De nombreux métaux et métalloïdes sont indispensables au développement des sociétés humaines, qui ont exploité les gisements de divers éléments stratégiques depuis des siècles, voire des millénaires. Cependant, les êtres vivants dits " supérieurs " sont sensibles à la toxicité des métaux et métalloïdes : ces derniers peuvent causer des dommages importants à la santé des populations exposées, ainsi qu'à l'ensemble des écosystèmes contaminés. Les milieux riches en métaux et métalloïdes offrent cependant des niches écologiques favorables au développement de certains micro-organismes. La microflore de ces environnements est capable de résister à de fortes concentrations en métaux, et de nombreuses bactéries peuvent utiliser des métaux et des métalloïdes en tant que donneurs ou accepteurs d'électrons. Elles participent ainsi activement aux cycles biogéochimiques de ces éléments. Le présent mémoire est une synthèse des travaux réalisés par l'auteur entre 1990 et 2010 dans le domaine des biotechnologies et de la biogéochimie. Ces études ont été focalisées sur des processus bactériens de solubilisation ou d'immobilisation des métaux et/ou métalloïdes, en milieu neutre, modérément acide ou très acide. Les principaux sujets de recherche abordés ont été les suivants : * la biolixiviation acidophile des minerais sulfurés, et les interactions entre bactéries et fer dissous, * l'oxydation biologique de l'arsenic dans les environnements miniers, et l'application de ce phénomène dans le domaine du traitement des eaux, * l'utilisation de l'As(III) comme source d'énergie par des bactéries isolées, * les phénomènes de bio-réduction et bio-précipitation de métaux et métalloïdes, en particulier du chrome et de l'arsenic, en conditions de sulfato-réduction. Les différents travaux évoqués dans le présent mémoire ont porté soit sur la biogéochimie d'environnements pollués, soit sur la mise au point de procédés de bioremédiation. Le projet de recherche proposé pour les années à venir conservera cette dualité processus/procédés. Il sera focalisé sur les réactions qui modifient les formes des métaux et métalloïdes en présence de catalyseurs microbiens, et s'efforcera de quantifier le bénéfice potentiel tiré de ces réactions par les micro-organismes, en fonction des conditions physico-chimiques. Cette démarche permettra de cibler la recherche de niches écologiques où des métabolismes bactériens originaux, potentiellement exploitables en termes de procédés, pourraient être mis en évidence.

Des pollutions des sols (péri)urbains et urbaines fortement peuplées en métaux et metalloïdes persistants (éco)toxiques sont couramment observées à l’échelle globale. Certains éléments (Se, Cu…) ont des rôles biologiques et par contre d’autres (Pb, Cd…) ont uniquement un impact (éco)toxique qui peut être influencé par leur spéciation et compartimentation qui modifient leurs transferts et biodisponibilité. Dans une optique de gestion des sols et d’alimentation durables, des questions scientifiques pluridisciplinaires sont à creuser concernant : (i) les mécanismes en jeu dans la biodisponibilité et l’impact sur les organismes vivants des éléments inorganiques en lien avec leur spéciation ; (ii) la co-gestion des risques environnement-santé induits par des installations industrielles classées : ICPE en France (ex. usine de recyclage de batteries) avec les riverains qui cultivent des potagers ou les employés. Dans ce contexte, ont été étudiés : (i) le transfert des métaux entre phase solide et solution du sol sous l’influence des vers de terre sur un site ICPE; (ii) le transfert et la bioaccessibilité du Se en conditions contrôlées pour 2 formes chimiques; (iii) le risque sanitaire pour les riverains d’un site ICPE qui jardinent, et les facteurs influant les plombémies des professionnels (étude statistique des données). Une review bibliographique de la qualité du manioc en lien avec les pratiques culturales et culinaires et les caractéristiques de l’environnement a finalement été réalisée pour compléter la démarche « Sciences et Société » de la thèse. L’analyse des différents isotopes du plomb dans les sols aux alentours de l’usine de recyclage a permis de conclure que 84 à 100% du plomb des sols de surface est d’origine anthropique. Un comportement d’évitement des zones les plus polluées en plomb a été observé pour l’espèce de vers de terre A. caliginosa. Le transfert racinaire, la translocation du sélénium vers le maïs et sa bioaccessibilité dans le grain sont plus élevés dans le cas du séléniate (facteur de translocation de 1.1, et bioaccessibilité humaine de 89,3%) par rapport au sélénite (0.13, et bioaccessibilité de 82,7%). L’étude de la qualité des cultures des jardins proches de l’usine (à Bazoches), en relation avec la qualité du sol (faible contamination, pH basique et teneur élevée en matières organiques qui réduisent les transferts) et de l’atmosphère a mis en évidence un transfert atmosphère-plante qui dépend du métal (le Cd est le plus biodisponible) et du végétal. Les concentrations en Pb et Cd suivent respectivement les séquences : [laitue>poireau>céleri>carotte] et [laitue>céleri>carotte>poireau]. Pour réduire l’exposition des populations, un lavage soigneux des productions avant la consommation est préconisé.

Environ 10 millions de personnes, soit près d'un tiers de la population canadienne, utilise des eaux souterraines comme source d’eau potable, et plus de 80% de la population rurale canadienne dépend de l'approvisionnement en eau souterraine pour faire son approvisionnement en eau. Le Bilan de la qualité de l'eau potable au Québec 2005-2009, nous montre qu’environ 14% des habitants du Québec prend leur eau de puits individuelle. Dans la municipalité de Saint-François-Xavier-de-Brompton (SFXB) il n'y a pas de système collectif de production de l’eau potable. Pour cette raison, les quelque 2 500 habitants de cette municipalité s'approvisionnent en eau à partir de puits privés. La première étape de cette recherche (réalisée en 2013), vise à déterminer le portrait spatio-temporel de la qualité de l’eau potable dans cinq puits individuels à SFXB. Les campagnes d'échantillonnage ont été réalisées de la mi-mai jusqu’à la fin de novembre (22 en 2013 et 24 en 2014). Le suivi environnemental réalisé, testé l’eau potable sur soixante-dix produits pharmaceutiques et pesticides, cyanotoxines (microcystines MC-LR), métaux et metalloïdes en état de traces, nitrate et phosphore total. Pendant ce suivi environnemental, on a quantifié seize contaminants émergents CÉ (neuf produits pharmaceutiques, six pesticides et MC-LR), du cadmium, de l’arsenic, du fer, du manganèse et une quantité suffisante de nitrates et phosphore total pour garantir l’eutrophisation du Petit Lac Saint-François (PLSF) placé quelques mètres en aval de nos résidences riveraines. En 2014 la deuxième étape du projet a débuté, en élargissant la zone d’étude avec l’ajout de dix-huit municipalités du centre-sud de Québec, mais cette fois ci, en prenant des eaux potables traitées des municipalités petites à moyennes (médiane de 4000 habitants). Les campagnes d'échantillonnage ont été réalisées de mai jusqu’à la fin de novembre (8 en 2014 et 4 en 2015). Dans les dix-huit municipalités, onze molécules (6 produits pharmaceutiques, 4 pesticides et MC-LR) ont été quantifiées dans au moins un échantillon, y compris le cancérogène connu cyclophosphamide et le fongicide thiabendazole, dont la présence dans l'eau potable municipale traitée au Québec est signalée ici pour la première fois. Les concentrations maximales de produits pharmaceutiques quantifiés variaient de 48 à 1233 ng l-1 et de pesticides de 40 à 366 ng l-1.

Depuis le début de l'industrialisation, de nombreux déchets contaminés en éléments métalliques et métalloïdes sont rejetés dans l'environnement sans aucune gestion. L’activité minière a généré des quantités colossales de déchets, fins et non consolidés, riches en EMM stockés sous forme de terrils ou entreposés dans des bassins de décantation puis laissés à l’abandon à l’air libre sans aucun aménagement ni protection. Ces déchets restent sur place exposés à une forte érosion éolienne et hydriques induisant une dissémination des particules contaminées dans les différents compartiments de l’environnement (sols/sédiments/eau/atmosphère). Dans un premier temps, l’étude du devenir des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols contaminés relatif à l’activité minière ont mis en évidence la présence de risques environnementaux et sanitaires associés. Les résultats soulignent que (i) le comportement géochimique des trois éléments (cadmium, zinc et plomb) est différent, (ii) la spéciation de ces éléments change clairement entre les déchets miniers et les sols, (iii) le Pb plomb peut causer des effets néfastes sur la santé pour les enfants. Dans un second temps, deux techniques de réhabilitation des sites contaminés ont été appréhendées: i) dans le cadre de la refonctionnalisation des sols, la potentialité d’une phytostabilisation assistée par des amendements organique et inorganique de parcelles contaminées avec le sapin de Douglas, ainsi que ii) la valorisation ex-situ par attaque des déchets miniers par voie alcaline qui mets en jeu la réduction de la source de pollution. / Since the beginning of industrialization, many wastes contaminated with metal(loid)shave been released into the environment without any management. Mining has generated huge quantities of fine, unconsolidated waste, rich in metal(loid)s, stored in tailing or in settling ponds and then left to be abandoned in the open air without any development or protection. This waste remains on site exposed to strong wind and water erosion leading to the spread of contaminated particles in the various environmental compartments (soil/sediment/water/atmosphere). First, the study of the fate of metal(loid)s in contaminated soils related to mining activity revealed the presence of associated environmental and health risks. The results highlight that (i) the geochemical behaviour of the three elements (cadmium, zinc and lead) is different, (ii) the speciation of these elements clearly changes between tailings and soils, (iii) Pb lead can cause adverse health effects for children. In a second step, two techniques for the rehabilitation of contaminated sites were apprehended: (i) in the context of soil refunctionalization, the potential for phytostabilization assisted by organic and inorganic amendments of plots contaminated with Douglas fir, as well as (ii) ex-situ recovery by attacking mining waste by alkaline way, which involves reducing the pollution source.

L'objectif général de cette thèse est de mieux comprendre l'influence d'anciens sites miniers sur la contamination en métaux (Cd, Hg, Tl, Pb, Zn) et métalloïdes (As, Sb) de l'hydrosystème aval. Une attention particulière a été portée à l'antimoine (Sb), dont le comportement dans les cours d'eau contaminés par les drainages miniers reste mal connu et dont la signature isotopique pourrait permettre de tracer différentes sources et processus. Le site d'étude est le bassin des Gardons dans le Gard ; ce cours d'eau Cévenol draine de nombreux sites miniers abandonnés (Pb, Zn, Sb, charbon). L'enrichissement en métaux et métalloïdes a été étudié dans les sédiments actuels et anciens du bassin des Gardons. Un historique de la contamination métallique a été reconstitué à l'aide d'une archive sédimentaire. Les sources prépondérantes de métaux et métalloïdes dans les sédiments ont été déterminées ainsi que la mobilité potentielle de ces éléments vers la phase aqueuse. En complément, les variations de concentrations en métaux et métalloïdes dans les phases dissoute et particulaire ont été étudiées lors d'un épisode de crue grâce à un échantillonnage à haute résolution temporelle. Dans leur ensemble, les résultats montrent que les anciennes mines du bassin des Gardons contribuent à l'enrichissement en métaux et métalloïdes du cours d'eau aval, particulièrement en période de crue. Plus spécifiquement, le comportement de l'antimoine a été étudié dans un affluent du Gardon impacté par du drainage minier acide en aval de l'ancienne mine de Carnoulès et la composition isotopique de l'antimoine a été déterminée dans des eaux prélevées sur le bassin des Gardons et de l'Orb amont, après mise au point d'un protocole de purification/pré-concentration de Sb. Les résultats mettent en évidence le potentiel des isotopes de l'antimoine pour tracer l'origine de cet élément et les processus qu'il subit au cours de son transfert dans les cours d'eau impactés par du drainage de mine. / The overall objective of this thesis was to improve understanding of the influence of former mining sites on metal (Cd, Hg, Tl, Pb, Zn) and metalloid (As, Sb) contamination of the downstream hydrosystem. A special care was given to antimony (Sb), its behavior in mining-impacted streams remains poorly known and its isotopic signature could be usefull to track sources and processes. The study site is the Gardon River watershed in the south-east of France which drains many abandoned mining sites (Pb, Zn, Sb, coal). Metal and metalloid enrichment was studied in current and historical sediments of the Gardon River watershed. A sedimentary archive was used to investigate past metal contamination history. The prevailing metal and metalloid sources in sediments were determined together with the potential mobility of these elements toward the aqueous phase. In addition, dissolved and particulate metal and metalloid concentration variations were studied during a flood event using a high temporal resolution sampling. Altogether, the results suggest that former mining sites of the Gardon River watershed contribute to metal and metalloid enrichment of the downstream hydrosystem, especially during floods. More specifically, antimony behavior was investigated in a tributary of the Gardon River which is impacted by acid mine drainage originating from the disused Carnoulès mine and antimony isotopic composition was determined in waters collected in the Gardon River watershed and in the Upper Orb River after developing a protocol for preconcentrating and purifying Sb. The results highlight the potential of antimony isotopes to track the origin of this element and the processes that it undergoes during its transfer in streams impacted by mine drainage.

Les conséquences des activités industrielles passées, et notamment métallurgiques, persistent encore aujourd'hui. C'est le cas dans l'actuel Parc National des Calanques, qui abrite l'ancienne fonderie de plomb de l'Escalette (sud-est de Marseille). Ainsi, plus de 80 ans après la fermeture de cette usine, une contamination importante et étendue en éléments traces métalliques et métalloïdes (ETMM) est présente. Les objectifs de cette thèse ont été de contribuer à l'évaluation de la contamination diffuse en ETMM des sols des Calanques situés aux alentours du site industriel abandonné de l'Escalette. Dans un but futur de restauration écologique, solution adaptée dans le contexte particulier de la zone de pollution diffuse, située dans le Parc National des Calanques, les capacités d'accumulation et les mécanismes de tolérance d'une espèce autochtone, le romarin (Rosmarinus officinalis) ont été étudiés. Ainsi, cette étude a permis de mettre en évidence quelques mécanismes de tolérance aux ETMM certainement mis en jeu dans le cas du romarin. Les résultats montrent que le romarin pourrait être un candidat intéressant pour la phytostabilisation aux vues de sa capacité d'accumulation des ETMM dans les racines, ainsi que sa résistance à des niveaux de contamination très élevés. / Past industrial activities, particularly metallurgical one, have current environmental consequences. As an example, the former lead smelter from l'Escalette (South-East Marseille, France) in the National Park of Calanques lead to an important environmental pollution of its surroundings. Thus, more than 80 years after its activity ceased, a trace metal and metalloide (TMM) diffuse pollution is still present. This PhD study aimed to contribute to the assessment of the diffuse contamination levels by TMM of the Calanque's soils around the former lead smelting factory. Aiming at identifying an adapted solution of ecological restoration of the areas with diffuse pollution located in the National Park of Calanques. Accumulation abilities and tolerance mechanisms of a native plant species, rosemary (Rosmarinus officinalis), were studied. In order to achieve this, in situ and ex situ assays were performed. TMM concentrations in rosemary organs (leaves, stems, roots) and some stress phytometabolites were assessed. Moreover, the role of mycorrhizal symbioses in rosemary tolerance was evaluated.

Les Technosols comprennent les sols soumis à une forte pression anthropique et en particulier les sols influencés par les matériaux d'origine humaine. Dans ce contexte, les sites miniers abandonnés peuvent souvent contenir une grande quantité de déchets transformés enrichis en métaux et métalloïdes. En comparaison avec les sols naturels, la singularité des Technosols miniers correspond à leur matériel parental constitués de déchets minéraux de granulométrie fine. Contrairement à leurs homologues peu anthropisés, les Technosols sont encore assez mal connus. L'objectif global de cette étude est d'approfondir les connaissances des processus pédogénétiques des Technosols développés naturellement à partir de déchets miniers de façon à mieux anticiper la réhabilitation de ces sites. Ainsi, différents profils ont été échantillonnés correspondant respectivement à d’anciennes exploitations de W, Pb-Ag, Sn et Au. Leurs fonctionnements pédologiques ont dès lors été étudiés afin de déterminer les liens potentiels et les leviers guidant leur évolution. Cette étude préliminaire correspond à une image contemporaine de ce que peut donner une réhabilitation naturelle (par simple formation de solum après végétation spontanée) pour une durée d’environ 75 ans en moyenne. Dans un second temps plusieurs techniques de réhabilitation ont été étudiés respectivement: (i) la phytoremédiation par culture du Douglas ainsi que (ii) la revalorisation des déchets par synthèse de géopolymères enrichis en déchets miniers. / The Technosols include soils subject to strong anthropogenic pressure and particularly to the soil influenced by human-made materials. In this context, abandoned mine sites can contain a large amount of transformed waste materials often enriched with metals and metalloïds. Compared to natural soils, the singularity of mining Technosols naturally developed from mining waste corresponding to their parental material made by fine-grained mineral waste. Unlike their poorly anthropized homologous, Technosols are not enough well known. So, the overall objective of this study is to increase knowledge of soil processes of Technosols after spontaneous vegetation impact. Thus, different profiles were sampled respectively corresponding to different abandoned mine exploitation type: W, Pb-Ag, Sn and Au. Their pedogenic way have therefore been studied to determine potential linkages and levers guiding their evolution. This preliminary study is based on the contemporary picture of a natural rehabilitation (by simple solum formation) for a period of about 75 years on average. Secondly several rehabilitation techniques have been studied respectively: (i) the phytoremediation by growing Douglas plant and (ii) the reused of waste by mine sediment based geopolymer synthesis.

Des pollutions des sols (péri)urbains et urbaines fortement peuplées en métaux et metalloïdes persistants (éco)toxiques sont couramment observées à l’échelle globale. Certains éléments (Se, Cu…) ont des rôles biologiques et par contre d’autres (Pb, Cd…) ont uniquement un impact (éco)toxique qui peut être influencé par leur spéciation et compartimentation qui modifient leurs transferts et biodisponibilité. Dans une optique de gestion des sols et d’alimentation durables, des questions scientifiques pluridisciplinaires sont à creuser concernant : (i) les mécanismes en jeu dans la biodisponibilité et l’impact sur les organismes vivants des éléments inorganiques en lien avec leur spéciation ; (ii) la co-gestion des risques environnement-santé induits par des installations industrielles classées : ICPE en France (ex. usine de recyclage de batteries) avec les riverains qui cultivent des potagers ou les employés. Dans ce contexte, ont été étudiés : (i) le transfert des métaux entre phase solide et solution du sol sous l’influence des vers de terre sur un site ICPE; (ii) le transfert et la bioaccessibilité du Se en conditions contrôlées pour 2 formes chimiques; (iii) le risque sanitaire pour les riverains d’un site ICPE qui jardinent, et les facteurs influant les plombémies des professionnels (étude statistique des données). Une review bibliographique de la qualité du manioc en lien avec les pratiques culturales et culinaires et les caractéristiques de l’environnement a finalement été réalisée pour compléter la démarche « Sciences et Société » de la thèse. L’analyse des différents isotopes du plomb dans les sols aux alentours de l’usine de recyclage a permis de conclure que 84 à 100% du plomb des sols de surface est d’origine anthropique. Un comportement d’évitement des zones les plus polluées en plomb a été observé pour l’espèce de vers de terre A. caliginosa. Le transfert racinaire, la translocation du sélénium vers le maïs et sa bioaccessibilité dans le grain sont plus élevés dans le cas du séléniate (facteur de translocation de 1.1, et bioaccessibilité humaine de 89,3%) par rapport au sélénite (0.13, et bioaccessibilité de 82,7%). L’étude de la qualité des cultures des jardins proches de l’usine (à Bazoches), en relation avec la qualité du sol (faible contamination, pH basique et teneur élevée en matières organiques qui réduisent les transferts) et de l’atmosphère a mis en évidence un transfert atmosphère-plante qui dépend du métal (le Cd est le plus biodisponible) et du végétal. Les concentrations en Pb et Cd suivent respectivement les séquences : [laitue>poireau>céleri>carotte] et [laitue>céleri>carotte>poireau]. Pour réduire l’exposition des populations, un lavage soigneux des productions avant la consommation est préconisé. / Pollution of (peri)urban soils by (eco)toxic metal(loid)s is commonly observed on a global scale. Some elements (Se, Cu ...) have biological roles and other (Pb, Cd ...) only have an (eco)toxic impact influenced by their speciation and compartmentalization that can change their transfers and bioavailability. With the perspective of sustainable management of soil and food, multidisciplinary scientific questions are digging for: (i) the mechanisms involved in the bioavailability and impact on living organisms of inorganic elements related to speciation; (ii) the co-management of environmental-health risks from industrial regulated plants (ICPE in France, such as former battery recycling plant) with residents who grow vegetable gardens or employees. In this context, were studied: (1) the transfer of metals between solid phase and soil solution under the influence of earthworms on a ICPE site; (2) the transfer and bioavailability of Se in controlled conditions for two chemical forms; (3) the health risk for the residents with gardening activities near ICPE plant and factors influencing blood lead of professionals (statistical analysis of data). A literature review of the quality of cassava in connection with the cultivation and culinary practices and characteristics of the environment was finally performed to complete the "Science and Society" process of the thesis. From the analysis of different isotopes of lead in the soil around the recycling plant it was concluded that 84 to 100% of lead in surface soils has anthropogenic origin. Avoidance behavior in the most lead polluted areas was observed for A. caliginosa earthworm species. The selenium root transfer, translocation to corn and its bioavailability in the grain are higher in the case of selenate (translocation factor of 1.1, and human bioavailability of 89.3%) compared to selenite (0.13 and bioaccessibility 82.7%). The study of crops quality in the gardens near the ICPE plant (in Bazoches), in relation to atmosphere and soil quality (low Pb contamination, alkaline pH and high organic content that reduce pollutants transfers) highlighted an atmosphere-plant transfer which depends on the metal (Cd is the most bioavailable) and plant species. Pb and Cd concentrations follow respectively the sequences: [lettuce> Leek> celery> carrot] and [lettuce> celery> carrot> leek]. To reduce population exposure, thorough washing of productions before consumption is recommended.

La biosurveillance humaine permet aujourd’hui d’évaluer notre exposition aux produits chimiques par la mesure soit des substances elles-mêmes, soit de leurs métabolites ou marqueurs d'effets sur la santé, à partir des fluides corporels ou des tissus. Les informations recueillies dans le cadre d’enquêtes épidémiologiques renseignent sur l'exposition humaine et constituent des bases précieuses dans la recherche des relations exposition-réponse chez les humains. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’enquête transversale IMePoGe conduite entre 2008-2010 dans la région Nord–Pas-de-Calais (au nord de la France), incluant 2000 résidents adultes âgés de 20 à 59 ans, et visant à quantifier les niveaux d’imprégnation de la population à 14 métaux et métalloïdes (aluminium, antimoine, arsenic total, béryllium, cadmium, cobalt, chrome, mercure, manganèse, nickel, plomb, thallium, vanadium, zinc) choisis pour leurs effets toxiques et la fréquence de l’exposition professionnelle et environnementale. Les objectifs spécifiques de cette thèse étaient, tout en portant une attention particulière au plomb et au cadmium, deux métaux néphrotoxiques connus dans la littérature : i) d’établir la distribution de l’imprégnation aux métaux et métalloïdes dans la population du Nord de la France et de comparer le niveau régional d’imprégnation avec les données nationales et internationales ; ii) d’identifier les facteurs majeurs de variation de l’imprégnation et les sources d’exposition au plomb et au cadmium dans la population générale ; iii) d’étudier la relation entre la variation du débit de filtration glomérulaire et les niveaux d’imprégnation aux métaux. Globalement, les concentrations sanguines et urinaires de la plupart des métaux et métalloïdes étaient plus élevées que celles rapportées dans l’enquête nationale nutrition santé conduite sur la même période dans la population française, à l’exception du vanadium urinaire et du plomb sanguin. La plombémie moyenne régionale (moyenne géométrique) était de 18,8 μg/L. De nombreuses sources d’exposition au plomb existaient dans la population et étaient à la fois d’origine professionnelle, environnementale et alimentaire. Pour ce qui est du cadmium, le tabagisme se présentait comme la principale source d’exposition récente ou chronique au métal : la cadmiémie moyenne, reflet de l’exposition récente, était de 0,39 μg/L et passait de 0,26 μg/L chez les non-fumeurs à 0,84 μg/L chez les fumeurs ; la cadmiurie moyenne, reflet de l’exposition chronique, était de 0,37 μg/L (0,33 μg/g créatinine) et passait de 0,33 μg/L (0,29 μg/g créatinine) chez les non-fumeurs à 0,46 μg/L (0.37 μg/g créatinine) chez les fumeurs. Enfin, dans le cadre de l’étude de la relation entre l’imprégnation aux métaux et le débit de filtration glomérulaire, notre étude a montré que la prise en compte de la co-exposition à d’autres métaux et métalloïdes potentiellement néphrotoxiques bouleversait considérablement les associations antérieures jusqu’ici rapportées spécifiquement avec le plomb et le cadmium, dans le cadre de faibles niveaux d’imprégnation en population générale. / Human Biomonitoring allows us to evaluate our exposure to chemicals by measuring substances themselves or their metabolites or markers of health effects, from body fluids or tissues. The information collected through epidemiological surveys provide information on human exposure and are valuable databases in the research of exposure-response relationships in humans. This thesis is part of the cross-sectional IMePoGe survey conducted between 2008-2010 in the Nord–Pas-de-Calais region (in northern France), including 2,000 adult residents aged 20 to 59 years old, and aimed to quantify the impregnation levels of the population to 14 metals and metalloids (aluminum, antimony, total arsenic, beryllium, cadmium, cobalt, chromium, mercury, manganese, nickel, lead, thallium, vanadium, zinc) chosen for their toxic effects and the frequency of occupational and environmental exposure. The specific objectives of this thesis were, which a special interest for lead and cadmium, two nephrotoxic metals known in the literature: i) to establish the distribution of impregnation metals into the northern population of France and compare the exposure regional level to metals and metalloids with the national and international data; ii) to identify the major factors of variation of the impregnation and the sources of exposure to lead and cadmium in the general population; iii) to study the relationship between the change in glomerular filtration rate and the impregnation levels to metals. Overall, blood and urinary concentrations of most metals and metalloids were higher than those found in the national nutritional health survey conducted during the same period in the French population, with the exception of urinary vanadium and blood lead. The regional mean of blood lead level (geometric mean) was 18.8 μg/L. Several sources of lead exposure existed in the population and were link to the occupational, environmental and consumption parameters. Regarding cadmium, smoking was the main source of recent or chronic exposure to metal: the geometric mean of blood cadmium, reflecting a recent exposure, was 0.39 μg/L and increased from 0.26 μg/L in non-smokers to 0.84 μg/L in smokers; the geometric mean of urinary cadmium, reflecting the chronic exposure, was 0.37 μg/L (0.33 μg/g creatinine) and increased from 0.33 μg/L (0.29 μg/g creatinine) in non-smokers to 0.46 μg/L (0.37 μg/g creatinine) in smokers. Finally, as part of the study of the relationship between the metal levels and the glomerular filtration rate, our study showed that taking into account the multiple exposure to the other potentially nephrotoxic metals and metalloids upset considerably the previous associations specifically reported with lead and cadmium, in the context of low levels exposure in the general population.

Au Nunavik, il est recommandé aux femmes inuites enceintes et allaitantes de consommer un bouillon à base de poisson, car cela favoriserait la croissance du bébé pendant la grossesse et l’allaitement. Cependant, celles-ci ont une demande nutritionnelle plus élevée et les carences en fer (Fe) et en calcium (Ca) sont fréquentes. De plus, certaines espèces de poissons peuvent être riches en métaux et métalloïdes potentiellement toxiques, tels que le mercure (Hg) et l’arsenic (As), mais peu est connu sur le transfert de ceux-ci vers le bouillon. Ce projet visait à optimiser le bouillon à base de poisson en mesurant les nutriments (potassium (K), Ca, magnésium (Mg), Fe, zinc (Zn), sélénium (Se)) et les métaux et les métalloïdes potentiellement toxiques (Hg, As, cadmium (Cd)) dans diverses espèces de poissons (omble de fontaine (Salvelinus fontinalis), grand corégone (Coregonus clupeaformis), truite grise (Salvelinus namaycush), omble chevalier (Salvelinus alpinus)) et d’autres ingrédients comme les algues (Alaria esculenta), les moules (Mytilus edulis) et les myes (Mya truncata) qui peuvent être riches en Fe et en Ca et augmenter le contenu nutritionnel du bouillon. Nous avions aussi regardé l’utilisation d’un produit commercial, le Lucky Iron Fish (LIF)®, pour augmenter la teneur en Fe du bouillon. Pour évaluer l’effet de la cuisson sur les concentrations dans les ingrédients et le transfert potentiel des nutriments, des métaux et des métalloïdes vers le bouillon, les tissus crus et cuits ainsi que les bouillons ont été comparés. Les analyses incluaient la spéciation du Hg et de l’As dans quelques ingrédients ainsi que la bioaccessibilité des nutriments et des métaux et des métalloïdes potentiellement toxiques dans les algues et les bivalves. La plupart des espèces de poissons étaient d’excellentes sources de K, Mg, Zn et Se, tandis que les algues et les bivalves étaient des sources excellentes de Ca, Mg et Zn et en Fe pour les bivalves. Le LIF était une source potentielle de Fe lorsqu’il était préconditionné dans de l’eau acidifié à un pH de 3,5 et qu’une femme enceinte consommait environ 20 tasses ou 5 L du bouillon en une journée pour avoir des apports similaires à ceux du manufacturier. Les concentrations en métaux et en métalloïdes pour la plupart des ingrédients étaient inférieures à la 2 valeur maximale recommandée pour les ingrédients commerciaux, à l’exception des grosses truites grises qui présentaient des concentrations élevées en Hg surtout dans les joues et les muscles. Cependant, de faibles concentrations en Hg ont été mesurées dans le bouillon de poisson. L’étude de la spéciation du Hg a révélé que les poissons contenaient plus de 90 % de méthylmercure, à l’exception de l’omble chevalier avec 80 %, alors que les autres ingrédients en contenaient moins de 50 %. Deux tissus d’algues crues et les bouillons des deux espèces de poisson (surtout la truite grise) présentaient des niveaux d’As supérieurs à la valeur recommandée. Les algues contenaient environ 40 % d’arsénosucres et 33 % d’arsénolipides et les bivalves contenaient moins de 20 % d’arsénosucres et 66 à 73 % d’arsénolipides. Les truites grises et leurs bouillons contenaient plus de 90 % d’arsénobétaïne. Les enzymes utilisées pour les tests de bioaccessibilité étaient riches en plusieurs métaux essentiels mesurés ; la bioaccessibilité de ces métaux n’a donc pas été quantifiée pour ceux-ci. La bioaccessibilité des métaux et des métalloïdes potentiellement toxiques chez les algues et les bivalves était de 100 % pour le Cd, de 40 % pour l’As total pour les algues et 100 % pour les bivalves, et a varié entre 25 et 50 % pour le Hg total (à l’exception de deux échantillons d’algues à 75 %). D’après nos résultats, tous les bouillons réalisés à partir des différentes espèces de poisson ainsi que leurs différentes parties sont sécuritaires à la consommation pour les femmes enceintes et allaitantes, hormis les muscles et les joues de grosses truites grises. Cependant, le bouillon fait avec de grosses truites grises peut être consommé. De plus, les algues et les bivalves sont d’excellents ingrédients à ajouter à la recette pour optimiser sa teneur en nutriments. Une recette optimale serait donc faite d’un poisson autre que la grosse truite grise, et des algues et des bivalves y seraient ajoutés et consommés en entier pour avoir l’apport nutritionnel de ses ingrédients. / In Nunavik, it is recommended to pregnant and breastfeeding Inuit women to consume fish-based broth because it is said to help the baby’s growth during pregnancy and with lactation. However, these women have a higher nutritional demand and iron (Fe) and calcium (Ca) deficiencies are quite common. Additionally, some fish species can be high in potentially toxic metal(loid)s such mercury (Hg) and arsenic (As) and it is unknown to what extent these can transfer to the broth. This project aims to optimize the fish-based broth by measuring the nutrients (potassium (K), Ca, magnesium (Mg), Fe, zinc (Zn), selenium (Se)) and potentially toxic metal(loid)s (Hg, As, cadmium (Cd)) in various fish species (brook trout (Salvelinus fontinalis), lake whitefish (Coregonus clupeaformis), lake trout (Salvelinus namaycush), Arctic char (Salvelinus alpinus)) and other ingredients like seaweed (Alaria esculenta), mussels (Mytilus edulis) and clams (Mya truncata) which can be rich in Fe and in Ca and increase the nutritional content of the broth. We also looked at the use of a commercial product, the Lucky Iron Fish (LIF)®, to increase the Fe content of the broth. To investigate the effect of cooking on the concentration of various ingredients and the potential transfer of nutrients and metal(loid)s to the broth, raw and cooked tissues and their broth were compared. Analysis included Hg and As speciation in various ingredients as well as the bioaccessibility of the nutrients and potentially toxic metal(loid)s in seaweeds and bivalves. Most fish species were excellent sources of K, Mg, Zn and Se, while seaweeds and bivalves were excellent sources of Ca, Mg and Zn and Fe for bivalves. The LIF was a potential source of Fe when preconditioned in water acidified to a pH level of 3.5 and a pregnant woman consumed approximately 20 cups or 5 L of the broth in a day to have intakes similar to those of the manufacturer. Most ingredients had metal(loid) concentration below the maximum recommended value for commercial ingredients except for large lake trout which had high Hg concentration especially in the cheeks and the muscles. However, low concentrations of Hg were measured in the fish broth. Study of Hg speciation showed that fish contained more than 90% of methylmercury 4 except for Arctic char with 80%, while the other ingredients contained less than 50%. Two raw seaweed tissues and the broth of both fish species (especially lake trout) had As levels above the recommended value. Seaweeds contained roughly 40% arsenosugars and 33% arsenolipids and bivalves contained fewer than 20% arsenosugars and 66–73% arsenolipids. Lake trouts and their broths contained more than 90% arsenobetaine. The enzymes used for the bioaccessibility test were rich in several essential metals measured; bioaccessibility of these metals were therefore not quantified. Bioaccessibility of potentially toxic metal(loid)s in seaweeds and bivalves was 100% for Cd, 40% for total As for seaweeds and 100% for bivalves and varied between 25 and 50% for total Hg (with the exception of two seaweed samples at 75%). According to our results, all broths made from different species of fish as well as their different parts are safe for consumption by pregnant and breastfeeding women, except the muscles and cheeks of large lake trout. However, broth made with large lake trout can be consumed. Additionally, seaweeds and bivalves are excellent ingredients to add to the recipe to optimize its nutrient content. An optimal recipe would then be made with a fish other than large lake trout, and seaweed and bivalves will be added and consumed entirely to obtain the nutritional contribution of these ingredients.