Analyse multi-échelle des mécanismes d’interaction entre les radionucléides et les algues marines – MARINE

Le projet MARINE utilise une combinaison de technologies de pointe conçues pour s'attaquer au problème complexe de la contamination par les radionucléides (RN) dans les écosystèmes marins. Les défis expérimentaux découlent de la nécessité de caractériser précisément les interactions chimiques des RN au sein des organismes marins vivants tout en garantissant la manipulation sécurisée des matériaux radioactifs et en maintenant les organismes dans leurs conditions naturelles pendant les expériences.

Les méthodes employées couvrent plusieurs disciplines scientifiques, chacune jouant un rôle clé dans le surmontement des barrières techniques du projet. Tout d'abord, les techniques biochimiques permettent l'étude détaillée de l'absorption des RN à l'échelle moléculaire dans les organismes vivants. Ces méthodes aident à localiser où les radionucléides s'accumulent dans les cellules algales et révèlent les voies biochimiques spécifiques impliquées. Des outils spectroscopiques et d'imagerie avancés, tels que la spectroscopie d'absorption des rayons X et la microscopie à rayons X à transmission par balayage, offrent une résolution spatiale à des échelles microscopiques et nanométriques. Ces techniques permettent à l'équipe de visualiser et de comprendre la forme et la localisation des RN dans les cellules, ce qui est essentiel pour clarifier le comportement de ces substances une fois à l'intérieur des organismes marins.

La radiochimie joue un rôle essentiel en offrant des méthodes analytiques pour quantifier l'accumulation de RN dans les organismes étudiés. En particulier, les mesures in vivo et les techniques radiométriques fournissent des informations précises sur le transfert des RN entre les organismes et leur environnement. Ces mesures sont effectuées dans des conditions qui imitent de près les environnements marins naturels, garantissant que les données reflètent des processus du monde réel.

L'approche du projet est hautement interdisciplinaire, réunissant la chimie, la biologie et les sciences de l'environnement. Cette approche holistique permet à MARINE de fournir une perspective à plusieurs échelles sur les mécanismes de contamination par les RN, allant du niveau moléculaire à celui des écosystèmes. L'intégration des connaissances chimiques, biologiques et écologiques permet une compréhension approfondie à la fois de l'accumulation des RN dans les espèces marines et de leur transfert trophique vers d'autres organismes, tels que les oursins.

En fin de compte, l'utilisation innovante de ces méthodes complémentaires par le projet MARINE lui permet de surmonter les barrières scientifiques qui limitent actuellement les prévisions concernant les impacts environnementaux et biologiques des RN. En fournissant de nouvelles perspectives sur les mécanismes d'absorption et de transfert des RN, MARINE ouvre la voie à de futures évaluations améliorées des risques écologiques posés par la contamination nucléaire dans les environnements marins.

Les résultats ont montré que l'algue A. nodosum peut concentrer activement l'uranium (VI) au fil du temps, atteignant une concentration stable après 200 heures d'exposition. La recherche a indiqué une différence significative dans l'absorption de l'uranium entre les algues vivantes et la biomasse séchée. Les spécimens vivants avaient un facteur de bioaccumulation (BAF) de 10 ± 2, ce qui est 90 % inférieur au BAF de la biomasse séchée (142 ± 5). Cela suggère que les algues vivantes réagissent différemment au stress de l'uranium par rapport à la forme séchée, soulignant le potentiel d'utilisation de la biomasse séchée d'A. nodosum comme biosorbant pour l'uranium.

L'étude a également révélé que l'uranium s'accumule de manière inégale au sein de la structure algale, avec des facteurs de bioaccumulation allant de 3 pour le thalle (corps principal) à 49 pour les réceptacles (les parties reproductrices). Cela indique que les réceptacles ont une plus grande capacité d'accumulation d'uranium. Des études d'imagerie ont démontré que l'uranium est absorbé de manière superficielle dans le thalle et les branches latérales, avec des zones concentrées, ou «points chauds«, trouvées dans les gamètes femelles.

Une analyse préliminaire utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) a suggéré une forme unique de spéciation de l'uranium dans les réceptacles contenant des gamètes, identifiée comme une phase phosphate de pseudo-autunite. Cependant, les mesures XAS des branches latérales n'ont pas montré de manière définitive la présence d'un complexe alginate-uranium, bien que les chercheurs envisagent la possibilité que l'alginate puisse influencer la spéciation de l'uranium au sein des tissus algaux.

En adoptant une approche multi-échelle (moléculaire, cellulaire, macroscopique) et multidisciplinaire (radio-, bio- et chimie environnementale), le projet MARINE fournira des éclairages sur l'interdépendance des processus de contamination se produisant à différentes échelles ou par divers chemins. Cela enrichira les méthodologies utilisées pour explorer les processus de contamination, bénéficiant non seulement à la communauté de la radiochimie, mais aussi aux communautés scientifiques impliquées dans la chimie environnementale, la biochimie et l'écologie.

Les résultats du projet MARINE, y compris l'accumulation et la spéciation des radionucléides (RN) dans les algues et le transfert trophique des RN entre les organismes marins, ainsi que le cadre de laboratoire contrôlé développé, pourront servir de point de départ pour des recherches scientifiques dédiées à :

La diffusion de contaminants chimiques (RN ou autres ions métalliques) à travers la chaîne trophique, possiblement à des échelles plus grandes et dans des environnements naturels réels (à moyen terme) ;
L'utilisation de macroalgues pour développer des méthodes efficaces d'élimination des RN des eaux de mer contaminées (à long terme).

D'un point de vue social et économique, les résultats du projet MARINE sont d'une grande pertinence pour les décideurs politiques, qui doivent concevoir des stratégies équilibrant les risques et les bénéfices associés à la production d'énergie nucléaire tout en veillant à ce que ces stratégies soient cohérentes et éventuellement mises à jour avec la compréhension actuelle des conséquences bio-environnementales de la libération des RN dans l'eau de mer.

2022 Invited Conferences and seminars:
- Plutonium Future Conference (Avignon, France): “Actinide Speciation in Marine Radioecology” by C. Den Auwer.
- McGill University (Montréal, Canada): “Speciation in Marine Radioecology, Contribution and Limitation” by C. Den Auwer.
- CEA DAM Bruyères (Paris, France): Presentation on challenges and findings regarding radionuclide speciation by C. Den Auwer.

2022 Other Conferences:
- Journée R3C (Nice, France): “In Vivo Speciation and Molecular Mechanisms of the Uptake of Uranium by Ascophyllum nodosum” by M. Zerbini.

2023 Invited Conferences and seminars:
- IJC-Lab (Paris, France): “L'uranium en milieu marin, spéciation et bioaccumulation” by M. R. Beccia.
- HZDR Invited Seminar (Dresden, Germany): “The Speciation of Radionuclides in Marine Ecosystems, Models and Natural Systems” by M. R. Beccia.

2023 Other conferences:
- Actinides 2023 (Golden, Colorado, USA): “Actinides in Marine Environment, the Case of Uranium Uptake by the Brown Alga Ascophyllum Nodosum” by M. R. Beccia, 5-8 June 2023.
- ISMEC 2023 (Urbino, Italy): “A Close Look at Uranium Complex Formation in Marine Algae After Bioaccumulation” by M. Zerbini, P.L. Solari, A. Jeanson, C. Leblanc, C. Den Auwer, M.R. Beccia, 11-14 June 2023.

Peer reviewed article:
Zerbini M., Solari P.L., Orange F., Jeanson A., Leblanc C. Gomari M., Den Auwer C., Beccia M.R., Exploring uranium bioaccumulation in the brown alga Ascophyllum nodosum: insights from multi-scale spectroscopy and imaging, Sci. Rep. (2024), 14, 1021 (DOI: 10.1038/s41598-023-49293-w).

MARINE est un projet de 42 mois qui vise à explorer les interactions chimiques entre les radionucléides rejetés dans l'eau de mer et les organismes marins, en adoptant une perspective mécanistique multi-échelle.
L'eau de mer est l'un des milieux environnementaux les plus sensibles à la contamination par les polluants chimiques, y compris les radionucléides, car elle représente souvent le réceptacle final et le plus important des eaux contaminées. Par conséquent, les organismes marins sont exposés aux radionucléides, ce qui peut affecter leurs processus biologiques, avec des conséquences potentiellement significatives pour l'environnement et, à terme, pour la santé humaine.
Alors que l'état de l'art consiste à dresser des inventaires des radionucléides dans les compartiments environnementaux, la complexité de l'environnement marin nécessite d'adopter une approche mécanistique cohérente pour décrire la réactivité et les processus de transfert des radionucléides, qui reste à développer. MARINE comblera cette lacune en identifiant les mécanismes biochimiques associés à l'accumulation des radionucléides dans les organismes marins.
Parmi ces organismes marins, MARINE se concentre sur l’accumulation des radionucléides par les macro-algues, qui jouent un rôle clé dans les écosystèmes marins, et sur le transfert des radionucléides des algues vers des organismes algivores (oursins).
MARINE atteindra son objectif en utilisant une approche mécanistique aux niveaux cellulaire et moléculaire, à la frontière entre la radio- et la bio-chimie, dans le but de (1) quantifier les flux de radionucléides (uranium, américium) de l'eau de mer vers l’ algue modèle A. nodosum, (2) définir la localisation des radionucléides dans les cellules de l’algue, (3) caractériser les interactions des radionucléides avec les biomolécules cibles de l’algue et (4) décrire les transferts trophiques des radionucléides de l’algue vers un organisme algivore modèle (oursin P. lividus).
Grâce à ces étapes interconnectées, MARINE fournira un nouveau cadre pour l'étude et la prédiction futures du risque écotoxicologique lié à l’accumulation de radionucléides par les organismes marins en cas de contaminations nucléaires.