Pollution par les métaux lourds
Les métaux lourds, ou éléments traces métalliques (ETM), existent naturellement mais en quantités très faibles dans les sols, l’eau et l’air. Certaines activités humaines, comme la combustion du charbon, du pétrole, des déchets et certains procédés industriels en rediffusent en revanche en grande quantité dans l’environnement. Ils sont souvent liés aux particules fines à l’exception du mercure, qui est principalement gazeux. Si une partie des métaux lourds retombe aux alentours de la source d’émissions, certains peuvent voyager sur de longues distances.
Les métaux lourds ne posent pas seulement un problème pour la pollution de l’air : ils sont biopersistants, perturbent les écosystèmes, détériorent les sols, les eaux de surface, les forêts et les cultures et s’accumulent dans la chaîne alimentaire. Certains sont cancérigènes pour l’homme. Les principaux métaux lourds émis dans l’atmosphère par les activités humaines sont le zinc (Zn), le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le plomb (Pb), le chrome (Cr), le sélénium (Se), l’arsenic (As), le mercure (Hg) et le cadmium (Cd). Le mercure, le plomb et le cadmium font l’objet d’une attention particulière, car ils sont très toxiques (effets sur le système nerveux) et ont une durée de vie très longue.
Toxicité du cadmium
On identifie le cadmium comme un polluant extrêmement toxique . Quelle que soit son origine, le cadmium présent dans le sol ne se décompose ni par voie chimique, ni par voie biologique. Il est accumulé dans les strates superficielles des sols et peut être entraîné par les eaux de ruissellement pour atteindre les nappes phréatiques profondes. Dans le cas d’une accumulation du cadmium dans les strates superficielles des sols, il peut être absorbé par les plantes, ce qui représente un problème majeur pour la santé humaine. Une exposition au cadmium entraine un grand nombre d’effets nocifs, les lésions rénales et le cancer figurant parmi les plus graves . Aussi, celui ci affecte sévèrement le système respiratoire. Il provoque des troubles respiratoires et des oedèmes pulmonaires ainsi qu’une destruction des muqueuses. Une exposition à des faibles concentrations de cadmium pendant une longue période (20 μg m-3 pendant 20 ans) peut engendrer de graves problèmes respiratoires.
Le cadmium semble interférer avec la voie stéroïdogénique ovarienne. De faibles concentrations de cadmium stimuleraient la biosynthèse ovarienne de progestérone alors que des concentrations élevées la bloqueraient . Plusieurs études ont montré une forte relation entre l’intoxication par le cadmium et des dommages osseux. Le cadmium est impliqué dans les occurrences de la maladie d’Itai-Itai qui présente comme symptômes la diminution de la minéralisation des os, des taux élevés d’ostéoporose et de douleurs osseuses .
Cadmium et plantes
Phytotoxicité du cadmium : Chez les plantes, le cadmium n’a aucune fonction biologique connue, et il est toxique à de faibles concentrations . Les symptômes que présente une plante cultivée en présence de cadmium sont l’inhibition de la croissance, la diminution de sa biomasse, la chlorose, la nécrose, la perturbationdes flux d’eau, la déficience en phosphore et en azote, l’accélération de la sénescence l’apparition du retard dans le développement des jeunes pousses et des perturbations de la photosynthèse .
Effet du cadmium sur la croissance : L’effet toxique du cadmium sur la croissance de la plante se manifeste par une réduction de la croissance des parties aériennes et des racines affectant ainsi dramatiquement la production de la biomasse. Ces effets peuvent être liés, entre autres, à la perturbation de l’équilibre de certaines hormones de croissance, notamment l’auxine, à la perturbation de l’homéostasie des éléments minéraux essentiels pour la croissance des plantes, à une action délétère du cadmium sur la composition des parois cellulaires, ainsi qu’à des perturbations de la machinerie photosynthétique, notamment la structure des chloroplastes et la biosynthèse de la chlorophylle .
Il est toutefois important de noter que le cadmium n’affecte pas la croissance de toutes les plantes avec la même sévérité. En effet, sur des sites très contaminés en métaux lourds, et en particulier en cadmium, certaines espèces végétales telles que Arabidopsis halleri et Thlaspi caerulescens sont capables de croître, se développer, et se reproduire . Ces espèces végétales hypertolérantes sont aussi hyperaccumulatrices de cadmium. Bien que l’hyperaccumulation nécessite la tolérance, une relation simple entre la tolérance et l’hyperaccumulation n’apparaît pas évidente.
Effet du cadmium sur la photosynthèse
Le cadmium affecte sérieusement l’appareil photosynthétique . La diminution de la capacité photosynthétique par le cadmium peut être due essentiellement à une désorganisation structurale des chloroplastes . Baryla et al., (2001) rapportent que la chlorose observée dans les feuilles de Brassica napus est due à une diminution significative de la densité des chloroplastes et à une augmentation de la taille des cellules mésophyliennes et suggèrent que Cd2+ affecte aussi la genèse des organites cellulaires, essentiellement les chloroplastes.
Le cadmium pourrait aussi avoir une action directe ou indirecte sur la teneur en chlorophylles par l’intermédiaire de perturbations métaboliques ou d’une inhibition des enzymes de biosynthèse de la chlorophylle . La diminution de l’activité photosynthétique en présence de cadmium pourrait être aussi due à une diminution de la teneur des parties aériennes en autres pigments comme le β-carotène ou les xanthophylles.
On pense que le cadmium agit également sur le processus de transport des électrons lors de la photosynthèse. Le cadmium affecte les composants des photosystèmes II (PSII) en altérant leurs structures et/ou leurs activités et ce à cause des changements irréversibles de leurs conformations suite à la formation des liaisons thiols avec le cadmium. Alcántara et al., (1994) suggèrent quant à eux que l’inhibition de la Fe(III) réductase par le Cd provoque une déficience en Fe(II), ce qui affecte sérieusement la photosynthèse. La fermeture des stomates dont on a vu qu’elle pouvait être causée par le cadmium pourrait être une autre cause de la limitation de la photosynthèse comme conséquence de la restriction de la diffusion du CO2 dans les feuilles.
Transport du cadmium à longue distance
Le transport du cadmium des racines vers les feuilles se fait via la sève brute (xylème). Suite à l’absorption du cadmium par les racines, trois processus contrôlent le transport du cadmium des racines vers le xylème: la séquestration des métaux à l’intérieur des cellules racinaires, le transport symplasmique dans la stèle et la décharge du cadmium dans le xylème .
Le transport du cadmium vers les feuilles semble être étroitement lié au processus de la transpiration. En effet, il a été démontré que la fermeture totale des stomates s’accompagne par une diminution importante de l’accumulation du cadmium au niveau des feuilles, suggérant l’implication de l’appel foliaire dans l’accumulation de cadmium dans les feuilles .Cependant, la diminution de la translocation du cadmium des racines vers les feuilles n’affecte pas l’absorption du cadmium par les racines, révélant ainsi l’indépendance de ces deux processus.
Chez plusieurs espèces, le complexe phytochélatine-cadmium (PC-Cd) est trouvé dans le xylème mais aussi dans le phloème, indiquant que les phytochélatines jouent un rôle important dans le transport à longue distance du cadmium, des racines vers les parties aériennes et inversement . Cependant, les acteurs moléculaires impliqués dans le chargement des complexes PCs-Cd dans le xylème ou leur déchargement dans le phloème demeurent inconnus.
Table des matières
Introduction
Chapitre1 Synthèse Bibliographique
1.1. Pollution par les métaux lourds
1.1.1. Les métaux lourds
A. Définition
B. Sources
-Sources naturelles
– Sources anthropiques
1.1.2. Cas du cadmium
Les végétaux principale voie d’entrée du cadmium dans la chaine alimentaire
1.1.2.1. Toxicité du cadmium
1.1.2.2. Facteurs influençant la biodisponibilité du cadmium dans le sol
Formes du cadmium dans le sol
Effet du pH
Effet de la matière organique
Effet des compétitions ou des synergies entre éléments chimiques
La température du sol
1.1.3. Cadmium et plantes
A. Phytotoxicité du cadmium
B. Effet du cadmium sur la croissance
C. Effet du cadmium sur la photosynthèse
1.1.4. Induction d’un stress oxydant par le cadmium
A. Définition d’un stress oxydant
B. Système antioxydant
1.1.5. Réponses des plantes au cadmium
1.1.5.1. La chélation et la séquestration du cadmium
A. Les chélateurs spécifiques
Les phytochélatines
Les métallothionéines
B. Les autres chélateurs
1.1.5.2. La séquestration avec les antiports Cd2+/H+
1.1.5.3. Autres stratégies de défense
1.1.6. Prélèvement, accumulation et transport du cadmium
A. Prélèvement du cadmium
-Prélèvement via la voie atmosphérique
-Prélèvement racinaire du cadmium
Les espèces de cadmium prélevées par les racines
Les mécanismes de prélèvement racinaire
B. Accumulation du cadmium
Variabilité interspécifique d’accumulation de cadmium
Variabilité intraspécifique d’accumulation de cadmium
Variabilité d’accumulation de cadmium entre les organes
Accumulation du cadmium à l’échelle cellulaire
C. Transport du cadmium à longue distance
– Systèmes de transport
Les transporteurs pouvant transporter le cadmium
1.1.7. Cas du cuivre
A. Sources de cuivre dans les sols
Le cuivre dans les différents compartiments du sol
Biodisponibilité du cuivre dans le sol
B. Impact des pratiques viticoles sur la disponibilité du cuivre
1.1.7.1. Le cuivre dans la plante
Le cuivre, un oligo-élément pour les plantes
Teneurs en cuivre dans la plante
1.1.7.2. Phytotoxicité cuprique
– Effet sur la photosynthèse
– Effet à l’échelle cellulaire
1.1.7.3. Les transporteurs du cuivre
1.1.7.4. Le cuivre induit un stress oxydant
1.1.8. La nutrition minérale une solution pour atténuer les effets toxiques des
métaux lourds (Cd et Cu)
A. Les minéraux dans le sol
B. Elément étudiés
Le magnésium Mg2+
Besoin de la plante en Magnésium
– Facteur limitant la disponibilité du Mg
Interaction du Mg avec d’autres éléments
Le Calcium
Besoin de la plante en calcium
Interaction avec d’autres éléments
C. Effets du cadmium sur la nutrition minérale
1.1.9. Cas du blé
1.1.10. But du travail
Chapitre 2 : Matériels et Méthodes
2.1. Matériel expérimental
2.2. Culture des graines en Boite de Petri
Choix des graines
Conditions de culture
Traitement des graines
2.3. Mesure des paramètres germinatifs
2.3.1. Pourcentage moyen de germination
2.3.2. Nombre moyen de racines
2.3.3. Longueur moyenne des racines
2.4. Essai en pots
Dispositif expérimental
2.5. Techniques analytiques
2.5.1. Dosage des Protéines totales
2. 5.2.Dosage des Biomarqueurs
A. Dosages Enzymatiques
Préparation de l’extrait enzymatique
Quantification des mesures spectrophotométriques
Dosage de l’activité Catalase (CAT)
Dosage de l’activité Glutathion S-Transférase (GST)
B. Le Dosage non Enzymatique
Le Glutathion (GSH)
2.6. Analyses statistiques
Chapitre 3 Résultats
3.1. Essai en Boite de Petri
3.1.1. Paramètres Physiologiques
A. Pourcentage Moyen de Germination (PMG)
-Effet du Magnésium
-Effet du Calcium
-Effet du Cuivre
-Effet du Cadmium
– B. Nombre moyen de racine
– Effet du Magnésium
– Effet du calcium
– Effet du Cuivre
– Effet du Cadmium
– C. Longueur moyenne des racines
– Effet des traitements simples
– Effet des traitements combinés
3.2. Essai en pots
3.2.1.Effet des traitements simples et combinés sur la quantité de protéines totales
– Effet du Mg et Mg/Cd sur les racines de blé
– Effet du Mg et Mg/Cd sur les feuilles de blé
– Effet du Ca et Ca/Cd sur les racines de blé
– Effet du Ca et Ca/Cd sur les feuilles de blé
– Effet du Cu et Cu/Cd sur les racines de blé
– Effet du Cu et Cu/Cd sur les feuilles de blé
– Effet du Cadmium (Cd) sur les racines et les feuilles de blé
3.2.2. Effet des traitements simples et combinés sur les biomarqueurs
3.2.2.1. Dosages enzymatiques
A. Effet sur l’activité catalase
– Effet du Mg et Mg/Cd sur l’activité catalase
Des racines
Des feuilles
– Effet du Ca et Ca/Cd sur l’activité catalase
Des racines
Des feuilles
– Effet du Cu et Cu/Cd sur l’activité catalase
Des racines
Des feuilles
– Effet du Cd sur l’activité catalase
Des racines
Des feuilles
B .Effet sur l’activité GST
– Effet du Mg et Mg/Cd sur l’activité GST
Des racines
Des feuilles
– Effet du Ca et Ca/Cd sur la GST
Des racines
Des feuilles
Effet du Cu et Cu/Cd sur la GST
Des racines
Des feuilles
– Effet du Cd sur la GST
Des racines
Des feuilles
3.2.2.2. Dosage non Enzymatique : Le GSH
A. Effet du Mg et Mg/Cd sur le GSH
Des racines
Des feuilles
B. Effet du Ca et du Ca/Cd sur le GSH
Des racines
Des feuilles
C .Effet du Cu et Cu/Cd sur le GSH
Des racines
Des feuilles
D. Effet du Cd sur le GSH
Des racines
Des feuilles
Chapitre 4 Discussion Générale
Conclusion
