Development of chemical and biological indicators for environmental risk assessment of contaminated sites and soils.

Dans le cadre d'une gestion durable des sites et sols pollués (SSP), cette thèse avait pour objectif général d’améliorer les évaluations des risques environnementaux (ERE) et sanitaires (ERS).Des concentrations internes de références (TGV) ont été déterminées ex situ pour des métal(loïde)s, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) et des polychlorobiphényles, de même que des indicateurs globaux, tels que les indices ex situ de somme des excès de transferts (GSET) et de risques écotoxicologiques (GERITOXE). Ces indicateurs ont été appliqués à 68 sols diversement contaminés et ont montré que ce ne sont pas nécessairement les sols les plus contaminés qui présentent les risques les plus élevés. Il a été montré que les excès de transferts de métal(loïde)s pour l’escargot sont, à la différence des transferts non-anomaliques provenant du fond pédogéochimique, plus influencés par la concentration totale que par les propriétés physico-chimiques des sols. Au-delà de ces influences, se posait également la question de l’influence des spécificités des sites sur la biodisponibilité des contaminants pour l’escargot. Cela a été investigué dans un essai inter-laboratoire aboutissant à la normalisation des approches in situ et ex situ (ISO 24032) avec lequel nous avons montré que les transferts sont globalement plus élevés ex situ qu’in situ, sauf pour quelques métaux (e.g., Cd et Mo). Nous avons ainsi pu discerner les intérêts respectifs des méthodes d’ERE in situ et ex situ et des réponses obtenues en fonction des questions scientifiques et des perspectives de gestion. La recherche de liens entre les concentrations biodisponibles et des effets écotoxicologiques spécifiques de l’escargot a été menée à différents niveaux d’organisation (traits d’histoire de vie et stabilité du génome) pour affiner l’interprétation des indicateurs globaux développés. La pertinence du couplage du test des micronoyaux avec la technique d’amplification aléatoire d’ADN polymorphe pour une évaluation de la génotoxicité dans les hémocytes a été mise en évidence. L’étude de la dynamique des télomères chez l’escargot a été mise au point et a révélé des motifs originaux. Une forte attrition des télomères durant la croissance du stade juvénile au stade sub-adulte a été caractérisée, suivie par un maintien de la longueur des télomères durant la vie adulte. Bien que des dommages génotoxiques soient identifiés et associés à des altérations de la santé des escargots exposés à des sols contaminés par des métaux et des HAP, leurs télomères ne sont pas raccourcis dans les hémocytes. Dans le contexte d’applicabilité de l’initiative One health à la gestion des SSP considérant la santé de l’homme et la santé environnementale, l’étude des expositions via les relations entre la bioaccessibilité pour l’homme et la biodisponibilité pour l’escargot de l’As, du Cd et du Pb du sol a révélé de fortes convergences. Concernant les liens entre les niveaux de risque, il a été montré que des sols identifiés comme "à risque" pour la santé humaine pouvaient présenter un faible ou une absence de transfert des contaminants vers les escargots et donc une absence de risque environnemental, offrant des perspectives de gestion alternatives.En conclusion, les résultats obtenus ouvrent de nouvelles voies vers la recherche des relations fondamentales entre la biodisponibilité environnementale et toxicologique à différents niveaux d’organisation biologique et l’identification des intérêts respectifs des approches de terrain et de laboratoire dans le cadre des évaluations des risques en fonction des questions de gestion. Des approches permettant de combiner des méthodologies d’évaluation environnementale et sanitaire sont proposées afin de mieux gérer les pollutions environnementales. Enfin, les indicateurs développés dans le cadre de cette thèse renforcent le positionnement des outils chimiques et biologiques de caractérisation ciblés à l’échelle des sites.In the context of the sustainable management of polluted sites and soils, the overall objective of this thesis was to improve environmental (ERA) and human health (HHRA) risk assessments.Threshold guide values (TGV) were determined ex situ in the land snail for metal(loid)s, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorobiphenyls (PCBs) as well as global indicators, such as ex situ indices of sum of excess transfer (GSET) and ecotoxicological risk (GERITOXE). These indicators were applied to 68 various contaminated soils and showed that it is not necessarily the most contaminated soils that present the highest risk. In addition, it was highlighted that excess metal(loid) transfers to snail are, unlike non-anomalous transfers from the soil geochemical background, more influenced by the total concentration than by the physico-chemical properties of the soils. Beyond these influences, the question also arose of the influence of site specificities on the bioavailability of contaminants to the snail. This was investigated in an inter-laboratory test leading to the standardization of the in situ and ex situ approaches (ISO 24032). It was evidenced that transfers are generally higher ex situ than in situ, except for few metals (e.g., Cd and Mo). This enable to discern the respective interests of in situ and ex situ ERA methods and the answers obtained according to scientific questions and management perspectives. The relationships between bioavailable concentrations and specific ecotoxicological effects for the snail were studied at different levels of organization (life history traits and genomic stability) to refine the interpretation of the global indicators developed. The relevance of the coupling of the micronucleus assay with the random amplification technique of polymorphic DNA for the assessment of genotoxicity in hemocytes was demonstrated. The study of telomere dynamics in the land snail has been developed and has revealed novel patterns. A strong telomere attrition during growth from the juvenile to the sub-adult stage was characterized, followed by a maintenance of telomere length during adult life. Although genotoxic damage has been identified and associated with health alterations to snails exposed to metal- and PAH-contaminated soils, their telomeres are not shortened in hemocytes. In the context of the applicability of the One health initiative to the management of polluted sites and soils considering both human and environmental health, the study of exposures with the relationships between bioaccessibility to humans and bioavailability to the snails of As, Cd and Pb in contaminated soils revealed strong convergences. Concerning the links between risk levels, it was shown that soils identified as "at risk" for human health could present a low or even absence of transfer of contaminants to snails and therefore an absence of environmental risk, offering alternative management perspectives.In conclusion, the results obtained pave the way towards the research of fundamental relationships between environmental and toxicological bioavailability at different levels of biological organization and the identification of the respective interests of field and laboratory approaches in risk assessments in relation to management issues. Approaches to combine environmental and health assessment methodologies are proposed in the aim to better manage environmental pollutions. Finally, the indicators developed within the framework of this thesis strengthen the positioning of targeted chemical and biological characterization tools at the site scale

Développement d’indicateurs chimiques et biologiques pour l’évaluation des risques environnementaux des sites et sols contaminés.

In the context of the sustainable management of polluted sites and soils, the overall objective of this thesis was to improve environmental (ERA) and human health (HHRA) risk assessments.Threshold guide values (TGV) were determined ex situ in the land snail for metal(loid)s, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorobiphenyls (PCBs) as well as global indicators, such as ex situ indices of sum of excess transfer (GSET) and ecotoxicological risk (GERITOXE). These indicators were applied to 68 various contaminated soils and showed that it is not necessarily the most contaminated soils that present the highest risk. In addition, it was highlighted that excess metal(loid) transfers to snail are, unlike non-anomalous transfers from the soil geochemical background, more influenced by the total concentration than by the physico-chemical properties of the soils. Beyond these influences, the question also arose of the influence of site specificities on the bioavailability of contaminants to the snail. This was investigated in an inter-laboratory test leading to the standardization of the in situ and ex situ approaches (ISO 24032). It was evidenced that transfers are generally higher ex situ than in situ, except for few metals (e.g., Cd and Mo). This enable to discern the respective interests of in situ and ex situ ERA methods and the answers obtained according to scientific questions and management perspectives. The relationships between bioavailable concentrations and specific ecotoxicological effects for the snail were studied at different levels of organization (life history traits and genomic stability) to refine the interpretation of the global indicators developed. The relevance of the coupling of the micronucleus assay with the random amplification technique of polymorphic DNA for the assessment of genotoxicity in hemocytes was demonstrated. The study of telomere dynamics in the land snail has been developed and has revealed novel patterns. A strong telomere attrition during growth from the juvenile to the sub-adult stage was characterized, followed by a maintenance of telomere length during adult life. Although genotoxic damage has been identified and associated with health alterations to snails exposed to metal- and PAH-contaminated soils, their telomeres are not shortened in hemocytes. In the context of the applicability of the One health initiative to the management of polluted sites and soils considering both human and environmental health, the study of exposures with the relationships between bioaccessibility to humans and bioavailability to the snails of As, Cd and Pb in contaminated soils revealed strong convergences. Concerning the links between risk levels, it was shown that soils identified as "at risk" for human health could present a low or even absence of transfer of contaminants to snails and therefore an absence of environmental risk, offering alternative management perspectives.In conclusion, the results obtained pave the way towards the research of fundamental relationships between environmental and toxicological bioavailability at different levels of biological organization and the identification of the respective interests of field and laboratory approaches in risk assessments in relation to management issues. Approaches to combine environmental and health assessment methodologies are proposed in the aim to better manage environmental pollutions. Finally, the indicators developed within the framework of this thesis strengthen the positioning of targeted chemical and biological characterization tools at the site scale.Dans le cadre d'une gestion durable des sites et sols pollués (SSP), cette thèse avait pour objectif général d’améliorer les évaluations des risques environnementaux (ERE) et sanitaires (ERS).Des concentrations internes de références (TGV) ont été déterminées ex situ pour des métal(loïde)s, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) et des polychlorobiphényles, de même que des indicateurs globaux, tels que les indices ex situ de somme des excès de transferts (GSET) et de risques écotoxicologiques (GERITOXE). Ces indicateurs ont été appliqués à 68 sols diversement contaminés et ont montré que ce ne sont pas nécessairement les sols les plus contaminés qui présentent les risques les plus élevés. Il a été montré que les excès de transferts de métal(loïde)s pour l’escargot sont, à la différence des transferts non-anomaliques provenant du fond pédogéochimique, plus influencés par la concentration totale que par les propriétés physico-chimiques des sols. Au-delà de ces influences, se posait également la question de l’influence des spécificités des sites sur la biodisponibilité des contaminants pour l’escargot. Cela a été investigué dans un essai inter-laboratoire aboutissant à la normalisation des approches in situ et ex situ (ISO 24032) avec lequel nous avons montré que les transferts sont globalement plus élevés ex situ qu’in situ, sauf pour quelques métaux (e.g., Cd et Mo). Nous avons ainsi pu discerner les intérêts respectifs des méthodes d’ERE in situ et ex situ et des réponses obtenues en fonction des questions scientifiques et des perspectives de gestion. La recherche de liens entre les concentrations biodisponibles et des effets écotoxicologiques spécifiques de l’escargot a été menée à différents niveaux d’organisation (traits d’histoire de vie et stabilité du génome) pour affiner l’interprétation des indicateurs globaux développés. La pertinence du couplage du test des micronoyaux avec la technique d’amplification aléatoire d’ADN polymorphe pour une évaluation de la génotoxicité dans les hémocytes a été mise en évidence. L’étude de la dynamique des télomères chez l’escargot a été mise au point et a révélé des motifs originaux. Une forte attrition des télomères durant la croissance du stade juvénile au stade sub-adulte a été caractérisée, suivie par un maintien de la longueur des télomères durant la vie adulte. Bien que des dommages génotoxiques soient identifiés et associés à des altérations de la santé des escargots exposés à des sols contaminés par des métaux et des HAP, leurs télomères ne sont pas raccourcis dans les hémocytes. Dans le contexte d’applicabilité de l’initiative One health à la gestion des SSP considérant la santé de l’homme et la santé environnementale, l’étude des expositions via les relations entre la bioaccessibilité pour l’homme et la biodisponibilité pour l’escargot de l’As, du Cd et du Pb du sol a révélé de fortes convergences. Concernant les liens entre les niveaux de risque, il a été montré que des sols identifiés comme "à risque" pour la santé humaine pouvaient présenter un faible ou une absence de transfert des contaminants vers les escargots et donc une absence de risque environnemental, offrant des perspectives de gestion alternatives.En conclusion, les résultats obtenus ouvrent de nouvelles voies vers la recherche des relations fondamentales entre la biodisponibilité environnementale et toxicologique à différents niveaux d’organisation biologique et l’identification des intérêts respectifs des approches de terrain et de laboratoire dans le cadre des évaluations des risques en fonction des questions de gestion. Des approches permettant de combiner des méthodologies d’évaluation environnementale et sanitaire sont proposées afin de mieux gérer les pollutions environnementales. Enfin, les indicateurs développés dans le cadre de cette thèse renforcent le positionnement des outils chimiques et biologiques de caractérisation ciblés à l’échelle des sites

COMBINE – Coupler des indicateurs chimiques et biologiques pour une évaluation intégrative des risques sanitaires et environnementaux

ACTNInternational audienc

Telomere dynamic in humans and animals: Review and perspectives in environmental toxicology

International audienceTelomeres (TLs) play major roles in stabilizing the genome and are usually shortened with ageing. The maintenance of TLs is ensured by two mechanisms involving telomerase (TA) enzyme and alternative lengthening telomeres (ALT). TL shortening and/or TA inhibition have been related to health effects on organisms (leading to reduced reproductive lifespan and survival), suggesting that they could be key processes in toxicity mechanisms (at molecular and cellular levels) and relevant as an early warning of exposure and effect of chemicals on human health and animal population dynamics. Consequently, a critical analysis of knowledge about relationships between TL dynamic and environmental pollution is essential to highlight the relevance of TL measurement in environmental toxicology.The first objective of this review is to provide a survey on the basic knowledge about TL structure, roles, maintenance mechanisms and causes of shortening in both vertebrates (including humans) and invertebrates. Overall, TL length decreases with ageing but some unexpected exceptions are reported (e.g., in species with different lifespans, such as the nematode Caenorhabditis elegans or the crustacean Homarus americanus). Inconsistent results reported in various biological groups or even between species of the same genus (e.g., the microcrustacean Daphnia sp.) indicate that the relation usually proposed between TL shortening and a decrease in TA activity cannot be generalized and depends on the species, stage of development or lifespan. Although the scientific literature provides evidence of the effect of ageing on TL shortening, much less information on the relationships between shortening, maintenance of TLs, influence of other endogenous and environmental drivers, including exposure to chemical pollutants, is available, especially in invertebrates.The second objective of this review is to connect knowledge on TL dynamic and exposure to contaminants. Most of the studies published on humans rely on correlative epidemiological approaches and few in vitro experiments. They have shown TL attrition when exposed to contaminants, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls (PCB), pesticides and metallic elements (ME). In other vertebrates, the studies we found deals mainly with birds and, overall, report a disturbance of TL dynamic consecutively to exposure to chemicals, including metals and organic compounds. In invertebrates, no data are available and the potential of TL dynamic in environmental risk assessment remains to be explored.On the basis of the main gaps identified some research perspectives (e.g., impact of endogenous and environmental drivers, dose response effects, link between TL length, TA activity, longevity and ageing) are proposed to better understand the potential of TL and TA measurements in humans and animals in environmental toxicology

QuEChERS applicability to measure land snail polycyclic aromatic hydrocarbons for risk assessment.

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Ex situ environmental risk assessment of polluted soils using threshold guide values for the land snail Cantareus aspersus

International audienceEnvironmental risk assessment of contaminated soils should ideally be carried out with complementary approaches (chemical and biological) conducted in situ and ex situ. While biological methods based on the assessment of effect and bioaccumulation in bioindicators exists for soil fauna organisms, such as land snails, the methodology is currently limited in the field to 14 metallic elements (MEs). To provide new relevant tools to the stakeholders polluted fields, the aim of this work is to determine ex situ threshold guide values (ex situ TGVs), for 15 MEs, 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and 7 polychlorinated biphenyls (PCBs). These ex situ TGVs are the usual concentration of contaminants found in the viscera of the bioindicator Cantareus aspersus after 28 days of exposure to uncontaminated soils. The second objective was to assess and validate the relevance of these ex situ TGVs for the interpretation of contamination levels in various European contaminated soils based on global index calculations: i) The sum of the excess of transfers (SETs) and ii) the weighted SETs based on the general toxicity points of each contaminant used to evaluate the risk of transferred MEs, PAHs and PCBs (ERITMEs, ERITPAHs and ERITPCBs, respectively). In addition, the influence of soil physico-chemical properties on accumulation was modelled to better understand their roles in bioavailability. The presented ex situ TGV and the associated indicators (the global sum of the excess of transfers and global ecotoxicological risk) provide a basis by which stakeholders can prioritize the management of polluted soils depending on the risk they may represent. The determination of ex situ TGVs for organic and inorganic compounds provides new tools to characterize excess contaminant transfers, and it will also allow the use of snails for ERAs, notably for common pollutants, such as PAHs and PCBs for which guide values are not available

La bioaccessibilité et la biodisponibilité, deux outils pour une évaluation des risques intégrative (projet COMBINE)

COMInternational audienc

Corrigendum to “Ex situ environmental risk assessment of polluted soils using threshold guide values for the land snail Cantareus aspersus” [Sci. Total Environ. 721 (2020) 137789]

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From bioavailability to risk assessment of polluted soil using snails: link between excess transfer and inhibition of sexual maturation

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Intégration de la biodisponibilité dans l’évaluation des risques sanitaires et environnementaux de sols contaminés

ACTNInternational audienc