Projet de Chaire Institutionnelle (Professeur) en Biosurveillance des milieux aquatiques Chaire Université Reims Champagne Ardenne - Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques Court résumé grand public : Les milieux aquatiques représentent l’exutoire final d’un grand nombre de contaminants émis par les activités anthropiques. En même temps, l’importance des services rendus à la société par les milieux aquatiques, aussi bien dans l’approvisionnement en énergie, en eau, en nourriture, qu’en services culturels et aménités, impose aujourd’hui de les préserver ou les restaurer, et par conséquent de disposer d’outils performants pour en évaluer et suivre leur qualité. L’enjeu du projet est la mise en place, sur la base d’espèces représentatives de nos hydrosystèmes, d’outils sensibles, précoces d’une dégradation de la qualité des masses d’eau évitant ainsi i) les risques économiques pour les activités liées à ces masses d’eau, ainsi que ii) les processus longs et coûteux d’une remédiation. Le projet a pour objectif d’acquérir des connaissances qui contribueront à l’innovation et au transfert de nouveaux outils d’évaluation des dangers des substances et de caractérisation de la qualité des milieux aquatiques à des fins de diagnostic, d’évaluation du risque écotoxicologique et de surveillance des milieux aquatiques. Le projet visera également à promouvoir l’utilisation de ces outils dans un contexte réglementaire afin de guider les gestionnaires, les utilisateurs des masses d’eau et les politiques publiques dans l’amélioration de la gestion du risque pour l’homme et l’environnement vis-à-vis des utilisations des différentes masses d’eau. Résumé du projet de Chaire : L’environnement est une préoccupation importante pour la population française. Aussi, l’impérative nécessité de protéger cet environnement afin que chacun puisse vivre dans un écosystème sain s’est traduite par un accroissement des exigences réglementaires avec par exemple la Directive Cadre sur l’Eau (2000/60/CE) et la Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (2008/56/CE). Aujourd’hui, l’évaluation de la qualité des milieux aquatiques passe par un suivi de l’état chimique et écologique des masses d’eau, incluant actuellement diverses métriques biologiques basées sur les communautés et utilisant les invertébrés, les poissons, les algues. La surveillance des populations et communautés autochtones d’organismes aquatiques a constitué la principale démarche de l’évaluation des écosystèmes. Ces mesures ont prouvé leur utilité pour évaluer le « bon état écologique » des masses d’eau mais à ce stade, la dégradation est installée de longue date et la remédiation devient extrêmement problématique. Sur la base de réponses biologiques précoces, le projet vise, par une meilleure compréhension de l’impact des stress anthropiques sur les organismes animaux, à l’identification de nouveaux outils d’évaluation des dangers des substances (bioessais et biomarqueurs) et de caractérisation de la qualité des milieux aquatiques (biosurveillance) à des fins de diagnostic, d’évaluation du risque écotoxicologique et de surveillance des milieux aquatiques. Le projet se focalisera sur la fonction de reproduction et sa régulation, apparaissant comme particulièrement pertinente 1 pour identifier des réponses prédictives d’effet toxique pour le maintien de l’individu voire de sa population via sa descendance. A l’aide d’expérimentations in vitro/ex vivo, in vivo et in situ, les travaux porteront sur trois axes : 1) Amélioration des connaissances de la physiologie/écophysiologie de la reproduction des espèces modèles de l’unité et leur modulation sous la pression des changements environnementaux ; 2) Identification et caractérisation du potentiel de certaines réponses en tant que biomarqueurs ; 3) Définition des conditions d’analyse de ces biomarqueurs dans un objectif de les utiliser en diagnostic et surveillance des milieux. L’ensemble des travaux visera d’une part à promouvoir l’utilisation de ces outils dans un contexte réglementaire afin de guider les gestionnaires, les utilisateurs des masses d’eau et les politiques publiques dans l’amélioration de la gestion du risque pour l’homme et l’environnement vis-à-vis des utilisations des différentes masses d’eau et des services écosystémiques rendus et ceci au travers d’une collaboration avec l’Agence de l’eau Seine Normandie, Direction vallées de Marne. D’autre part, ce projet permettra de renforcer, sur la base des liens étroits entre un institut (INERIS) et l’université de Reims, la formation des étudiants sur les problématiques de l’écotoxicologie et la surveillance des milieux aquatiques au sein de différents cursus. Mot-clés : Biomarqueurs, reprotoxicité, surveillance, ressource, animaux aquatiques 2 Projet de Chaire en Biosurveillance des milieux aquatiques Contexte : L’environnement est une préoccupation importante pour la population française. Aussi, l’impérative nécessité de protéger cet environnement afin que chacun puisse vivre dans un écosystème sain s’est traduite par un accroissement des exigences réglementaires avec par exemple la Directive Cadre sur l’Eau (2000/60/CE) et la Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (2008/56/CE). Aujourd’hui, l’évaluation de la qualité des milieux aquatiques passe par un suivi de l’état chimique et écologique des masses d’eau, incluant actuellement diverses métriques biologiques basées sur les communautés et utilisant les invertébrés, les poissons, les algues. La surveillance des populations et communautés autochtones d’organismes aquatiques a constitué la principale démarche de l’évaluation des écosystèmes. Ces mesures ont prouvé leur utilité pour évaluer le « bon état écologique » des masses d’eau mais à ce stade, la dégradation est installée de longue date et la remédiation devient extrêmement problématique. L’objectif est d’identifier les masses d’eau qui n’atteignent pas le bon état et de les inscrire dans un réseau de contrôle. Cette démarche nécessite d’identifier les causes (physique et/ou chimique) de la dégradation rendant incontournable l’utilisation d’outils écotoxicologiques. Aussi, la recherche en écotoxicologie s’est attachée, depuis le début des années 80, à la compréhension des effets des stress environnementaux et au développement d’indicateurs biologiques tels que les biomarqueurs utilisables afin d’améliorer le diagnostic environnemental (Lagadic et al., 1997). Cependant, ces outils n’ont jusqu’à présent été utilisés que très rarement dans le cadre de la surveillance biologique opérationnelle de l’environnement et pour l’appui à la gestion des milieux. Ceci est notamment lié à l’influence de nombreux paramètres environnementaux susceptibles de moduler la réponse des biomarqueurs et à des difficultés liées à la standardisation de leur mesure rendant parfois délicate l‘interprétation des résultats obtenus (Amiard-Triquet et al., 2013). Il apparaît nécessaire, non seulement d’améliorer la compréhension des processus biologiques impliqués dans la réponse des organismes à différents facteurs de stress mais également de préciser les déterminants biologiques et environnementaux de la variation des différents biomarqueurs. Ainsi, les conditions de mesures de ces biomarqueurs nécessitent encore d’être précisées et caractérisées afin que leurs réponses traduisent non seulement une exposition des organismes à ces molécules mais aussi un risque potentiel pour le maintien de l’individu voire de sa population (De Coen et al., 2000 ; Xuereb et al., 2009 ; Lacaze et al., 2011 ; Sanchez et al., 2011 ; Charron et al., 2015). Pour répondre aux besoins en matière de surveillance des milieux aquatiques, notamment en considérant la contamination des masses d’eau par les polluants émergents et les effets de la contamination sur les organismes, il est apparu important d’allier de manière opérationnelle les compétences de l’INERIS en matière de recherche appliquée et d’expertise dans le domaine de la biosurveillance et les compétences de l’URCA et de l’ULH en matière d’écotoxicologie sur différents modèles biologiques caractéristiques des milieux aquatiques continentaux, estuariens et marins. Ce projet alliant recherches cognitives et appliquées a pour ambition de lever les verrous scientifiques et techniques limitant l’utilisation de ces biomarqueurs pour le diagnostic de la qualité des milieux aquatiques et leur surveillance. Ces questions sont au centre de l’Unité Mixte de Recherche Stress Environnementaux et BIOsurveillance des milieux aquatiques (UMR-I 02 SEBIO), validée par 3 le ministère début 2014 et labellisée par l'Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques (établissement public à caractère industriel et commercial). L’INERIS a pour mission de contribuer à la prévention des risques que les activités économiques font peser sur la santé, la sécurité des personnes et des biens, et sur l’environnement. Il mène des programmes de recherche visant à mieux comprendre les phénomènes susceptibles de conduire aux situations de risques ou d’atteintes à l’environnement et à la santé, et à développer sa capacité d’expertise en matière de prévention. Ses compétences scientifiques et techniques sont mises à la disposition des pouvoirs publics, des entreprises et des collectivités locales afin de les aider à prendre les décisions les plus appropriées à une amélioration de la sécurité environnementale. Ce projet de Chaire s’inscrit totalement dans la complémentarité de mission des deux établissements (URCA et INERIS) et contribuera au renforcement de l’expertise du l’unité SEBIO dans le domaine des risques environnementaux. Objectifs et développement : L’objectif principal de la chaire entre l’URCA et l’INERIS est la compréhension de l’impact des stress anthropiques sur les organismes animaux et l’identification de réponses ayant un potentiel en tant que biomarqueur. Les connaissances acquises contribueront à l’innovation et au transfert de nouveaux outils d’évaluation des dangers des substances (bioessais et biomarqueurs) et de caractérisation de la qualité des milieux aquatiques (biosurveillance) à des fins de diagnostic, d’évaluation du risque écotoxicologique et de surveillance des milieux aquatiques. Le projet visera également à promouvoir l’utilisation de ces outils dans un contexte réglementaire afin de guider les gestionnaires, les utilisateurs des masses d’eau et les politiques public dans l’amélioration de la gestion du risque pour l’homme et l’environnement vis-à-vis des utilisations des différentes masses d’eau et des services écosystémiques rendus. Développement : Parmi les grandes fonctions physiologiques étudiées au sein de l’unité, le présent projet se focalisera sur la reproduction et sa régulation. En effet, la reproduction apparaît comme particulièrement pertinente pour identifier des réponses prédictives d’effet toxique pour le maintien de l’individu voire de sa population via sa descendance (Adams et al., 1989 ; Amiard et al. 2013 ; Gubbins et al., 2013, Santos et al., 2013). Actuellement, les recherches développées au sein de l’unité (sites de Reims et INERIS) s’inscrivent notamment à la description de marqueurs en lien avec la qualité des gamètes (intégrité de l’ADN, marqueurs de l’acrosome…) et de la gamétogénèse (développement d’un indice gonadique par approche cytométrique) chez un mollusque bivalve continental Dreissena polymorpha. Parallèlement, l’étude des mécanismes d’action de perturbateurs endocriniens, en particulier sur la reproduction de poissons modèles et/ou autochtones, a conduit au développement et à la validation de bioessais in vitro et in vivo et de biomarqueurs (vitellogénine, intersexe, etc.). Les actions de recherche concerneront les modèles aquatiques continentaux considérés au sein de l’unité ayant un fort potentiel d’utilisation pour du diagnostic ou de la surveillance à une large échelle nationale et européenne. De plus, ces recherches s’inscriront dans un contexte environnemental par la considération de la problématique des expositions chroniques à faibles doses et de la présence de stress multiples (chimique, biologique et physique) et intégreront, par la considération de la reproduction, les questions d’intérêt actuellement en écotoxicologie d’effets transgénérationnels. Compte tenu de la 4 problématique, de l’expertise et des moyens déjà présents sur les différents sites de l’unité, les travaux de la chaire seront orientés, au travers d’expérimentations couplant des approches in vitro/ex vivo, in vivo et in situ, vers les axes suivants : - le premier axe concerne l’amélioration des connaissances de la physiologie/écophysiologie de la reproduction des espèces modèles et leur modulation sous la pression des changements environnementaux. Cet axe aura pour objectif de développer des recherches visant à identifier les mécanismes d’action reprotoxique des contaminants sur la reproduction et sa régulation chez des organismes modèles représentatifs des écosystèmes aquatiques continentaux nationaux et européens. Le développement d’approches globales (protéomique, transcriptomique…) sera privilégié. Le projet prendra également en considération l’identification de fenêtres critiques d’exposition en lien avec des périodes sensibles du développement et/ou du cycle de vie des organismes. - sur la base des mécanismes d’action, le deuxième axe aura pour objectif de caractériser le potentiel de certaines réponses en tant que biomarqueurs. Cet axe visera tout particulièrement à définir le caractère prédictif des réponses moléculaires vis-à-vis des effets sur la descendance. Ainsi, au travers d’une approche intégrative prenant en considération les différents mécanismes d’action des polluants ainsi que les différents niveaux organisationnels, le projet visera à préciser les liens entre des réponses d’intérêt mesurées au niveau moléculaire, individuel (traits de vie, performances reproductrices) voire populationnel (sex-ratio, aspects transgénérationnels). - le troisième axe aura pour objectif de définir les conditions d’analyse de ces biomarqueurs et de leur « standardisation ». Cet axe est indispensable pour assurer le transfert des réponses d’intérêts en véritable outils de diagnostic et de surveillance. Ces actions devront considérer de façon importante les attentes des gestionnaires et utilisateurs des milieux aquatiques au niveau régional (métropole…), national (ONEMA, Agence de l’eau…) et international (Eawag en Suisse…). Sur le volet « standardisation » les actions devront s’inscrire dans un cadre national d’AQUAREF. Ce troisième axe aura donc pour objectif de renforcer les interactions entre le volet cognitif des actions de recherche et la mission de transfert de l’INERIS. L’apport de ces nouvelles réponses, en association aux réponses déjà développées au sein de l’unité SEBIO (immunité, métabolisme), dans un contexte de diagnostic et/ou de suivi de la qualité des masses d’eau, sera évalué dans le cadre d’une collaboration avec l’Agence de l’eau Seine Normandie, Direction vallées de Marne. Cette collaboration permettra d’une part de préciser la capacité des biomarqueurs à discriminer des sites en comparaison des métriques biocénotiques actuellement utilisées. D’autre part, dans un contexte de diagnostic, le potentiel des biomarqueurs dans l’identification des causes potentielles de dégradation de la qualité biologique de masses d’eau sera également testé. En effet différents sites, dont la dégradation biologique ne semble pas liée à la physico-chimie du milieu, seront sélectionnés et évalués à l’aide de biomarqueurs afin, si possible, de préciser le diagnostic. Le présent projet de Chaire est construit sur le modèle de Chaire institutionnelle avec le soutien important de l’INERIS. Les retombées économiques d’un tel projet sont difficilement mesurables à court et moyen terme. Cependant l’amélioration des connaissances de l’impact des différentes pressions anthropiques sur la qualité des milieux aquatiques et ainsi sur le maintien de leur biodiversité et des services écosystèmiques associés, représente un apport primordial. En effet, le développement d’outils sensibles et prédictifs, permettront d’identifier les situations à risque avant que les perturbations n’aient engendré une dégradation trop importante de la biocénose, évitant ainsi la mise en place de processus de remédiation longs 5 et très coûteux ou encore la disparition d’activité économique liée à la qualité des masses d’eau utilisées (loisir, production d’eau…). Ceci pourra à moyen terme, déboucher sur la valorisation de réponses biologiques utilisables comme outils de diagnostic. Pour répondre à ces objectifs, le projet s’appuiera sur les acquis techniques et scientifiques de l’unité (plateforme automate en biochimie, plateau de cytométrie, mésocosmes, technique de transplantation…) et s’inscrira dans les structurations nationales existantes (GDR REPRO, réseau ANTIOPES…) ou en cours de construction (initiative de GDR en écotoxicologie par l’Irstea Lyon). Implication dans l’unité : Le Professeur qui occupera le poste de Chaire devra participer activement à la structuration du thème « reproduction et endocrinologie » de l’unité SEBIO et ce tout particulièrement entre le site de Reims et de l’INERIS, avec pour ambition d’assurer activement le transfert des réponses biologiques ayant un potentiel en tant que biomarqueurs vers des outils utilisables par les gestionnaires et utilisateurs des masses d’eau. De plus au travers de projets collaboratifs, le Professeur contribuera à la promotion et à la recherche de financement dans le domaine de l’écotoxicologie aquatique auprès des instances scientifiques et techniques nationales et internationales de l’Etat, des collectivités locales et des industriels. L’ensemble des actions contribuera au rayonnement de l’unité. Le Professeur sera également impliqué sur le volet pédagogique et devra inscrire ses travaux de recherche dans des modules d’enseignement sur la biosurveillance des milieux aquatiques et ce tout particulièrement au niveau de la spécialité GENFASE (Génie de l’Environnement Naturel, Faune Sauvage et Environnement) du Master GENI (Génie des Environnements Naturels et Industriels) de l’Université de Reims. Le Professeur participera également au développement d’unités d’enseignement à distance sur la problématique de la reprotoxicité et de la surveillance des milieux aquatiques au sein d’un réseau FrancoCanadien ECOBIM. Dans la cadre de ce projet, le Professeur titulaire de la Chaire, bénéficiera d’un soutien humain et financier de l’INERIS sur la base notamment d’un doctorant (36 mois) et d’un postdoctorant (2 ans). Pour le troisième axe du projet, une sollicitation de soutien sera demandée à l’Agence de l’eau Seine Normandie, Direction vallées de Marne sous la forme d’un an de post-doctorat en troisième année de projet. Les travaux menés seront valorisés sur la forme de communications (articles, conférences) dans le cadre de colloques nationaux et internationaux mais également dans le cadre des échanges avec l’agence de l’eau via les diagnostics menés sur différents sites régionaux. Ce projet vise, dans un contexte de surveillance, au développement de méthodes permettant de suivre un grand nombre de réponses par des approches biochimiques, en s’appuyant notamment sur l’automate Gallery acquis il y a 2 ans au sein de l’unité, mais également en expression de gènes. Pour ce dernier point, afin de réduire au maximum les besoins en matériel biologique tout en étudiant un grand nombre de gènes, il est sollicité l’acquisition d’une droplet PCR dont l’apport pour le développement de biomarqueurs est particulièrement important (Hayes et Dalton, 2015). Outre le recrutement d’un Professeur (2ème classe) et l’implication d’un doctorant et de deux post-doctorants, le projet de Chaire impliquera également 3 statutaires de l’UMR-I 02 SEBIO (site de Reims, 1 PR, 1MCF et 1 technicienne) qui en association avec les collègues de l’INERIS, particulièrement Jean-Marc Porcher (IgR HDR) offre un consortium solide pour le 6 bon déroulement du projet en apportant l’ensemble des compétences scientifiques et techniques nécessaires pour ce dernier. Informations pour postuler : https://www.galaxie.enseignementsuprecherche.gouv.fr/ensup/cand_postes_GALAXIE.htm Références bibliographiques : Adams S.M., Shepard K.L., Greeley Jr. M.S., Jimenez B.D., Ryon M.G., Shugart L.R., McCarthy J.F., 1989. The use of bioindicators for assessing the effects of pollutant stress on fish. Marine Environmental Research, 28, 459-464. Amiard JC, Chaumot A, Couderc M, Garric J, Geffard O, Xuereb B, 2013. Impairments of endocrine functions : cause and consequences. In : Ecological Biomarkers, Indicators of ecotoxicological effects, Amiard-Triquet C, Amiard JC, Rainbow PS (eds), CRC Press Boca Raton, 187-218 Amiard-Triquet C, Amiard JC, Rainbow PS, 2013. Ecological Biomarkers, Indicators of ecotoxicological effects., eds, CRC Press Boca Raton. Charron L, Geffard O, Chaumot A, Coulaud R, Jaffal A, Gaillet V, Dedourge-Geffard O, Geffard A, 2015. Consequences of Lower Food Intake on the Digestive Enzymes Activities, the Energy Reserves and the Reproductive Outcome in Gammarus fossarum. PLOS, DOI: 10.1371/journal.pone.0125154 Gubbins MJ, Huet M, Mann RM, Minier C, 2013. Impairments of endocrine functions : case studies. In : Ecological Biomarkers, Indicators of ecotoxicological effects, AmiardTriquet C, Amiard JC, Rainbow PS (eds), CRC Press Boca Raton, 219-252 Hayes CJ, Dalton TM, 2015. Microfluidic droplet-based PCR instrumentation for highthroughput gene expression profiling and biomarker discovery. Biomolecular Detetcion and Quantification 4, 22-32 Lagadic L, Caquet T, Amiard JC, 1997. Biomarqueurs en écotoxicologie : principes et définitions. In : Lagadic L, Caquet T, Amiard JC, Ramade F (eds). Biomarqueurs en écotoxicologie. Aspects fondamentaux. Masson. Paris. Xuereb B, Lefèvre E, Garric J, Geffard O 2009. Acetylcholinesterase activity in Gammarus fossarum (Crustacea Amphipoda): Linking AChE inhibition and behavioural alteration. Aquatic Tox. 94: 114-122. De Coen W, Janssen C, Giesy J, 2000. Biomarker applications in ecotoxicology: bridging the gap between toxicology and ecology. In: Persoone G, Colin J, De Coen W, editors. New microbiotests for routine toxicity screening and biomonitoring, 13-25. Lacaze E, Geffard O, Goyet D, Bony S, Devaux A, 2011 Linking genotoxic responses in Gammarus fossarum germ cells with reproduction impairment, using the Comet assay. Environ Res, 111: 626-634. Sanchez W, Sremski W, Piccini B, Palluel O, Maillot-Maréchal, Betoulle, Jaffal A, Aït-Aïssa S, Brion F, Thybaud E, Hinfray N, Porcher JM, 2011. Adverse effects in wild fish living downstream from pharmaceutical manufacture discharges. Environment International, 37, 1342-1348 Santos R, Palos-Ladeiro M, Besnard A, Reggio J, Vulliet E, Porcher JM, Bony S, Sanchez W, Devaux A, 2013. 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