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Hdr Année : 2019

Etude mécaniste et multi-échelle de la toxicité des radionucléides : Approches expérimentales et modélisation

Résumé

La question de savoir à partir de quels débits de dose, les rayonnements ionisants représentent un danger à long terme pour l’environnement reste controversée et s’inscrit comme l’un des objectifs principaux de l’IRSN depuis de nombreuses années. Même si un nombre croissant d’études mettent en évidence les effets des radionucléides aux échelons moléculaires, cellulaires, histologiques, macroscopiques, rares sont celles qui abordent plus d’un niveau d’organisation biologique à la fois. Pourtant, comprendre comment les contaminants toxiques en général, et les substances radioactives en particulier, peuvent affecter les espèces naturelles à différents niveaux d’organisation biologique est un enjeu majeur en écotoxicologie comme en radioécologie. Dans ce contexte, une compréhension mécaniste des liens unissant les différentes perturbations observées est nécessaire pour prédire les conséquences sur la survie, la croissance et la reproduction des organismes, processus critiques pour la dynamique de population et la réponse aux échelles écologiques pertinentes. Les différentes études réalisées, en collaboration ou supervisées, ont contribué à promouvoir une évaluation plus robuste du risque lié à la présence de radionucléides dans l’environnement en l’appréhendant à des doses et des temps d’exposition et à des échelles d’organisation biologique pertinentes sur le plan environnemental. Les expérimentations menées en conditions contrôlées ont pour objectif d’étudier et de comparer les effets des radionucléides lors d’expositions chroniques sur plusieurs générations successives à l’Am-241, à l’U appauvri et au Cs-137, représentant respectivement une contamination alpha interne, une contamination par un métal radioactif principalement chimiotoxique et une irradiation gamma externe. Les résultats permettent d’examiner si l’intensité des effets mesurée au cours d’une génération unique est représentative de la toxicité sur le long terme ou si cette intensité augmente au fil des générations. Au terme des études réalisées, la daphnie a rejoint les rares espèces biologiques chez lesquelles les effets des trois types de rayonnements (alpha, beta et gamma) sont décrits. Dès le départ, une approche intégrative est choisie, basée sur les théories de l’Histoire de Vie et du Budget Energétique Dynamique (Stearns, 1992 ; Kooijman, 2010) qui examinent l’ensemble du cycle de vie et un large éventail de traits biologiques et physiologiques. Les êtres vivants étant limités par leurs caractéristiques intrinsèques et par les contraintes de l’environnement, l’idée est de quantifier toute perturbation métabolique induite par la toxicité et de comprendre comment la dépense énergétique supplémentaire qu’elle entraine au sein de l’organisme se répercute sur la réalisation des fonctions clés du cycle de vie, comme la survie, la croissance et la reproduction qui représentent les processus critiques de la dynamique de population et de la sélection naturelle. Le volet expérimental des études est accompagné d’une approche de modélisation. Le modèle mathématique utilisé au niveau de l’organisme est le Budget Energétique Dynamique appliqué à la Toxicologie (DEBtox). Les analyses DEBtox permettent de décrire et expliquer les données expérimentales acquises au laboratoire et de produire des prédictions robustes dans toute condition d’exposition non testée. Développé pour l’étude des polluants chimiques, le modèle DEBtox est appliqué pour la première fois au cas d’un radionucléide, l’U appauvri. Cette application reste classique car la réponse à la toxicité – majoritairement chimique – est expliquée par l’augmentation de la concentration au sein des organismes exposés. Dans le cas des expositions aux rayonnements gamma et alpha, le modèle est spécialement modifié pour prendre en compte une toxicité de nature strictement radiologique. Rapidement, le modèle DEBtox s’avère extrêmement puissant pour identifier les processus métaboliques sous-jacents en cause dans l’apparition des effets biologiques. Pourtant, une limite se fait jour : l’analyse du budget énergétique ne permet pas de comprendre pourquoi la toxicité augmente en intensité au fil des générations. L’approche expérimentale est donc complétée par des analyses moléculaires visant à explorer les processus génétiques et épigénétiques en cause lors des réponses transgénérationnelles. Sur le plan de la modélisation, une application novatrice du modèle DEBtox est mise en œuvre. Elle repose sur le développement d’un dommage transmissible d’une génération à la suivante, permettant de décrire une cinétique transgénérationnelle et d’expliquer l’accroissement de l’intensité des effets. Les prédictions du modèle DEBtox peuvent être couplées à un modèle de population dits « Matrices de Leslie » (Caswell, 2001) afin d’en calculer les conséquences pour la dynamique de population et le risque encouru à un niveau écologiquement plus pertinent.
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Citer

Frederic Alonzo. Etude mécaniste et multi-échelle de la toxicité des radionucléides : Approches expérimentales et modélisation. Sciences de l'environnement. Université Aix Marseille, 2019. ⟨tel-04559253⟩
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