Le mercure en Arctique, de l’environnement à la santé humaine : photodéméthylation aquatique, bioaccessibilité alimentaire et interactions avec le microbiome intestinal humain

Le mercure (Hg) est un contaminant d’envergure en Arctique, tant pour la santé écosystémique que la santé humaine. Émis par des activités anthropiques aux latitudes industrialisées, le Hg est transporté vers le Nord. Il peut ensuite être déposé dans les milieux aquatiques arctiques, où il peut être transformé en méthylmercure (MeHg), la forme organique et la plus toxique de ce contaminant. Le MeHg étant bioamplifiable dans les réseaux trophiques, il peut contaminer les animaux chassés par les Inuits, exposant cette population à des concentrations élevées de cette neurotoxine. L’objectif de cette thèse est d’améliorer notre compréhension des transformations que subissent le Hg et le MeHg dans le Nord, afin de mieux évaluer le risque posé par ce contaminant pour les milieux aquatiques et pour les Inuits. Nous nous penchons d’abord sur la photodéméthylation du MeHg, un processus abiotique survenant dans l’environnement aquatique qui déméthyle le MeHg en sa forme moins toxique, le Hg(II). Nos expériences démontrent que si la photodéméthylation est un phénomène observable dans des mares de fonte de pergélisol, elle est quasi-absente dans les lacs oligotrophes. Ceci contredit l’hypothèse couramment acceptée qu’il s’agit d’un phénomène ubiquitaire, et nous proposons que la matière organique expliquerait cette différence par des mécanismes indirects. Enfin, nous démontrons que la photodéméthylation n’a pas d’impact sur le bilan net de MeHg d’une mare de fonte. Nous proposons que l’importance de la photodéméthylation dans le Nord pourrait changer avec les apports en matière organique et en Hg vers les milieux d’eau douce, dus aux changements climatiques (Girard et al. 2016). Le MeHg qui n’est pas photodéméthylé dans l’environnement peut entrer dans les réseaux trophiques, et être absorbé par les humains via leur alimentation. Les lignes directrices visant à protéger les consommateurs du Hg assument que 100% du MeHg dans le poisson est absorbé par le corps humain. Toutefois, des études récentes suggèrent qu’il pourrait s’agir d’une surestimation, puisque ces recommandations ne tiennent pas compte de l’effet des pratiques alimentaires qui pourraient altérer la spéciation et la complexation du MeHg, affectant sa capacité à être absorbé. Nous avons utilisé un modèle de digestion in vitro pour étudier l’effet de pratiques alimentaires sur la bioaccessibilité (la solubilisation dans le tractus digestif) du MeHg. Nos résultats démontrent que la cuisson et la co-ingestion de composés riches en polyphénols (comme le thé) diminuent significativement la bioaccessibilité, et peuvent avoir un effet cumulatif. Cette étude in vitro devra être validée dans un modèle in vivo, mais ouvre de nouvelles avenues de recherche pour mieux comprendre le sort du Hg dans le corps et pour améliorer les lignes directrices actuelles (Girard et al. 2017a). Une autre variable pouvant affecter le sort du MeHg dans le corps est le microbiome intestinal, cet écosystème diversifié de microorganismes colonisant le tractus digestif. Les microorganismes étant les moteurs biogéochimiques du cycle du Hg dans l’environnement, ils pourraient également interagir avec le Hg et MeHg ingérés avec la nourriture, particulièrement chez les Inuits qui sont exposés à des concentrations importantes via leur diète traditionnelle. Nous présentons la première description du microbiome inuit, réalisé par séquençage de nouvelle génération d’un gène marqueur. Nous démontrons que le microbiome inuit est généralement similaire au microbiome d’occidentaux en termes de composition et de diversité, sans doute dû à la transition alimentaire actuellement en cours dans les communautés nordiques. Par contre, grâce à des analyses de souches bactériennes, nous avons identifié plusieurs marqueurs subtiles associés à la diète traditionnelle inuite (Girard et al. 2017b). Grâce au séquençage métagénomique, nous présentons le premier profile fonctionnel du microbiome inuit, et nous montrons la signature unique des gènes mobiles (comme les plasmides) chez les Inuits. Puis, nous avons exploré comment le microbiome de cette population répond au Hg. D’abord, nous analysons la présence de l’opéron de résistance au mercure (mer) dans le microbiome intestinal humain, qui pourrait permettre la volatilisation du Hg dans le tractus digestif en une forme moins biodisponible. Enfin, nous démontrons l’absence de potentiel de méthylation du Hg par le gène hgcAB dans le microbiome (Girard et al. in prep). Cette thèse contribue de nouvelles observations sur le cycle du Hg et du MeHg en Arctique. Dans le contexte où les changements climatiques risquent d’augmenter l’apport en Hg vers les écosystèmes aquatiques nordiques et de faciliter sa méthylation en MeHg, ces résultats nous permettent de mieux comprendre ce que devient ce contaminant dans l’environnement et chez l’humain, afin de mieux cerner les risques de santé auxquels les Inuits font face tout en permettant la valorisation de la nourriture traditionnelle. Mercury (Hg) is a contaminant of major interest in the Arctic, both for human and ecosystem health. Produced at industrialized latitudes by human activity, Hg is easily carried to the Arctic. It can then be deposited in the North and accumulate in aquatic ecosystems, where it can be transformed into its organic and toxic form of methylmercury (MeHg). As MeHg can biomagnify through foodwebs, it can have important health consequences on the Inuit, whose traditional diet relies on fauna that can be contaminated. The goal of this thesis is to improve our understanding of the cycle of Hg and MeHg in the North, to better assess the risk it represents to aquatic ecosystem health and to the Inuit. First, we focus on the photodemethylation of MeHg, an abiotic process occurring in aquatic ecosystems that degrades MeHg into the less toxic Hg. Our results show that while photodemethylation occurs in permafrost thaw ponds, it is barely detectable in Arctic oligotrophic lakes. This contradicts the commonly accepted idea that photodemethylation is ubiquitous in aquatic ecosystems, and we hypothesized that the lack of organic matter in oligotrophic lakes may explain this difference. Finally, by manipulating an entire pond, we show that photodemethylation did not impact this small ecosystem’s net MeHg budget. However, we suggest that the importance of photodemethylation may change with increased input of organic matter and Hg into thaw ponds due to climate warming (Girard et al. 2016). MeHg that is not degraded by photodemethylation can enter food webs and bioamplify in aquatic animals, and thus be absorbed by humans through their diet. Guidelines aiming to protect consumers from Hg assume that 100% of MeHg in fish is absorbed by the human body, but recent studies suggest this may be an overestimate. Indeed, these recommendations do not take into account dietary practices, which may alter speciation and complexation of MeHg, changing the way it is absorbed. We used an in vitro digestion model to study the impact of dietary practices on bioaccessibility (the fraction of a contaminant solubilized in the gastrointestinal tract) of MeHg. Our results show that cooking and co-ingesting polyphenol-rich foods (such as tea) can significantly reduce bioaccessibility, and both treatments can have a cumulative effect. While this in vitro study must be validated in an in vivo model, it improves our understanding of the mechanistic fate of Hg in the body, and offers novel ways of improving current guidelines (Girard et al. 2017a). iii Another variable that could potentially affect how MeHg behaves in the human body is the gut microbiome, the complex microbial ecosystem that colonizes the human intestine. Since microorganisms are the drivers of biogeochemical cycling of Hg in the environment, it is possible bacterial members of the microbiome can interact with Hg and MeHg ingested with food, notably in the Inuit who are exposed to MeHg through their traditional diet. Here, we provide the first description of the Inuit microbiome using next generation sequencing of a marker gene. We show that the taxonomic composition and diversity of the Inuit microbiome is broadly similar to that of Westerners, likely due to the dietary transition currently underway in Northern communities. However, using fine-scale strain-level analyses, we identified many markers associated with the traditional Inuit diet (Girard et al. 2017b). Using shotgun metagenomic sequencing, we also present the first functional profile of the Inuit microbiome, and show that mobile genes such as plasmids have a unique signature in the Inuit. We then explored how the Inuit microbiome can interact with dietary Hg: first, we show evidence for the presence of the Hg resistance operon (mer) in the human gut microbiome, which shows that Hg could be volatilized in the human gut into a less bioavailable species. Finally, we present our survey of the methylator gene hgcAB, and suggest that it is unlikely that Hg is methylated into toxic MeHg in the human microbiome (Girard et al. in prep). This thesis contributes novel observations on Hg and MeHg in the Arctic, especially in its cycling in the human body. Climate change is likely to increase Hg input into Arctic aquatic ecosystems and facilitate its methylation into MeHg, as well as to contribute to altering the Inuit diet. It is thus critical to better understand how this contaminant behaves in the environment and in the human body. This knowledge on the transformations of MeHg in the Arctic will allow us to improve our assessments of potential health risks Inuit populations face, while encouraging traditional food consumption.

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