Soutenance de thèse de Kassandra DE PAO MENDONCA

Les métaux, contaminants majeurs des écosystèmes méditerranéens, ont pour source principale les activités anthropiques. A ce jour, les effets des métaux sont mieux documentés chez les vertébrés que chez les autres métazoaires. Ce travail cible un acteur clé des écosystèmes benthiques : Oscarella lobularis (Porifera, Homoscleromorpha), éponge ingénieure du coralligène méditerranéen. Le premier objectif de cette thèse est d’évaluer la pertinence d’O. lobularis en tant que modèle biologique pour la biosurveillance de la contamination métallique dans la baie de Marseille. Pour cela, les concentrations de 13 métaux d’intérêt écotoxicologique ont été mesurées dans les tissus d’O. lobularis et comparées à celles obtenues dans le sédiment de surface et chez d’autres porifères, et ce dans 7 sites de la baie de Marseille et 1 site proche de Toulon. Malgré des variations inter-sites, O. lobularis, contrairement aux autres éponges étudiées, présente des concentrations en métaux relativement homogènes, ce qui en fait un bioindicateur pertinent de la contamination métallique en Méditerranée. O. lobularis s’ajoute ainsi au petit nombre d’espèces de porifères citées dans la littérature comme bioindicatrices. Les analyses chimiques ont mis en évidence une hyper-accumulation du vanadium (de l’ordre du mg/g) chez O. lobularis et Oscarella tuberculata. Ces quantités sont exceptionnellement élevées et très supérieures à celles décrites chez les urochordés et les annélides. Au sein des porifères, elles semblent être spécifiques des Oscarellidae. Le vanadium est localisé dans les tissus de surface d’O. lobularis et plus particulièrement dans les cellules vacuolaires, sous forme de vanadyle (+4) avant d'être partiellement réduit en V (+3) dans les tissus plus profonds. Les analyses réalisées à la fois sur le génome d’O. lobularis et de son symbiote bactérien majoritaire indiquent (i) que les mécanismes moléculaires impliqués sont différents de ceux décrits chez les autres métazoaires hyper-accumulateurs et (ii) qu’une protéine bactérienne de la superfamille PAP2 de fonction inconnue pourrait intervenir. Le vanadium étant considéré comme un métal critique, ces résultats pourraient fournir des pistes pour développer des processus d’extraction bio-inspirés. Les éponges restent peu étudiées en écotoxicologie. J’ai souhaité m’appuyer sur les nombreuses données et ressources cellulaires et moléculaires disponibles chez O. lobularis pour mettre en œuvre une approche écotoxicologique de l’échelle physiologique à l’échelle moléculaire, inédite sur ce type d’organisme. Je me suis, pour ce faire, focalisée sur l'impact du méthylmercure (MeHg), métal parmi les plus toxiques. Les tests de toxicité (LC50) montrent une vulnérabilité dépendante du stade et de la saison : le stade juvénile est plus vulnérable que le stade adulte et les adultes sont plus vulnérables en été, période de la reproduction sexuée, qu’en hiver. Dès 1µg/L MeHgCl, la capacité de régénération et l’intégrité des épithéliums, deux éléments clés de la résilience des individus, sont impactées. Pour la première fois chez une éponge, j’ai caractérisé l’ensemble des gènes classiquement impliqués chez les bilatériens dans la détoxification des métaux (métallothionéine et phytochélatine synthase) et la réponse au stress oxydatif (catalase, glutathion peroxydase et superoxyde dismutase). J’ai pu ainsi comparer l’expression de ces gènes entre individus exposés à différentes concentrations de MeHg. L’ensemble de mes travaux fournit des résultats inédits. L’éponge O. lobularis apparaît comme un possible nouveau bioindicateur et modèle en écotoxicologie expérimentale pour étudier l’impact des contaminants sur les écosystèmes littoraux de Méditerranée. La signification physiologique de l’hyper-accumulation du vanadium chez cette espèce et son espèce sœur reste à explorer mais donne déjà de nouvelles informations sur le rôle de certains types cellulaires encore peu documentés.

Metals, major contaminants of Mediterranean ecosystems, have as their main source anthropic activities. To date, the effects of metals are better described in vertebrates than in other metazoans. This work targets a key player of benthic ecosystems: Oscarella lobularis (Porifera, Homoscleromorpha), an engineer sponge of the Mediterranean coralligenous biocenosis. The first objective of this thesis is to evaluate the relevance of O. lobularis as a biological model for the biomonitoring of metallic contamination in the bay of Marseille. Therefore, the concentrations of 13 metals of ecotoxicological interest were measured in O. lobularis tissues and compared to those obtained in the surface sediment and in other Porifera, in 7 sites in the bay of Marseille and 1 site near Toulon. In spite of inter-site variations, O. lobularis, unlike the other studied sponges, presents relatively homogeneous metal concentrations, which makes it a relevant bioindicator of metal contamination in the Mediterranean Sea. We therefore propose O. lobularis to be added to the small number of sponge species cited in the literature as bioindicators. Chemical analyses have revealed a hyper-accumulation of vanadium (of the order of mg/g) in O. lobularis and Oscarella tuberculata. These quantities are exceptionally high and much higher than those described in urochordates and annelids, and in sponges in general, and seem to be specific to Oscarellidae. Vanadium is localized in the surface tissues of O. lobularis, particularly in vacuolar cells, as vanadyl (+4) before being partially reduced to V (+3) in deeper tissues. Analyses of both the genome of O. lobularis and its bacterial symbiont indicate (i) that the molecular mechanisms involved are different from those described in other hyperaccumulative metazoans and (ii) that a bacterial protein of the PAP2 superfamily of unknown function may be involved. Vanadium being considered as a critical metal, these results could provide clues to develop bio-inspired extraction processes. Sponges remain little studied in ecotoxicology. I aimed at taking advantage of the numerous cellular and molecular data and resources available in O. lobularis to implement an ecotoxicological approach from the physiological to the molecular scale, this integrative approach is new for this type of organism. I focused on the impact of methylmercury (MeHg), one of the most toxic metals. Toxicity tests (LC50) show a vulnerability depending on the stage and season: the juvenile stage is more vulnerable than the adult stage and adults are more vulnerable in summer, period of sexual reproduction, than in winter. From 1µg/L MeHgCl, the regeneration capacity and the integrity of the epithelia are impacted, two key elements of the resilience of individuals. For the first time in a sponge, I characterized all the genes classically involved in metal detoxification (metallothionein and phytochelatin synthase) and the response to oxidative stress (catalase, glutathione peroxidase and superoxide dismutase). I was able to compare the expression of these genes between individuals exposed to different concentrations of MeHg. Altogether, my work provides new findings. The sponge O. lobularis appears as a new suitable bioindicator and model in experimental ecotoxicology to study the impact of contaminants on Mediterranean coastal ecosystems. The physiological significance of vanadium hyperaccumulation in this species and its sister species remains to be explored but already provides new information on the role of certain cell types that are still poorly documented.