Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

223

SUBCELLULAR PARTITIONING OF HEAVY METALS IN GILLS AND VISCERAL MASS OF BIVALVES

FROM THE NEW CALEDONIAN LAGOON

M. Metian

1

, L. Hédouin

1-3

, C. Barbot

4

, O. Cotret

1

, J.-L. Teyssié

1

, S.W. Fowler

1*

, F. Goudard

4

, J.-P. Durand

4

, 

P. Bustamante

2

and M. Warnau

1

1

International Atomic Energy Agency – Marine Environment Laboratory, 4 Quai Antoine Ier, MC-98000 Principality of Monaco

2

IRD-Noumea Center, New-Caledonia

3

LBEM, UPRES-EA 3168, Université de La Rochelle, France

4

GERMETRAD, SMAB UPRES-EA 2160, Université de Nantes, France

Abstract

The present work examined subcellular distribution of 5 metals and 2 radionuclides in two bivalve species in order to assess the potential

toxicity of these elements in the organisms. The results indicate that Ag and 

241

Am are preferentially associated with the cell membranes

and organelles whereas Cr, Zn, Cd, Co, and 

134

Cs are predominantly found in the cytosolic fraction of the cells.

Keywords: Metals, Radionuclides, Subcellular Fractioning, Bivalves.

Introduction

New Caledonia is the third producer of nickel in the world and this

small South Pacific island is estimated to contain no less than 20% of

the total stock of Ni on the planet. Metal contamination resulting from

the nickel mining industry and related activities constitutes a long

lasting threat for the marine ecosystems sheltered by the second

largest reef system in the world [1]. However, as almost a rule when

it concerns tropical ecotoxicology, available information on metal

contamination in New Caledonia waters is extremely scarce and very

little is known about the extent of local contamination and possible

environmental impacts [1]. Moreover, a new extraction process of Ni

(lixiviation, viz.acidic extraction) has recently been tested at the

industrial level and should be implemented in the near future (2006-

2007). This process will result inevitably in increased discharges of

co-occurring metals in Ni ores (e.g. Co and Cr). Thus, information is

needed in order to assess the possible impact of these additional metal

inputs on local ecosystems. 

The objective of the present study was to determine the potential

toxicity of metals in two species commonly found in the lagoon: the

edible clam Gafrarium tumidumand the oyster Isognomon isogno-

mon. Therefore, subcellular distribution of five metals (Cd, Co, Cr,

Zn, Ag) and two anthropogenic radionuclides (

134

Cs, 

241

Am) was

examined in the gills and visceral mass of both species following sea-

water exposure using highly sensitive radiotracer techniques.

Materials and Methods

Bothbivalve species were acclimated to laboratory conditions

(open circuit aquaria; water renewal 10% hr

-1

; S, 36 p.s.u.; T, 26 ±

0.5°C) for 6 weeks prior to experimentation. The organisms were then

experimentally exposed for 28 days to radiotracers of five heavy met-

als (

109

Cd,

57

Co, 

51

Cr, 

65

Zn, 

110m

Ag) and two radionuclides (

134

Cs,

241

Am) directly via seawater. At the end of the experiment, 6 individ-

uals of each species were collected and dissected. The gills and vis-

ceral mass were separated, pooled, and processed for subcellular frac-

tioning according to a previously described method [2]. Four different

fractions were isolated using differential centrifugation (see Table 1).

Distribution of the radiotracers among the different subcellular frac-

tions was determined using high efficiency gamma spectrometry [2].

Table 1. Subcellular partitioning (mean %) of radioisotopes in gills and

visceral mass of two bivalves 

Results and Discussion

Measurements of specific enzymatic markers (acid phosphatase for

lysosomes; glucose-6-phosphatase for microsomes; 5’nucléotidase

for plasmic membrane) indicated that the purity of the different sub-

cellular fractions was good. Results of the subcellular distribution of

the different metal radiotracers and radionuclides in gills and visceral

mass are given in Table 1.

Globally, the distributions in both tissues were similar for each

given bivalve species. The only main departure from this was

observed for 

57

Co in the clam: the cytosolic fraction was much lower

in the gills (25%) than in the visceral mass (79%). Cr,Co, Zn, Cd and

134

Cs were mainly found in the cytosolic fraction (30 - 87%) where-

as 

110m

Ag and 

241

Am were mainly associated with membranes and

organelles (65-96%). These results are in agreement with those

reported for other bivalves from temperate waters (e.g. the scallop

Chlamys varia [3] and the oyster Crassostrea gigas[4]).

The predominant distribution of Ag in the insoluble fraction could

be due to specific Ag storage/detoxification in the two bivalve species.

Indeed, some bivalves are well known to be able to trap Ag as non

toxic Ag

2

S precipitates within their tissues [5].

Preferential distribution of most radioelements in the cytosol sug-

gests that, once incorporated into the cells, a large part of these met-

als could be toxic, since they are susceptible to bind key soluble com-

ponents of the cells (e.g. proteins, enzymes, DNA). However, in the

case of Cd and Zn, a substantial part of the cytosolic metal is most

probably detoxified as “metal-metalloprotein” complexes (approx.

40% in the case of Cd according to Boisson et al.[2]). Furthermore,

the metals preferentially associated with the cytosolic fraction are

likely to be readily bioavailable to higher trophic levels preying on

these organisms [6]. This is of particular concern since the clam G.

tumidumis consumed by local populations and could therefore be a

non-negligible source of human exposure to metals through seafood

consumption.

References

1-Labrosse P., Fichez R., Farman R., and Adams T., 2000. New

Caledonia. Pp. 723-736. In: Sheppard C.R.C. (ed.), Seas at the

Millennium: An Environmental Evaluation, vol. 2. Pergamon Press,

Amsterdam.

2-Boisson F., Goudard F., Durand J.-P., Barbot C., Piery J., Amiard J.-C.,

and Fowler S.W., 2003. Comparative radiotracer study of cadmium

uptake, storage, detoxification and depuration in the oyster Crassostrea

gigas: potential adaptive mechanisms. Mar. Ecol. Prog. Ser., 254: 177-

186.

3-Bustamante P., Guyot T., and Miramand P., submitted. Subcellular and

body distributions of 17 trace elements in the variegated scallop Chlamys

variafrom the Charente-Maritime coast (France).

4-Milcent M.C.et al.,1996. Identification of Cs-137 and Am-241 bind-

ing sites in the oyster Crassostrea gigas. Biochem. Molec. Biol. Intern.,

39: 137-148.

5-Berthet B., Amiard J.C., Amiard-Triquet C., Martoja R., and Jeantet

A.Y., 1992. Bioaccumulation, toxicity and physico-chemical speciation of

silver in bivalve mollusks: ecotoxicological and health consequences.

Sci. Total Environ.,125: 97-122.

6-Reinfelder J.R., and Fischer N.S., 1991. The accumulation of element

ingested by marine copepods. Science, 251: 794-796.