Ecotoxicologie terrestre et aquatique

Université d’Avignon et des pays du Vaucluse
Ecotoxicologie terrestre et aquatique
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ÉCOTOXICOLOGIE dans le MILIEU
GESTION et ÉVALUATION du RISQUE
Yvan Capowiez
HISTORIQUE
Ecotoxicologie - Historique
Années 50 : intérêts accrus des gouvernements
pour les questions environnementales (Mer)
Années 60 : prise de conscience de l’opinion publique ,
les produits chimiques ne sont pas toujours bénéfiques
à l’homme et à l’environnement
(« Printemps silencieux » R. Carson 62)
L’Ecotoxicologie : une discipline autonome
Ecotoxicologie - Historique
Années 70-80 : développement de lois destinées à protéger
l’environnement
Gestion de l’environnement
Besoins de réponses scientifiques et techniques
Intensification des recherches consacrées aux
problèmes de pollution des milieux naturels
Ecotoxicologie - Historique
Interprétations contradictoires de
l’écotoxicologie
• Toxicologie de l’environnement, première définition de l’écotoxicologie
-L’écotoxicologie serait le prolongement de la toxicologie orienté vers l’étude
des effets écologiques et des risques associés à la présence dans
l’environnement de contaminants susceptibles d’avoir un effet néfaste sur la
santé humaine
- Etude des polluants menaçant la santé publique, présents dans
l’environnement immédiat de l’Homme, et de leur devenir dans les chaînes
alimentaires
Approche réductionniste : action physio-toxicologique des
polluants sur les organismes-cibles (Mammifères et Homme)
Truhaut (1974)
Ecotoxicologie - Historique
Interprétations
contradictoires de
l’écotoxicologie
Ecotoxicologie - Historique
• l’Ecotoxicologie une science écologique
Approche holistique
Ramade (1979), Cairns (1988), Moriarty (1983)
Etude des polluants dans les organismes et les écosystèmes,
y compris dans ceux moins marqués par l’action anthropique
Objectif de l’écotoxicologie
Préciser les modalités et les
mécanismes de contamination des divers écosystèmes et de la
biosphère par les principales catégories de polluants toxiques :
- circulation et transformations biogéochimiques des polluants
dans les écosystèmes
- effets biocénotiques et perturbations induites dans les processus
écologiques fondamentaux
=> Ecotoxicologie = Effets et Devenir des polluants
Ecotoxicologie - Définition
Systèmes non perturbés ..
Systèmes perturbés ..
(= confrontation effets et devenir)
(toxicité et exposition)
(décideurs)
Ecologie : étude de la structure et du fonctionnement des écosystèmes
Physiologie : étude de la structure et du fonctionnement des organismes
Forbes et Forbes (INRA 1997)
Ecotoxicologie - Définition
• Discipline récente:
Nombreuses controverses
Développements méthodologiques nécessaires
Certitudes empiriques rares et élaboration de concepts nouveaux
• Discipline complexe:
Étude des sources, de la dispersion, de l’accumulation et des effets
des polluants toxiques sur les populations, les communautés et les
écosystèmes
Évaluation des effets à tous les niveaux d’organisation biologique,
depuis la cellule jusqu’aux individus, populations et communautés
• Pluridisciplinaire:
chimie, physique, mathématiques, physiologie, biologie, écologie, etc..
Discipline sujette à des forces et des impératifs sociaux
Émergence d’enjeux environnementaux prioritaires
approches scientifiques intégratives et comparatives
OUTILS
But = décrire et prédire effets sur les écosystèmes …
« Utilisateurs » :
1) Cadre « législatif » (production de normes)
- homologation des produits phytosanitaires
(bientôt élargi à tous les produits chimiques REACH)
2) Etudes a posteriori (biosurveillance)
- effet des mélanges
- dynamiques spatiales et temporelles
{
{
- contrôles de pollution en sortie (industrie)
experts
décideurs
chercheurs
écologues
gestionnaires
Outils et approches peuvent différer …
Ecotoxicologie - Outils
COMMENT ÉVALUER ET PRÉVOIR ?
Protocole
Niveau d’organisation biologique
Les « tests de toxicité »
Durée d’exposition
Point final
Ecotoxicologie - Outils
Où ?
Comment ?
Il n’existe pas de bioessais universel.
Il n’existe pas de « marqueur » unique.
Échelles différentes d’études en écotoxicologie.
Adapter les outils au but, en fonction de la faisabilité et des coûts
Ecotoxicologie - Outils
{
Niveau communautés
-> bioindicateurs
Niveau individuel
-> biomarqueurs
Impacts du polluant selon le niveau d’organisation biologique
{
-survie
Pertinence
Difficultés
Tps de
réponse
In Kestemont Faculté Namur www
A. ALTÉRATION
DES PERFORMANCES INDIVIDUELLES
1. LES BIOTESTS
Ecotoxicologie - Outils -
Evaluation de la toxicité d’un polluant
Toxicité : particularité propre à diverses substances dont le contact ou
l’absorption a pour effet de perturber le métabolisme des êtres
vivants, provoquant des troubles physiologiques pouvant aller jusqu’à
la mort des individus exposés
• toxicité aiguë : intoxication (unique) dont l’intensité est telle qu’elle entraîne
rapidement la mort des individus exposés
• toxicité chronique : intoxications (répétées) appliquées selon une intensité
sublétale n’entraînant des séquelles prolongées, voire irréversibles,
qu’après de longues périodes d’exposition
(parfois longtemps après la disparition de l’exposition au toxique)
Ecotoxicologie - Outils -
les tests d’écotoxicité
But :
évaluer le degré de sensibilité (ou de résistance) à un toxique donné
chez les diverses espèces animales ou végétales, via les différentes formes d’intoxication
(contact, inhalation ou ingestion), et avec l’évaluation quantitative des principaux effets
létaux ou sublétaux
La démarche initiale d’évaluation du risque est basée sur ce type
de test, si possible normalisé
Ecotoxicologie - Outils -
Exemple de point final
(mortalité ou autre)
• La dose létale moyenne (DL 50) ou
la concentration effective moyenne (CE 50)
• La concentration sans effet observé (CSEO ou NOEC : no observed
effect concentration) : concentration maximale sans effet atteinte par un polluant
dans l’environnement
• La plus basse concentration efficace (LOEC : lowest observed
effect concentration) : concentration minimale d’un polluant provoquant
un effet cliniquement décelable chez les organismes exposés
NB : attention à la précision (discretisation)
Ecotoxicologie - Outils
ƒ exemples de bioessais monospécifiques
9 Les tests létaux, nombreux sont normalisés (AFNOR-NF, OCDE ..)
Détermination des CL 50, DL50 dans des expositions à court terme (24-96 h,
observations plus longues selon la cible) sur des organismes de référence
Exemple de bioessais létaux en milieu terrestre
• tests lombriciens : Eisenia foetida (OCDE 207), 7 à 14 j observation
• tests abeilles (oral et contact) : Apis mellifera (OCDE 213-214)
• test aigu alimentaire oiseaux Colvert, Colin, (OCDE 223), 14 j observation
Exemple de bioessais létaux en milieu aquatique
• test daphnie (Daphnia magna), (NF T90 301, OCDE 202, 48 h)
• test truitelle (Oncorhynchus mykiss < 6 cm) (NF T90 305, OCDE 203, 96 h)
• test poisson zèbre (Brachydanio rerio) (NF T90 303)
• test loup-bar (Dicentrarchus labrax) (NF T90 307)
Pratique (parthénogénétique) mais peu réaliste !
Ecotoxicologie - Outils
ƒ exemples de bioessais monospécifiques
9 Les tests sublétaux et chroniques
Détermination de CL 50, DL50, NOEC dans des expositions à long terme
(plusieurs jours) sur des organismes de référence
Exemple de bioessais sublétaux en milieu terrestre
• tests reproduction lombriciens : Eisenia foetida (OCDE, 56 j)
•test alimentaire à court terme oiseaux, (OCDE 205, 5j)
• test subchronique et de reproduction oiseaux, (OCDE 206, 20 à 23 semaines)
Exemple de bioessais sublétaux en milieu aquatique
• test de croissance de microalgues (OCDE 201, 72 à 96 h)
• test daphnie ( Daphnia magna), (NF T90 301, OCDE 211, 21 j)
• test truitelle ( Oncorhynchus mykiss) (OCDE 215, 28 j)
• tests chironomes (Chironomus sp.), (OCDE 218-219, 28 j)
Homologation des produits phytosanitaires :
- une démarche rustique :
. Un ensemble d’espèces « représentatives » de différents milieux
et différents niveaux d’organisation biologique
. Une estimation de l’exposition d’une molécule -> PEC (ou CEP)
. Une simple comparaison entre toxicité et exposition -> définition
d’un risque : TER = ratio toxicité/exposition (+ expertise !)
- mais robuste : pas ou très peu de « catastrophes » (visibles)
. Exception (?) effet des néonicotinoides sur abeilles -> controverse
A. ALTÉRATION
DES PERFOMANCES INDIVIDUELLES
2. LES BIOMARQUEURS
Ecotoxicologie - Outils
COMMENT ÉVALUER ET PRÉVOIR ?
ƒ historique (des approches)
Limites de la
chimie analytique. ..
(plus précoces)
In Malbrouck Faculté Namur www
Ecotoxicologie - Outils - biomarqueurs
IMPACTS des POLLUANTS
Définition de biomarqueurs
Un biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable au
niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou
comportemental, qui révèle l’exposition présente ou passée d’un
individu à au moins une substance chimique à caractère polluant.
Différentes natures de biomarqueurs
- biomarqueurs d’exposition
- biomarqueurs d’effet
- modification de la sensibilité
Lagadic et al., 1998
Courbe théorique des effets
Réponse de l’organisme
(effet délétère)
Saturation de la
réponse
« Souffrance »
Compensation
(physiologique)
Absence d’effet
LOEC
ou NOEC
Biomarqueurs
d’exposition
CE 100
Concentration
en polluant dans
le milieu (exposition)
Biomarqueurs
d’effet
NB : Attention, une exposition ne mène pas forcément à un effet « toxique » (phénomène de détoxification, accumulation,
tolérance, résistance) mais ces phénomènes ont généralement des coûts physiologiques donc ils sont
détectables / mesurables
Courbes théoriques de réponse d’un biomarqueur
Intensité de la réponse
du biomarqueur
B3
B1
B2
Concentration
en polluant dans
le milieu (exposition)
Qualités attendues d’un biomarqueur
* Précocité (dans le temps) = principe des biomarqueurs
* Sensibilité (par rapport à la concentration en polluant)
* Spécificité (vis à vis de polluants ou de classe de polluants)
* Pertinence écologique (prévisions des effets sur l’écosystème)
* Stabilité/répétabilité et durée de la réponse
* Facilité de mesure
* Existence de références (ou connaissance des facteurs de variation)
-> Exemples chez les lombriciens :
viabilité des coelomocytes - les ChEs - le comportement
-> Intérêt d’analyser la réponse de plusieurs biomarqueurs aux caractéristiques différentes
Ecotoxicologie - Outils - biomarqueurs
Utilisation des biomarqueurs en milieu naturel
Avantages :
- évaluation de l’état de santé des bioindicateurs
- estimation des chances de reproduction
- image dynamique des variations des quantités de polluants biodisponibles
(molécules-mères et produits de dégradation)
- exposition à des composés à métabolisation rapide (exemple OPs)
- « calibration » possible avec des réponses obtenues au laboratoire
Evaluation intégrée dans le temps et l’espace des polluants
biodisponibles, en termes de présence mais aussi d’effets sur les
populations animales, végétales ou microbiennes.
Dangers courants des biomarqueurs
* Facteurs de confusion
- demande une bonne connaissance du modèle biologique (habitat) et du biomarqueur
(sensibilité aux variations environnementales)
* Réponses transitoires
- demande des études préalables
* Ne révèlent pas toujours d’effet délétères
- d’où leur faible/ non incorporation dans les procédures d’homologation (faux positifs) ?
* Problème de choix de sites naturels de référence bien caractérisés
(physico-chimie et biologie) ou de références relatives (sites de niveaux
de contamination différents, organismes en conditions contrôlées)
Usage séquentiel de biomarqueurs :
évaluation du risque en milieu naturel
* Situations et pollutions complexes (et existence d’interactions)
NB : en écotoxicologie terrestre, différences entre sites pollués et contaminations diffuses
* Approche « à étages » (hierarchical multi-tier sequence)
- tier I : il y a-t-il un stress ?
Ex : HSP70, comportement
- tier II : quelle est la cause du stress ? Ex : ChEs, metallothioneines
quelle famille de polluants ?
- tier III : quel polluant ?
Ex : inhibitions of ALAD
B. IMPACTS SUR LES COMMUNAUTÉS
ET LES FONCTIONS
-> LES BIOINDICATEURS
(Historiquement, première approche développée)
Ecotoxicologie - Outils - Communautés
IMPACTS DES POLLUANTS SUR LES COMMUNAUTÉS
Indicateur : la présence (ou absence) et/ou l’abondance de
certains organismes (espèces ou groupes d’espèces)
fournissent des informations sur la qualité des écosystèmes
Impacts des polluants sur les interactions entre espèces
Conséquences : disparition ou raréfaction de certains taxons
les plus sensibles, apparition ou développement d’autres
taxons plus tolérants. Réduction de le diversité et/ou
modification de l’abondance relative des taxons
Blandin 1986
Ecotoxicologie - Outils - Communautés
IMPACTS DES POLLUANTS SUR LES COMMUNAUTÉS
Impacts des polluants sur les interactions entre espèces
Irgarol 1051 concentration (ng/l)
Exemple : impacts
de l’Irgarol sur le
phytoplancton du
Léman
(essais en microcosmes,
analyses taxonomiques)
Bérard et al. 2003
Irgarol 1051 concentration (ng/l)
Ecotoxicologie - Outils - Communautés
IMPACTS DES POLLUANTS SUR LES COMMUNAUTÉS
Impacts sur la structure des communautés
Méthodes d’évaluation de la structure, exemple : les
microorganismes et microalgues
Microscopie et cytométrie de flux
Chémotaxonomie (pigments, acides gras)
Biologie moléculaire (empreintes génétiques)
La diversité peut être exprimée par des indices
(l’indice de Shannon-Weaver)
On peut comparer la structure de deux communautés en calculant des
indices de similarité (ex l’indice de Bray-Curtis, 0<IBC<1).
Ecotoxicologie - Outils - Communautés
Impacts sur la structure des communautés
Développement de méthodologies : structure des communautés algales
- Microscopie
Les taxons sont déterminés et
comptés au microscope inversé (après
traitement au lugol et sédimentation
ou après traitement à chaud au
peroxyde d’hydrogène et acide des
frustules de diatomées)
14
2
Ecotoxicologie - Outils - Communautés
Impacts sur la structure des communautés
Développement de méthodologies : structure des communautés algales
- Analyses biomoléculaires
Echantillon
naturel
Méthodes Destructives
Extraction de l’
l’ADN
indirecte
PCR
(gène marqueur
phylogénétique)
Clonage
D/TGGE
SSCP
RISA
SEQUENCAGE
RFLP
(Banque de données)
T-RFLP
Méthodes NON
Destructives
directe
Gradient
de densité
% GC
FISH
(comptage en
microscopie ou
cytométrie)
Cinétique de
réassociation ADN\ADN
Nombres de génomes diffèrent
Techniques de » fingerprinting »
moléculaires
Dorigo et al. 2004