La contamination par le sélénium des écosystèmes d'eau douce est un problème de santé environnementale constant dans le monde entier. Un oligo-élément d'origine naturelle, les niveaux de sélénium sont élevés dans certaines formations géologiques comme les schistes sédimentaires qui forment une grande partie du substratum rocheux dans l'ouest des États-Unis. Les sols issus de ce socle rocheux, et l'altération des affleurements de schiste, peut contribuer à des niveaux élevés de sélénium dans les bassins hydrographiques environnants.

Nouvelle recherche cette semaine dans Sciences et technologies de l'environnement de l'UConn Professeur adjoint de ressources naturelles et de l'environnement Jessica Brandt avec Travis Schmidt et ses collègues du United States Geological Survey (USGS) étudie certaines des complexités du sélénium et la façon dont il se déplace dans l'écosystème lors des événements de ruissellement et à la suite de l'irrigation saisonnière des sols enrichis en sélénium.

La recherche s'est concentrée sur le bassin inférieur de la rivière Gunnison dans le Colorado, une zone touchée par le substratum rocheux enrichi en sélénium connu sous le nom de schiste du Crétacé supérieur de Mancos, et désigné habitat essentiel pour le meunier à dos rasoir (Xyrauchen texanus) en voie de disparition et le brochet du Colorado (Ptychocheilus lucius). Entre juin 2015 et octobre 2016, l'équipe de recherche a échantillonné l'eau et la faune au cours de six voyages d'échantillonnage et le long de 60 miles de rivière entre Austin et Grand Junction, CO.

Brandt explique que l'objectif de l'étude était le moment du mouvement du sélénium à travers le réseau trophique fluvial. Les particules, y compris les algues, absorbent le sélénium de l'eau à la base du réseau trophique. Les invertébrés et certains petits poissons se nourrissent directement de la matière particulaire, et les plus gros poissons mangent ensuite les invertébrés et les plus petits poissons.

« Le sélénium est un micronutriment essentiel acquis par l'alimentation, mais une exposition excessive menace la santé des animaux pondeurs, y compris les poissons et les oiseaux aquatiques. En plus de ça, le moment de l'exposition est important. Par exemple, trop de sélénium en tant qu'embryon est particulièrement préoccupant car il nuit au développement et réduit les chances d'éclosion et de survie jusqu'aux stades de la vie adulte. Nous voulions savoir quand, au cours de l'année, les poissons sont-ils exposés aux plus fortes concentrations de sélénium dans le réseau trophique ? Ces périodes coïncident-elles avec des fenêtres de reproduction et de développement précoce ? Sont-ils alignés sur des périodes de mobilisation accrue du sélénium vers le fleuve ? »

Pour la plupart, les réponses à ces questions étaient oui. Les concentrations de sélénium ont atteint leurs concentrations les plus élevées dans les proies des poissons en avril et août 2016, lorsque le sélénium est pulsé dans la rivière par la fonte des neiges et lors de l'irrigation des champs agricoles. En modélisant les concentrations de poissons à partir de niveaux de sélénium inférieurs dans le réseau trophique, Brandt et ses collaborateurs ont prédit que les niveaux de sélénium dans le corps entier étaient les plus élevés au printemps et en été. Pendant ces périodes, les œufs mûrissent chez les poissons adultes avant le frai et les jeunes de l'année connaissent des stades de développement qui sont sensibles aux expositions élevées au sélénium.

Brandt explique que l'étude est importante en raison de son accent sur un système d'eau à débit rapide. La plupart des études de cas de plans d'eau contaminés par le sélénium portent sur des lacs et des réservoirs où le sélénium atteint des concentrations élevées chez les poissons et les oiseaux après avoir traversé la voie sédimentaire-détritique. Parce que l'eau se déplace plus lentement dans ces systèmes, le sélénium a plus de chances de s'accumuler à la base du réseau trophique. Dans les rivières, d'autre part, on pense que l'essentiel du sélénium mobilisé lors des périodes de fort débit sera évacué vers l'aval avant de pouvoir s'accumuler localement,

"Nous avons observé que les algues vertes peuvent absorber le sélénium assez rapidement pendant les périodes de forte mobilisation, probablement de la colonne d'eau directement. Une hypothèse pour l'avenir est que les voies d'absorption des algues pour l'entrée du sélénium dans les réseaux trophiques aquatiques, plutôt que des voies sédimentaires détritiques, pourrait dominer dans les rivières et les ruisseaux. Cette étude indique que nous devons passer plus de temps à réfléchir aux risques liés au sélénium dans les rivières."

Brandt dit que cette recherche a des implications pour la gestion de l'échantillonnage du sélénium dans les rivières. Par exemple, l'échantillonnage des poissons a généralement lieu à l'automne, lorsque les résultats de cette étude suggèrent que les concentrations de sélénium dans les poissons pourraient être à leur plus bas. Même encore, les concentrations mesurées étaient élevées,

"Nous avons échantillonné le naseux moucheté et le chevesne à queue ronde en octobre 2015 et 2016, " dit Brandt, « Les concentrations de sélénium dans le corps entier dans plus de 90 % de ces poissons étaient bien supérieures à quatre parties par million, qui est un seuil soutenu par la recherche montrant des effets néfastes sur la santé comme une croissance et une survie réduites. Parce que la rivière est un habitat pour des espèces indigènes menacées, maintenir la santé des poissons est une priorité. »

Les niveaux de sélénium dans le bassin inférieur de la rivière Gunnison sont une préoccupation depuis plusieurs décennies maintenant et Brandt explique que les efforts d'assainissement en cours dans le Gunnison ont réduit les niveaux de 43 % depuis 1986. Mais peut-être peut-on faire davantage pour renforcer ces efforts.

« Avons-nous besoin d'aborder les évaluations du sélénium dans les rivières dégradées d'une manière différente ? Eh bien, nous voyons à partir de ce travail que les concentrations de sélénium dans le réseau trophique sont élevées même avec des baisses des concentrations d'eau au cours des trente dernières années. Cela met en évidence que le réseau trophique est le principal moteur de l'exposition au sélénium et du risque potentiel de toxicité. Une surveillance plus fréquente du sélénium du réseau trophique dans ce système nous donnera les meilleures informations sur la façon de gérer le sélénium afin d'atteindre les objectifs de conservation des poissons. »

Le problème avec le sélénium dans les œufs

Brandt explique que le mécanisme complet de la toxicité du sélénium n'est pas encore complètement compris et qu'il existe probablement de multiples façons dont il compromet la santé d'un animal. L'hypothèse initiale était que la substitution du sélénium par le soufre dans les acides aminés, qui sont les éléments constitutifs des protéines, et causé un mauvais fonctionnement des protéines. Nous savons maintenant que le métabolisme du sélénium provoque également un stress oxydatif. Dans les deux cas, Le sélénium est un tératogène, ce qui signifie qu'à certains niveaux d'exposition, il peut provoquer des déformations.

Avec des contaminants induisant des déformations, le moment de l'exposition au cours du cycle de vie d'un organisme est critique, car des périodes spécifiques sont plus sensibles aux concentrations élevées de sélénium. Brandt dit que l'exposition excessive au sélénium est particulièrement préoccupante pour les animaux pondeurs comme les oiseaux ou les poissons, car les protéines riches en soufre qui finissent par devenir des protéines du jaune sont fabriquées dans le foie de la femelle adulte avant le frai. Si les femelles adultes sont exposées à des niveaux élevés de sélénium dans leur alimentation, un taux élevé de substitution du sélénium au soufre dans ces protéines précurseurs du jaune se traduira par des niveaux élevés d'exposition au sélénium pour les embryons. Cette exposition au début de la vie peut entraîner des malformations et la mortalité. A l'échelle de la population, la faible survie des jeunes poissons et oiseaux peut provoquer l'effondrement des populations,

"Nous l'avons vu de manière dramatique à Belews Lake (Caroline du Nord) et au réservoir Kesterson en Californie au cours des années 1970 et 1980 et nous nous efforçons depuis de prévenir des conséquences similaires dans d'autres écosystèmes."