Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Introduction I. Concept de base en écotoxicologie Ecotoxicologie : étude des atteintes structurales et fonctionnelles des systèmes écologiques au sens large sous l’action des sources ou des facteurs de contamination = agents physiques, chimiques et biologiques. Agents considérés comme des sources/facteurs de contamination à partir du moment où ils sont d’origine anthropique. Agents physiques : élévations de température liées à des rejets de centrale thermique par exemple. Température = facteur naturel mais l’activité anthropique peut augmenter ou modifier la température naturelle d’un milieu de façon importante (de 1 à 2 degrés). Les rayonnements radioactifs peuvent également être des facteurs de contamination. Agents chimiques : toutes les substances humiques d’origine naturelle ou anthropique. Les substances d’origine naturelle comme les métaux ou les hydrocarbures peuvent devenir des facteurs de contamination lorsqu’ils sont rejetés et concentrés dans l’environnement. Agents biologiques : contamination bactérienne, virale d’origine anthropique. Rejets qui ne sont pas naturels. Ex : espèces invasives introduites = action anthropique → modifient le système écologique (systèmes de perturbation des écosystèmes aquatiques). Ecosphère : unité la plus complexe en écologie. Constituée de la biosphère et des milieux (atmosphère, hydrosphère, lithosphère). Echelle la plus globale mais assez difficile à aborder → en écotox : on s’intéresse à des systèmes plus réductionnistes comme un système lacustre avec sa biocénose et son biotope ou écocomplexe = lac + BV : pour comprendre ce qu’il se passe au niveau de l’écosystème, on tient compte des sources issues du BV. Différents niveaux d’approche en écotox → objectif = comprendre ce qu’il se passe à l’échelle de l’écosystème. 2 facteurs principaux influent sur les systèmes écologiques : • Composante environnementale (facteurs abiotiques) : caractéristiques physico-chimiques du milieu • Composante biologique (facteurs biotiques) : représentés par les EV qui sont organisés en population, communauté et réseau trophique avec différentes échelles et relations trophiques entre tous les organismes. → Système écologique de base où on a des interrelations entre ces 2 types de facteurs. Les facteurs biotiques sont dépendants des facteurs abiotiques. Ex : La salinité de l’eau va caractériser les espèces qui vont vivre dans les milieux salés car certaines espèces ne peuvent vivre qu’en eau douce → gradation des espèces en fonction de la salinité. Les facteurs biotiques influent sur les caractéristiques physico-chimiques de l’environnement. Ex : dans un lac eutrophisé, les communautés bactériennes qui se développent à la suite d’un apport trop important de MO vont consommer de l’oxygène pour dégrader cette MO → influence directe des communautés bactériennes sur le taux d’oxygène du lac. 1 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont En écotox, il y a les facteurs de contamination en plus. Les facteurs biotiques peuvent influer sur les facteurs de contamination. Ex : Certaines bactéries sont capables de transformer chimiquement certains composés chimiques → modification de la toxicité de ces composés. Les facteurs de contamination sont aussi en interaction avec les facteurs abiotiques car les composés chimiques dans l’eau peuvent aussi être modifiés chimiquement par la présence de certains composés physicochimique comme l’abondance de certains ions, la présence de salinité ou pas → modification de la disponibilité et de la toxicité vis-à-vis des composés biologiques. Au niveau des sources de contamination en milieu aquatique, 2 types de pollution : • Pollution diffuse : • - Pollution agricole : grande surface et petite quantité → lessivage - Zone urbaine : lessivage des toitures → rejets chimiques d’huile, de carburants et d’hydrocarbure + rejets atmosphériques - Zone de déforestation : érosion des sols accélérée = apports de matière et de contaminants chimiques vers les systèmes aquatiques plus importants - Activités minières : rejets ponctuels mais restes de déchets soumis au lessivage par les pluies → rejets de métaux et/ou pollution acide Pollution ponctuelle (source n’est pas réellement déterminée) : - Zone d’élevage : concentration des rejets d’élevages → enrichissement des eaux voire pollution bactérienne - Rejets de traitement des eaux : urbain ou industrielle - Dépôts de déchets industriels : normalement cela ne se fait mais certains sites ne sont pas aux normes + possibilité de rejets de pollution chimique - Pollutions par les marées noires Il existe d’autres sources comme : - Réservoirs pour la production d’électricité → modification de l’écosystème en amont par rapport à l’aval → modification physico-chimique de la composition de l’eau. La contamination chimique dans ces réservoirs est favorisée et la température est augmentée par les réservoirs de barrages → problèmes de réchauffement de l’eau. - Canalisations : modification de la capacité épuratrice des eaux et donc de la physicochimie. Si rejets chimiques dans ces milieux → plus impactant que dans un système naturel. 2 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Devenir des polluants métalliques dans le biotope et la biocénose Les métaux sont des éléments naturels, présents dans la croûte terrestre et indestructibles. Le problème vient de l’extraction des métaux des roches pour les utiliser dans certaines applications industrielles. Ces composés sont ensuite rejetés dans l’environnement dans forcément avoir été recyclés ou traités. Quand un polluant est rejeté dans un système aquatique (source atmosphérique ou source ponctuelle/diffuse), la majorité des métaux vont se fixer aux MES. Rôle très important des MES dans ces milieux = fraction particulaire par opposition à la fraction dissoute où les composés sont sous forme ionique dans l’eau. Les MES sont à l’origine de la sédimentation dans le fond des rivières. La dégradation d’un composé dépend de sa forme chimique. Un métal ne peut pas être dégradé mais il peut y avoir modification de certaines formes chimiques toxiques : passage d’un élément métallique moins toxique pour les organiques. Un polluant organique peut être métabolisé ou dégradé par voie bactérienne → disparition du polluant possible. Selon les composés chimiques, la volatilisation est également possible. Cela concerne surtout les polluants organiques légers comme les solvants qui peuvent s’évaporer, mais la plupart des composés restent dans les compartiments aquatiques quand ils sont rejetés. Une fraction du contaminant va interagir avec la composante biologique et va l’impacter soit directement par sa présence dans l’eau soit indirectement par les relations trophiques au sein du réseau trophique présent/développé au sein de cet écosystème. Plusieurs rôles du sédiment : • Stockage des polluants : MES sur lesquelles sont fixés les polluants sédimentent. • Transformations chimiques : rendent les composés moins toxiques que la molécule d’origine ou favorisent la formation d’une molécule plus toxique. • Relargage : les composés sont remis en suspension dans la colonne d’eau. - Relargage d’origine naturelle : des organismes intra-sédimentaire remanient le sédiment ce qui conduit à des processus de relargage des composés chimiques dans la colonne d’eau + périodes de crue (fortes pluies) - Relargage d’origine anthropique : dragage de ports car ils s’envasent. 3 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Concept de bioaccumulation Beaucoup de paramètres caractérisent les facteurs de contamination comme le niveau de contamination des biotopes, les formes et espèces chimiques des métaux, l’état d’ionisation des composés organiques ou encore la durée de contamination. En fonction des facteurs abiotiques du milieu (pH, salinité, composition ionique, température, dureté de l’eau, MES, taux d’oxygène), les composés sont rendus plus ou moins biodisponibles. Biodisponibilité : à partir du moment ou un composé chimique est capable d’entrer en interaction avec un OV. Quand il y a un rejet de contaminant chimique dans l’environnement, toute la fraction de ce composé n’est pas forcément biodisponible → il est biodisponible sous certaines conditions. Et selon la biodisponibilité, le composé va traverser ou pas les barrières biologiques et impacter l’OV → Bioaccumulation : concentration du composé dans l’organisme, concentration qui dépasse le bruit de fond normal de l’organisme. Ex : les métaux. Chez certains organismes aquatiques, il y a présence des métaux essentiels qui sont nécessaire au métabolisme des organismes comme le Fe qui permet de fixer l’oxygène, le Cu et le Zn qui sont des cofacteurs d’enzymes comme le Mn, le Se, etc. Dans un environnement non contaminé, les concentrations de ces métaux sont basses. On parle de bioaccumulation à partir du moment où la concentration dans l’organisme augmente et dépasse ces niveaux de base. Quand on parle d’un produit synthétique, il n’y a pas de notion de bruit du fond car le composé n’existe pas naturellement dans l’environnement. Dès lors que le composé est présent dans l’organisme, il est bioaccumulé. La bioaccumulation est une notion de concentration, c’est la quantité de contaminant par rapport au poids de l’organisme/tissu/organe. 4 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Lorsqu’un métal, sous forme ionique, se retrouve dans l’eau, il rencontre différents ligands : • Ligand particulaire : MES minérales ou organiques fixent une grande partie des métaux et forment des complexes chimiques. Ces complexes sont très peu disponibles voire quasiment non biodisponible. • Ligand de la fraction colloïdale : fraction intermédiaire entre le particulaire et le dissous (question de taille). Il y a beaucoup d’acides organiques comme les acides humiques (acides d’origine naturelle) qui portent des charges négatives. Certains acides humiques chargés en métaux peuvent être absorbés par certains acides organiques. • Ligand en solution : ions en solution comme les ions chlorures et les ions hydrocarbonates chargés négativement. Fixation de cations métalliques à ces ligands en solution dissous. Complexes dissous correspondent à la fraction la plus biodisponible des métaux dans l’eau. Selon la physico-chimie du milieu, il existe des équilibres chimiques très différents d’un système à l’autre et donc la biodisponibilité pour un même composé sera très différente en fonction des systèmes aquatiques dans lesquels il va être projeté. On parle de biodisponibilité à partir du moment où il y a une interaction entre le composé chimique et la barrière biologique. S’il y a une simple adsorption à la surface de la MP, sur des ligands d’interface → composé biodisponible. Lorsqu’on fait une mesure de bioaccumulation, on tient compte de la fraction adsorbée. Si une fraction du composé traverse la barrière biologique, on parle d’absorption (transport transépithélial ou transmembranaire où le composé se trouve dans la circulation sanguine). Ex : le mercure. En fonction des ligands qu’il rencontre dans l’eau, le mercure va être plus ou moins biodisponible au niveau de la branchie d’un crabe. Les crustacés possèdent une cuticule qui est relativement imperméable aux composés chimiques. La plupart des composés vont avoir tendance à d’adsorber à la surface mais pour certains composés comme le MeHg, un organométallique, ils peuvent traverser la cuticule, être bioaccumulés et in fine, exercer leur toxicité. Récapitulatif : 5 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont II. Méthodes d’études ECOSYSTEME Représentativité Complexité Communautés Populations Individus Organes Réductionnisme Simplicité On travaille à différents niveaux = niveaux d’intégration : du plus réductionniste (échelle moléculaire) au niveau le plus complexe (échelle de la communauté). Si on descend dans cette échelle, on a des approches de plus en plus simples → plus facile d’interpréter l’effet d’un composé sur une molécule. Beaucoup de tests rapides et faciles sont développés mais inconvénient = très loin de ce qui se passe dans le milieu naturel. En remontant dans l’échelle, la complexité augmente et la représentativité aussi. Cellules Molécules Approches réductionnistes : décrire des mécanismes d’action précis en laboratoire. En général, travail sur un polluant à la fois. Sur le terrain : vérifier les effets observés en laboratoire par rapport à ceux observés en milieu naturel. Dans l’environnement, cocktail de pollution. Types d’approches écotoxicologiques Laboratoire : tests de toxicité mono- ou plurispécifiques, chaînes trophiques expérimentales, microcosmes. Terrain : mésocosmes, portions d’écosystèmes naturels (« enclosures »), études in situ : diagnostic de l’état du milieu mais ne permettent pas de comprendre la raison pour laquelle le système est dans cet état → description. Si on fait un suivi dans le temps, on peut avoir une idée de l’évolution du système. Pour comprendre les mécanismes, certains paramètres abiotiques ou biologiques doivent être fixés. On descend dans l’échelle de complexité en développant des approches de plus en plus contrôlées. Sur le terrain, approches en enclos ou contrôle de la composante biologique → on reste soumis aux conditions naturelles de contamination et physico-chimiques. On contrôle un peu plus et on peut cibler des impacts sur différents types d’espèces. On peut, ici, faire des cinétiques : voir comment les organismes sont impactés dans le milieu qui les entoure, dans le temps. Approche en mésocosmes en milieu extérieur : unités expérimentales de grande taille où le biotope, l’eau, les organismes biologiques introduits et la contamination peuvent être contrôlés dans les conditions climatiques naturelles (éclairage, température, pluviométrie, etc.). Structures expérimentales très intéressantes mais très lourdes en fonctionnement. En laboratoire : contrôle de tous les facteurs en microcosmes. Petit écosystème reproduit en laboratoire où on contrôle tout : substrat, type d’eau, composante biologique, la contamination, durée d’exposition et tous les facteurs physico-chimiques. On reste dans un écosystème complexe où on mime un petit écosystème. Mini chaînes trophiques expérimentales : plus de substrat, juste une colonne d’eau de composition connue. On s’intéresse au transfert trophique des composés le long d’une petite chaîne à 2/3 voire 4 6 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont maillons. Contamination au phytoplancton qui est ingérée par une daphnie qui va être contaminée et ingérée par un poisson. Cela permet d’étudier les processus potentiels de bioamplification le long des réseaux trophiques, pas de contaminant dans l’eau. Tests de toxicité mono- ou plurispécifiques : travail sur une espèce dans un type d’eau en laboratoire → test de l’effet d’un contaminant sur cette espèce. Cela ne représente pas ce qu’il se passe en milieu naturel mais ce sont les tests les plus utilisés pour déterminer les seuils de toxicité dans l’environnement. But : avoir des tests rapides, fiables et reproductibles. Plus on est réductionnistes, plus on arrive à obtenir cette reproductibilité, fiabilité. Ces tests sont normalisés et rapides pour la réglementation. La daphnie est très utilisée dans les tests de toxicité aiguë (test de létalité). Ces tests sont réalisés sur des séries de dilution préparées à partir de l’échantillon brut. Il s’agit de déterminer, pour une période d’exposition donnée (24h, 48h, etc.), la concentration à laquelle 50% des organismes exposés lors d’un test présentent l’effet toxique recherché = CE50. Intérêt des daphnies : elles se divisent par parthénogénèse = de manière asexuée. Quand les conditions du milieu sont favorables, les daphnies produisent beaucoup de petits œufs femelles et ce sont uniquement des femelles qui se développement → population homogène = avantage car pour les tests de toxicité, il faut avoir une population homogène à tester pour éviter au maximum la variabilité interindividuelle. Travail à un stade de développement précis, à un âge précis et avec un sexe donné. Lorsque le milieu devient défavorable, les daphnies se reproduisent de manière sexuée → production de 2 œufs plus gros = œufs de durée et de daphnies mâles. Ces œufs de durée sont émis dans l’environnement et vont subir des conditions physico-chimiques dégradés et résister à la dessication. Ils peuvent être conservés plusieurs mois voire plusieurs années sans se dégrader. Pour développer un élevage de daphnies, il faut acheter dans le commerce des œufs de durée, les mettre dans de bonnes conditions physico-chimiques. Les œufs vont éclore et vont donner des femelles qui se reproduisent de manière parthénogénétique. Daphnie = organisme d’eau douce. Il existe un équivalent en eau marine = l’artémie, micro-crustacé vivant dans les lacs salés, les lagunes et les marais salants, qui se reproduit sous le même principe que la daphnie. Tests de toxicité sur les algues phytoplanctoniques = tests de toxicité chronique → étude de l’inhibition de croissance. Tests très faciles qui durent 3-4 jours. Comparaison de la croissance d’algue témoin par rapport à des algues qui sont contaminées, à différentes concentrations par un composé. Scenedesmus subspicatus : algue d’eau douce. Tests chroniques sur les plantes : mesures d’inhibition de germination de semence ou d’inhibition de croissances des plantules/racines. Tests chroniques sur la daphnie : effet sur la reproduction. Tests de létalité sur les vers de terre et les poissons mais également tests chroniques. Tests sur les protozoaires ciliés : inhibition de croissance, d’activité enzymatique particulière et du mouvement ciliaire (analyse de la motilité cellulaire). Test faciles à mettre en place. 7 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Tests microtox sur les bactéries : étudier le principe de bioluminescence d’une bactérie marine par un spectromètre qui mesure la fluorescence → si diminution de la fluorescence d’une bactérie en présence de contaminant : bactérie impactée. Sensibilité différente selon les tests. Ex : effluent industriel testé par un test microtox et un test de mortalité de poisson. En ordonnée : pourcentage de l’effluent dilué avec de l’eau, en abscisse : pourcentage de décroissance de lumière chez la bactérie et en haut : pourcentage de survie du poisson après 96h d’exposition. La sensibilité à l’effluent est plus importante pour la bactérie que pour celle du poisson : EC50bactérie = 4% et LC50poisson = 25%. Il faut multiplier les tests sur différentes espèces pour avoir une vraie mesure de la toxicité soit d’un effluent soit d’un composé car selon les espèces et le type de composé chimique, la sensibilité de réponse n’est pas la même. Le pouvoir neurotoxique d’un composé peut être mesuré par la méthode d’électrophysiologie. L’activité cérébrale du poisson est mesurée à l’aide d’une électrode et un composé chimique est injecté au niveau des bulbes olfactifs du poisson. Le poisson est très sensible au niveau des bulbes olfactifs et capable de détecter des molécules odorantes lui permettant de fuir lorsqu’il y a une pollution aux hydrocarbures par exemple. Mesure d’une modification potentielle de cette activité cérébrale. Un poisson a été exposé à du mercure inorganique. En A : réponse cérébrale du poisson avant exposition au mercure. En B : pendant l’exposition. En C : 30 min après l’exposition. Le mercure va quasiment inhiber la réponse du poisson quand on le stimule avec de la sérine. Après 30 min, il y a une légère récupération mais très faible. C’est un bon moyen de mesurer le pouvoir neurotoxique de certains composés. L’inconvénient, ici, c’est que le poisson est immobilisé = problème car il n’est pas dans son état normal. 8 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Des petits boîtiers émetteurs ont été développés. Ils sont fixés sur le poisson et celui-ci peut vivre librement. Ces émetteurs ont permis de réalisés des tests sur différents pesticides comme l’atrazine, l’indane et le parathion. Si on regarde l’activité cérébrale du poisson (en rouge) et les réponses à différents types de molécules, on voit qu’il y a une spécificité de réponse pour chaque molécule. Il y a une modification très forte de l’activité de base et chaque molécule a un profil spécifique. Cela signifie que les molécules sont toxiques pour le poisson au niveau du cerveau et qu’il est possible de détecter les réponses en milieu naturel. Ces réponses peuvent être utilisées comme indicateurs de présence de ces différents types de molécules dans l’environnement. C’est une méthode intéressante mais qui n’a pas pu être développée en milieu naturel. La valvométrie : mesure de comportement d’ouverture des valves chez les mollusques bivalves. Systèmes très petits qui comportent 2 électrodes collées sur les valves des organismes, laissés dans leur milieu naturel. On fait une mesure d’impédance entre les 2 électrodes ce qui renseigne l’état d’ouverture des valves. Selon l’intensité de l’impédance, la valve est ouverte ou fermée ou entre les 2. Quand la courbe est vers le bas, l’organisme est fermé. Quand la courbe monte, les fréquences d’ouverture sont très intenses avec un certain rythme journalier. L’ouverture ou la fermeture des valves est conditionnée par la photopériode : la nuit, les organismes sont fermés et le jour, ils s’ouvrent beaucoup. C’est un rythme biologique connu qui a été caractérisé d’un point de vue physiologique. Lorsque les organismes sont installés dans le bas, ils s’enfouissent dans le substrat → ouvertures et fermetures fréquentes et au bout d’un moment : les organismes restent fermés puis s’ouvrent périodiquement. Au bout d’un mois : les organismes ont un comportement nature d’ouverture et de fermeture en fonction de l’éclairement dans la journée. En fonction de ce comportement de base qui est caractérisé, il est possible d’utiliser les modifications comportementales en présence d’un contaminant. Lorsqu’une algue toxique ou autre contaminant est ajouté, le mouvement valvaire est modifié → mesure de l’impact comportemental des composés chimiques ou des algues toxiques sur les bivalves filtreurs → modification des capacités de filtration. Ce type de système est déployé en milieu naturel sur des huîtres avec un système de miniaturisation et de récupération des données. Développement sur les stades embryons-larvaires de poissons, oursins, huîtres, etc. : travailler sur les stades précoces de développement car ces stades sont censés être les stades les plus sensibles des espèces face aux contaminants. Pour certaines espèces comme le poisson zèbre ou la tête de boule, leur reproduction en laboratoire est facile et rapides et se fait tous les 4 mois → possibilité d’obtenir régulièrement des embryons au même stade. Tests de développement, de pourcentage de survie au niveau des embryons mais aussi des larves, de malformation, etc. 9 Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont Tests transgénérationnels : étude de l’effet d’un contaminant sur plusieurs générations. Avec ce type d’organisme (reproduction rapide), en laboratoire et à partir de l’exposition d’un individu adulte, on peut étudier l’impact sur la descendance sur plusieurs générations (jusqu’à 4 générations). On regarde les transmissions des effets potentiellement génétiques mais aussi épigénétiques = sans modification/mutation de l’ADN, modification au niveau de la méthylation par exemple. Tests normalisés = tests embryon-larvaires que l’on peut développer en eau douce ou en eau salée. Réponses rapides. Les systèmes peuvent être complexifiés avec l’approche du microcosme. Une partie du microcosme est un sol avec des végétaux qui poussent dessus et un système aquatique à côté dans lequel se trouve une composante biologique. Plantes enracinées, petits escargots, sol simplifié, eau artificielle, poissons, espèces herbivores avec des larves de moustiques, des physa (genre d’escargots), daphnies et du phytoplancton. Des insecticides et herbicides sont testés et on mime l’utilisation de ces produits sur un sol agricole : ils sont radiomarqués pour pouvoir les tracer dans le système. C’est un exemple du système le plus complexe que l’on peut mettre en place en microcosme pour étudier l’impact de contaminant. Il existe aussi des approches en milieu naturel avec des systèmes d’enclos. Systèmes très importants en taille et en logistique. 10
