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Claude Fortin

Biogéochimie des métaux

Spéciation et biodisponibilité des métaux en milieux aqueux

Projets en cours

Chaire de recherche du Canada en biogéochimie des éléments traces

Au cours des cinq prochaines années, les travaux de la Chaire mettront l’accent sur la biodisponibilité d’éléments d’intérêt émergent (lanthanides, platinoïdes et actinides) afin de produire des données écotoxicologiques de qualité qui sont essentielles pour l’évaluation adéquate du risque environnemental que pose l’exploitation minière de ces éléments. Plusieurs activités de recherche novatrices, orientées vers la compréhension des mécanismes d’internalisation des éléments afin de mieux prédire leur biodisponibilité, sont prévues. Celles-ci comprennent l’examen de la spéciation de ces éléments en solution, mais aussi à l’intérieur de l’organisme, et ce, au laboratoire et sur le terrain. L’objectif général à long terme de ce programme de recherche est de mieux comprendre et prédire, notamment par le développement de modèles mécanistes, la biodisponibilité des éléments traces en milieu aquatique.

Financement : Chaire de recherche du Canada

Collaboratrices : Isabelle Lavoie et Kim Racine, INRS

 

Développement d’outils d’évaluation et d’atténuation des impacts potentiels de la récolte de tourbe sur la qualité de l’eau des cours d’eau récepteurs

L’industrie de la tourbe horticole est importante au Québec avec un chiffre d’affaires de près de 500 M$ par année et plus de 2 500 emplois. La récolte de la tourbe à des fins d’horticulture nécessite que la couverture végétale vivante soit retirée de la surface de récolte et qu’une série de canaux de drainage soient creusés afin d’abaisser le niveau de la nappe phréatique, permettant ainsi l’assèchement de la tourbe qui est ensuite récoltée par aspiration. Le drainage peut générer un apport accru de sédiments et la présence d’air dans les couches drainées de tourbe permet une plus grande minéralisation des éléments nutritifs. Dans ce projet, nous allons examiner les impacts de la récolte de tourbe sur la qualité de l’eau (MES, pH, conductivité, ions majeurs, métaux et carbone organique dissous). Une attention particulière sera portée sur les propriétés spectroscopiques du carbone organique dissous, qui a le potentiel de fournir un indicateur spécifique de l’origine du carbone. En effet, nous proposons d’explorer les propriétés fluorescentes de la matière organique pour identifier une signature spécifique au carbone provenant des tourbières, distincte de celle des milieux récepteurs. Les spectres d’excitation et d’émission obtenus par spectrofluorimétrie peuvent permettre l’identification de telles signatures. D’autres signatures optiques ont également un bon potentiel d’indicateur de l’origine du carbone. Parmi ces possibilités, on retrouve le ratio d’absorbance à 465 nm sur celui à 665 nm (ratio E4/E6), qui peut renseigner sur le caractère fulvique ou humique du carbone. L’absorbance spécifique en ultraviolet (SUVA254) mesurée à 254 nm renseigne sur le caractère aromatique du carbone et son utilisation conjointe avec l’indice de fluorescence (FI; le ratio entre l'intensité de l'émission de fluorescence à 470 nm sur celle de 520 nm, pour une excitation à 370 nm) peut indiquer une origine microbienne (autochtone) ou terrigène (allochtone). L’objectif général de ce projet consiste à doter l’industrie d’outils permettant d’évaluer et de réduire l’impact potentiel de la récolte sur la qualité de l’eau de drainage et sur les écosystèmes lotiques récepteurs.

Financement : FRQNT - Programme de recherche en partenariat sur le développement durable du secteur minier, Association des producteurs de tourbe horticole du Québec

Collaborateurs : André St-Hilaire, Sophie Duchesne, Kim Racine et Maryam Charafi (INRS)

 
Étude du comportement et de la biodisponibilité de l’uranium, du thorium et de leurs produits de filiation dans des résidus miniers pour des fins de valorisation
Ce projet vise l'étude du comportement et de la biodisponibilité de l'uranium, du thorium et de leurs produits de filiation dans des résidus de transformation d'un minerai de niobium pour des fins de valorisation. Cette étude permettra de mieux comprendre la distribution environnementale, la spéciation et les risques environnementaux associés à la présence de radioactivité dans l'industrie minière. Pour ce faire, trois axes de recherche ont été identifiés, soit un premier sur l'état séculaire et son impact toxicologique, un second sur la mobilité des radionucléides et un troisième sur la biodisponibilité de ces derniers. L'organisation de la recherche nous permettra de mieux comprendre l'impact du traitement minier sur la mobilité et la biodisponibilité de l'uranium, du thorium et de leurs descendants. Ces trois aspects, critiques pour l'évaluation de l'impact toxicologique, représentent un élément essentiel pour la valorisation des résidus miniers en lien avec le développement durable du secteur minier et favoriseront l'acceptabilité sociale de tels projets. Les résultats de ce projet mettront en lumière les radionucléides problématiques en lien avec les aspects énoncés précédemment et permettront de proposer des stratégies de mitigation associées à la gestion et la revalorisation des résidus miniers.

Financement : FRQNT - Programme de recherche en partenariat sur le développement durable du secteur minier, Niobec

Collaborateurs : Dominic Larivière (Université Laval), Kevin Wilkinson (Université de Montréal), Nathalie Paquet et Gaëlle Triffault-Bouchet (CEAEQ, MDDELCC), Caroline Doose et Andrei Largo (INRS)

 

Tools for Risk Identification and Validation of the Effects of Elements in Northern Canadian Environments (TRIVALENCE)

L'évaluation du risque écologique que représente l'exploitation minière repose sur les connaissances acquises sur la spéciation, la mobilité, la biodisponibilité et la toxicité des éléments exploités. Or, nous détenons actuellement peu d'information de cet ordre sur plusieurs éléments qui sont actuellement très recherchés. En effet, plusieurs projets d'exploitation minière de certains éléments parmi les terres rares (dans la série des lanthanides) et du groupe platine sont en préparation au Québec et ailleurs au Canada. Afin de d'être en mesure de bien évaluer le risque écologique de ces éléments, des organismes tels qu’Environnement Canada ont besoin de données écotoxicologiques pertinentes. Dans le projet TRIVALENCE, nous comptons étudier la biodisponibilité de ces éléments chez des algues unicellulaires ainsi que le transfert trophique vers un organisme supérieur. Plus précisément, nous déterminer comment les conditions physico-chimiques influencent la prise en charge et la toxicité de ces éléments. Les rôles de la matière organique dissoute naturelle (substances humiques) ainsi que la présence d’autres métaux (ex. : Al et Fe) seront particulièrement approfondis.

Financement : CRSNG - Projets stratégiques, Environnement Canada, International Zinc Association, Ontario Ministry of the Environment and Climate Change, Avalon Rare Metals Inc.

Collaborateurs : Kevin Wilkinson (Université de Montréal), James McGeer et Scott Smith (Université Wilfrid Laurier), Peter Campbell, Kim Racine, Rahma Rahal et Geneviève Rioux (INRS)

 

Développement de modèles de prédiction de la biodisponibilité des éléments traces en milieu aquatique

Ce programme de recherche vise à mieux caractériser l'exposition des microorganismes aquatiques à la contamination métallique ainsi que les effets de cette contamination. Il est reconnu que la réponse biologique (prise en charge/toxicité) provoquée par plusieurs métaux traces dépend principalement de la concentration de l'ion métallique libre en solution. Cette relation a permis l’élaboration de modèles simples afin de prédire la biodisponibilité des métaux. Bien que les bases de ces modèles soient éprouvées, leurs applications concrètes en milieu naturel demeurent problématiques à certains égards. Quatre aspects retiennent particulièrement notre attention :

1) Certaines exceptions à la règle ont été documentées, alors que d’autres demeurent à être vérifiées. Par exemple, les carbonato-complexes de métaux pourraient être assimilés par les organismes.

2) Pour un organisme aquatique donné, les effets biologiques (accumulation et toxicité) vont dépendre aussi de plusieurs facteurs environnementaux (ex. : pH, dureté). Les avancées récentes auxquelles nous avons contribué permettent de mieux circonscrire l’influence de certains de ces paramètres sur la biodisponibilité des métaux traces. Malgré cela, le rôle que jouent les oligo-éléments essentiels (ex. : Cu, Zn, Fe) dans la prise en charge, dans la toxicité ainsi que dans les mécanismes de détoxication des métaux non essentiels demeure peu exploré.

3) La grande majorité des données qui confirment la justesse de ces modèles a été obtenue en utilisant des métaux bivalents alors qu’en revanche, les liens entre spéciation et biodisponibilité pour les métaux trivalents demeurent équivoques.

4) Finalement, il existe peu de techniques analytiques permettant de doser l’ion métallique libre. Le développement d’une méthode simple pouvant s’appliquer in situ permettrait de tester ces modèles en milieu naturel. La réalisation de ce programme de recherche permettra d’améliorer les modèles de prédiction de la biodisponibilité des éléments traces en milieu aquatique. Ces modèles sont essentiels pour assurer une protection adéquate des écosystèmes aquatiques, à la fois pour les gestionnaires environnementaux des secteurs publics et privés.

Financement : CRSNG - Subvention à la découverte

Collaborateurs : Kim Racine et Émeric Kochoni (INRS)

 

De l’échelle du mésocosme à celle du Nunavik : Développement d’un bioindicateur pour le suivi de la contamination métallique en région minière

Le nord du Québec sera sujet à des pressions anthropiques importantes avec le développement de son potentiel minier. Une bonne compréhension du fonctionnement des écosystèmes est nécessaire afin d'être en mesure de quantifier le stress causé par les activités minières et d'évaluer le succès des programmes de réhabilitation. Les analyses physicochimiques généralement effectuées lors des suivis de la qualité de l'eau ne renseignent toutefois pas sur les effets d'une contamination sur les communautés biologiques, ne représentent qu'un instantané de la situation au moment où les prélèvements sont effectués, et ne reflètent pas nécessairement la biodisponibilité des contaminants. Le périphyton (biofilm se développant à la surface de substrats dans les plans d'eau), et les diatomées (algues microscopiques) qui en sont une des constituantes majeures, ont un excellent potentiel comme bioindicateur pour évaluer le degré de contamination dans les écosystèmes aquatiques à proximité d'activités minières. Pour ce projet de recherche, nous proposons d'examiner les liens entre la biodisponibilité des contaminants et les réponses du périphyton afin d'établir les bases d'un nouvel outil écotoxicologique d'évaluation du risque écologique que posent les métaux. Avec l'aide de notre partenaire, Canadian Royalties Inc., ce projet de recherche permettra de mieux comprendre l'accumulation des métaux dans le périphyton et ses effets sur celui-ci en milieu nordique.

Financement : FRQNT  - Programme de recherche en partenariat sur le développement durable du secteur minier), Canadian Royalties Inc.

Collaborateurs : Soizic Morin (IRSTEA, Bordeaux, France), Gaëlle Triffault-Bouchet (CEAEQ, MDDELCC), Isabelle Lavoie, Louise-Emmanuelle Paris et Vincent Laderriere (INRS)


Laboratoire d’analyse des mécanismes d’assimilation et de détoxication des métaux chez les organismes d’eaux douces
Cette infrastructure permet de mesurer les éléments traces dans une grande diversité de matrices naturelles allant d’échantillons d’eau ou de sols à des fractions cellulaires d’organismes vivants. Le laboratoire comprend : 1) un spectromètre de masse à quadripôle couplé à un plasma inductif (ICP-MS) ; ce type d’appareil est essentiel pour déterminer les faibles concentrations de métaux présents dans nos écosystèmes aquatiques, mais aussi à l’intérieur des organismes. Les concentrations typiques peuvent être de l’ordre du pM. 2) un chromatographe en phase liquide à haute performance (HPLC) ; le couplage de cet appareil avec un ICP-MS permet de faire un lien entre des métabolites et un élément d’intérêt. 3) une ultracentrifugeuse ; par centrifugation différentielle il est possible de séparer les différentes fractions cellulaires dans lesquels nous pouvons mesurer les concentrations en métaux par ICP-MS. 4) deux compteurs de radiation (compteur gamma et compteur à scintillation liquide) ; en laboratoire il est possible d’utiliser de faibles quantités d’un radioélément comme traceur et ce à des concentrations qui ne seraient pas détectables par ICP-MS ou encore pour mesurer précisément la présence d’un radioélément pour lequel l’isotope stable de cet élément est difficile à mesurer par ICP-MS. Cette infrastructure permettra de répondre à plusieurs questions sur la détoxication des métaux et sur le cheminement des métaux à l’intérieur des organismes.

Financement : Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) et Gouvernement du Québec

Collaboratrice : Kim Racine, INRS

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Michel Lavoie, diplômé du doctorat en sciences de l'eau de l'INRS

Michel Lavoie, diplômé du doctorat en sciences de l'eau de l'INRS