Les métaux traces en eaux estuariennes et côtières : étude de leur dynamique, spéciation et biodisponibilité dans des milieux variés

Estuarine and coastal ecosystems provide multiple ecological, social and economic services. They are a source of food, income and are at the heart of marine trade, merchant shipping and sea transport. They therefore play a key role in our modern world and their conservation from an environmental point of view is today critical. Despite all the efforts done in environmental management, pollution associated with the rapid coastal development and intensive industrialization was inevitable and still remains one of the main threats towards marine ecosystems today. Specifically, trace metal contamination is of specific concern as coastal areas are generally prone to accumulate them. Most trace metals exhibit a dual role in marine waters: they act as nutrients in low concentrations, yet rapidly have toxic effects in higher concentration ranges. Continuous monitoring of their concentrations in estuarine and coastal ecosystems is therefore needed to better understand their biogeochemical behavior in such marine environments. However, limited knowledge exists on their bioavailability towards marine organisms: especially as the toxicity of these metals is not only related to their concentration but also strongly linked with their speciation which shows both seasonal and spatial variations. Thus, the main objective of this PhD research was to investigate the biogeochemical cycles of various trace metals and unravel their speciation and bioavailability in various aquatic systems: from very dynamic mixing zones of the Scheldt estuary to coastal harbors and shallow seawaters of the North Sea, and even to deeper and anoxic regions of the Baltic Sea. Trace metal concentrations and speciation were explored seasonally and spatially along horizontal and vertical gradients, and a comparison of classic active samplings of dissolved trace metals with a passive sampling technique (Diffusive Gradients in Thin-films; DGT) was carried out. The DGT technique was successfully used for the in-situ measurement of labile metals and eventually constitutes a good surrogate to the biomonitoring of trace elements (e.g. use of mussels, algae, etc.). This method offsets the lack of knowledge in terms of water quality monitoring and the results challenge the classic criteria which are used by international regulatory requirements (e.g. WFD, MSFD) and local commitments (e.g. OSPAR, HELCOM). Indeed, new criteria based on labile metal species instead of total dissolved species should be considered in the future. Such approach of trace metal speciation and assessment in aquatic systems could surely lead to a more integrated environmental management and improve our knowledge on anthropogenic impacts and pollutant fluxes. Moreover, it is eventually the main key to explain and predict bioavailability and potential toxicity of trace metals to the marine fauna and flora. This work therefore invites you to dive into a journey along our coasts, from urbanized areas to wild open seas, from their surface to their deepest waters.Les écosystèmes estuariens et côtiers assurent de multiples services écologiques, sociaux et économiques. Ils constituent une source de nourriture, de revenus et sont au cœur du commerce et du transport maritime. Ils jouent donc un rôle clé dans notre monde moderne et leur préservation d'un point de vue environnemental est aujourd'hui crucial. Malgré tous les efforts réalisés en matière de gestion de l'environnement, la pollution associée au développement économique rapide du littoral et à une industrialisation intensive était finalement inévitable et demeure encore aujourd'hui l'une des principales menaces pesant sur les écosystèmes marins. Plus précisément, la contamination par éléments-traces métalliques est particulièrement préoccupante, car les zones côtières sont généralement enclines à les accumuler. La plupart de ces éléments-traces métalliques jouent un double rôle dans les eaux de mer : ils agissent comme nutriments à de faibles concentrations, mais peuvent rapidement avoir des effets toxiques dans des gammes de concentrations plus élevées. Une surveillance continue de leurs concentrations dans les écosystèmes estuariens et côtiers est donc nécessaire, afin de mieux comprendre leur comportement biogéochimique dans de tels environnements. Cependant, peu d’informations existent sur leur biodisponibilité vis-à-vis des organismes marins, d'autant plus que la toxicité de ces éléments traces n’est pas seulement dépendante de leur concentration, mais est également fortement liée à leur spéciation qui montre de fortes variations saisonnières et spatiales. Ainsi, l'objectif principal de ce travail de thèse était d'étudier les cycles biogéochimiques de divers éléments-traces métalliques et de percer le mystère de leur spéciation et de leur biodisponibilité dans des systèmes aquatiques variés : des zones turbulentes et dynamiques de l'estuaire de l'Escaut aux ports côtiers et aux eaux superficielles de la mer du Nord, et même jusqu’à des régions plus profondes et anoxiques de la mer Baltique. Les variations de concentration et de spéciation des éléments-traces métalliques ont été explorées dans le temps et dans l’espace, le long de gradients horizontaux et verticaux. En parallèle, une comparaison des techniques classiques d'échantillonnage des éléments-traces métalliques dissous a été réalisée avec une méthode d'échantillonnage passif (Diffusive Gradients in Thin-films ; DGT). La technique des DGT a été utilisée avec succès pour la mesure in situ de la fraction labile des éléments-traces métalliques et représente, en définitive, un substitut de qualité à la biosurveillance des éléments-traces (par exemple, en remplacement de l’utilisation de moules, d'algues, etc.). Cette méthode permet de compenser le manque de connaissances en termes de surveillance de la qualité de l'eau et les résultats remettent en cause les critères classiques utilisés par les exigences réglementaires internationales (par exemple WFD, MSFD) et les engagements locaux (par exemple OSPAR, HELCOM). En effet, de nouveaux critères basés sur les espèces métalliques labiles plutôt que sur les espèces totales dissoutes devraient être envisagés à l'avenir. Une telle approche de la spéciation et de l'évaluation des éléments-traces métalliques dans les systèmes aquatiques pourrait certainement, à termes, conduire à une gestion environnementale plus intégrée et parfaire nos connaissances sur les impacts anthropiques et les flux de polluants le long de nos côtes. En outre, c'est finalement la clé principale pour expliquer et prédire la biodisponibilité et la toxicité potentielle des éléments-traces métalliques à l’égard de la faune et de la flore marines. Ce travail vous invite donc à plonger dans un voyage le long de nos côtes, de zones peuplées et urbanisées au grand large sauvage, de la surface aux eaux les plus profondes