Libération de substances exopolymériques méditée par le calcium chez le phytoplancton marin exposé à des nanoparticules manufacturées

Résumé

Les nanoparticules manufacturées (NPM) sont rapidement intégrées dans les produits de consommation, mais leur impact sur les écosystèmes marins reste mal compris. Nous avons examiné la réponse de quatre espèces de diatomées — Odontella mobiliensis, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum et Thalassiosira pseudonana — et d'une algue verte, Dunaliella tertiolecta, à des NPM modèles : TiO₂ de 25 nm, SiO₂ de 10–20 nm et CeO₂ de 15–30 nm. Les NPM de SiO₂ amplifient la sécrétion de substances polymériques extracellulaires (EPS) de 200 à 800 %, tandis que le TiO₂ induit la plus faible libération d'EPS. Parallèlement, les concentrations intracellulaires de Ca²⁺ augmentent significativement lors de l'exposition aux NPM, indiquant une voie de sécrétion dépendante du Ca²⁺. L'élucidation de ce mécanisme offre une base pour développer des stratégies visant à atténuer les risques écologiques potentiels posés par les NPM dans les environnements marins.

Contexte

Les nanoparticules manufacturées (NPM), de 1 à 100 nm, sont essentielles dans des produits tels que les encres, peintures, cosmétiques et produits pharmaceutiques. En 2017, le financement américain de la nanotechnologie a atteint 1,4 milliard de dollars, reflétant la croissance du secteur [1–3]. Comme les NPM finissent inévitablement dans les systèmes aquatiques, leur réactivité de surface élevée soulève des inquiétudes quant à la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et d'autres effets toxicologiques [5–6]. Le phytoplancton marin, producteur primaire des océans, a démontré une sensibilité aux NPM, avec des effets néfastes documentés sur la croissance et la viabilité [7–11]. Pourtant, les réponses cellulaires du phytoplancton à diverses NPM ne sont pas pleinement définies [12–21]. Le phytoplancton produit régulièrement des substances exopolymériques (EPS), un ensemble complexe de polysaccharides et de protéines qui médient la formation de biofilms, la chélation des métaux et la protection contre les stress environnementaux [22–27]. La sécrétion d'EPS est souvent une réponse au stress, et la signalisation calcique (Ca²⁺) a été impliquée dans la régulation de la libération d'EPS chez les diatomées [28–31]. Bien que les NPM puissent perturber les voies intracellulaires du Ca²⁺ [29,32–34], aucune évaluation systématique de la sécrétion d'EPS méditée par le Ca²⁺ en réponse au TiO₂, SiO_{2> ou CeO2 n'a été rapportée.}

Résultats et discussions

Caractérisation des NPM

La diffusion dynamique de la lumière (DLS) a révélé des particules de TiO₂ principalement à 25 nm, de SiO₂ à 10–20 nm et de CeO₂ à 15–30 nm (Fig. 1). De sous-populations mineures jusqu'à 70 nm résultent probablement d'agrégation. Ces mesures ont confirmé les spécifications du fabricant et assuré la cohérence entre les expériences.

Les NPM induisent une élévation du Ca²⁺ intracellulaire

L'imagerie Fluo-4AM a démontré qu'une concentration de 1 mg/mL de SiO₂ augmentait le Ca²⁺ intracellulaire de 50 à 300 %, le CeO₂ de 150 à 200 % et le TiO₂ d'environ 40 % chez toutes les espèces testées (Fig. 2). Le TiO₂ n'a induit que de modestes changements de Ca²⁺, reflétant probablement sa cytotoxicité prononcée et la mort cellulaire associée [37–39]. Ces résultats établissent que des NPM distincts suscitent une signalisation Ca²⁺ spécifique aux espèces, un prérequis pour la sécrétion d'EPS en aval.

Libération d'EPS induite par les NPM

En utilisant un test de lectine lié à une enzyme (ELLA), nous avons quantifié la sécrétion d'EPS normalisée à l'ADN génomique total. Le SiO₂ a stimulé la libération d'EPS jusqu'à 1 000 % chez Skeletonema grethae et 900 % chez Phaeodactylum tricornutum, avec des augmentations de 500 à 800 % chez les autres espèces (Fig. 3). Le TiO₂ a déclenché une sécrétion significative d'EPS seulement chez Skeletonema et Phaeodactylum, reflétant sa réponse limitée en Ca²⁺. Le CeO₂ a eu des effets modestes sur l'ensemble des taxons. L'ampleur de la libération d'EPS était fortement corrélée aux élévations de Ca²⁺ observées, renforçant le modèle de sécrétion dépendante du Ca²⁺.

Conclusions

Notre étude démontre que les nanoparticules manufacturées, en particulier le SiO₂, peuvent provoquer une sécrétion substantielle d'EPS méditée par le Ca²⁺ chez le phytoplancton marin. Cette réponse varie selon les espèces et les types de nanoparticules, soulignant la complexité des interactions nanomatériaux-biota. Les recherches futures devraient étendre ces résultats aux matrices d'eau de mer naturelles et évaluer les conséquences écologiques d'une dynamique d'EPS altérée, telles que la formation de biofilms et la séquestration des polluants.

Méthodes

Les cultures de phytoplancton (Odontella mobiliensis, Dunaliella tertiolecta, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira pseudonana) ont été cultivées dans le milieu L1 à 24 °C sous un cycle lumière/obscurité de 14:10 h. Les NPM (TiO₂, SiO₂, CeO₂) ont été soniqués dans l'eau, reconstitués dans du L1 filtré et caractérisés par DLS (Brookhaven BI-200SM). Les cellules ont été exposées aux NPM (10 µg/mL–5 mg/mL) pendant 48 h dans des plaques à 96 puits ; les EPS ont été récupérés des surnageants et quantifiés par ELLA en utilisant le conjugué Concanavaline A-HRP. Le Ca²⁺ intracellulaire a été mesuré avec le colorant Fluo-4AM sur un microscope Nikon Eclipse TE2000-U. La teneur en ADN a été déterminée par NanoDrop après extraction avec le kit ZR-96 Quick-gDNA. L'analyse statistique a utilisé GraphPad Prism, rapportant les moyennes ± écart-type d'au moins trois répétitions indépendantes.