Évaluation des effets toxiques des sédiments contaminés
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Méthodologies d’évaluation de la qualité des sédiments . Outils écotoxicologiques et écologiques Jeanne Garric, Virginie Archaimbault Cemagref Colloque hydroécologie 19 novembre 2007 Des outils pour quels objectifs ?  Prévoir le risque toxique des sédiments : modèles prédictifs Établir des concentrations sans effet (attendus; PNECs) et proposer des seuils d’effet (Norme de Qualité Environnementale) ÂMesurer la toxicité de sédiments en place Caractériser le danger toxique: nature, intensité, gravité Des verrous scientifiques  Exposition Sédiment – Compartiment « multiple » : phase minérale solide, matière organique, colloïdes, eau interstitielle , caractéristiques géochimiques variables avec la localisation géographique, taille et surface de liaison variable (sable > 63µm à argile < 2µ) Contaminants – Présents en mélange dans tous les milieux – La chimie environnementale influence le devenir et les effets sur les récepteurs biologiques – Métaux : des constituants naturels de l’environnement, niveaux variables suivants les zones géographiques, certains sont « essentiels » pour le bon fonctionnement des mécanismes biologiques – La toxicocinétique et la toxicodynamique dépend du contaminant, de la forme biogéochimique, et de la capacité de l’organisme à réguler et/ou stocker l’élément.  Effet Biodiversité > sensibilité toxicologique Écologie > exposition – Cycle de vie complet ou partiel dans le sédiment – ment – Cycle de vie à l’interface eau –sédiment – Activité de nutrition totale ou partielle sur le sédiment (from Halanych K.M. 2004)  Méthodes PNEC Établir des relations concentrations –réponses au laboratoire – Enrichissement artificiel Sédiment artificiels (OCDE 218) Sédiments naturels Toxicité « générale » : survie; croissance; reproduction – Sédiment total (eau douce) Insectes : C. riparius, C. tentans (OCDE 218) Oligochètes : L. variegatus, T. tubifex Crustacés : H. azteca (EPA 2000), G. pulex PNEC / Terrain Calcul des PNEC > Norme qualité environnementale µg/g Batley et al. 2005 Mécanismes complexes : ex. métaux Bioaccessibilité Disponibilité milieu Biodisponibilité Bioaccumulation Exposition Effet Md_B Assimilation efficacité Fdissoute Assimilation efficacité Md_X Fnon-disponible Ingestion Fparticulaire Métaux totaux adsorbés Spéciation Md_C Accumulation Transport distribution Activité physiologique absorbés Assimilation efficacité Md_A surface digestive surface respiratoire Compétition cationique prédation toxique Site toxicité détoxification stockage Excrétion Métaux bioaccumulés Variabilité interspécifique Écotoxicité du cuivre Sédiment OCDE 208 Mortalité CL50 Croissance CE 50 300 400 350 250 T. tubifex H. azteca 300 200 Cu, mg/kg Cu, mg/kg C. riparius 250 L. Variegatus 200 150 G. pulex 100 H. azteca 150 C. riparius G. pulex T. tubifex L. Variegatus 100 50 50 0 0 0 1 2 3 4 5 6 0 Roman et al.,Sci Tot. Environ. 2007 Bioaccessibilité <> Écologie Biodisponibilité <> Toxicologie 1 2 3 4 5 6 Évaluation de l’exposition toxique  Bioaccessibilité des contaminants Modèles de partition particules-eau – Métaux [SEM-AVS]/foc > concentration du sédiment en équilibre avec les ligands biologiques dans la phase dissoute +sBLM (Di Toro et al. 2005) > effet toxique aiguë, chronique – Organiques Kp: Koc*foc Outils – Extractions « biomimétiques » DGT (métaux), SPMD, TENAX (organiques) > concentrations « bioaccessibles » Limites Mécanisme spécifique au transfert depuis les particules par la voie digestive > récepteurs cibles : non pris en compte Processus considérés à l’équilibre BLM : Constante de liaison sur récepteurs biologiques variables avec les organismes ? Évaluation de l’exposition toxique  Bioaccessibilité des contaminants et toxicité Modèles «multiphases» – Modèle d’exposition et d’effet (EEM) (Simpson 2005) Concentration toxique interne = Σ concentrations d’exposition par voie dissoute (EqP-Kd) et particulaire (Ku, AE) Effet toxique expliqué par la concentration interne accumulée – Limites : calibration du modèle (AE, Ku) biodisponibilité et toxicité du métal dissous / particulaire ? pas de prise en compte des processus de détoxification Évaluation de l’effet laboratoire  Approche biologique (biotests) : toxicité « générale » Espèces Critères – Survie, croissance, reproduction – Insectes : C. riparius, C. tentans (OCDE 218) – Émergence, déformation – Nématodes : C. elegans (ISO/NWIP 2006) – Oligochètes : L. variegatus, T. tubifex – Crustacés : H. azteca (EPA 2000), G. pulex – Mollusques : P. antipodarum (Schmidt et al. 2006) – Poissons : D. rerio (ELS, ISO 12890) – Microbiotest : crustacés, rotifères, plantes Stade de mue, déformation Développement embryonnaire Éclosion, développement Évaluation de l’effet laboratoire  Approche biologique sédiment : toxicité « globale » Avantages – Prise en compte de la complexité du milieu et des mélanges Limites –Interprétation biologique Disposer d’une référence adéquate Définir le seuil d’effet (variabilité naturelle, effet population) –Interprétation toxique : facteurs de confusion (NH4, O2…) –Représentativité / milieu Échantillonnage, préparation Conditions d’essai Apport de nourriture Évaluation de l’effet laboratoire Croissance C. riparius 14,00 12,00 * * * 8,00 Reference sediment 6,00 4,00 2,00 0,00 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Echantillons Bioaccumulation comparée laboratoire /terrain 30,00 25,00 C h ir o n o m e te r r a in , µ g /g Taille mm 10,00 Cr 20,00 Ni 15,00 As Cd 10,00 Pb 5,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 Chironome laboratoire , µg/g 20,00 25,00 Évaluation de l’effet laboratoire  EDA (Effect Directed Assessment) : Sélectionner des phases toxiques > identification de causes toxiques – Test biologiques associés aux fractions bioaccessibles Eau interstitielle : microbiotests (rotifères, crustacé, algues…) Extraits organiques particulaires Identifier des MoA (génotoxicité, reprotoxicité, phytotoxicité) Test in vivo : embryon et larves de danio Test in vitro : Mutatox, Luminotox, DR-CALUX, ER-CALUX, YES, YAS, …. – Limites : échantillonnages, préparation, facteur de confusion (NH4, …) Approches in situ : expérimentations C. riparius : application sur C. riparius : application en échantillon de sédiment 6 j. in situ – Mesures d’effet : survie, croissance, taux de nutrition, développement larvaire sédiment en place non perturbé 48h, survie, bioaccumulation Faria et al. 2006 Ferrari et al. 2007 Approches in situ : impact sur les communautés Indices biotiques : indices synthétiques de l’évaluation de l’intégrité et/ou de la qualité biologique d’un écosystème  Cours d’eau  Systèmes lacustres IBGN : Indice Biologique IBL : Indice Biologique Global Normalisé (NF T90-350) lacustre IOBL : Indice Oligochète de bioindication lacustre (NF T90-391) IOBS : Indice Oligochète de bioindication des sédiments (NF T90-390) IMOL : Indice malacologique de qualité des systèmes lacustres Approches in situ : Indices biotiques  Cours d’eau Faune des sédiments fins ou sableux permanents et stables Richesse taxonomique pondérée par le pourcentage des formes les plus tolérantes à la pollution – Lafont 2002 : IOBS (Oligochètes 0-10 potentiel toxique) % Tubificidae sans soies capillaires, effets toxiques et discrimination de polluants (HAPs, PCBs, métaux) ÂSystèmes lacustres Faune des sédiments fins de la zone profonde (potentialité des sédiments lacustres profonds à assimiler et à recycler les substances minérales ou organiques) Diversité, distribution bathymétrique – Lafont et al. 2005 : IOBL (Oligochètes 0-10 potentiel métabolique) – Mouthon 1993 : IMOL (Mollusques 0-8 niveau trophique, O2, MO) – Verneaux et al. 2004 : IBL (Communauté/Chironomidae 0-20 capacité biogène, O2, MO) Nouvelles approches : traits bio-écologiques  Méthodologie Cadre typologique précis : Moyens cours d’eau de montagne Contamination toxique dominante [sédiments] Données chimiques et faunistiques temporellement compatibles SED Données RNB MOOX, AZOT, NITR, PHOS dans l’eau Base micropolluants dans les sédiments As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, HAPs, PCBs Données DIREN Protocole IBGN Listes faunistiques à la famille Nouvelles approches : traits bio-écologiques  Méthodologie 1- Attribution d’une classe de qualité chimique à chaque relevé Classes du SEQ eau potentialités biologiques 2- Calcul des profils de traits bioécologiques pour chacun des relevés 3- Comparaison des profils de traits entre chaque classe de qualité Tests non paramétriques, Kruskal-Wallis 4- Sélection des modalités de traits les plus pertinentes Mise en évidence des modalités les plus discriminantes 5- Proposition d’une démarche statistique d’évaluation de la qualité du milieu Démarche multimétrique Nouvelles approches : traits bio-écologiques  Méthodologie : démarche statistique H0 = niveau de qualité supérieure H1 = niveau de qualité inférieure 1- Calcul du risque de 1ère espèce 2- Calcul du risque de 2ème espèce 3- Décision statistique pour chaque modalité sélectionnée puis calcul de la probabilité finale par couple successif de classe de qualité Nouvelles approches : traits bio-écologiques  Méthodologie : démarche statistique Calcul du profil bioécologique pour le relevé considéré Est-ce que le profil appartient à la classe de qualité très bonne ? pHigh < pGood or Non Est-ce que le profil appartient à la classe de qualité bonne ? pGood < pModerate or - High Quality Class Oui STOP pGood > pModerate or - Good Quality Class Non Est-ce que le profil appartient à la classe de qualité moyenne ? pModerate < pBad Oui pHigh > pGood STOP or - Non Bad Quality Class Oui STOP pModeate > pBad Moderate Quality Class Nouvelles approches : traits bio-écologiques  Développer des outils de surveillance in situ basée sur la structure bio-écologique des communautés. Proposer un système d’évaluation de la qualité des retenues ou systèmes lentiques Proposer un facteur de sécurité entre outils prédictifs et observation in situ Réviser la batterie de tests pour tenir compte des traits bioécologiques se révélant les plus sensibles dans les systèmes étudiés sp. 1 Profil des espèces sp. 2 sp. 3 sp. n Profil du site Quelles espèces sont les plus représentatives du site ? DIESE : Outils de DIagnostique de l’Ecotoxicité des SEdiments Bioévalution in situ Outils de screening Outils d’exposition « bioaccessible » et modèles d’effet l’a pp ro ch e de s m de Fi ab ilit é icr ob io t Méthodologies d’évaluation tes n e tin per s du danger toxique ? e iqu R m chi ur l’Ed s e po sur me Bioaccessibilité Biodisponibilité es ts ? Indicateur de qualité retenues « Espèces pertinentes » Pe rti ne nc e du danger bi ot es ts Priorisation Id en tifi ca t ion de s Méthodologie « EDA » ca us es Sources toxiques FIN Merci pour votre attention !
