Introduction à l'écotoxicologie aquatique

Ecotoxicologie aquatique – Baudrimont
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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.

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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 physico-
chimique 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 physico-
chimie. Si rejets chimiques dans ces milieux → plus impactant que dans un système
naturel.

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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.

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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.

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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 :