Laboratoire d'accueil : Laboratoire de Radioécologie et d'Ecotoxicologie (LRE)

Date de début de thèse : 01/10/2009

Nom du doctorant : Antoine Tailliez

Problématique et contexte général

Dans une perspective d'évaluation du risque à l'environnement intégrant l'ensemble des types de contaminants dont les radionucléides, L'IRSN conduit le programme ENVIRHOM, qui, dans des situations d'exposition chroniques à faibLe niveau, a pour but de comprendre les effets biologiques induits suite à l'accumulation de radionucléides par les organismes. Afin de pouvoir caractériser le risque associé à la présence de radionucléides dans l'écosystème, il est dans un premier temps nécessaire de comprendre les processus qui gouvernent leur transfert du réservoir de contaminant (ici Le sol) à l'organisme (ici une pLante supérieure et plus particulièrement ses racines), c'est à dire leur biodisponibilité environnementale (ISO 17402, 2006) et leur localisation au sein de L'organisme. L'étude des effets induits suite à la bioaccumulation des radionucléides (biodisponibiLité toxicologique) permet de définir des valeurs standards prévues sans effets sur un organisme ou une fraction des organismes d'un écosystème. Enfin, dans un troisième temps, La comparaison entre L'exposition des organismes et ces standards permet de calcuLer l'indice de risque associé à la présence de radionucléides dans le milieu.
L'uranium est un actinide qui est naturellement présent à l'état de traces dans Le sol, typiquement entre 0.5 et 5 mg.kg-1 mais dont la teneur peut fortement augmenter naturellement. Elle peut atteindre plusieurs centaines de mg par kg de sol dans Les zones uranifères (Ragnarsdottir et Charlet, 2000). Les activités anthropiques comme l'utilisation militaire d'U appauvri ou les activités liées au cycle du combustible nucléaire peuvent également augmenter le stock d'U dans Le sol, ainsi que l'utilisation intensive dans Les agrosystèmes d'engrais issus de roches phosphatées. En effet, ces dernières peuvent contenir plusieurs centaines de mg d'U par kg entre autre impureté (Romero-Guzman et al., 2002). Les sols deviennent ainsi un réservoir potentiel de contamination en U pour Les organismes qui interagissent avec lui, en premier Lieu les pLantes supérieures terrestres. Le transfert de L'U est très variabLe. Les vaLeurs de facteur de transfert sont comprises globalement entre 1O-5 et 10-2 . Sheppard et al. (2006) recommandent par exempLe une valeur générique de 2.10-3 ou de 8.10-4 pour les végétaux consommés et 3.10-3 pour les fourrages et la végétation naturelle. La répartition dans Le végétal est de plus très hétérogène. L'uranium présente en effet une très grande affinité pour les racines des plantes et des concentrations pouvant aller jusque 10-15 mg U.g- 1MS racines sont observées (Dushenkov et aL., 1997; Laroche, 2005). L'U n'a aucune fonction physiologique connue dans Le végétal et a des effets toxiques avérés. Ceux-ci concernent principalement une inhibition des paramètres de croissance et développement comme Le rendement (Sheppard et aL., 1992) ou l'élongation racinaire (Laroche, 2005; Henner et aL., en cours). D'autres études ont aussi montré un effet sur les chlorophylles (Aery et Jain, 1997), Le stress oxydant (Vandenhove et al., 2006; Vanhoudt et aL., 2008) ou La perturbation de l'homéostasie phosphatée (Misson-Pons et aL., en cours). l'analyse critique des données disponibles pour l'U montre qu'il y a un manque criant de données pertinentes relatives à la dynamique du devenir de L'U à l'interface sol/racine et à sa biodisponibilité environnementale, pouvant expliquer le large éventail de concentrations d'U dans le soL décrit pour un même niveau d'effet et la difficulté d'extrapoler une teneur en U dans le sol prévue sans effet, utilisable dans le cadre d'une analyse de risque.
L'absorption des éléments par la racine découle d'un ensemble de processus: alimentation de la solution du sol par la phase solide pendant la durée de culture de La plante (fourniture), transport vers la racine et absorption proprement dite. Comme pour d'autres métaux, Les paramètres gouvernant le devenir de l'U dans Le sol en absence de plantes sont relativement bien connus mais la capacité du sol à réalimenter la phase liquide en forme phytodisponible l'est beaucoup moins, bien que ce processus soit en général considéré comme limitant cinétiquement le transfert. De plus, les mécanismes d'absorption de l'U restent inconnus. Dans les rares cas où les méthodes, les concepts ou les modèles (ex: terrestrial biotic ligand model) développés dans le cadre des études des transferts de métaux lourds aux plantes ont été appliquées à l'U, elles n'ont pas donné de résultats concluants concernant la biodisponibilité de l'U dans le sol et le lien avec son transfert (Vandenhove, 2007, ZOO8). Au niveau de la description des processus, il est admis que les conditions physico-chimiques et biologiques dans la rhizosphère (La zone de sol influencée par les racines) sont différentes de celle du bulk soiL (soL non rhizosphérique). En effet, celles-ci sont impactées de manière dynamique par l'activité des racines: respiration, absorption d'éléments, relargage de molécules organiques, quantité de microorganismes (Hinsinger et al., 2005). Il est probable que ces variations dynamiques dans la rhizosphère puissent avoir des conséquences sur la biodisponibilité des éléments, notamment en modifiant leur spéciation (formes chimiques en solution et associations avec la phase solide), Leur solubilité ou la labilité de leurs complexes avec la phase solide ou en solution. Il n'est donc pas étonnant que les méthodes basées sur la modélisation de la spéciation théorique à l'équilibre de l'U dans Le milieu, telle que conduite à l'aide de logiciels dédiés (ex. CHESS) montrent leurs Limites lors de l'application dans un système sous influence de racines. Malgré tout, au niveau conceptuel comme au niveau de la modélisation, l'influence potentielle de la plante sur La dynamique du système est rarement prise en compte. Par exemple, l'utilisation du concept de FT est subordonnée au respect de certaines hypothèses dont une est l'absence d'effet de la plante sur son milieu. De manière pratique, cet état de fait se traduit par la réalisation des analyses nêcessaires à l'évaluation de la biodisponibilité sur le bulk soil et non sur le sol rhizosphérique. Il n'est donc pas aberrant d'observer des décalages entre Les prévisions issues de ces données et ce qui peut être observé au niveau d'un système sol-plante réel.
Il est donc nécessaire, comme les données récentes acquises pour le Cu par Bravin et al. (2007) l'ont d'ailleurs suggéré, d'aller au-delà de ces approches classiques intégratrices, et donc en particulier i) de prendre en compte l'influence des racines sur leur milieu pour mieux comprendre la biodisponibilité, et il) d'intégrer la dimension cinétique des différents processus.

Objectifs

Le projet de recherche proposé dans le cadre de cette these vise ainsi dans un premier temps à étudier et quantifier les différents processus déterminant le transfert de l'U aux racines et leur cinétique: équilibres sol-solution, influence des processus rhizosphériques, transport et absorption. Si l'influence d'une plante sur les équilibres sol-solution et leurs conséquences sur le transfert seront plus particulièrement ciblées à ce niveau, il sera également important de mieux appréhender les mécanismes d'interaction entre la racine et son milieu, notamment au niveau de l'apoplasme (parois) dans Le but i) de mieux caractériser l'exposition au niveau de La membrane plasmique(quantité et nature) et ainsi l'absorption et ii) de mieux faire le lien entre les cibles d'accumulation de l'U dans la racine (paroi, internes) et les effets constatés ainsi qu'éventuellement les conséquences d'une modifications physiologique liée à la toxicité racinaire sur le milieu. Les objectifs finaux plus appliqués seraient i) d'identifier les déterminants du transfert, ii) d'évaluer dans quelles limites Les approches sont valides ou s'il faut alimenter Les modules de transfert existants avec des données cinétiques, iii) dans le cas où l'approche type FT est jugée correcte, de réduire l'incertitude associée aux facteurs de transfert en fournissant les bases de leur paramétrisation éventuelle et iv) éventuellement fournir une définition et une méthodologie de détermination des facteurs de transferts racinaires plus pertinents que ceux existant.

Approches expérimentales

Le travail s'appuiera, de maniere conséquente, sur une revue exhaustive et critique de l'état de l'art concernant i) l'état des connaissances sur l'uranium dans Le systeme sol et sol-plante, ii) les connaissances relatives aux processus rhizosphériques gouvernant la biodisponibilité des métaux dans Le sol (fourniture, diffusion, absorption), iii) Les divers dispositifs et méthodes expérimentales existants pour caractériser La phytodisponibilité, iv) l'effet des racines sur La physico-chimie du sol et v) les divers modèles (Barber-Cushman, TBLM...) décrivant l'ensemble du système. L'objectif sera de déterminer le périmètre des études ultérieures: paramètres à acquérir en lien avec le formalisme retenu, méthodes pertinentes, dispositifs expérimentaux, plantes et conditions de substrat les plus pertinentes pour répondre aux différents objectifs ciblés (biodisponibilité, interface solution/racine, lien avec les effets toxiques).
Il est d'ores et déjà acquis qu'une partie du travail fera appel à des systèmes sol-plante simples, permettant de séparer physiquement le compartiment racinaire et le sol, notamment le mini-rhizotron utilisant un tapis racinaire en contact avec une couche mince de sol, développé par Hinsinger à l'INRA de Montpellier (Hinsinger in luster and Finlay, 2006), dispositif particulierement performant pour des études ciblant la biodisponibilité. D'autres dispositifs devront être probablement recherchés ou développés sur la base de l'existant pour répondre à des objectifs plus spécifiques. Divers modèles végétaux sont également susceptibles d'être utilisés au cours du travail de thèse afin d'exploiter leur diversité de nature d'interface racinaire, de génétique et de physiologie, notamment en réponse aux conditions physico-chimiques de leur milieu. la complexité du travail résidera dans le choix des modalités de substrat, de plante et des modifications physico-chimiques à effectuer sur le substrat pour provoquer une réponse rhizosphérique, en lien avec les processus connus pour gouvemer la disponibilité et la mobilité de l'U dans Le sol.

De nombreuses méthodes existent pour étudier L'interaction métal/sol et la biodisponibilité. Certaines de ces méthodes sont déjà utilisées au sein du laboratoire et ne nécessiteront qu'une adaptation pour prendre en compte les spécificités de l'élément (ex. nature des réactifs) ou du dispositif (taille de ('échantillon).
la seconde partie du travail consistera à acquérir, à l'aide des outils, méthodes et modalités déterminées, les connaissances sur le comportement de l'U dans la rhizosphère, l'influence des racines sur la biodisponibilité de l'U, l'interaction U-racines et son absorption, ainsi que la localisation et les effets racinaires qui en découle.
L'identification des cibles d'accumulation de l'U dans les racines bénéficiera de la disponibilité d'un microscope électronique à transmission équipé d'un analyseur élémentaire X au sein du laboratoire.
Dans un troisième temps, les données préalablement acquises seront analysées afin de dresser des conclusions quant à la manière d'évaluer, mesurer et utiliser le transfert racinaire pour l'U et de manière plus générique.