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Le cadmium et le mercure sont des contaminants dangereux pour l'être humain et les écosystèmes aquatiques, et leur rejet d'origine anthropique dans les eaux et rivières continuent malheureusement. En particulier, du point de vue du milieu aquatique, la forme ionique du Cd peut être biodisponible pour les organismes aquatiques, et la transformation du Hg2+ sous sa forme organique toxique, le méthylmercure peut être bioaccumulé et sa dose bioamplifiée le long de la chaîne alimentaire aquatique. Dans ce projet de recherche, l'algue verte Chlamydomonas a été utilisée comme un organisme modèle pour investiguer l'accumulation et la séquestration du cadmium et du mercure dans les cellules algales, leurs toxicités cellulaires et moléculaires, et les mécanismes de protection impliqués dans les cellules. Par conséquent, ce projet de recherche est structuré en trois études en adressant chacune un objectif spécifique. Dans la première étude, la capacité d'accumulation du cadmium a été étudiée chez deux souches d'algues, la souche sauvage Chlamydomonas reinhardtii et la souche acido-tolérante Chlamydomonas CPCC 121 exposées durant 48 h aux différentes concentrations de Cd (100 à 600 µM) sous deux conditions de pH (4 et 7). La souche C. reinhardtii a montré une accumulation plus élevée de Cd par rapport à la souche CPCC 121 en induisant un impact toxique plus fort. En comparaison, Chlamydomonas CPCC 121 a montré une tolérance pour le Cd qui était corrélée avec la diminution de l'accumulation intracellulaire de Cd. Cependant, la capacité d'accumulation de cadmium était la plus faible chez CPCC 121 à pH 4, limitant son utilisation pour les applications de biorestauration. Dans la seconde étude, l'effet de CdCl2 a été étudié sur le niveau de polyphosphate extracytoplasmique (polyP) en utilisant les souches CC-125 et CC-503 ayant une paroi cellulaire déficiente. Les souches de C. reinhardtii ont été exposées pendant 24-72 h aux différentes concentrations de Cd (200-600 µM). Les résultats ont montré la diminution de la synthèse ou la dégradation de polyP extracytoplasmique qui était corrélée avec l'accumulation de Cd, même chez la souche CC-503 avec un niveau inférieur de polyP. En plus, le niveau du polyP a été diminué en relation avec la diminution du ratio Fv/FM pour les deux souches pendant 48 h. En comparaison avec CC-125, le niveau de polyP n'a pas été récupéré après 72 h chez CC-503. Cependant, les deux souches d'algues ont accumulé une quantité considérable de Cd dans leur biomasse et le polyP n'a pas participé à la séquestration de Cd. Par conséquent, cette étude a montré l'effet du Cd sur le niveau de polyP qui était dépendant de la concentration de Cd, tandis que le Cd a inhibé le taux de la croissance cellulaire indépendamment de la concentration de Cd. En utilisant C. reinhardtii, le niveau de polyP peut être utilisé comme un biomarqueur de la toxicité des métaux, tels que le Cd. Dans la troisième étude, l'accumulation et l'effet de la toxicité du mercure a été déterminé chez deux souches de C. reinhardtii, CC-125 et CC-503 ayant une paroi cellulaire déficiente, pendant 24-72 h d'exposition à 1-7 µM de Hg. Le niveau de polyP extracytoplasmique a été déterminé afin de comprendre le rôle physiologique de polyP dans les cellules algales traitées au Hg. Lorsque les cellules d'algues ont été exposées à 1 et 3 µM de Hg, l'accumulation du Hg était corrélée avec la dégradation de polyP pour les deux souches. Ces résultats suggèrent que la dégradation de polyP a participé dans la séquestration de Hg, même chez CC-503 avec un niveau inférieur de polyP. Ce mécanisme pourrait expliquer à 72 h la récupération du niveau de polyP, la performance de la photochimie du PSII, la faible inhibition du taux de la croissance cellulaire, et la faible accumulation de Hg dans la biomasse. Nos résultats montrent que le changement du niveau de polyP est corrélé avec l'accumulation et l'effet du mercure sur les cellules d'algues, permettant son utilisation comme un biomarqueur de la toxicité du Hg. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cadmium, Mercure, Accumulation, Toxicité, Tolérance, Polyphosphate, polyP extracytoplasmique, Algue verte, Chlamydomonas reinhardtii, Chlamydomonas CPCC 121.

Le champ technoscientifique des nanotechnologies connaît des développements fulgurants. Définis par la manipulation d'atomes et de particules de moins de 100 nanomètres (nm), les nanomatériaux offrent de nouvelles voies d'exploitation de la matière, engendrant de nouvelles propriétés et fonctions souvent inconnues, imprévisibles et dont l'évaluation pose des difficultés majeures. Une diversité de nanomatériaux, de composition chimique, de formes et de structures différentes est actuellement intégrée à un ensemble de produits industriels et commerciaux, qui touchent pratiquement tous les secteurs économiques. Les nouvelles propriétés qu'acquière la matière une fois exploitée à une échelle nanométrique (entre 0 et 100 nm, voire plus de 100 nm) résultent de différents facteurs physico-chimiques découlant notamment de la taille réduite, susceptible d'entraîner des impacts significatifs sur l'environnement et la santé humaine, mais ces impacts sont encore difficiles à estimer avec précision en raison de nombreuses difficultés techniques et méthodologiques. La plupart des gouvernements des pays industrialisés ont largement contribué au développement du secteur des nanotechnologies. Paradoxalement, ils n'ont pas développé de cadres réglementaires et évaluatifs spécifiques pour ces substances. C'est notamment le cas du gouvernement du Canada. Les cadres actuels d'évaluation des nanomatériaux au Canada sont inspirés des travaux du National Research Council des États-Unis pour les substances chimiques de 1983. Ce modèle a été présenté comme un point de départ approprié pour appréhender les risques environnementaux et sanitaires, quitte à combler les lacunes par la génération de nouvelles connaissances. Néanmoins, les faiblesses et lacunes des dispositifs évaluatifs et réglementaires du risque identifiés dans nos travaux, porte à croire que la mise en œuvre de ce modèle serait inadéquat pour estimer avec rigueur l'ensemble des risques associés aux nanomatériaux. Les modalités d'évaluation du risque varient selon les contextes nationaux où ils sont appliqués. Comparativement aux États-Unis et à l'Europe, très peu de recherches ont porté jusqu'à présent sur l'analyse de la situation canadienne, ce que cette thèse vise à combler. S'appuyant pour l'essentiel sur une vaste et systématique revue de la littérature scientifique et de celle émanant des instances publiques, notre démarche de recherche s'est déclinée en trois temps. Nous avons d'abord examiné la portée de documents publics et de travaux réalisés par le gouvernement canadien en matière de nanotechnologies. Nous avons ensuite procédé à l'analyse de divers dispositifs réglementaires de la Loi canadienne sur la protection de l'environnement (LCPE) encadrant l'évaluation du risque chimique afin d'identifier les principales modalités d'application aux nanomatériaux. Les groupes de substances réglementaires touchées sont celles des substances existantes, mises en marché avant 1987, celle des substances nouvelles, relevant de systèmes d'évaluation différents, mais partageant certains principes et outils communs, et enfin les nanomatériaux visés par des avis de nouvelle activité (NAc), une clause spéciale de la LCPE en vertu de laquelle 23 nanomatériaux ont été tenus, jusqu'à présent, d'être déclarés. Dans la mesure où aucun nanomatériau susceptible de correspondre au groupe des substances existantes n'a fait l'objet d'une évaluation, nous avons utilisé les dispositifs évaluatifs prévus pour les substances nouvelles et ceux prévus pour les 23 avis de NAc. Ces recherches nous ont permis d'identifier les principales limites des procédures d'évaluation du risque chimique canadien relatives à l'évaluation des nanomatériaux. Ces travaux ont en effet permis de constater les faiblesses des quelques documents publiés jusqu'à maintenant par le gouvernement du Canada et qui, simples feuilles de route, outils de collecte d'information et travaux d'harmonisation, ne peuvent aucunement tenir lieu de véritables politiques publiques. Certaines directives auraient pu permettre d'exiger l'évaluation ou la réévaluation de certains nanomatériaux, mais elles n'ont jamais été appliquées. L'analyse des dispositions de la LCPE a permis de mettre en évidence qu'un ensemble de nanomatériaux non couverts par l'actuel filet réglementaire ne sont donc pas tenus d'être évalués. Nous avons également constaté qu'aucune substance existante n'avait encore fait l'objet d'évaluations spécifiques, bien qu'un récent inventaire préliminaire, non vérifié et non validé, indique que 206 nanomatériaux pourraient correspondre à la définition des substances existantes. Quant aux trois nanomatériaux qui auraient pu, selon nos informations, être évalués à titre de substances nouvelles, l'imprécision des données gouvernementales empêche de le confirmer. Enfin, nous avons examiné les avis de NAc, ayant ciblé pour évaluation seulement 23 nanomatériaux, ce qui ne représente qu'une infime fraction des milliers de nanomatériaux mis en marché depuis des années déjà. Or, seulement 20 de ces évaluations ont été réalisées, nous confirmait le gouvernement canadien en février 2015. Toutefois, nous n'avons pu avoir accès qu'au résumé d'une seule évaluation, publiée en janvier 2015. Déjà, des milliers de substances et de produits au potentiel de risques inconnus sont commercialisés, leur nombre est appelé à s'accroître et leur composition à se complexifier. Il y a plus de 20 ans, comment expliquer que depuis, seuls 20 nanomatériaux aient été évalués au Canada et qu'un seul résumé d'évaluation ait été rendu public? Manifestement, les critères définissant les exigences de mener des évaluations ainsi que l'imprécision des déclencheurs réglementaires ne permettent pas d'identifier les nanomatériaux potentiellement nocifs. En outre, nous avons pu constater que les règles usuelles de l'évaluation des produits chimiques sont inadaptées à une évaluation rigoureuse des nanomatériaux, dont les caractéristiques sont fort différentes. De tels problèmes ont été identifiés à toutes les étapes de la procédure d'évaluation du risque, allant de l'identification des dangers et de l'évaluation de la relation dose-réponse, à l'évaluation de l'exposition et à la caractérisation du risque. Quant à l'examen de nanomatériaux, en fonction des dispositifs d'évaluation des substances nouvelles et des avis de NAc, nous avons pu en circonscrire les limites à partir des renseignements réglementaires devant être fournis par un déclarant de nanomatériaux. Nous avons donc analysé les types de données physico-chimiques et éco-toxicologiques exigées et les méthodes de référence souvent inapplicables ou impuissantes à produire des données probantes. Nous avons relevé l'absence d'exigence de données par types d'effets toxicologiques pourtant documentés par la littérature et prises en compte par l'Organisation de coopération et de développement économiques et l'Organisation internationale de normalisation. Nous avons observé que des paramètres dosimétriques, autres que la masse et la concentration communément utilisées dans les essais toxicologiques, étaient mis à l'écart et que d'autres paramètres, susceptibles d'être de meilleurs indicateurs de toxicité, comme l'aire de surface et la chimie de surface, n'étaient pas pris en compte. S'ajoutent à cette liste, le recours à des données de remplacement ou à des modèles d'exposition qui n'ont pas été validés pour les nanomatériaux. Enfin, les critères de qualité pouvant être utilisés pour déterminer les données éco-toxicologiques, excluent les données pertinentes d'autres études susceptibles d'éclairer les évaluations. Notre analyse des nombreuses limites, voire de la profonde inadaptation des dispositifs réglementaires et évaluatifs utilisés pour les nanomatériaux au Canada, met en évidence l'urgence d'un profond réexamen des politiques d'encadrement réglementaire en la matière afin de permettre au gouvernement fédéral d'assumer pleinement ses responsabilités et obligations en matière de protection de l'environnement et de la santé humaine. Dans un contexte international, où plusieurs États ont développé des dispositifs de déclaration obligatoire permettant de mieux connaître l'état des développements et du commerce des nanotechnologies, les retards à instaurer de tels dispositifs et à revoir en profondeur les cadres évaluatifs et réglementaires risquent de nuire à la fois à l'acceptabilité sociale et à la compétitivité économique. Les nanomatériaux diffèrent profondément des autres produits chimiques, comme en témoignent leurs brevets, alors que les cadres établis pour l'évaluation des produits chimiques s'avèrent, dans leur cas, inadaptés et nettement insuffisants. Les perspectives incrémentales qui ont inspiré l'utilisation, pour les nanotechnologies, d'outils d'évaluation développés il y a plus de 30 ans pour les produits chimiques conventionnels ont montré leurs limites. En effet, l'incroyable diffusion d'applications nanotechnologiques, leur omniprésence dans toutes les sphères d'activité, ajoutée aux risques inhérents des nanomatériaux à franchir les barrières biologiques, exige de nouveaux outils et de nouvelles approches d'analyse et d'évaluation. Afin d'assurer une utilisation responsable des nanotechnologies, tout en tenant compte de leurs enjeux et de leurs impacts, il s'avère désormais essentiel que des dispositifs indépendants, soucieux d'appréhender ces questions de façon globale et intégrée, puissent éclairer avec rigueur la décision publique, afin de réduire les risques d'impacts négatifs majeurs.