Des chercheurs du Centre de recherche sur les signaux biologiques de l'Université de Kobe ont développé avec succès des plantes pouvant être utilisées pour détecter les polluants organiques, comme les polychlorobiphényles et les perturbateurs endocriniens, qui contaminent le sol et l'eau.

L'équipe était composée de Petya Stoykova, récipiendaire d'une bourse postdoctorale de la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) pour la recherche au Japon (maintenant chercheur à l'AgroBioInstitute de Bulgarie), Professeur émérite de l'Université de Kobe OHKAWA Hideo et professeur INUI Hideyuki.

Prochain, ils espèrent utiliser des plantes pour développer une technologie pratique et peu coûteuse pour surveiller la toxicité.

Ces résultats de recherche ont été publiés en ligne dans deux articles, qui figurait séparément dans le Journal de physiologie végétale le 29 juin et le Chémosphère le 22 juillet.

Divers types de polluants organiques existent dans notre environnement environnant. Des exemples bien connus incluent les polychlorobiphényles (PCB) qui ont été utilisés dans les lampes fluorescentes et le papier autocopiant, composés organofluorés qui sont utilisés pour rendre les choses résistantes à l'eau et à l'huile de cuisson, tels que les emballages alimentaires et les ustensiles de cuisine, et les alkylphénols, utilisés comme précurseurs pour les détergents et autres produits. Ces polluants organiques ont été rejetés dans l'atmosphère, rivières et sols, et les éléments résistants à la décomposition ont été ingérés par des poissons, bétail et cultures, ce qui entraîne l'accumulation de ces polluants à l'intérieur de notre corps à mesure que leurs niveaux ont augmenté chez d'autres espèces. Une concentration accrue à l'intérieur du corps entraîne divers effets nocifs tels que le cancer, anomalies fœtales et immunotoxicité.

Afin d'éviter que les polluants ingérés via les aliments ne s'accumulent à l'intérieur du corps humain, il est nécessaire de surveiller les niveaux de contaminants dans l'environnement, y compris les systèmes d'eau (rivières, des lacs, océans), espèces de poissons, l'atmosphère, sol et cultures. Les résultats nous permettent de comprendre le type et la concentration des polluants dans une zone. Cela permettra de mettre en place des mesures appropriées; par exemple l'évitement de la culture de cultures où la pollution du sol est détectée et la réalisation de tests de contamination sur les poissons capturés dans les rivières qui se révèlent polluées. En d'autres termes, cela permettra de choisir et de mettre en œuvre des mesures afin d'atténuer les effets néfastes des polluants sur l'homme.

La surveillance environnementale est l'étude du type et de la concentration de polluants dans un échantillon environnemental; cela implique plusieurs processus. Par exemple, pour étudier un échantillon de sol, il est nécessaire d'ajouter un solvant organique puis d'extraire la substance chimique de l'échantillon de sol après l'avoir chauffé pendant une nuit. Prochain, le solvant organique intégré et la substance chimique sont éliminés du sol et de l'acide sulfurique concentré est ajouté pour éliminer la pigmentation. La concentration de polluants organiques dans l'échantillon est très faible, il est donc nécessaire de condenser la substance extraite pour qu'elle atteigne une concentration qu'il soit possible d'analyser. Ensuite, ce condensat est traité à travers plusieurs colonnes de séparation et les contaminants sont élués des colonnes à l'aide de solvants organiques qui correspondent aux propriétés des contaminants spécifiques. Prochain, il est nécessaire d'éliminer les impuretés de l'échantillon pour n'extraire que le polluant cible. C'est ce qu'on appelle la purification. Cette série d'étapes (extraction, concentration et purification) est collectivement appelé prétraitement, et doit être effectuée afin d'analyser des traces de polluants organiques dans un échantillon.

Dernièrement, des techniques de chimie analytique telles que la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS) et la chromatographie liquide-spectrométrie de masse (LC-MS) sont appliquées à l'échantillon prétraité. En analysant les données spectrales résultantes indiquant la présence de substances contaminantes, il est possible de déterminer le type (spéciation) et la concentration (quantité fixe) de polluants dans l'échantillon.

La surveillance environnementale est effectuée selon les méthodes analytiques officielles de chaque pays et joue un rôle essentiel dans l'identification et la quantification des polluants organiques. Cependant, les étapes de prétraitement nécessitent l'utilisation de quantités importantes d'acide sulfurique et de divers types de solvants organiques volatils, et cette exposition est dangereuse pour les personnes réalisant les procédés.

Une technique plus performante est donc nécessaire pour transformer les infimes quantités de contaminants trouvées dans les échantillons environnementaux (ayant subi un prétraitement complexe) en spécimens pouvant être analysés. Par ailleurs, l'utilisation d'appareils coûteux tels que GC/MS et LC/MS (qui peuvent coûter entre des centaines de milliers et des millions de dollars américains) augmente le coût du processus analytique. Afin d'obtenir une évaluation précise de l'étendue de la contamination, il est nécessaire d'obtenir de nombreux échantillons environnementaux. Cependant, il n'est possible d'analyser que quelques échantillons représentatifs en raison des coûts prohibitifs des méthodes actuelles. Bien que l'analyse instrumentale soit appropriée pour déterminer le type et la concentration de chaque polluant dans un échantillon environnemental, cette méthode ne peut pas nous dire à quel point chaque polluant est toxique, ni la toxicité globale de plusieurs polluants dans un seul échantillon.

En réponse, cette équipe de recherche a développé une méthode de suivi complètement différente des méthodes précédentes, qui nécessitent des prétraitements et des appareils coûteux afin de déterminer le type et la concentration de polluants dans un échantillon environnemental.

Les animaux ont des protéines appelées récepteurs chimiques, qui reconnaissent et interceptent les substances chimiques qui pénètrent dans les cellules depuis l'extérieur du corps. Lorsqu'un récepteur se lie à une substance étrangère à l'intérieur de la cellule, il active la transcription d'un gène spécifique. La fonction régulière de la protéine créée par ce gène est de réagir avec la substance étrangère et de l'excréter du corps.

Un exemple de ce type de récepteur est AhR (Aryl hydrocarbon receptor). A l'intérieur des cellules, AhR se lie aux dioxines et aux PCB des aliments contaminés. Ensuite, il crée une enzyme qui peut les transformer en substances qui se dissolvent facilement dans l'eau, favorisant ainsi leur excrétion du corps. Par conséquent, AhR joue un rôle important en indiquant si les dioxines et les PCB sont ou non toxiques pour les animaux.

En outre, le récepteur des œstrogènes (RE) répond aux hormones créées à l'intérieur du corps d'un animal et est impliqué dans l'expression de gènes importants pour la morphogenèse et la croissance. ER se lie à l'hormone femelle estradiol et régule strictement le moment et la quantité d'activation de la transcription génétique pour la protéine qui devrait être produite en réponse à l'hormone. Cependant, si ER se lie plutôt à un produit chimique perturbateur endocrinien qui est entré dans le corps via la nourriture ou l'eau, alors cela perturbe le moment et le niveau d'activation de la transcription des gènes, entraînant des effets néfastes.

Les plantes, d'autre part, sont incapables de bouger une fois qu'ils ont pris racine, ainsi leurs racines s'étendent sous le sol afin d'obtenir les nutriments nécessaires à la croissance. Ils sont capables d'absorber suffisamment de nutriments même lorsque les concentrations sont faibles car ils continuent à étendre leurs racines. En d'autres termes, les plantes ont la capacité d'accumuler des substances chimiques qui sont absorbées du sol par leurs racines.

Cette équipe de recherche a eu l'idée d'une méthode de suivi de la contamination de l'environnement, qui consiste à introduire dans une plante des récepteurs chimiques d'origine animale, et les utiliser pour détecter les polluants absorbés par la plante. Ils ont créé une usine AhR pour la surveillance des PCB et une usine ER pour la surveillance des produits chimiques perturbateurs endocriniens. Lorsque ces plantes ont été cultivées dans des sols et des cultures contenant les contaminants respectifs, les polluants captés par les racines liés aux récepteurs à l'intérieur des cellules, activer la transcription du gène rapporteur. Ainsi, il est possible de surveiller les polluants en détectant ce rapporteur.

Les centrales AhR peuvent détecter le CB126, qui est le PCB le plus toxique, ainsi que d'autres types (CB77, CB118). D'autre part, Les plantes ER peuvent détecter l'octylphénol (OP, un type d'alkylphénol) en plus de l'hormone femelle 17ß-estradiol, les insecticides fipronil et imidaclopride, et l'acide organofluoré perfluorooctanesulfonique (PFOS). On sait que ces produits chimiques contaminent les sols et les systèmes aquatiques. L'équipe de recherche a découvert que ces plantes présentaient un albinisme et des anomalies structurelles telles que des racines plus courtes lorsque des polluants étaient présents. Cela indique qu'il est possible de détecter les polluants d'une manière observable encore plus simple que la détection par reporter.

Les résultats de cette recherche montrent qu'il n'est pas nécessaire de prélever de grands échantillons environnementaux pour la surveillance et qu'il est possible de détecter des contaminants en utilisant de petites quantités de sol (quelques grammes) ou d'eau (environ 10 millilitres). Par ailleurs, il est possible de déterminer si un échantillon environnemental contient des substances chimiques toxiques avec la méthode de surveillance qui utilise des récepteurs chimiques pour indiquer la toxicité.

Pour la surveillance environnementale des polluants organiques, il est essentiel de prélever le plus d'échantillons possible afin de bien comprendre l'étendue de la pollution. Cependant, il n'est pas possible d'analyser de nombreux échantillons selon les méthodes officielles actuelles en raison du temps et de l'argent que cela nécessiterait. La méthode que cette équipe de recherche a développée est beaucoup plus simple, et exige simplement que les plantes soient cultivées avec un petit échantillon de sol et d'eau, et la présence de polluants à évaluer via la détection par un rapporteur et l'observation de la croissance des plantes. Par ailleurs, il permet également d'évaluer la toxicité des polluants non couverts par les méthodes officielles. Par conséquent, cette nouvelle méthode serait adaptée au dépistage de nombreux échantillons environnementaux avant la confirmation du type et de la concentration des polluants selon les méthodes analytiques officielles.

Dans cette étude, les chercheurs ont démontré qu'il est possible de surveiller les PCB et les hormones environnementales en introduisant AhR et ER dans les plantes. Cependant, les animaux ont de nombreux autres récepteurs chimiques en dehors de AhR et ER. Ceci devrait par conséquent permettre d'appliquer cette méthode au suivi de la toxicité d'autres substances chimiques en introduisant différents types de récepteurs dans les plantes.