Evaluation de la distribution en éléments terres rares dans le réseau trophique

Afin d’acquérir de nouvelles compétences pour renforcer mes connaissances obtenues durant ma 4e année d’école d’ingénieurs, j’ai réalisé un stage au sein d’un laboratoire de recherche ; Mer, Molécules, Santé de l’université de Nantes. Mon projet professionnel étant de m’orienter vers les milieux estuariens et marins ainsi que leur contamination en polluants, ce stage sur la distribution en éléments terres rares dans le réseau trophique de l’estuaire de la Loire était le projet parfait afin de vérifier ma future orientation professionnelle.

Depuis quelques années, les cycles naturels des éléments terres rares sont perturbés en raison de leurs multiples usages anthropiques. Avec leurs différentes propriétés magnétiques, électroniques et optiques très attrayantes, beaucoup de nouvelles technologies innovantes ont été créées que ce soit dans le domaine de l’éolien, des batteries, etc..(Christmann 2011). Par exemple, le lanthane est utilisé pour réaliser des alliages magnétiques ainsi que pour la fabrication de verres optiques. Le néodyme, lui, est utilisé dans l’industrie pharmaceutique comme pour la fabrication d’aimants puissants. Les terres rares sont utilisées dans de nombreux domaines d’industries tels que les aimants permanents, les alliages métallurgiques, les applications catalytiques…, ((Terres rares : Dossier complet | Techniques de l’Ingénieur s. d.) .

Entre 1990 et 2010, la production mondiale de terres rares a augmenté de 4% par an (Christmann 2011). Cette croissance d’utilisation des terres rares causent de nombreux déchets qui se retrouvent dans l’hydrosphère. C’est en 1996, qu’une première étude a démontré qu’il y avait des anomalies anthropiques de terres rares présentes dans la nature. Dans les rivières drainant des zones à fortes populations ou très industrialisées, une anomalie anthropique de Gadolinium, terre rare utilisée dans l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) a été détectée (Bau et Dulski 1996). Les terres rares (ETR) regroupent un ensemble de 17 métaux aux propriétés physico-chimiques très intéressantes, dépendant de leur rayon ionique ainsi que de leur degrés d’oxydation. Elles possèdent une configuration électronique similaire à une couche 4f interne partiellement rempli leur conférant alors des propriétés magnétiques. Les 15 lanthanides (du Lanthane Z = 57 au Lutétium Z = 71) ainsi que le Scandium Z = 21 et l’Yttrium Z = 39 (Annexe 1) y sont compris. Ce groupe de métaux est présent dans la croûte terrestre naturellement (de 0.5 à 66,5 ppm selon les ETR), cependant des anomalies positives peuvent être détectées s’il y a une surutilisation de celles-ci. Avec la révolution industrielle, des technologies innovantes ne cessent d’être inventées. De plus, avec l’expansion des énergies vertes ; l’éolien, les panneaux solaires, les voitures électriques, étant de grandes consommatrices de terres rares , la consommation en terres rares augmente alors d’années en années. Néanmoins, l’extraction des ETR nécessitent des processus très polluants. En effet, il est quasiment impossible de trouver une ETR seule dans la nature, elles sont toujours associées à d’autres molécules, ce qui en rend l’extraction extrêmement difficile et polluante. Concernant la contamination des milieux par les ETR, certaines peuvent être bioaccumulées par certaines espèces ; c’est-à-dire qu’elles peuvent s’accumuler dans une espèce. Cela va dépendre de leur biodisponibilité, si la quantité de terre rare ingérée par une espèce est supérieure à celle excrétée par l’espèce, il y aura alors bioaccumulation. D’après une étude, certaines terres rares peuvent se bioaccumuler dans le foie des poissons, ce qui va donc affecter les enzymes de ceux-ci (Y. Chen et al. 2000). Les terres rares peuvent avoir des effets nocifs sur les organismes aquatiques, (Robert et al. 2018), c’est pour cela qu’un travail sur leur distribution dans le réseau trophique représentant les différents échanges au sein d’un écosystème à travers la chaîne alimentaire ; est nécessaire. Dans le cadre de ce stage, la distribution en terres rares sera étudiée dans un milieu particulier ; les estuaires. Ceux-ci sont des milieux naturels vulnérables susceptibles d’être impactés en raison de la forte pression anthropique dans ces zones. L’estuaire de la Loire est l’exutoire du plus grand bassin versant de France, 117 km2 ,(Thibault de Chanvalon et al. 2016). Celui-ci s’étend sur plus de 80 km en amont de Saint Nazaire, (IFREMER, 1992). Il est le réceptacle de nombreux polluants provenant des activités industrielles, agricoles et des aires urbaines. De plus, cet estuaire contient le 4e port français ; le port de Nantes et Saint-Nazaire. Cet estuaire a donc une forte valeur économique et sociétale. Cependant, ces zones estuariennes sont primordiales pour la faune et la flore, ce sont des écotones entre mer et eau douce. Cela les rend alors à haute productivité et crée des habitats très spécifiques recherchés par différentes espèces, (IFREMER, 1992). L’approfondissement des connaissances sur la distribution des terres rares dans les estuaires est un réel enjeu environnemental. Ces milieux récoltent les nombreuses pollutions qui ont été rejetées dans les fleuves et rivières. Dans ces estuaires cohabitent une faune et une flore, il est donc primordial d’étudier ces différentes pollutions rejetées dans les cours d’eau. L’objectif de ce stage est d’évaluer les niveaux de contamination et la distribution des terres rares dans différentes espèces des réseaux trophiques de l’estuaire de Loire, de la macrofaune aux poissons. Dans un premier temps, une présentation de la structure d’accueil sera effectuée et une présentation des missions et du déroulement du stage sera fait. Ensuite, les matériels et les méthodes de cette expertise seront présentés. Pour poursuivre, une interprétation des résultats et une discussion sera proposée. Pour finir, un retour sur cette première expérience en laboratoire de recherche sera réalisé.

La structure d’accueil 

Le laboratoire Mer Molécules Santé (MMS) est la structure qui m’a accueillie durant mon stage de 4e année d’école d’ingénieurs. C’est une équipe d’accueil de recherche ayant été créée en 2008 et reliée à l’Université de Nantes, l’UFR Sciences et Techniques ainsi qu’à l’UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques. Cette structure est située sur 4 sites : à Nantes, au Mans, à Laval ainsi qu’à Angers. 130 personnes travaillent au sein de ce laboratoire dont 53 enseignants-chercheurs, 55 doctorants et postdoctorants et 22 personnels administratifs et techniques.

L’objectif premier de ce laboratoire de recherche est d’étudier la diversité, le fonctionnement et les perturbations des écosystèmes marins côtiers afin de proposer une gestion durable et intégrée et de valoriser ces écosystèmes pour la santé humaine ou l’industrie.

En 2012, il y avait seulement trois équipes dans le laboratoire, mais depuis 2017, il compte cinq équipes :
– Equipe 1 : Remote Sensing & Benthic Ecology, RSBE ; spécialisée en écosystèmes benthiques intertidaux et utilisent une approche à multi-échelle grâce à la télédétection.
– Equipe 2 : Écotoxicologie des contaminants émergents en milieux côtiers et estuariens, ECEM
– Equipe 3 : Métabolisme, Bio-Ingénierie des molécules de micro-algues et applications, MIMMA ; spécialisée dans l’étude des réponses des différents organismes aux variations des facteurs environnementaux, les biomarqueurs de stress…
– Equipe 4 : Chimiodiversité des champignons marins et valorisations, ChichaMVa ; spécialisée dans l’étude des métabolites produits par les champignons d’origine marine.
– Equipe 5 : Application des métabolites marins en santé, nutrition et cosmétologie, ANC ; spécialisée dans la valorisation d’ingrédients marins dans le domaine de la santé, nutrition et de la cosmétologie.

En janvier 2022, un changement au niveau des équipes du laboratoire de recherche est prévu. Les équipes 1 et 2 deviendront une seule et même équipe, RSBE2. Le laboratoire de recherche ne portera plus le nom de MMS, mais d’ISOMER. Les principales thématiques de recherche seront : la connaissance et la diversité de la biologie des organismes marins, l’étude des réseaux trophiques marins et les relations inter organismes et la valorisation des bioproduits marins et des biotechnologies bleues.

Présentation et déroulé de la mission

Tout au long des 3 mois au laboratoire, différentes missions m’ont été confiées. La mission principale étant d’évaluer la contamination en terres rares dans les espèces aquatiques du réseau trophique de l’estuaire de la Loire. Ce stage s’inscrit dans la thèse de Julie Rétif qui étudie la bioaccumulation d’éléments de terres rares par les organismes aquatiques ainsi que les sédiments et l’eau de l’estuaire de la Loire.

Dans un premier temps, il a fallu se spécialiser sur le sujet des terres rares. Une étude bibliographique a été réalisée au cours de laquelle mes recherches se sont basées sur les terres rares, les métaux au sein des réseaux trophiques, les estuaires ainsi que les effets des terres rares sur les organismes aquatiques. Les différents articles de ma bibliographie ont été soit transmis par ma maître de stage, Laurence Poirier, chercher sur Google Scholar ou sur la bibliothèque numérique de l’université de Tours. Ensuite, une partie manipulation a été effectuée. C’est cette mission qui a demandé le plus de temps, car un travail conséquent en amont doit être réalisé afin d’analyser les ETR à l’aide d’un ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif). Cette préparation et ces analyses seront expliquées dans la partie Matériel et Méthodes. Puis, l’analyse des résultats obtenus par ICP-MS a été conduite. Ces analyses se sont faites sous Excel et Statistica. Pour finir, une interprétation et une explication des résultats afin d’évaluer quantitativement et qualitativement la contamination des terres rares dans l’estuaire de la Loire ont été réalisées.

Matériel et méthodes

Pour évaluer la distribution des terres rares dans le réseau trophique de l’estuaire de la Loire, il a fallu réaliser un protocole d’action précis ; de l’échantillonnage à l’analyse des résultats obtenus. Il sera détaillé dans cette partie du rapport.

Site étudié : l’estuaire de la Loire

Un estuaire peut être défini comme étant un plan d’eau côtier semi-fermé qui est relié de manière permanente ou temporaire à l’océan et qui a donc un biote caractéristique de ces conditions particulières, (Elliott et Whitfield 2011). Ce sont des habitats à haute productivité, car ils contiennent des propriétés d’eau douce et salée, (Coynel et al. 2016). Cependant, avec l’anthropocène, ces habitats sont devenus très sujets aux différentes pollutions chimiques dues à l’augmentation de l’industrialisation. Les estuaires peuvent donc être des zones importantes afin de retracer diverses pollutions.

La Loire est l’un des plus grands fleuves de France, elle draine un bassin versant de 117 km2 , (Thibault de Chanvalon et al. 2016). Elle prend sa source à Mont Gerbier de Jonc, dans le Sud-Est de la France. Son estuaire quant à lui est d’une longueur de 80 km, un mélange entre les eaux de la Loire et de l’océan Atlantique s’y effectue. L’estuaire de la Loire est un estuaire macrotidal, c’est-à-dire qu’il est influencé par une grande amplitude de marée. Le débit moyen de l’estuaire de la Loire est de 890 m3 s-1 , (Thibault de Chanvalon et al. 2016).

Les échantillons 

Une grande diversité d’échantillons a été mis à ma disposition afin d’évaluer la distribution des terres rares dans le réseau trophique de l’estuaire de la Loire. Deux ensembles d’espèces ont été analysés. Des prélèvements ont été effectués en 2014 dans le cadre d’un projet réalisé par IFREMER et d’autres ont été récoltés en 2021 pour la thèse de Julie Rétif. L’identification des différentes espèces a été basée sur des critères macroscopiques ; pour Heteromastus filiformis l’identification doit être confirmée.

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Table des matières

I) Introduction
A) Contexte
B) La structure d’accueil
C) Présentation et déroulé de la mission
II) Matériel et méthodes
A) Site étudié : l’estuaire de la Loire
B) Les échantillons
1) Prélèvements réalisés en 2014
2) Prélèvements réalisés en 2021
C) Préparation des échantillons pour l’analyse des ETR
1) Dissection
2) Congélation
3) Lyophilisation
4) Broyage
5) Minéralisation à froid et à chaud
6) Evaporation à sec
7) Mise en suspension
D) Analyse à l’aide de l’ICP-MS
1) Principe de l’ICP-MS
2) Etalon interne
3) Ajouts dosés
4) Dilution
E) Analyse
1) Les limites de détection et de quantification
2) Validation de la méthode
3) Calculs des concentrations en ETR
4) Analyse statistique
III) Résultats et discussion
A) Biométrie
B) Comparaison inter-espèces (Année 2021)
C) Distribution des terres rares (Année 2021)
D) Normalisation des terres rares (Année 2021)
E) Comparaison interannuelle 2014-2021 : Anguilla anguilla et Chelon ramada
F) Discussion
1) La dilution au sein du réseau trophique
2) Prédominance des LREE
IV) Conclusion
Bibliographie
Annexes

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