A modelling exercise on the importance of ternary alkaline earth carbonate species of uranium(VI) in the inorganic speciation of natural waters

International audiencePredictive modelling of uranium speciation in natural waters can be achieved using equilibrium thermodynamic data and adequate speciation software. The reliability of such calculations is highly dependent on the equilibrium reactions that are considered as entry data, and the values chosen for the equilibrium constants. The working group " Speciation " of the CETAMA (Analytical methods establishment committee of the French Atomic Energy commission, CEA) has organized a modelling exercise, including four participants, in order to compare modellers' selections of data and test thermodynamic data bases regarding the calculation of U(VI) inorganic speciation. Six different compositions of model waters were chosen so that to check the importance of ternary alkaline earth carbonate species of U(VI) on the aqueous speciation, and the possible uranium solid phases as solubility-limiting phases. The comparison of the results from the participants suggests i) that it would be highly valuable for end-users to review thermodynamic constants of ternary carbonate species of U(VI) in a consistent way and implement them in available speciation data bases, and ii) stresses the necessary care when using data bases to avoid biases and possible erroneous calculations

Assessment of co–contaminant effects on uranium and thorium speciation in freshwater using geochemical modelling

Speciation modelling of uranium (as uranyl) and thorium, in four freshwaters impacted by mining activities, was used to evaluate (i) the influence of the co–contaminants present on the predicted speciation, and (ii) the influence of using nine different model/database combinations on the predictions. Generally, co–contaminants were found to have no significant effects on speciation, with the exception of Fe(III) in one system, where formation of hydrous ferric oxide and adsorption of uranyl to its surface impacted the predicted speciation. Model and database choice on the other hand clearly influenced speciation prediction. Complexes with dissolved organic matter, which could be simulated by three of the nine model/database combinations, were predicted to be important in a slightly acidic, soft water. Model prediction of uranyl and thorium speciation needs to take account of database comprehensiveness and cohesiveness, including the capability of the model and database to simulate interactions with dissolved organic matter. Measurement of speciation in natural waters is needed to provide data that may be used to assess and improve model capabilities and to better constrain the type of predictive modelling work presented here

The Radioecology Exchange

The Radioecology Exchange (www.radioecology-exchange.org) was created in 2011 under the EU FP7 STAR (STrategy for Allied Radioecology, www.star-radioecology.org) Network of Excellence; (2011-2015). This project aims to integrate radioecological research efforts of European organisations into a sustainable network. In 2013, the EU FP7 COMET (COordination and iMplementation of a pan-European instrumenT for radioecology (2013- 2017); www.comet-radioecology.org) project commenced; COMET will build upon the work initiated under STAR. The Radioecology Exchange has therefore become the web resource for activities from both projects which will ultimately be maintained by the European Radioecology Alliance (ALLIANCE; www.er-alliance.org). The Radioecology Exchange is intended to become a ‘gateway’ for information related to European (and wider) radioecological research

Caractérisation de l'exposition des écosystèmes aquatiques à des produits phytosanitaires : spéciation, biodisponibilité et toxicité.<br />Exemple du cuivre dans les eaux de ruissellement<br />de parcelles viticoles (Roujan, Hérault, France).

Thèse en cotutelle (Université de Genève, mention interdisciplinaire / Université Montpellier 1, sciences de l'eau dans l'environnement continental).Auteur actuellement chercheur à l'IRSN ([email protected]).Diffuse pollution due to the application of pesticides is often blamed for groundwater and surface water pollution. In vine growing, copper is still largely used as a fungicide, associated with organic pesticides. The Mediterranean climate leads to runoff and erosion of agricultural fields, favourising the transfer of the pollutants towards surface water. Runoff waters ofvineyards were taken and analysed for the study of speciation, bioavailability and toxicity of copper. The purpose of the methodology was to characterise the exposure to copper compared to the other pesticides used in vines treatment. Toxic effects of copper under controlled conditions and in the samples was evaluated on aquatic organisms (bacteria Vibrio fischeri, algae Pseudokirchneriella subcapitata) and allowed us to validate the observed effect with free-ion concentrations. The primary producers being a privileged target within the framework of the contamination by copper, effects on Pseudokirchneriella subcapitata were evaluated at various levels (growth, membrane integrity, photosynthetic activity, esterasicactivity) in order to improve the comprehension of the toxicity mechanisms. Test results indicate that growth inhibition is the most sensitive endpoint. The observed effects are interpreted according to the chemical speciation of copper in water : physicochemicalcharacterisation and size fractionation (suspended matter, colloids), modelling of chemical speciation (MINEQL+), evaluation of the potential of mobilisation of the copper from particles. The toxic effect of lipophilic metal complexes, which constitutes an exception to thefree ion activity model for bioavailability, was also studied under in vitro conditions. This combined approach (physicochemical characterisation and influence of the speciation of the pollutants on in vitro toxicity) allowed us to identify the parameters that determine transport and toxicity of copper in runoff waters : soil type, rain characteristics and the pesticideapplication (copper, arsenic, Diuron).Les pollutions diffuses d'origine agricole dues aux produits phytosanitaires sont souvent mises en cause dans la pollution des eaux de surface et des eaux souterraines. En viticulture, le cuivre est encore largement utilisé comme fongicide, associé à des pesticides organiques.Le climat méditerranéen favorise un ruissellement et une érosion des sols viticoles, les rendant très propices aux transferts des polluants vers les eaux de surface. Des eaux de ruissellement de parcelles viticoles ont été prélevées et analysées pour l'étude de la spéciation,la biodisponibilité et la toxicité du cuivre. La méthodologie adoptée a eu pour but de caractériser l'exposition au cuivre par rapport aux autres produits phytosanitaires issus du traitement des vignes. L'effet toxique in vitro du cuivre en conditions contrôlées et dans les eaux de ruissellement a été évalué sur des organismes aquatiques (bactérie Vibrio fischeri, algue Pseudokirchneriella subcapitata) et a permis de valider les effets observés par rapport aux concentrations en ion libre calculé. Les producteurs primaires étant une cible privilégiée dans le cadre de la contamination par le cuivre, l'effet sur Pseudokirchneriella subcapitata aété évalué à différents niveaux (croissance, intégrité membranaire, activité photosynthétique, activité estérasique) afin de mieux comprendre les mécanismes de toxicité mis en jeu, et a montré que la croissance est l'indicateur le plus sensible vis à vis de la toxicité du cuivre. Les effets observés ont été interprétés en fonction de la spéciation chimique du cuivre dans leseaux : caractérisation physico-chimique et fractionnement par taille (matières en suspension,colloïdes), modélisation de la spéciation (MINEQL+), évaluation du potentiel de mobilisation du cuivre de la fraction particulaire vers la fraction dissoute. Enfin, l'effet toxique des complexes métalliques lipophiles, qui constitue une exception au modèle de biodisponibilitéde l'ion libre, a été étudié en conditions contrôlées. Cette double approche (caractérisations physico-chimiques et influence de la spéciation des polluants sur la toxicité in vitro) a permis de déterminer les paramètres influents dans le transfert du cuivre et la toxicité dans les eauxde ruissellement : le type de sol des parcelles, les caractéristiques de la pluie et les types d'apports de produits phytosanitaires (cuivre, arsenic, Diuron)

Biodisponibilité des éléments traces métalliques et des radionucléides en milieu aquatique continental. Implications pour l’évaluation du risque écologique dans un contexte de multi-contamination.

Mes activités de recherche s’inscrivent dans le cadre des enjeux actuels de la protection de l’environnement vis-à-vis des éléments traces métalliques (ETM) et des radionucléides. J’ai développé mes activités de recherche principalement au sein de l’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire), au sein duquel je suis chercheur depuis fin 2002. Chef du Laboratoire de Radioécologie et d’Ecotoxicologie de 2007 à 2011, puis du Laboratoire de Biogéochimie, Biodisponibilité et Transferts des radionucléides depuis début 2012, j’ai exercé mes activités principalement au sein du projet ENVIRHOM-Eco que je pilote depuis 2008.Ma démarche a été d’allier des études expérimentales couplées à la conception de modèles avec la représentation des processus observés par des modèles, dans un double but de prédire l’exposition (ex. extrapolation à des situations réelles) et d’utilisation opérationnelle pour la caractérisation du risque écologique. Mes recherches s’articulent autour de trois thématiques principales dont la synthèse est présentée dans ce mémoire :-la caractérisation du danger des ETM et des radionucléides pour les organismes aquatiques (Chapitre 1)Ma recherche s’est tout d’abord appuyée sur la conduite de bioessais d’écotoxicité sur différents organismes aquatiques (ex. algues, daphnies) et le développement de marqueurs de réponse sensibles (ex. stress oxydatif, génotoxicité) et représentatifs de la physiologie et de la dynamique de population des espèces. Les différents projets dans lesquels je me suis impliqué m’ont permis de traiter différentes situations d’exposition (uranium, sélénium, cuivre, irradiation externe gamma, contamination interne par des émetteurs alpha et beta, respectivement avec l’241Am, le 3H). Les résultats obtenus sur les effets de l’irradiation gamma et la synthèse de ceux issus de la littérature ont notamment été utilisés pour proposer une méthodologie et des critères de protection radiologique génériques pour les écosystèmes (ERICA).-La détermination de la biodisponibilité des ETM et des radionucléides pour les organismes aquatiques (Chapitre 2)Mon objectif a été de préciser le lien entre la biodisponibilité pour les organismes aquatiques et la spéciation chimique des contaminants en solution (cuivre, uranium). Les résultats obtenus ont permis de valider, mais surtout de déterminer les limites d’application d’outils analytiques permettant la mesure de la labilité des métaux (DPASV, DGT) et de modèles (modèle de l’ion libre, du ligand biotique), notamment pour la prise en comte de la biodisponibilité dans un cadre réglementaire, comme pour la surveillance de l’état chimique des masses d’eau (Directive cadre sur l’eau), la détermination d’une Norme de Qualité Environnementale pour l’uranium, et son intégration dans la démarche d’évaluation du risque écologique.-La prise en compte des expositions conjointes à de multiples contaminants (stables et radioactifs) dans les écosystèmes aquatiques (Chapitre 3)Nos travaux ont mis en évidence que les évaluations du risque écologique liés aux rejets urbains ou industriels aboutissent souvent à l’identification de plusieurs contaminants (radioactifs et stables) à risque potentiel, alors que les connaissances et méthodes utilisées ne permettent pas de représenter de manière pertinente ces mélanges. Ainsi, mon objectif a été d’identifier les interactions entre contaminants stables et radioactifs (ex. U+Se, Cu+3H) par la confrontation des résultats expérimentaux avec les modèles couramment admis d’addition des concentrations et d’indépendance d’action.A l’issue de ce bilan, mon projet visera à confronter des méthodes d’évaluation du risque écologique a priori (détermination du danger en laboratoire) à des informations in situ de caractérisation d’une part de la pression de contamination par des contaminants radioactifs et stables et d’autre part de la santé des écosystèmes. L’objectif de ce projet collaboratif sera double : (1) lever les différents verrous scientifiques et méthodologiques qui limitent encore la détermination du danger par l’extrapolation des connaissances expérimentales (maîtrise des conditions d’exposition en modulant la biodisponibilité, lien avec les concentrations et les doses internes, élargissement des modèles de biodisponibilité et d’effet conjoints à des contaminants multiples) ; (2) la validation des outils de mesure de la biodisponibilité dans des échantillons complexes (ex. présence de matière organique naturelle …) pour en permettre à terme un utilisation pour la surveillance et la quantification des expositions aux ETM et aux radionucléides

Caractérisation de l'exposition des écosystèmes aquatiques à des produits phytosanitaires : spéciation, biodisponibilité et toxicité : "Exemple du cuivre dans les eaux de ruissellement de parcelles viticoles (Roujan, Hérault, France)"

Les pollutions diffuses d'origine agricole (ex.: viticulture) sont mises en cause dans la pollution des eaux de surface. Dans l'objectif de caractériser l'exposition des écosystèmes aquatiques, des eaux de ruissellement de parcelles viticoles ont été prélevées pour étudier la spéciation du cuivre (modélisation chimique, séparation par taille, extraction des particules) et les effets toxiques (bioessais sur bactérie Vibrio fischeri et algue Pseudokirchneriella subcapitata). Outre les paramètres influents dans le transfert du cuivre et la toxicité (type de sol, pluie, apports de produits phytosanitaires), la biodisponibilité du cuivre est influencée par la présence de ligands (dissous, colloïdaux, particulaires) qui limitent la présence d'ions libres biodisponibles. Cependant, certains ligands (oxine, dithiocarbamates) forment des complexes métalliques lipophiles qui augmentent la toxicité. Les résultats obtenus illustrent la complexité de la caractérisation de l'exposition dans des milieux soumis à une multipollution, et la nécessité de valider les modèles chimiques avec les effets biologiques observés

Caractérisation de l'exposition des écosystèmes aquatiques à des produits phytosanitaires : spéciation, biodisponibilité et toxicité (exemple du cuivre dans les eaux de ruissellement de parcelles viticoles (Roujan, Hérault, France))

Les pollutions diffuses d'origine agricole sont souvent mises en cause dans la pollution des eaux de surface. En viticulture, le cuivre est encore largement utilisé comme fongicide, associé à des produits phytosanitaires organiques. Le climat méditerranéen favorise un ruissellement et une érosion des sols viticoles, les rendant très propices aux transferts des polluants vers les eaux de surface. L'objectif a été de caractériser l'exposition des écosystèmes aquatiques aux produits phytosanitaires et au cuivre exportés. Des eaux de ruissellement de parcelles viticoles ont été prélevées pour l'étude de spéciation, biodisponibilité et toxicité. L'effet toxique in vitro du cuivre a été évalué sur des organismes aquatiques unicellulaires (bactérie Vibrio fischeri, algue Pseudokirchneriella subcapitata). Les effets sur l'algue ont évalué à différents niveaux (croissance, intégrité membranaire, activité photosynthétique, activité estérasique), montrant que la croissance est l'indicateur le plus sensible. Les effets observés ont été interprétés en fonction de la spéciation chimique du cuivre dans les eaux : caractérisation physico-chimique et fractionnement par taille (matières en suspension, colloïdes), modélisation de la spéciation (MINEQL+), évaluation du potentiel de mobilisation du cuivre de la fraction particulaire vers la fraction dissoute. Enfin, l'effet toxique des complexes métalliques lipophiles, une exception au modèle de biodisponibilité de l'ion libre, a été étudié en conditions contrôlées. Cette double approche (caractérisations physico-chimiques et influence de la spéciation des polluants sur la toxicité in vitro) a permis de déterminer les paramètres influents dans le transfert du cuivre et la toxicité dans les eaux de ruissellement : le type de sol , les caractéristiques de la pluie et les apports de produits phytosanitaires (cuivre, arsenic, Diuron).MONTPELLIER-BU Pharmacie (341722105) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

Impact des pressions toxiques multiples sur les écosystèmes aquatiques du Bassin Versant du Rhône

Cette fiche est la synthèse du projet de recherche "IPOTOMUS", lauréat de l'appel à projet de recherche du LabEx DRIIHM et de l'OHM vallée du Rhône. Elle a vocation à porter à connaissance les principaux résultats scientifiques de cette recherche, la plus-value pour le territoire et les perspectives ouvertes.L’impact écologique potentiel des pressions toxiques multiples exercées sur l’écosystème aquatique a été caractérisé via un indice unique évalué le long du corridor rhodanien. Certaines substances inventoriées n’ont cependant pas pu être incluses du fait d’un manque de connaissances sur leur écotoxicité (cas des polychlorobiphényles - PCB). L’impact écologique résulterait principalement de la présence de certains métaux traces (cuivre, nickel, vanadium et zinc) qui proviennent à la fois de l’érosion des roches et de l’activité humaine. La contribution de chacune de ces sources reste à estimer. La prise en compte des substances très faiblement quantifiées montre que les dichlorodiphényl-trichloroéthanes (DDT) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) peuvent contribuer de manière non négligeable. Finalement, la variation spatio-temporelle de l’indice est faible et surtout liée à l’hétérogénéité des jeux de données