polycarboxiliques,...) ou polymères complexes (protéines, glucides, acides humiques, acides fulviques, ...),

◦ des ligands synthétiques (EDTA, NTA,...),

◦ à la surface de colloïdes inertes ou vivants (bactéries), ◦ ou des particules en suspension,

 de précipité (hydroxyde ou carbonate).

Le cadmium est un cation B dans la classication des éléments en fonction de leurs propriétés chimiques de coordination. C'est un cation mou, dont les interactions sont en partie de caractère covalent et qui est de préférence lié aux ligands contenant du soufre ou de l'azote d'après Sigg et al. [144]. D'après Campbell et Couillard [34], le cadmium a tendance à rester libre en solution ou à s'associer aux carbonates plutôt qu'aux hydroxydes. Le cadmium s'adsorbe moins que d'autres métaux (Pb, Cu, Cr) aux colloïdes et à la matière organique dans les eaux naturelles [101]. Kottelat [101] trouve 10% de cadmium sous forme colloïdale dans ses expériences.

L'ion libre est plus toxique que les formes complexées ou précipitées [141]. Ceci s'explique par la capacité de l'ion libre à pénétrer l'organisme et à interagir avec les biomolécules. La bioaccumulation et la toxicité sont donc corrélées à la proportion de cadmium sous forme Cd2+. Il est donc important de connaître la concentration en cadmium libre si l'on veut comprendre la toxicité du métal sur les organismes dans les diérents essais.

Facteurs inuençant la spéciation

De nombreux facteurs peuvent inuencer la spéciation chimique du cadmium en solution aqueuse tels que la température, la pression et la composition de l'eau [125].

La présence de ligands dans l'eau pouvant complexer l'ion métallique entraîne une diminution directe de la concentration en ion libre et donc une diminution de la toxicité du cadmium. Une augmentation de l'alcalinité ou la salinité entraîne l'augmentation de la formation de paires d'ions CuCO3 ou CdCl+ et CdCl2aq moins toxiques que l'ion libre Cd2+. De nombreux auteurs ont montré que la bioaccumulation et la toxicité du cadmium diminuaient en présence de matière organique, notamment de substances humiques [183, 184, 103, 165]. L'inuence sur la bioaccumulation et la toxicité de métaux, de la présence de ligands synthétisés par l'homme comme l'EDTA, fréquem-ment utilisé dans les eaux reconstituées, a égalefréquem-ment été démontrée pour de nombreux organismes, notamment les lentilles d'eau [58] et les daphnies [147].

Les colloïdes, sur lesquels les métaux peuvent s'adsorber participent également à la diminution de la concentration en cadmium libre dans l'eau.

La présence dans l'eau d'ions en compétition pour la formation de complexes (H+, Ca2+, Mg2+) peut également avoir un impact sur la spéciation des métaux et donc leur toxicité. De nombreux auteurs ont en eet montré que la toxicité des métaux augmentait avec la dureté de l'eau [188, 184, 183, 93, 46, 186]. Cette conclusion a été néanmoins remise en cause récemment par les travaux de Markich et al. [114] et Maloney [113].

2.3.2.2 Partition solide-eau

Il est nécessaire de connaître la partition du métal entre l'eau et les solides pour comprendre l'exposition des organismes dans les systèmes aquatiques. Sigg et al. [144] utilisent le terme sorption pour désigner tout processus à l'interface conduisant à un changement de phase (solide-liquide) du soluté ou à la transformation d'une surface de par la présence du soluté ou de son environnement. Les mécanismes de sorption sont (1) l'échange d'ion, (2) la complexation de surface, (3) la précipitation de surface, (4) les processus de sorption liés au caractère hydrophobe de la surface ou du composé considéré, (5) l'absorption (incorporation du soluté dans la matrice solide), (6) la diusion dans la phase solide [144]. Ces mécanismes font intervenir la spéciation du soluté.

Le coecient de partition du métal Kd est le ratio entre la concentration en métal sorbé et la concentration en métal dissous [5]. Le tableau 2.4 donne les coecients de partition du cadmium entre diérents solides et l'eau.

Table 2.4  Coecients de partition Kd du cadmium solide/eau (médiane et intervalle) (d'après [5])

solide sédiment matière en suspension COD

log(Kd) (en

l.kg−1) ^{3.6 (0.5 - 7.3) 4.7 (2.8 - 6.3) 5.2 (3.4 - 5.5)}

2.3.2.3 Durée d'exposition

La réponse des organismes à un contaminant augmente généralement avec la durée d'exposition. Cependant, ces résultats sont plus ou moins marqués suivant les durées, les contaminants [62] et espèces testées [151] ainsi que les paramètres choisis [151]. Pour des expositions à de faibles concen-trations sur de longues périodes, il peut apparaître des eets sous-létaux, qui n'ont pas forcément d'impact sur l'organisme lui même mais qui peuvent en avoir à l'échelle de la population.

2.3.2.4 Sensibilité de l'organisme

Beaucoup d'études ont été réalisées sur la sensibilité des organismes aux contaminants et aux métaux plus particulièrement. Celle-ci dépend de nombreux critères parmi lesquels :

 l'espèce [125, 151, 170],

 le génome (sous-espèce) [11, 14, 10, 119, 149, 63, 12, 9, 82, 131]  l'âge ou le stade de développement initial des organismes [120]  la nourriture ou les éléments nutritifs [185] :

◦ concentration N/P [187] ◦ type de nourriture [17]  l'histoire de vie :

◦ exposition préalable (de l'organisme ou des parents) et acclimatation [26, 39], ◦ nutrition préalable de l'organisme et des parents [68],

◦ consanguinité [73],

◦ changement histoire de vie [145],  le paramètre mesuré [151].

On peut également supposer qu'un meilleur tness contribue à diminuer la sensibilité des organismes à une contamination. Les facteurs abiotiques contrôlent la concentration à l'entrée de l'organisme, mais l'organisme peut aussi mettre en place des stratégies de régulation de la solubilité des métaux en interne.