Organotropism, toxico-kinetic and fate of metal contaminants in a freshwater sentinel species Gammarus fossarum | Organotropisme, toxico-cinétique et devenir des contaminants métalliques chez une espèce sentinelle d’eau douce Gammarus fossarum

anglais. Widely dispersed in aquatic environments, metals or Trace Metal Elements (TMEs) such as cadmium (Cd) or zinc (Zn) are monitored in waters, due to their toxicity, as defined by the Water Framework Directive (WFD). However, the derived indicators do not informed on the bioaccumulation and integration of these metals in living organisms. The use of bioindicator species in this monitoring integrates all processes including biotic or abiotic variables that determine the bioavailability and accumulation of metals by organisms. Gammarids are widely used for biomonitoring, particularly on the basis of contaminant concentrations measured in organisms. Until now, however, studies of the bioaccumulation of TMEs in this organism have been carried out mainly at the level of the whole organism and there are very few data at the level of tissues/organs. These data are essential to understand the complexity of the processes governing bioaccumulation. In the work presented in this manuscript, we sought, in male gammarids of the species Gammarus fossarum, to improve the understanding of metal bioaccumulation by seeking to: i) study the organotropism of metals; ii) understand the role of organs in metal bioaccumulation; iii) study the ADME (Absorption/Assimilation, Distribution, "Metabolization/Methylation" and Elimination) processes governing the handling and fate of metals; and iii) find out if factors such as the pathway of accumulation, the essentiality or non-essentiality, or finally the concentration of exposure have an influence on bioaccumulation processes. For this purpose, a specific experimental protocol was set up, coupling sensitive radiotracer tools to follow the accumulation and elimination of TMEs, to one- and/or multi-compartment toxicokinetic models coupled to Bayesian inference to formalize the internal fate of TMEs. The results show that organotropism, toxicokinetics and fate of metals are specific: i) to the metal itself, showing different bioaccumulation patterns between Cd, mercury (Hg), and Zn, independent of the essential or non-essential character of the metal; ii) to the accumulation pathway, showing a very high concentration of Cd in the gills after accumulation by the trophic pathway and an absence of accumulation in this same organ by the trophic pathway. However, the work presented here did not demonstrate an influence of Cd exposure concentration on organotropism, ADME processes or Cd fate in gammarids. This preliminary work could help improve the accuracy of results obtained via TKTD models, used in environmental risk assessment, by helping to develop and include a real TK part.

français. Largement dispersés dans les milieux aquatiques, les métaux ou Éléments Traces Métalliques (ETM) comme le cadmium (Cd) ou le zinc (Zn), du fait de leur toxicité, font l’objet d’une surveillance dans les masses d'eau, telle que défini par la Directive Cadre sur l'Eau (DCE). Cependant, les indicateurs qui en sont issus ne font pas état de la bioaccumulation et l’intégration de ces métaux dans le vivant. L'utilisation d'espèces bioindicatrices dans cette surveillance intègre l’ensemble des processus incluant variables biotiques ou abiotiques qui détermine la biodisponibilité et l'accumulation des métaux par les organismes. Les gammares sont très utilisés pour la biosurveillance, notamment sur la base des concentrations de contaminants mesurées dans les organismes. Jusqu'à présent les études de la bioaccumulation des ETM chez cet organisme ont cependant été effectués essentiellement au niveau de l'organisme entier et il existe très peu de données au niveau des tissus/organes. Ces données sont pourtant essentielles pour comprendre la complexité des processus régissant la bioaccumulation. Dans les travaux présentés dans ce manuscrit, nous avons cherché, chez des gammares males de l'espèce Gammarus fossarum, à améliorer la compréhension de la bioaccumulation des métaux en cherchant à : i) étudier l'organotropisme des métaux ; ii) comprendre le rôle des organes dans la bioaccumulation des métaux ; iii) étudier les processus ADME (d'Absorption/Assimilation, de Distribution, "de Métabolisation/Méthylation" et d'Élimination) régissant la gestion et le devenir des métaux ; et iii) savoir si des facteurs comme la voie d'accumulation, le caractère essentiel ou non, ou enfin la concentration d'exposition ont une influence sur les processus de bioaccumulation. Pour cela un protocole expérimental spécifique a été mis en place, couplant les outils sensibles radiotraceurs, pour suivre l’accumulation et la dépuration des ETM, aux modèles toxico-cinétiques un- et/ou multi-compartiments couplés à l'inférence Bayésienne pour formaliser le devenir interne des ETM. Les résultats montrent que l'organotropisme, la toxico-cinétique et le devenir des métaux sont spécifiques : i) au métal en lui-même, montrant des motifs de bioaccumulation différents entre le Cd, le mercure (Hg), et le Zn, indépendant du caractère essentiel ou non-essentiel du métal ; ii) à la voie d'accumulation, montrant une très forte concentration du Cd dans les branchies après une accumulation par la voie trophique et une absence d'accumulation dans ce même organe par la voie trophique. Cependant, les travaux présentés ici n'ont pas démontré d'influence de la concentration d'exposition en Cd sur l'organotropisme, les processus ADME ou le devenir du Cd chez le gammare. Ce travail préliminaire pourrait aider à améliorer la précision des résultats obtenus via les modèles TKTD, utilisés en évaluation du risque environnemental, en aidant à développer et inclure une réelle partie TK.