Étude de la compétition entre trois métaux de terres rares chez Chlamydomonas reinhardtii

Abstract

Les éléments de terres rares (ETR) sont de plus en plus utilisés en raison de leurs propriétés optiques, magnétiques et catalytiques uniques. Avec l'augmentation de l'exploitation minière et de la production d'ETR, il est essentiel d'évaluer leurs impacts environnementaux potentiels. Le modèle du ligand biotique (MLB) peut être utilisé pour prédire la bioaccumulation des métaux et leur toxicité. En théorie, il prend en compte la compétition entre les métaux, ce qui est particulièrement important pour les ETR puisque ceux-ci se trouvent presque toujours sous forme de mélanges dans l’environnement. L'objectif de cette étude est de relier la bioaccumulation des ETR à leur exposition, que ce soit pour des mélanges soigneusement contrôlés en laboratoire ou pour un échantillon d’eau situé à proximité d’une mine d’ETR. Les flux d'internalisation de trois cations d'ETR ont été mesurés afin de déterminer les constantes pour leur interaction avec Chlamydomonas reinhardtii, avec un potentiel d'utilisation dans un MLB (logKLa = 7,9 M-1 ; logKCe = 7,6 M-1 ; logKY = 7,8 M-1). Par la suite, la bioaccumulation mesurée pour les paires ou un mélange des trois cations a confirmé une interaction compétitive (antagoniste) parmi les trois ETR. En effet, la compétition entre les paires ioniques a été bien prédite à partir des constantes déterminées lors des expériences sur un seul métal, indiquant fortement que les ETR partagent des sites de transport communs. Étant donné la similitude des constantes et l'hypothèse d'un site d'absorption unique, la bioaccumulation totale des ETR est restée approximativement constante pour les différents mélanges. Les effets de compétition du Ca2+ et du Mg2+ ont aussi été observés sur la bioaccumulation du La en utilisant le MLB (logKCa = 4.7 M-1; logKMg = 3.8 M-1). Ces expériences ont ensuite été refaites, mais avec des échantillons d’eau naturelle. D’abord, les propriétés physicochimiques, les concentrations de métaux majeurs et les concentrations d’ETR de quatre sites (Nechalacho, Rivière-des-Prairies, Saguenay et Rouyn-Noranda) ont été analysées. Par la suite, la bioaccumulation de l’eau de ces sites a été mesurée et comparée aux résultats obtenus en laboratoire. Rare earth elements (REE) are increasingly used due to their unique optical, magnetic, and catalytic properties. With increasing mining and production of REE, it is essential to determine their potential environmental impacts. The biotic ligand model (BLM) can be used to predict metal bioaccumulation and toxicity. In theory, it considers metal competition, which is especially important for the REE since they are nearly always found as mixtures in the environment. The goal of this study is to relate REE biouptake to exposure in either carefully controlled laboratory mixtures or for a water sample situated near a REE mine. Internalization fluxes of three REE cations were measured to determine constants for their interaction with Chlamydomonas reinhardtii for potential use in a BLM (logKLa = 7.9 M-1; logKCe = 7.6 M-1, logKY = 7.8 M-1). Subsequently, measured biouptake for cation pairs confirmed a competitive (antagonistic) interaction among the three REE. Indeed, competition of the ion pairs was well predicted using constants determined from the single metal experiments, strongly suggesting that the REE share common transport sites. Similarly, for ternary metal mixtures, experimental internalization fluxes were well predicted from the theoretical constants. Given the similarity of the constants and the assumption of a single uptake site, the total REE bioaccumulation remained approximately constant for the different mixtures. Competition effects of two hardness ions (Ca2+ and Mg2+) were seen on La biouptake using the BLM (logKCa = 4.7 M-1; logKMg = 3.8 M-1). These experiments were subsequently reconducted using samples of natural water. Initially, the physicochemical properties, concentrations of major metals, and concentrations of REE from four sites (Nechalacho, Rivière-des-Prairies, Saguenay, and Rouyn-Noranda) were analyzed. Following this, the bioaccumulation from water for these sites was measured and compared to the results obtained in a controlled environment.