Importance de mieux connaître les mécanismes de transport des métaux pour la prédiction de l’accumulation et de la toxicité des métaux dissous chez le phytoplancton : récentes avancées et défis pour le développement du modèle du ligand biotique The importance of gathering more knowledge on metal transport mechanisms to predict the uptake and toxicity of dissolved metals by phytoplankton: new insights and challenges for the development of the biotic ligand model

Résumé

L’accumulation et la toxicité (aigüe) des métaux dissous chez plusieurs organismes aquatiques peuvent être prédites adéquatement à l’aide du modèle du ligand biotique (MLB), même si quelques exceptions existent. Lors d’expositions chroniques aux métaux, des interactions physiologiques complexes entre les organismes et les métaux essentiels et non essentiels modulent le taux de transport des métaux et leur toxicité. La présente revue de littérature aborde les récentes avancées en chimie de l’environnement, en biologie moléculaire et en physiologie cellulaire touchant aux mécanismes de régulation du transport membranaire des métaux essentiels chez le phytoplancton eucaryote et leurs impacts sur l’accumulation et la toxicité d’un métal habituellement non essentiel, le cadmium. Cette revue évalue finalement la possibilité d’inclure des éléments de physiologie algale dans la présente version du MLB afin d’améliorer le potentiel de ce modèle à prédire l’accumulation et la toxicité des métaux pour des expositions chroniques. Les résultats disponibles dans la littérature suggèrent que l’inclusion des rétroactions négatives et positives des métaux sur les paramètres cinétiques (V_max : vitesse maximale de transport transmembranaire; K_M : affinité des transporteurs pour le métal) des multiples systèmes de transport membranaire des métaux a le potentiel d’améliorer les prédictions de l’accumulation et de la toxicité des métaux à long terme chez le phytoplancton. Le développement d’un MLB capable de prédire adéquatement la toxicité chronique des métaux dans des conditions physicochimiques variables représentatives de celles retrouvées en milieu naturel bénéficiera des avancées récentes et futures en toxicologie, biologie et chimie de l’environnement. Ces connaissances pourraient permettre à long terme d’atteindre l’objectif ambitieux d’un MLB capable de réaliser des prédictions fiables à l’intérieur de milieux naturels complexes de différentes compositions chimiques.

Mots-clés :

• Modèle du ligand biotique,
• toxicité des métaux,
• phytoplancton,
• physiologie algale,
• transport membranaire des métaux

Abstract

The accumulation and (acute) toxicity of dissolved metals in many aquatic organisms are normally well predicted with the biotic ligand model (BLM), although some exceptions have been reported. In long-term chronic metal exposures, complex physiological interactions with essential and non-essential metals may modulate metal uptake rates and toxicity. The present literature review discusses recent advances in environmental chemistry, molecular biology, and physiology related to the regulatory mechanisms of membrane transport of essential metals in eukaryotic phytoplankton and to their impacts on the accumulation and toxicity of cadmium, a usually non-essential metal. This literature review finally evaluates the possibility of including elements of algal physiology in the current version of the BLM in order to enhance the potential of this model to predict metal uptake and toxicity in chronic exposures. The available results in the literature suggest that the inclusion of negative and positive feedback interactions of metals on the kinetic parameters (V_max: maximal uptake rate; K_M: metal affinity of the transport sites) of multiple metal transport systems shows promise for better predicting the long-term accumulation and toxicity of metals in phytoplankton. The development of a BLM able to predict the chronic toxicity of metals under various physicochemical conditions representative of those found in the environment will benefit from recent and future advances in toxicology, biology and environmental chemistry. The knowledge gained will aid in achieving the ambitious goal of developing an extended BLM that reliably predicts metal toxicity in complex natural aquatic environments.

Keywords:

• Biotic ligand model,
• metal toxicity,
• phytoplankton,
• algal physiology,
• metal transport systems