Université d’Avignon et des pays du Vaucluse Ecotoxicologie terrestre et aquatique QuickTime™ et un ÉS G É N É RALIT décompresseur TIFF (non compressé) sont requis pour visionner cette image. 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 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 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 ? 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