Projet ANR-12-BS06-0008 – MERCURIUS : Biogéochimie du mercure : Relations entre spéciation, bioaccumulation et écotoxicité
Programme : Blanc - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Alain MANCEAU (Institut des Sciences de la Terre)
Partenaires : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux; Laboratoire public; Institut Neel; Institut Rayonnement et Matière de Saclay
Montant : 500000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : MercuriusBiogéochimie du mercure : Relations entre spéciation, bioaccumulation et écotoxicité.
Enjeux et objectifLe mercure est un polluant neurotoxique persistant et bioamplifié le long des réseaux trophiques du fait principalement de son affinité pour les groupements thiolates (-RSH) présents en abondance dans de nombreuses protéines. Selon une étude récente réalisée par l'un des partenaires, l'ion Hg(II) forme avec les groupements cystéiques de la matière organique dissoute (MOD) détritique (substances humiques) des clusters HgxSy du type de ceux décrits dans les métalloprotéines (métallothionéines, MT) de détoxification du cadmium, du cuivre et du zinc par les organismes vivants. La question se pose alors de savoir si ces formes organiques abiotiques sont aussi biodisponibles et provoquent les mêmes réponses géniques et cytologiques que les espèces libres en solution (telles que CH3Hg+ et CH3HgCl), sont dégradées lors de la biomagnification dans les organes d'accumulation des animaux, et sont semblables aux formes de détoxification de Hg. Ces questions seront traitées par des mesures sur des échantillons prélevés dans le milieu naturel (poissons et cheveux humains) et des expérimentations en laboratoire sur le poisson zèbre (Danio rerio).Les résultats des recherches sur le vivant déboucheront sur une meilleure compréhension des relations entre spéciation, biodisponibilité et détoxification du mercure, et fourniront des pistes de réflexion pour améliorer les tests actuels d'évaluation de sa toxicité par une meilleure prise en compte des formes d'exposition. Les connaissances fondamentales acquises sur les mécanismes de fixation du mercure dans la matière organique permettront en outre d'améliorer l'efficacité de certains procédés de traitement des eaux et effluents actuellement utilisés, comme la bio-filtration dans des casiers à tourbe ou dans des zones humides végétalisées.
Hypothèses de travailL’approche consiste à tester par l’expérimentation et le calcul les hypothèses suivantes :a) Le mercure associé à la MOD module le transfert du methylmercure et du mercure divalent dans la colonne d’eau et en fin de compte la biodisponibilité globale de cet élément. b) La structure et la quantité des clusters HgxSy dans la MOD dépendent de la quantité de groupements de type cystéine.c) La structure et la quantité des clusters HgxSy influencent, quant-à eux, la bioaccumulation et la toxicité du mercure.d) L'expression des gènes mt1 et mt2 qui codent pour les isoformes MT-I et MT-II des métallothionéines du poisson zèbre est influencée par la spéciation du mercure dans la MOD.e) Les clusters mercure-soufre des métalloprotéines de détoxification (métallothionéines) produites par les organismes vivants (poisson et homme) sont semblables aux clusters abiotiques HgxSy de la MOD. Il existerait alors un nombre limité de formes HgxSy stables dans la nature.f) La nature des clusters HgxSy dans la MOD influence l’écotoxicité du mercure et module la réponse génétique adaptative, l’inhibition de la fonction mitochondriale, et le comportement de nage du poisson zèbre.g) Les formes de détoxification ne sont pas nécessairement identiques dans le cerveau, le foie et les muscles des poissons, et les cheveux; certains organes d'accumulation pourraient précipiter Hg sous forme de séléniure de mercure (HgSe) comme chez les mammifères (en plus ou à la place des MT).
Résumé de la soumission : Le mercure est un polluant neurotoxique persistant et bioamplifié le long des réseaux trophiques du fait principalement de son affinité pour les groupements thiolates (-RSH) présents en abondance dans de nombreuses protéines. Selon une étude récente réalisée par l'un des partenaires, l'ion Hg(II) forme avec les groupements cystéiques de la matière organique dissoute (MOD) détritique (substances humiques) des clusters HgxSy du type de ceux décrits dans les métalloprotéines (métallothionéines, MT) de détoxification du cadmium, du cuivre et du zinc par les organismes vivants. La question se pose alors de savoir si ces formes organiques abiotiques sont aussi biodisponibles et provoquent les mêmes réponses géniques et cytologiques que les espèces libres en solution (telles que CH3Hg+ et CH3HgCl), sont dégradées lors de la biomagnification dans les organes d'accumulation des animaux, et sont semblables aux formes de détoxification de Hg. Ces questions seront traitées par des mesures sur des échantillons prélevés dans le milieu naturel (poissons et cheveux humains) et des expérimentations en laboratoire sur le poisson zèbre (Danio rerio), afin de tester les hypothèses suivantes :        a) Le mercure associé à la MOD module le transfert du methylmercure et du mercure divalent dans la colonne d’eau et en fin de compte la biodisponibilité globale de cet élément.         b) La structure et la quantité des clusters HgxSy dans la MOD dépendent de la quantité de groupements de type cystéine.        c) La structure et la quantité des clusters HgxSy influencent, quant-à eux, la bioaccumulation et la toxicité du mercure.        d) L'expression des gènes mt1 et mt2 qui codent pour les isoformes MT-I et MT-II des métallothionéines du poisson zèbre est influencée par la spéciation du mercure dans la MOD.        e) Les clusters mercure-soufre des métalloprotéines de détoxification (métallothionéines) produites par les organismes vivants (poisson et homme) sont semblables aux clusters abiotiques HgxSy de la MOD. Il existerait alors un nombre limité de formes HgxSy stables dans la nature.        f) La nature des clusters HgxSy dans la MOD influence l’écotoxicité du mercure et module la réponse génétique adaptative, l’inhibition de la fonction mitochondriale, et le comportement de nage du poisson zèbre.        g) Les formes de détoxification ne sont pas nécessairement identiques dans le cerveau, le foie et les muscles des poissons, et les cheveux; certains organes d'accumulation pourraient précipiter Hg sous forme de séléniure de mercure (HgSe) comme chez les mammifères (en plus ou à la place des MT).Les résultats des recherches sur le vivant déboucheront sur une meilleure compréhension des relations entre spéciation, biodisponibilité et détoxification du mercure, et fourniront des pistes de réflexion pour améliorer les tests actuels d'évaluation de sa toxicité par une meilleure prise en compte des formes d'exposition. Les connaissances fondamentales acquises sur les mécanismes de fixation du mercure dans la matière organique permettront en outre d'améliorer l'efficacité de certains procédés de traitement des eaux et effluents actuellement utilisés, comme la bio-filtration dans des casiers à tourbe ou dans des zones humides végétalisées.
Résultats : Le projet vient de démarrer (rapport à T0+6 mois), par conséquent il y a encore assez peu de résultats. Le Partenaire 4 a réussi à cristalliser, puis à déterminer la structure, d’un cluster polynucléaire Hg7(L)12(Cl2). Le mercure est en coordinence 2 (linéaire), 3 (trigonale)  et 4 (tétraédrique). Le sous-traitant (Université de France-Comté) du Partenaire 1 a calculé que les enthalpies libres de formation des complexes Hg-thiolate linéaire, trigonal et tétraédrique, dans le vide et en solution aqueuse à pH neutre et à pH basique, étaient semblables. Les stabilités effectives à pH neutre des trois types de complexes sont donc proches et, en principe, chacun de trois types de complexes peut être présent en milieu biologique (en compétition avec les autres). Etant donné les faibles différences de stabilité effective trouvées, il apparaît que l’occurrence de tel ou tel type de coordination métal-ligand dans les complexes mercure-protéine est fortement dépendante de l’interaction avec l’environnement protéique. Ces résultats théoriques sont en accord avec la structure du cluster Hg7(L)12(Cl2) dans lequel les trois coordinations coexistent. Ces calculs justifient également l’approche expérimentale poursuivie par le Partenaire 4 qui consiste à explorer l’espace des paramètres (pH, concentration, chauffage, cation/anion et cinétique) lors des synthèses de clusters HgxSy.
Perspectives : Les tâches qui seront réalisées dans l’année qui vient sont décrites dans le calendrier d’exécution du projet (section 3.2). 
Partenaire 1. Poursuite des fractionnements de la matière organique dissoute (MOD). Extraction de MOD en grande quantité pour le Partenaire 2 et complexation du méthylmercure (MeHg). Premières mesures de spectroscopie d’absorption X (en avance sur le calendrier). Calcul ab initio des géométries et des enthalpies libres de complexation de quelques complexes Hg-thiolate modèles.
Partenaire 2. Contamination des poissons zèbres avec de la MOD contaminée au mercure. Mesure de la courbe dose – réponse par contamination aigüe. Expérimentation de la bio-disponibilité et toxicité du mercure avec des doses de MOD-Hg 20 fois inférieures à la dose létale médiane déterminée précédemment.
Partenaire 3. Extraction et de purification des métallothionéines (MTs) de poisson ; mesure du rendement d’extraction ; premiers essais de cristallisation et de saturation des MTs avec du mercure.
Partenaire 4. Poursuite des synthèses de clusters inorganiques HgxSy et déterminations structurales par diffraction des rayons X. Premières tentatives de cristallisation du peptide de novo de séquence homologue à celle des MTs animales.
Publications et brevets : Néant