Pépite | Impact de la pollution de l'air en milieu industriel sur l'accumulation et le transfert foliaire des métaux dans les végétaux
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Texte intégral
(2) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Remerciements Ce travail a été effectué au Laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman (LASIR UMR 8516 CNRS) au sein de l’équipe « Environnement ». Je souhaite tout d’abord remercier Monsieur Guy BUNTINX ainsi que Monsieur Hervé VEZIN, directeurs du LASIR, de m’avoir accueilli au sein de leur laboratoire durant ces trois années et remercie également la région Nord-Pas-de-Calais et l’Institut de Recherche en Environnement Industriel (IRENI) pour avoir financé en partie ce projet. Je tiens à remercier l’ensemble des membres du jury d’avoir accepté de juger mon travail et j’exprime ma profonde gratitude à Madame Camille DUMAT ainsi qu’à Madame Nadine BERNARD de m’avoir fait l’honneur de prendre le temps de se pencher sur la lecture du présent manuscrit. J’exprime une reconnaissance toute particulière à Madame Sophie SOBANSKA, Chargée de Recherche CNRS du LASIR, Monsieur Benjamin HANOUNE, Chargé de Recherche CNRS du PC2A et Monsieur Damien CUNY, Professeur au LSFV, pour avoir accepté de diriger mon travail de thèse, pour leur disponibilité, pour m’avoir transmis leur savoir et pour leur participation à la réalisation de ce manuscrit. Je remercie également Madame Myriam MOREAU, Ingénieur d’Etude responsable du Centre Commun de Mesures Raman du LASIR, pour m’avoir formé sur les différents appareils de Microspectrométrie Raman, pour l’aide qu’elle a su m’apporter et pour sa bonne humeur et nos petits délires musicaux. Je remercie Monsieur Philippe RECOURT, du laboratoire Géosystèmes, grand spécialiste du MEBE, ingénieur mais non moins ingénieux, d’avoir passé des journées entières à observer et cartographier des centaines de particules et de feuilles de végétaux et qui doit maintenant être excédé rien qu’à entendre le mot « chou ». J’adresse également mes remerciements à Monsieur Nicolas NUNS, responsable de la Plateforme Régionale de l’Analyse des Surfaces (UCCS, UMR 8181 CNRS) pour m’avoir initié à la technique ToF-SIMS. Un grand merci à Madame Nadia TOUATI et Madame Karima BEN TAYEBMEZIANE pour les connaissances et le savoir-faire qu’elles ont su m’apporter sur la technique RPE.. 2 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(3) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. J'exprime ensuite ma profonde reconnaissance à Monsieur Sylvain DUMEZ, Ingénieur de Recherche au LSVF et Monsieur Fabien BERNARD, post-doctorant au LSVF, pour leur aide précieuse dans la réalisation des expériences de quantification des gènes et du manuscrit de thèse. Je suis très reconnaissant envers Monsieur Olivier HOMBERT et Monsieur Sébastien GERMAIN pour la réalisation de l’enceinte qui a permis l’exposition des plants à NO 2 et pour le temps qu’ils ont pu me consacrer durant la thèse. Je remercie également les membres du Laboratoire ECOLAB, Annabelle Austruy, Eva Schreck, TianTian Xiong pour avoir participé de près ou de loin à la réalisation de ce travail. Je remercie chaleureusement Monsieur le Professeur Chul-Un RO de l’Université INHA (Incheon, Corée du Sud), sa femme ainsi que l’ensemble de ses étudiants de m’avoir fait découvrir ce joli pays qu'est la Corée du Sud et ses coutumes, ses plats typiques qui me manquent affreusement et la joie des bains coréens ou des bouchons à la montagne. Un grand merci également pour le partage de leurs connaissances de la technique EPMA. Un grand merci à Madame Elzbieta STEFANIAK et Monsieur et Madame Jakub et Dorota NOWACK pour m’avoir initié à l’utilisation du LA-ICP-MS, pour leur générosité et leur accueil en Pologne. Je remercie l’ensemble du personnel du laboratoire et plus particulièrement, JeanPierre Verwaerde dit « grand’zote », l’amiral Pascal Windels, amoulageur et raboteux d'cagettes à ses heures perdues, Matthieu Hureau, mon ami nord-versaillais, Gwendoline Parmentier ou « Gweeny l’oursonne » pour les intimes, Cécilia Falantin dite « la fouine », Samantha Seng, Spiderman dont la véritable identité n’est autre que Julien Dubois, Jérémy Chouchou Gaillard, Perrine Col, Luc Boussekey, Marie-Josée Lloret, Viviane Blotiau, Cyrille Allet, Cécile Willems et Brigitte Layous pour ces trois années passées en leur compagnie. Et je ne pourrai oublier de remercier très sincèrement mes parents qui m’ont permis d’en arriver là et qui m’ont toujours soutenu dans les choix que j’ai effectués. Enfin, je ne remercierai jamais assez la femme qui partage ma vie pour m’avoir supporté durant ces trois années et grandement aidé dans la réalisation de ce manuscrit. Merci également à sa famille pour leurs encouragements tout au long de cette thèse.. 3 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(4) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Table des matières. 4 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(5) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Remerciements ...................................................................................................................... 2 Table des matières ................................................................................................................. 4 Introduction générale ............................................................................................................ 10 Chapitre 1 : Pollution atmosphérique par les métaux : caractérisation des impacts sur la santé et chez les végétaux supérieurs.................................................................................. 25 1.. Pollution atmosphérique par les métaux ................................................................. 26 1.1. Sources des métaux et métalloïdes dans l’environnement et évolution des concentrations dans les particules atmosphériques ........................................... 27 1.2. Surveillance des métaux dans l'atmosphère....................................................... 28 1.3. Impacts de métaux et métalloïdes sur la santé humaine .................................... 30. 2.. Accumulation des métaux dans les végétaux supérieurs ........................................ 36 2.1. Transfert sol-plante ............................................................................................ 36 2.2. Transfert atmosphère-plante .............................................................................. 38. 3.. Toxicité des métaux chez les végétaux supérieurs et mécanismes de défense ...... 54 3.1. Le stress oxydant chez les végétaux supérieurs ................................................ 54 3.2. Peroxydation lipidique ........................................................................................ 55 3.3. Altération de l’activité de photosynthèse............................................................. 57 3.4. Génotoxicité ....................................................................................................... 59. Chapitre 2 : Matériel et méthodes......................................................................................... 94 1.. Méthodes de prélèvement et d’analyse des particules d’origine industrielle ............ 95 1.1. Description du site et prélèvement des retombées atmosphériques ................... 95 1.2. Caractérisation des retombées atmosphériques................................................. 98. 2.. Exposition des végétaux aux particules métalliques et méthodes d’analyses des feuilles contaminées ............................................................................................. 103 2.1. Culture de végétaux ......................................................................................... 104 2.2. Exposition des végétaux aux particules métalliques ......................................... 104 2.3. Méthodologie d’analyses des feuilles de végétaux ........................................... 109. 5 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(6) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 3.. Caractérisation des impacts physiologiques et phytotoxiques induits par la présence de particules métalliques et/ou d’un polluant gazeux dans les feuilles des végétaux ........................................................................................................ 114 3.1. Perturbation de la photosynthèse ..................................................................... 114 3.2. Mise en évidence de la toxicité cellulaire par le Test des comètes ................... 116 3.3. Composition chimique des cires épicuticulaires et calcul des indices lipidiques .......................................................................................................... 118 3.4. Quantification des niveaux d’expression génique ............................................. 120. Chapitre 3 : Caractérisation des retombées atmosphériques issues de l’activité d’une usine de recyclage de batteries au plomb et risques associés............................................ 134 1.. Introduction ........................................................................................................... 142. 2.. Materials and methods ......................................................................................... 143 2.1. Description of particle sampling ........................................................................ 143 2.2. Morphology and elemental content of single particles ...................................... 144 2.3. Molecular composition of single particles ......................................................... 144 2.4. Surface characterization of particles................................................................. 145 2.5. Risk assessment calculation ............................................................................ 146. 3.. Results ................................................................................................................. 147 3.1. Variability in the abundance and size distribution of the particles in ambient air ..................................................................................................................... 147 3.2. Elemental compositions of individual particles .................................................. 149 3.3. Molecular and surface compositions of individual particles ............................... 151. 4.. Discussion ............................................................................................................ 153 4.1. Chemical evolution of particles during the short term period............................. 153 4.2. Risk assessment for human health by inhalation of PM.................................... 155. 5.. Conclusions .......................................................................................................... 156. Chapitre 4 : Compétition entre le transfert racinaire et le transfert foliaire pour l’accumulation des métaux dans les feuilles des végétaux ................................................. 175 1.. Introduction .......................................................................................................... 181. 2.. Materials and methods ......................................................................................... 181. 6 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(7) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 2.1.. Description of the field exposure area and characterization of atmospheric fallouts ........................................................................................................... 181. 2.2.. Plants characteristics and exposure experiments ........................................... 181. 2.3.. Total Pb concentrations in plants leaves ......................................................... 182. 2.4.. Global enrichment factor (GEF) and bioaccumulation factor (BF) .................. 182. 2.5.. Metal concentrations in Pb-rich leaf spots determined by LA-ICP-MS............. 182. 2.6.. Study of Pb speciation in leaves by X-ray absorption spectroscopy (XAS) ..... 182. 2.7.. Identification of Pb-enriched area by SEM-EDX and Raman microspectrometry (RMS) ............................................................................. 183. 3.. Results ................................................................................................................. 183 3.1.. Total Pb concentrations in leaves, global enrichment factors (GEFs), and bioaccumulation factors (BFs) ....................................................................... 183. 4.. 3.2.. Metals concentrations in particle-rich leaf spots determined by LA-ICP-MS .... 183. 3.3.. Pb speciation in leaves determined by XAS .................................................... 184. 3.4.. Pb-enriched area identification by SEM-EDX and RMS characterization ........ 184. Discussion ........................................................................................................... 185 4.1.. Influence of the plant species on metal transfer and accumulation in shoots .. 185. 4.2.. Influence of the uptake pathway on Pb compartmentalization and speciation for each plant species ...................................................................................... 185. 4.3. 5.. Implications for risk assessment ...................................................................... 187. Conclusions and perspectives.............................................................................. 187. Chapitre 5 : Transfert et phytotoxicité de nanoparticules de cuivre dans les feuilles de laitue (Lactuca sativa) et de chou commun (Brassica oleracea) ......................................... 194 1.. Introduction ........................................................................................................... 201. 2.. Materials and methods ......................................................................................... 202 2.1. Experimental conditions and set up .................................................................. 202 2.2. Metal accumulation in plant tissues .................................................................. 202 2.3. Phytotoxicity parameters .................................................................................. 203 2.4. Characterization of particles on contaminated leaves surface .......................... 204 2.5. Cu speciation within lettuce leaves ................................................................... 204. 7 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(8) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 2.6. Statistical analysis ............................................................................................ 205 3.. Results and discussion ......................................................................................... 205 3.1. Foliar Cu uptake and translocation to the roots: kinetic and mechanistic study. 205 3.2. Nano CuO phytotoxicity: effects and mechanisms involved .............................. 207 3.3. Human health consequences of (NP-CuO and vegetables) interactions .......... 209. Chapitre 6 : Rôle des cires épicuticulaires sur l’accumulation, le transfert et la toxicité des métaux dans les feuilles de Brassica oleracea. ............................................................ 228 1.. Etude de l'influence de la concentration en cires épicuticulaires sur l'accumulation. et. le. transfert. de. particules. issues. des. retombées. atmosphériques sur/dans les feuilles des végétaux .............................................. 230 1.1. Exposition des choux en plein champ .............................................................. 230 1.2. Concentrations en métaux dans les feuilles de choux exposées aux retombées atmosphériques .............................................................................. 230 1.3. Localisation des zones riches en métaux et caractérisation des particules en surface des feuilles .......................................................................................... 232 2.. Exposition des choux à des particules modèles en conditions contrôlées et influence de la concentration en cires épicuticulaires sur les impacts phytotoxiques et physiologiques de particules métalliques ................................... 240 2.1. Exposition des choux aux particules modèles et de caractérisation des impacts ............................................................................................................ 240 2.2. Caractérisation de la surface des feuilles avant et après exposition aux particules métalliques et composition chimique des cires épicuticulaires.......... 240 2.3. Localisation des zones riches en métaux et caractérisation des particules sur/dans les feuilles .......................................................................................... 243 2.4. Rôle des cires épicuticulaires sur les impacts génotoxiques et l’activité photosynthétique des végétaux ........................................................................ 249. 3.. Conclusions .......................................................................................................... 254. Chapitre 7 : Implication et régulation des gènes chez Brassica oleracea exposés à un stress métallique foliaire ..................................................................................................... 262 1.. Implication et régulation des gènes dans les feuilles de Brassica oleracea exposées à un stress métallique ........................................................................... 265. 8 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(9) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 1.1. Changement dans les niveaux d’expression des gènes impliqués dans le processus de photosynthèse ............................................................................ 266 1.2. Changement dans les niveaux d’expression des gènes impliqués dans le développement végétal .................................................................................... 269 1.3. Changement dans les niveaux d’expression des gènes impliqués dans la tolérance au stress oxydant.............................................................................. 272 1.4. Changement dans les niveaux d’expression des gènes impliqués dans l’assimilation des éléments nutritifs non métalliques ......................................... 273 1.5. Changement dans les niveaux d’expression des gènes impliqués dans la régulation, le transport et la détoxication des métaux essentiels ou non .......... 275 2.. Conclusions .......................................................................................................... 278. Chapitre 8 : Influence de NO2 sur l’accumulation et le transfert des particules métalliques dans les feuilles des végétaux supérieurs .......................................................................... 289 1.. Localisation et caractérisation des particules sur les feuilles des végétaux ........... 293. 2.. Morphologie et composition chimique des cires épicuticulaires............................. 297. 3.. Impacts de NO2 et de l’effet conjoint de PbSO4 et NO2 ......................................... 301 3.1. Activité photosynthétique ................................................................................. 302 3.2. Génotoxicité induite par la présence simultanée de PbSO4 et de NO2 ............. 304 3.3. Composition lipidique des cires ........................................................................ 305. 4.. Conclusions .......................................................................................................... 306. Discussion générale .......................................................................................................... 312 Conclusions et perspectives ............................................................................................... 327 Annexes ............................................................................................................................. 337 Valorisation de la thèse……………………………………………………………………………387. 9 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(10) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Introduction générale. 10 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(11) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Dans les pays industrialisés, les émissions atmosphériques de particules (PM) issues des activités industrielles ont largement diminué notamment du fait de l’évolution de la réglementation et de la fermeture de certains sites. Cependant, malgré les mesures de restriction sur les quantités de particules émises, une augmentation de la fréquence de certaines maladies (respiratoires) et de la mortalité due aux épisodes de particules fines en milieu urbain est constatée (Atkinson et al., 2010 ; Dockery, 2001 ; Dockery et Pope, 1994 ; Institut de veille sanitaire, 2008 ; Pope et al., 2004). Des études récemment effectuées dans des milieux urbains influencés par les activités industrielles de proximité (< 10 km) mettent en évidence un dépassement régulier des valeurs réglementaires de concentrations en particules fines (PM < 2,5 µm) émises (50 µg/m3) (Hieu et Lee, 2010 ; Mbengue et al., 2014 ; Vecchi et al., 2008), en lien avec des systèmes de collectes de particules fines (filtrations) peu efficaces (Riffault et al., 2015). De plus, pour certains pays industrialisés (Chine, Inde, Pakistan…) qui possèdent une activité industrielle intensive, les quantités de particules sont très élevées (Lu et al., 2013 et 2014 ; Qin et al., 2015 ; Xu et al., 2015) (> 100 µg/m3) et bien que la réglementation sur la qualité de l’air se renforce progressivement, elle permet actuellement des niveaux de PM émis dans l’environnement relativement élevés (WHO, 2013). Les particules provenant d’émissions industrielles sont susceptibles d’être riches en métaux ou métalloïdes (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, …) (Batonneau et al., 2006 ; Galsomiès, 2006 ; Johnson et al., 2007 ; Moffet et al., 2010 ; Sobanska et al., 2014 ; Uzu et al., 2011a et références incluses). Par exemple, les particules contenant du plomb, du zinc et du cadmium sont principalement générées par les fonderies (Batonneau et al., 2006) et le recyclage de matériaux tels que les batteries au plomb (Uzu et al., 2011a). La production et le recyclage de nouveaux matériaux contenant des métaux (ou métalloïdes) est également en progression (Ghosh et al., 2015 ; Guo et al., 2009 ; Johnson et al., 2007) et sont donc une source potentielle de particules fines contenant des métaux (ou métalloïdes) (Galsomiès, 2006). Certains de ces métaux ou métalloïdes (Cd, Pb, Ni, As, Hg) sont classés « Substance of Very High Concern » (réglementation REACH) et font donc l’objet d’une surveillance dans le cadre des réglementations européennes de la surveillance de la qualité de l’air (96/62/CEE ; 99/30/CE ; 2003/0164/COD). Néanmoins, les concentrations en métaux (ou métalloïdes) dépassent, parfois, les seuils fixés par les réglementations (par exemple, une valeur limite de 0,5 µg/m3 en moyenne annuelle est fixée pour Pb (Bu-Olayan et Thomas, 2009 ; Harrison and Yin, 2010 ; Lim et al., 2010 ; Mohiuddin et al., 2014 ; Moreno et al., 2010 ; Zhang et al., 2005). Plusieurs études récentes montrent que les métaux (ou métalloïdes) sont majoritairement concentrés 11 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(12) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. dans les particules de fractions granulométriques les plus fines (Harrison et Yin, 2010 ; Riffault et al., 2015 et références incluses), voire nanométriques (Midander et al., 2012 ; Pöschl, 2008 ; Riffault et al., 2015 et références incluses ; Taiwo et al., 2014). Par exemple, Fernandez-Espinosa et al. (2001) mettent en avant, dans un contexte de pollution atmosphérique urbaine sous l'influence d'émissions industrielles et du trafic, que les quantités en Cd, Ni, Pb et V représentaient environ 70% de la masse totale prélevée de particules. Ces métaux (ou métalloïdes) sont principalement contenus dans les fractions submicroniques (< 0,61 µm). La présence des métaux (ou métalloïdes) dans les retombées de particules fines et très fines représente un risque (éco)toxique significatif (Braakhuis et al., 2014 et références incluses ; Buonnano et al., 2013 ; Goix et al., 2014 ; Riffault et al., 2015 et références incluses ; Uzu et al., 2011b). Les retombées de particules riches en métaux (ou métalloïdes) peuvent entrainer une contamination des sols (Donisa et al., 2000), des eaux de surface (Sanyal et al., 2015) mais également des végétaux (Bermudez et al., 2011 ; Bu-Olayan et Thomas, 2009 ; Liu et al., 2010 ; Nowack et Bucheli, 2007 ; Sarret et al., 2013 ; Uzu et al., 2009, 2010). Pour l’Homme, outre le risque sanitaire induit par l’inhalation des particules, la consommation de végétaux contaminés (Douay et al., 2008 ; Dumat et al., 2006 ; Xiong et al., 2014 ; Xu et al., 2013) et l’ingestion de sols pollués (Hu et al., 2014 ; Laidlaw et Taylor, 2011 ; Laidlaw et al., 2012 ; Landrigan & Todd, 1994, Luo et al., 2012 ; Wei et Yang, 2010) sont les deux voies d’exposition retenues dans le cadre des évaluations des risques sanitaires. Ces dernières décennies, l’étude de la contamination de végétaux par des particules contenant des métaux s’est principalement orientée vers l’étude de l’accumulation des particules dans les plantes via le transfert sol-plante (transfert racinaire) (Kabata-Pendias, 2004 ; Lin et al., 2004 ; Liu et al., 2010 ; Uzu et al., 2010 ; Wang et al., 2006 ; Zheng et al., 2007 ; Zhu et al., 2004) et l'étude de la bioaccessibilité des métaux et métalloïdes dans les végétaux contaminés (Intawongse et Dean, 2006 et 2008 ; Hu et al., 2013 ; Yang et al., 2012). Les mécanismes de transfert des métaux (et métalloïdes) vers les plantes dépendent des caractéristiques physico-chimiques, à la fois, des particules et du sol dans lesquelles elles se retrouvent. Plus récemment, il a été démontré que le compartiment foliaire pouvait être une voie significative d’accumulation des métaux (et métalloïdes) dans les végétaux via un transfert atmosphère-plante (transfert foliaire) (Nowack et Bucheli, 2007). Les teneurs dans les feuilles peuvent atteindre entre 25 et 40% des métaux et métalloïdes totaux mesurés dans la plante (Schreck et al., 2012 ; Uzu et al., 2010). De plus, selon le type de plante et le contexte d’exposition considérés, la voie foliaire peut devenir la voie majoritaire de contamination des végétaux par les métaux (ou métalloïdes) (Hu et al., 2011 ; Sharma et al., 2008, Voutsa et al., 12 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(13) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 1996). Par ailleurs, il a été démontré que l’accumulation des métaux (ou métalloïdes) dans les végétaux induisait des effets phytotoxiques (cytotoxicité, génotoxicité…) et/ou perturbateurs du fonctionnement de la plante (Gichner et al., 2004, 2006 ; Lin et al., 2007 ; Ma et al., 2010 ; Pinho et al., 2012 ; Pirrone et al., 2013 ; Villatoro-Pulido et al., 2013 ; Wodala et al., 2012). Dans le cadre de la réglementation REACH (EC 1907/2006), l’étude du devenir des substances chimiques dans l’environnement et leur impact sur les écosystèmes sont demandées aux industriels et le développement de batteries de tests est requis. Dans cette perspective, des projets de biosurveillance de la qualité de l’air et du sol ont été développés et soutenus, en particulier par l’ADEME (Dispositif BRAMM) et l’Union Européenne (DGXI), afin d’estimer les risques d’exposition des organismes aux polluants, d’identifier les zones géographiques les plus polluées et de comparer dans le temps et dans l’espace les niveaux de pollution (Galsomiès, 2006 ; Gombert et al., 2005). Comprendre les mécanismes en jeu dans les transferts des polluants métalliques issus des PM et leurs transformations dans les divers écosystèmes terrestres est un enjeu scientifique aux applications sociétales et sanitaires (Nowack et Bucheli, 2007). Afin de prédire l’impact et le devenir des particules fines riches en métaux (ou métalloïdes) dans les écosystèmes terrestres, il est nécessaire de connaître les teneurs en métaux (ou métalloïdes) totaux contenus dans les PM mais également la taille et la composition chimique des particules. En effet, ces paramètres sont indispensables à la prédiction de leur disponibilité, de leur accessibilité et in fine de leur toxicité (AFSSET, 2008). En effet, les processus d’accumulation et de transfert des métaux (ou métalloïdes) vers les plantes sont fortement dépendants des caractéristiques physico-chimiques des PM (taille, morphologie, composition élémentaire et moléculaire) (Eichert et al, 2008 ; Ma et al., 2010 ; Shahid et al., 2012, 2014 à titre d’exemple). Des premiers travaux ont été menés au sein du laboratoire LASIR en étroite collaboration avec ECOLAB (UMR 5245, INP Toulouse), afin de mieux cerner le devenir des PM issues d'une usine de recyclage de batteries au plomb et de mieux comprendre les mécanismes de transfert dans le système atmosphère-sol-plante dans le cadre de la thèse de G. Uzu (Thèse Ademe-STCM, 2009). Les travaux menés ont permis de caractériser, d'une part, les PM prélevées dans les ateliers de production et à leur émission. D’autre part, l’influence des caractéristiques physico-chimiques des PM sur leurs bio-transferts (Uzu et al., 2011b) a été démontrée. Enfin, le transfert foliaire du plomb contenu dans les PM a été mis en évidence comme une des voies de contamination des plantes devant être pris en compte 13 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(14) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. (Uzu et al., 2010). Une méthodologie analytique originale a été développée au cours de ces travaux pour déterminer la spéciation localisée du plomb et les mécanismes d’internalisation des PM dans les feuilles des végétaux (Schreck et al., 2012). Toutefois, de nombreuses questions scientifiques ont été soulevées: (i) les données acquises suggèrent plusieurs voies d’entrée des particules dans les feuilles, à travers la cuticule et par les stomates. La question du transfert de ces particules et de leur accumulation reste ouverte. Les mécanismes de transfert chimique ou physique des particules n’ont pas été clairement identifiés. On ne connait ni le devenir des particules accumulées sur ou dans les feuilles, ni l’évolution de la spéciation des métaux (ou métalloïdes) une fois capturés. Existe-t-il des spécificités selon le type de métaux (ou métalloïdes), de sol et/ou le type de végétal ? (ii) Les travaux de Uzu et al. (2010) ont montré la bioaccessibilité du plomb provenant de ces particules. Cependant, quels sont les effets toxiques ou génotoxiques sur les végétaux supérieurs dans le cadre du transfert foliaire ? Diffèrent-ils selon le type de plante ? Le type de métal et la spéciation des métaux (ou métalloïdes) ? Ces paramètres sont des éléments clés pour évaluer l’impact sur les écosystèmes.. L’étude de l’évolution des PM riches en métaux (ou métalloïdes) dans l’atmosphère, avant leur retombée, est primordiale pour mieux comprendre les processus d’accumulation des PM par le système atmosphère-plante et in fine pour évaluer l’impact de la pollution de l’air sur les écosystèmes et la santé humaine. Enfin, les études concernant l’impact des PM métalliques sur les végétaux, et plus particulièrement, les études du transfert foliaire des particules, ne prennent pas en compte les effets des multi-expositions des plantes et notamment l’exposition des plantes aux polluants gazeux, qui peuvent induire un stress à la plante et influencer les processus d’accumulation et de transfert foliaire des PM. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont de : 1) Caractériser les PM métalliques microniques et submicroniques en champ proche d'une usine de recyclage de batterie au plomb afin de déterminer leurs caractéristiques physico-chimiques (taille, morphologie, composition chimique, hétérogénéité) avant leur retombée. Existe-t-il des transformations des particules quand on s'éloigne des sources ?. 14 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(15) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 2) Déterminer les mécanismes d’internalisation des PM vieillies ou non par les parties foliaires des plantes pour le cas de plantes aux comportements contrastés en terme d’accumulation. 3) Evaluer la toxicité (génotoxicité notamment) liée à la présence de particules riches en métaux (ou métalloïdes) sur/dans les feuilles. 4) Etablir la relation entre les caractéristiques physico-chimiques des particules et les transferts et impacts 5) Déterminer l’influence du stress induit par un oxydant gazeux (NO2) sur l’accumulation et le transfert des PM par les parties foliaires des végétaux (effet d’une co-exposition PM-NO2). Les objectifs sont résumés sur le schéma ci-dessous (Figure 1) :. Figure 1. Représentation des objectifs et questions scientifiques abordés pendant la thèse.. La méthodologie utilisée pour caractériser les PM atmosphériques est celle décrite dans la littérature (Sobanska et al., 2014). L’évaluation des risques cancérigènes associés à l’inhalation de ces PM dans les conditions d’expositions réelles a été réalisée en utilisant le modèle développé par l’Agence américaine de protection de l'environnement (US EPA, 2008, 2011). 15 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(16) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Les modèles biologiques utilisés durant ce travail sont la laitue (Lactuca sativa L.), le raygrass (Lollium perenne L .), l’épinard (Spinacia oleracea L.) et le chou (Brassica oleracea var. Prover), espèces végétales aux morphologies foliaires très contrastées. L’étude de l’accumulation des particules riches en métaux (ou métalloïdes) dans les feuilles ainsi que de leur toxicité ont pour visée une approche des risques sanitaires liés à la consommation de légumes feuilles, à la fois par la population et par le bétail. Les expositions des plantes à des particules métalliques ont principalement été réalisées en conditions contrôlées au laboratoire permettent de maîtriser la quantité, la taille et la composition des particules, ainsi que les conditions d’exposition (température, humidité, intensité lumineuse). La méthodologie utilisée pour la caractérisation des particules dans/sur les feuilles a été développée au cours des travaux antérieurs (Uzu et al., 2010). L'évaluation de la toxicité et des risques liés à l’accumulation des particules métalliques sur/dans les feuilles a été effectuée via le suivi de l’activité photosynthétique des végétaux, des tests de génotoxicité et de l’expression génique. Le manuscrit s'articule en 8 parties distinctes. Le premier chapitre consiste en une synthèse bibliographique des connaissances actuelles des impacts sur la santé humaine de la pollution atmosphérique par les métaux (ou métalloïdes), de l'accumulation des métaux (ou métalloïdes) chez les végétaux supérieurs par transfert racinaire et/ou foliaire et de la toxicité des métaux (ou métalloïdes) chez les végétaux supérieurs. Le second chapitre décrit l'ensemble des techniques et modes opératoires mis en œuvre afin de caractériser les retombées de particules atmosphériques issues des activités de l'usine de recyclage de batteries au plomb. Ce chapitre décrit également les méthodes d'analyse utilisées pour l’étude de l’accumulation et du transfert des particules métalliques par voie foliaire. Les protocoles d’études des impacts phytotoxiques des métaux induits par la présence des particules sur/dans les feuilles sont également développés dans ce chapitre. Les résultats et discussions concernant la caractérisation physico-chimique des particules prélevées à distance des sources sont développés dans le chapitre 3. La relation entre la caractérisation et les risques induits par l'inhalation des particules y est discutée. Dans le chapitre 4 nous avons contribué à l’étude de la compétition entre le transfert racinaire et le transfert foliaire par différents végétaux aux caractéristiques morphologiques contrastés. Dans le chapitre 5 nous avons étudié le transfert, l’accumulation de nanoparticules de CuO dans les feuilles de la laitue (Lactuca sativa). Les résultats de l’étude de la spéciation du cuivre sont discutés en regard de la phytotoxicité observée.. 16 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(17) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Le chapitre 6 est dédié à l’étude du transfert foliaire des métaux chez le chou commun (Brassica oleracea). Nous avons étudié le rôle des cires épicuticulaires (cires de surface) sur l’accumulation, le transfert des métaux sur/dans les feuilles et la phytotoxicité des particules. L'étude, chez le chou commun (Brassica oleracea), de la régulation des gènes dans les feuilles suite à une contamination métallique est abordée dans le chapitre 7. La quantification des niveaux d'expression génique y est discutée en fonction de du type de particule métallique et du temps d’exposition considéré. L’effet de la co-exposition des plants de Brassica oleracea, aux particules métalliques d’origine industrielle et aux polluants gazeux (NO2) sur l’accumulation et le transfert des particules dans les feuilles a été étudié dans le chapitre 8. La thèse a été réalisée dans trois laboratoires : le laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman (LASIR – UMR CNRS 8516), le laboratoire de PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère (PC2A – UMR CNRS 8522) de l'Université Lille1 ainsi que le Laboratoire des Sciences Végétales et Fongiques (LSVF) de l'Université Lille2. Certains des travaux ont été menés en collaboration avec le laboratoire d'écologie fonctionnelle (ECOLAB – UMR CNRS 5245) de l'Université Toulouse III, les Départements de Chimie de l'Université catholique Jean-Paul II (Lublin, Pologne) et de Inha University (Incheon, Corée du Sud). Ce projet entre dans le cadre des actions du projet phare du contrat de plan étatrégion IRENI et propose donc une approche multi-axes, en regroupant l’axe 1 « qualité de l’air » et l’axe 2 « impacts sur les écosystèmes et la santé ».. 17 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(18) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Références bibliographiques AFSSET, Juillet 2008. "Nanomatériaux et Sécurité au Travail", http://www.afsset.fr/upload/bibliotheque/258113599692706655310496991596/afssetnanomateriaux-2-avis-rapport-annexes-vdef.pdf Atkinson, R.W., Fuller, G.W., Anderson, H.R., Harrison, R.M., Armstrong, B., 2010. Urban ambient particle metrics and health: A time-series analysis. Epidemiology, 21(4): 501-511. Batonneau, Y., Sobanska, S., Laureyns, J., Brémard, C., 2006. Confocal Microprobe Raman Imaging of Urban Tropospheric Aerosol Particles. Environmental Science and Technology, 40: 1300-1306. Bermudez, G.M., Jasan, R., Pla, R., Pignata, M.L., 2011. Heavy metal and trace element concentrations in wheat grains: assessment of potential non-carcinogenic health hazard through their consumption. Journal of Hazardous Materials, 193: 264-271. Braakhuis, H.M., Park, M.V.D.Z, Gosens, I., De Jong, W.H., Cassee, F.R., 2014. Physicochemical characteristics of nanomaterials that affect pulmonary inflammation. Particle and Fiber Toxicology, 11: 18. Bu-Olayan, A.H., Thomas, B.V., 2009. Translocation and bioaccumulation of trace metals in desert plants of Kuwait governorates. Research Journal of Environmental Sciences, 3(5): 581-587. Buonanno, G., Marks, G.B., Morawska, L., 2013. Health effects of daily airborne particle dose in children: direct association between personal dose and respiratory health effects. Environmental Pollution, 180: 246-250. Dockery, D.W., 2001. Epidemiologic Evidence of Cardiovascular Effets of Particulate Air Pollution. Environmental Health Perspectives, 109: 483-486. Dockery, D.W., Pope, C.A., 1994. Acute Respiratory Effects of Particulate Air Pollution. Annual Review of Public Health, 15(1): 107-132. Donisa, C., Mocanu, R., Steinnes, E., Vasu, E., 2000. Heavy Metal Pollution by Atmospheric Transport in Natural Soils from the Northern Part of Eastern Carpathians. Water, Air and Soil Pollution, 120(3-4): 347-358. Douay, F., Roussel, H., Pruvot, C., Loriette, A., Fourrier, H., 2008. Assessment of a remediation technique using the replacement of contaminated soils in kitchen gardens nearby a former lead smelter in Northern France. Science of The Total Environment, 401: 29-38. Dumat, C., Quenea, K., Bermond, A., Toinen, S., Benedetti, M.F., 2006. Study of the trace metal ion influence on the turnover of soil organic matter in cultivated contaminated soils. Environmental Pollution, 142(3): 521-529.. 18 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
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(25) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. Chapitre 1 : Pollution atmosphérique par les métaux : caractérisation des impacts sur la santé et chez les végétaux supérieurs. 25 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(26) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 1. Pollution atmosphérique par les métaux La pollution atmosphérique se définit, selon la Loi sur l’Air et l’Utilisation Rationnelle de L’Energie (Loi LAURE, 30 décembre 1996), comme étant "l'introduction par l'homme, directement ou indirectement, dans l'atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives excessives". Bien que la présence de particules puisse être d’origine naturelle (émissions volcaniques, feux de forêts, sels marins, plantes produisant des pollens, foudre,…), les activités anthropiques participent activement à l’émission de particules dans l’atmosphère. Les secteurs d’activité majoritairement responsables des émissions polluantes sont (CITEPA / Format SECTEN - avril 2015) : . Transports. . Industrie. . Chauffage des bâtiments. . Agriculture (engrais azotés, pesticides, émissions animales,…). . Incinération des déchets. Les espèces polluantes émises dans l’atmosphère sont très nombreuses et peuvent se trouver sous forme gazeuse ou particulaire. On peut citer par exemple les oxydes de carbones (CO et CO2), les oxydes d’azote (NO, NO2 et N2O) et les composés organiques volatiles (COV) pour les émissions gazeuses. Les particules d’origine anthropique (PM10, PM2.5, PM1…) proviennent d’émissions directes (émissions par les industries, émissions automobiles…) ou bien sont issues des processus de physicochimie atmosphériques (émissions indirectes) conduisant à la formation d’aérosols secondaires (aérosols organiques secondaires, sulfates, nitrates…). La composition des particules atmosphériques est très variée et dépend de la source d’émission, du vieillissement des aérosols, de la zone géographique de prélèvement... (Hu et al., 2015 ; Jorquera et al., 2012 ; Luo et al., 2011 ; Perrone et al., 2010 ; Riffault et al., 2015 et références incluses ; Rodriguez et al., 2004 ; Sanderson et al., 2014 ; Strak et al., 2008 ; Zhou et al., 2014).. 26 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(27) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. 1.1.. Sources des métaux et métalloïdes dans l’environnement et. évolution des concentrations dans les particules atmosphériques Les aérosols présents dans l’atmosphère peuvent contenir des métaux. La plupart des métaux sont des éléments constitutifs de la croûte terrestre, pour la majorité présents à l’état de trace (< 1000 mg.kg-1) (Baize, 1997). A titre exemple, le plomb y est présent en moyenne à hauteur de 16 mg.kg-1 (Baize, 2010). Les éruptions volcaniques (As, Hg, Ni, Zn), feux de forêts (Zn), embruns marins (Hg) et poussières et aérosols transportés par les vents sont les principales sources responsables de la présence naturelle des métaux dans l’atmosphère (Nriagu, 1989). Cependant, leur contribution reste relativement faible comparée à l’apport d’origine anthropique (Sirven, 2007). Les sources anthropiques d’émission de particules riches en métaux sont principalement liées aux activités de métallurgie (extractions minières, aciéries, transformation manufacturière, recyclage, fonderies…) (Riffault et al., 2015 ; Lim et al., 2010 ; Mbengue et al., 2014 ; Mohiuddin et al., 2014), de combustion (production énergétique ou incinération de déchets) (Candela et al., 2015 ; Font et al., 2015) et de transports (Duong et Lee, 2011 ; Huber et al., 2016 ; Swietilik et al., 2015). Les pratiques agricoles peuvent également être des sources de particules contenant des métaux (Gombert et al., 2005 ; Kelepertzis, 2014). Les sources sont nombreuses et diffèrent selon le métal ou métalloïde rencontré dans l'environnement (Riffault et al., 2015 et références incluses ; Sanderson et al., 2014 et références incluses). La Figure 2 présente les sources anthropiques responsables de la présence des différents métaux et métalloïdes dans l'atmosphère. En général, les métaux représentent une faible fraction de la masse totale des particules émises dans l'atmosphère (Weitkamp et al., 2005 ; Zhang et al., 2004 ; Zhou et al., 2014). Les métaux et métalloïdes tels que As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, V et Zn sont principalement issus des activités haute température (procédés de combustion, fonderies, soudure, raffineries, gaz d'échappement des véhicules…) et tendent à s'accumuler dans les fractions granulométriques les plus fines (PM1, voire PM0.1) (Riffault et al., 2015 et références incluses). En revanche, les autres éléments métalliques tels que Al, Fe, Mn, Si et Ti proviennent préférentiellement de la croûte terrestre et de la fabrication de céramique et de verre et sont contenus dans les fractions granulométriques > 1 µm (PM2.5, PM10, …) (Riffault et al., 2015 et références incluses). Par ailleurs, nombres d'études menées mettent en avant que les métaux (et métalloïdes) sont majoritairement à des niveaux plus élevés dans une atmosphère placée sous l'influence des activités industrielles, en comparaison avec des sites ruraux et/ou urbains, montrant que les émissions industrielles sont en grande. 27 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
(28) Thèse de Vincent Dappe, Lille 1, 2015. partie responsables de la présence des métaux dans l’environnement (Li et al., 2014 ; Riffault et al., 2015 et références incluses ; Zhou et al., 2014).. Figure 2. Secteurs responsables de l'émission des divers métaux et métalloïdes dans l'atmosphère (D’après Riffault et al., 2015).. Ces études montrent également un enrichissement des métaux et métalloïdes dans les fractions les plus fines (Harrison et Yin, 2010 ; Pöschl, 2008 ; Riffault et al., 2015 et références incluses ; Sanderson et al., 2014 et références incluses ; Tsai et al., 2007 ; Zhou et al., 2014 et références incluses), pouvant entrer à plus de 70% dans la composition massique des PM1 (Manoli et al., 2002).. 1.2.. Surveillance des métaux dans l'atmosphère. La majorité des éléments métalliques (dont Fe, Zn, Ni, As, Cr) est indispensable à faibles doses à la vie animale et végétale, leur absence entraînant des carences en oligoéléments. Cependant, à des doses plus importantes, ces éléments peuvent se révéler très nocifs. Par ailleurs, d’autres éléments (Pb, Sb, Cd, Hg…) n’ont aucun effet bénéfique et peuvent porter atteinte à la santé humaine, même à des faibles doses. Les métaux considérés comme les plus toxiques sont As, Cd, Hg, Ni, Pb et font donc l’objet d’une surveillance imposée par la loi. Leur rejet dans l’environnement est aujourd’hui très réglementé, notamment dans le cadre du système européen REACH (Registration, Evaluation, Authorization and restriction of CHemicals). Ces réglementations visent en particulier à limiter leurs émissions dans l’environnement et s’accompagnent d’un contrôle régulier dans tous les compartiments de la biosphère (air, sols et eaux de surface) potentiellement exposés (Gouzy et Ducos, 2008). 28 © 2015 Tous droits réservés.. doc.univ-lille1.fr.
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