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Les substances dangereuses
Eco-toxicologie et normes de qualité
Formation pour l ’Agence de l ’Eau Loire-Bretagne
Orléans, 22/11/2007
Objectifs pour la qualité de l ’eau
Objectif de non détérioration
Concentration dans le milieu
Temps
NQ
Zéroou
concentration de fond
Mesures de réduction de la pollution nécessaires
Détermination d ’une norme de qualité (NQ)= Quality Standard
• Selon le bruit de fond dans le milieu
• Par rapport à la limite de quantification analytique
• Selon des critères de toxicité / écotoxicitéSeuls critères retenus pour la Dir. 76/464/CEE et la Directive Cadre sur l ’Eau
Les critères socio-économiques ne sont normalement pas pris en compte pour la fixation d’une NQ. Mais l’art. 4 (§ 4 to 8) de la DCE donne la liste des exemptions pouvant justifier un dépassement des NQ.
Ecotoxicité pour les organismes aquatiques
Bioaccumulation et données de toxicité orale (empoisonnement
secondaire des prédateurs)
Normes pour la potabilisation de l ’eau
(Dir. 98/83/CE)
Ecotoxicité pour les organismes benthiques
(sédiments)
Valeurs limites dans les poissons, mollusques, crustacés, destinés à la consommation humaine
Normes de Qualité pour l ’eau (NQ)≠≠≠≠
Normes de Qualité Environnementale (NQE)(=EQS, Environmental Quality Standard )
NQE = critère le plus sensible
NQ
Ecotoxicité aquatique
Principe d ’un test d ’écotoxicité
Concentrations croissantes en toxique
Après une durée d, on compte le nombre d ’individus affectés dans chaque récipient
Réplicats
C0(témoins)
C1 C2 C3 C4 C5
Effets observés : mortalité, croissance, reproduction
Essais aigus / essais chroniques
Toxicité aiguë : quelques heures à quelques jours� mortalité� inhibition de la mobilité
Toxicité chronique : quelques jours à plusieurs semaines� inhibition de la croissance� inhibition de la reproduction
Types d’échantillons testés
Substances chimiques, pharmaceutiques, cosmétiques, pesticides, etc.
Effluents : naturels, rejets industriels, entrée et sortie de station d’épuration
Sols pollués : sol + éluat
Déchets : déchet brut + éluat
Boues : boues brutes + éluat
Sédiments : sédiment brut + éluat
Essais Microtox ( Vibrio fischeri )
• Inhibition de la luminescence d ’une bactérie marine
• Mesure de la luminescence à T0 dans du milieu d ’essai
• Mesure de la luminescence à T30 min en présence du polluant
• Détermination de l’ inhibition de la luminescence de la bactérie par rapport au témoin
Essais sur Pseudomonas putidas
• Inhibition de la croissance d ’une population bactérienne
• Détermination de la concentration cellulaire par opacimétrie après 16 heures de contact avec le polluant
• Détermination de l ’inhibition de cette croissance par rapport au témoin
Essais sur algues unicellulaires
• Inhibition de la croissance des algues
• Détermination de la concentration cellulaire toutes les 24 heures pendant 72 heures
• Détermination de l ’inhibition de cette croissance par rapport au témoin
Essais sur lentilles d’eau (e.g. Lemna minor )
• Inhibition de la croissance des lentilles
• Détermination du nombre de frondes toutes les 24 heures pendant 96 heures
• Détermination de l ’inhibition de cette croissance par rapport au témoin
Essais sur daphnies (e.g. Daphnia magna )
Essai aigu : inhibition de la mobilité� détermination du nombre de daphnies immobiles par concentration après
24 ou 48 heures d’essai
Essai chronique : inhibition de la reproduction� détermination du nombre de pontes par daphnies pendant 21 jours� détermination de l’inhibition par rapport au témoin
Essais sur Ceriodaphnies (e.g Ceriodaphnia dubia )
• Inhibition de la reproduction
• Détermination du nombre de pontes par cériodaphnies pendant 7 jours
• Détermination de l’inhibition par rapport au témoin
Essais sur rotifères (e.g Brachionus caliciflorus )
• Inhibition de la reproduction
• Détermination du nombre de pontes par adulte pendant 48 heures
• Détermination de l’inhibition par rapport au témoin
Brachionus caliciflorus
Essais sur poissons
� Test de toxicité aigüe (mortalité à 96 heures)
� Test de toxicité prolongée (mortalité et effets sub-létaux sur 14 jours)
� Test de toxicité du stade de l'embryon à l'alevin (des oeufs fécondés aux alevins (i.e. présence du sac vitellin), ≈ 5 à 20 jours depuis l’éclosion)
� Test de toxicité aux premiers stades de la vie (des oeufs fécondés aux juvéniles s’alimentant, ≈ 30 à 60 jours depuis l’éclosion)
� Test de croissance des juvéniles (masse des poissons, ≥ 28 jours)
Brachydanio rerio
Exemples d’espèces de poissons couramment utilisées
Eau douceOncorhynchus mykiss (Truite arc-en-ciel)Pimephales promelas (Tête-de-boule)Brachydanio rerio (Danio zébré)Oryzias latipes (Modaka)Oncorhynchus kisutch (Saumon coho)Onchorhynchus tshawytscha (Saumon chinook)Salmo trutta (Truite de rivière)Salmo salar (Saumon de l'Atlantique)Salvelinus fontinalis (Saumon de fontaine)Salvelinus namaycush (Truite de lac d'Amérique)Esox lucius (Brochet)Catostomus commersoni (Meunier noir)Lepomis macrochirus (Crapet arlequin)Ictalurus punctatus (Barbue de rivière)Jordanella floridae (Fondule de Floride)Gasterosterus aculeatus (Epinoche)Cyprinus carpio (Carpe commune)
Eau saléeCyprinodon variegatus ("Sheepshead minnow")Menidia menidia (Capucette)
Menidia peninsulae (Athérine américaine)
Les protocoles d’essais sont standardisés
Lignes directrices de l’OCDEAccès libre :http://www.oecd.org/document/23/0,3343,en_2649_34379_1948503_1_1_1_1,00.html
Normes ISOPayantes
Autres normes (US-EPA, ASTM, DIN, MITI, etc.)
Principe d ’un test d ’écotoxicité
Concentrations croissantes en toxique
Après une durée d, on compte le nombre d ’individus affectés dans chaque récipient
Réplicats
C0(témoins)
C1 C2 C3 C4 C5
Effets observés : mortalité, croissance, reproduction
Relation dose-réponse et détermination des critères d’écotoxicité
EC
50
50%
x%
100%
EC
x
NO
EC
Pourcentage d ’effets
Concentrations en toxique(échelle log)
Courbe d ’ajustement aux résultats expérimentaux(e.g. probit, logit, Hill, …)
0%
NOEC: Plus forte concentration testéepour laquelle les effets observés ne sont pas significativement différents de 0
EC50: concentration modélisée pour laquelle on s ’attend à observer des effets sur 50% d ’une population d ’une espèce
Variabilité statistique due aux réplicats
Témoins
Toxicité chronique / toxicité aiguë
Toxicité chronique : quelques jours à plusieurs semaines
effets à long terme : - inhibition de la croissance
- inhibition de la reproduction
Seuil de toxicité chronique(NOEC ou EC10)
Toxicité aiguë : quelques heures à quelques jourseffets létaux à court terme : mortalité / inhibition de la mobilité
Con
cent
ratio
n da
ns le
mili
eu
Temps
Seuil de toxicité aiguë (EC50)
Validité d ’un test: pertinence et fiabilité du protoc ole expérimental
Propriété de la substance testée
- type de contamination : statique, renouvellement ?- flacons bouchés, espace de tête ?- utilisation d ’un solvant ?- suivi analytique ?
Ads
orpt
ion
sur
les
paro
is
Concentration dans le milieu
d ’essai ?
Volatilisation
Mauvaise solubilisation
Biologie des organismes testés
e.g.:- physico-chimie du milieu d ’essai- durée de l ’essai- ages / taille / poids origine des organismes- densité de la population
Témoins ?
Au moins 3 niveaux trophiques doivent être testés
Producteurs primaires
Consommateurs primaires
Consommateurs secondaires
Phytoplancton (algues unicellulaires)
Zooplancton (e.g. daphnies)
Poissons
Les écosystèmes sont bien plus complexes !
Extrapolation d ’une NQ à partir des critères d ’écoto xicité (1)Une méthodologie européenne
D’après le guide technique en support à la directive 93/67/CEE concernant l’évaluation des risques de substances nouvelles et au règlement (CE) No 1488/94 concernant l’évaluation des risques pour les substances existantes (= TGD)
Principes fondamentaux dans l ’Annexe V § 1.2.6 de l a Directive Cadre sur l ’Eau
http://ecb.jrc.it/DOCUMENTS/TECHNICAL_GUIDANCE_DOCUMENT/
Principes détaillés dans Lepper (2005)
⇒ La NQ est basée sur une PNEC (= Predicted No-Effect-Concentration)
http://circa.europa.eu/Public/irc/env/wfd/library?l=/framework_directive/i-priority_substances/supporting_background/manual_methodology/_EN_1.0_&a=d
Extrapolation d ’une NQ à partir des critères d ’écoto xicité (2)Hypothèses et principes
NOEC :–faible effet–chronique–pour quelques espèces–en laboratoire
EC50 :–effet médian–court terme–pour quelques espèces–en laboratoire
NQ = PNEC :pas d ’effets prédits pour l ’écosystème
effet médian → pas d ’effetcourt terme → long termequelques espèces → ensemble des espèceslaboratoire → milieu naturel
quelques espèces → ensemble des espèceslaboratoire → milieu naturel
Facteurs d ’extrapolation (= Assessment Factors , AF)
Meilleure connaissance sur la
toxicité de la substance = baisse
de l ’incertitude
= Facteurs de sécurité. Prendre en compte les incertitudes et la variabilité des données
AFMin (données)
PNEC =
Données disponibles AF
3 données de toxicité aiguë (EC50)(poissons, daphnies et algues)
1000
3 données de toxicité aiguë + 1 donnéede toxicité chronique (NOEC) (poissonsou daphnies)
100
3 données de toxicité aiguë + 2 donnéesde toxicité chronique (NOEC) (poissonset/ou daphnies et/ou algues)
50
3 données de toxicité aiguë + 3 donnéesde toxicité chronique (NOEC) (poissonset daphnies et algues)
10
Données de terrains ou mésocosmes Au cas par cas
Les sensibilités des espèces sont conditionnées par leur taxonomie ?
Facteurs préconisés en Europe pour l ’eau douce :
Particularités pour le milieu marin
Il est admis que le milieu marin accueille un nombre importants de taxons (plus grande biodiversité). Le réseaux trophique est plus grand et plus complexe. De plus, certaines espèces sont spécifiques au milieu marin.
� D ’où l ’emploi de facteurs d ’extrapolation plus importants.
Les données d ’écotoxicité disponibles pour les eaux douces et les eaux marines peuvent être utilisés conjointement (les premières devant toutefois être jugées pertinentes pour le milieu marin).
Species Sensitivity Distribution (SSD)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
d.d.p
NOECslong termexème percentile ≈
concentration affectant x% des espèces testées (HCx%)
x%
Distribution statistique :empirique ou modélisée (e.g. loi Normale, logistique, Weibull, etc.)
avec AF pouvant aller de 5 à 1(nombre d ’espèces et représentativité, qualité de l ’ajustement, intervalle de confiance, etc.)
Les sensibilités des espèces sont indépendantes de leur taxonomie ?
Parce qu ’il existe toujours des incertitudes !
AFHC5% (données)
PNEC =
Plus de 10 (préférentiellement 15) NOECs long terme pour des espèces différentes couvrant au moins 8 groupes taxonomiques
Species Sensitivity Distribution (SSD)
SSD
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.2 0.7 1.2 1.7 2.2l o g NOEC ( µg / l )
Algues
Crustacés
Poissons
Insecte
Plantes supérieure
Mollusque
loi normale
Fonction de répartition : i.e. probabilités cumulées
xème percentile
x%
La biodégradabilité
Biodégradabilité primaire / biodégradabilité ultime
Biodégradabilité primaire : dégradation de la molécule en métabolites
Biodégradabilité ultime : dégradation complète de la molécule et formation produits ultimes :
� Dégradation aérobie :• Substance (COD) + O2 CO2 + H2O + Biomasse bactérienne
� Dégradation anaérobie• Substance (COD) CH4 + H2O + Biomasse bactérienne
Exemple du glyphosate
Principes des essais de biodégradabilité
• Dosage de la molécule
• Dosage du carbone organique dissous (COD)
• Dosage de la consommation en oxygène
• Dosage de la production de dioxyde de carbone
• Dosage du méthane
Exemple : essai de dégagement du CO 2 (Sturm)
• Mise en présence de la substance à étudier et de microorganismes provenant de STEP
• Mesure de la quantité de CO2 produite en 28 jours et comparaison avec la quantité théorique de CO2 (fonction de la concentration de la substance à tester)
• Substance considérée comme facilement dégradable si la dégradation est supérieure à 60 % en 28 jours
Dispositif du Sturm
Air comprimé
Régulateur de débit
Piégeage CO2 et H2O
Flacon d'essai
Dégagement de CO2
Solutions d'hydroxyde de baryum
Pompe
Ba(OH)2 + CO2 BaCO3 + H2O
Dosage du Ba(OH)2 résiduel par titrimétrie à l ’HCl
La bioaccumulation
Determination du facteur de bioconcentration (BCF)
Suivi de la concentration en polluant dans l ’eau et le poisson pendant au moins 28 jours Cenv
Cin
k1 k2
dC
dtk C k C
inenv in= −1 2
Cinkk
Cenvk t
e= − −1
21 2( )⇒⇒⇒⇒
t
Cin(t )
BCF. Cenv.
BCF =Cin
Cenv
k1
k2
=
Bioconcentration, bioaccumulation, biomagnification
bioconcentration (BCF) :concentration directe par voie aqueuse (branchies et épiderme)
Bioaccumulation (BAF) :concentration par voie aqueuse et par la nourriture
Biomagnification (BMF) :concentration dans la chaîne trophique
Exemple du DDT
Cas des substances hydrophobes
Qu’est ce qu’une substance hydrophobe ?
Affinité pour les lipidesAffinité pour le
carbone organique Affinité pour l’octanol
BCFKoc
Kow
Relation entre le Kow et le BCF
log BCF = 0,76 log K OW – 0,23 r2 = 0,82
Relation entre le Kow et le Koc
Relations entre KOC et KOW observées dans les eaux de surface de Green Bay, lac Michigan (source: Achman et al., 1993).
Comportement des substances hydrophobes dans l’environnement aquatique
Adsorptionsur les MES
“Dissous”(filtré à 0.45 µm)
SedimentationSedimentation
BCFBCFBMF 1BMF 1
BMF 2BMF 2
KpKp
Empoisonnement secondaire ?
Remise en suspensionRemise en suspension
Contamination vial ’eau
Contamination via les sédiments
Pollution historique
Ecotoxicité pour les organismes benthiques ?
Ecotoxicité pour les organismes benthiques(sédiments)
From US-EPA (1993). Provisional guidance for quantitative risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons. EPA/600/R-93/089.
Les sédiments constituent un écosystème (complexe) à part entière
La toxicité des contaminants dans les sédiments dépend de nombreux facteurs :
- Facteurs physiques :granulométrie, teneur en eau, en gaz, température, etc.
- Facteurs chimiques :teneur en matière organique, conditions redox, pH, teneur en ammoniaque, sulfures, etc.
- Facteurs biologiques :Densité du macrobenthos, activité microbienne, etc.
- Activités humaines :dragage, transport fluvial, etc.
- Conditions hydrologiques et météorologiques
⇒ Standardisation difficile pour les tests écotox et le monitoring
Essais écotox pour les organismes benthiques
Chironomus (larves)
Hyalella
Tubifex
Des bioessais normalisés sur sédiments ont été développés pour quelques organismes benthiques
Le sédiment (prélevé dans le milieu ou reconstitué) est contaminé en laboratoire par des concentrations croissantes de la substance⇒ relation dose-réponse
Plusieurs facteurs à contrôler : type de sédiments, procédure de contamination, période d’équilibration, facteurs physico-chimiques et autres facteurs expérimentaux.
Standardisation ≠ représentativité
Tests coûteux ⇒ Rares
Essais sur chironomes (e.g. Chironomus riparius )
• Détermination de la mortalité des larves : lecture à 10 jours
• Détermination de la taille de la capsule céphalique des larves après 10 jours
• Détermination du pourcentage d ’émergence des adultes après 28 jours d ’essai
• Détermination du pourcentage de mortalité et du pourcentage d ’inhibition de la croissance et du développement par rapport au témoin
Essais sur hyalelles (e.g. Hyalella azteca )
• Détermination de la mortalité des organismes : lecture à 14 et 28 jours
• Détermination de la taille des organismes après 14 et 28 jours
• Détermination du pourcentage de mortalité et du pourcentage d ’inhibition de la croissance par rapport au témoin
L’approche de l’équilibre de partage
Adsorbésur les sédiments
“Dissous”(filtration à 0.45 µm)
KpKp(coefficient de partage)
Historic pollution
Concentration toxique pour une espèce aquatique
(mg/L)
Concentration toxique pour les espèces benthiques
(mg/kgsed)
- Caractéristiques du sédiment- Ingestion de particules- Spécificité biologiques des espèces benthiques
sont ignorées !
Équilibre ?
Hypothèse que seule la fraction dissoute dans l ’eau
interstitielle induit un effet
L
µg
solidekg
µg
eau
solidesed
C
CKp =
solidekg
L
.
ockg
L
KocFocKp sedsed .=
solide
oc
kg
kg
.
444 3444 21444 3444 2143421][µg/madsorbéeionconcentrat][µg/meaul'dansionconcentrat][µg/msédimentslesdansionconcentrat 3
sed3sed
3sed
..1000... solidesolidesedeausedsedsed CFsolideCFeauC ρρ +=
sedkg
µg
3
sed
sed
m
kg
3
3
sed
eau
m
m
3
3
sed
solide
m
m
( )sedsed FeauFsolide −=1
3
eaum
L
( ) ( )solidesedsedsed
sedsedeau
KpFsolideFeau
CC
ρρ
..1000.
.
+=
3
solide
solide
m
kg
KocCC sedeau
.25900
1150.
+=
par défaut0.1
par défaut1150 kg/m 3
par défaut2500 kg/m 3
par défaut0.1
par défaut0.9
or et
Soit, avec les paramètres par défaut :
Peut s’estimer àpartir du Kow
Facteurs importants pour l’adsorption sur les particules sédimentaires
Teneur et nature de la matière organique
Nature de la matrice rocheuse
Granulométrie
Galets
Graviers
Sable
Limon
Argiles
e.g. teneurs en oxydes de Fe et Mn associés à un forte adsorption des métaux Particules fines
⇒ grande surface spécifique
SiO2silicates
(Ca,Mg)CO3carbonates
(Al,Fe)2O3xH2Oargiles hydratées
calcaires& dolomites
sables& cherts
latérites & bauxites
roches argileuses
rare ou impossible
Devenir du toxique dans les sédiments:un système dynamique, hors équilibre
“Dissous”“Adsorbé”
Diff
usio
n
Resuspension / redéposition
KpKp
Pollution historique
La fraction adsorbée ou séquestrée dans les couches inférieures n’est plus biodisponible ?
Mais,- diffusion vers les couches supérieures- resuspension de sédiments contaminés
Les contaminants (y compris la pollution historique ) peuvent être mobilisés après la resuspension des sédiments
Bioturbation
Dragage, navigation, etc.
Crues et pluies intenses
Maintenance des barrages
Evaluations in situ
- analyse chimique en laboratoire de sédiments prélevés in situ
- bioessais en laboratoire sur des sédiments prélevés in situ
- observation in situ de l’abondance et/ou de la diversité des espèces
e.g. SLC, AET, Triad, etc...
NQ spécifiques à des sites, mais peu spécifiques par rapport aux substances(interactions de nombreuses substances et autres facteurs)
Conclusion pour les sédiments
• Est-il possible / pertinent de faire des NQ pour les sédiments ?
• Suivi des tendances temporelles ?
(Eco)toxicité orale pour les prédateurs et l’homme
NQ dans le biota:tenir compte de l’empoisonnement secondaire
Empoisonnement secondaire
Biota : indicateur intégratif de la contamination du milieu
Monitoring dans le biota: développements nécessaire s
Lymnea
Dreissena
Membrane synthétique
Gel de diffusion
Gel + résine
e.g Diffusive Gradient in Thin-film (DGT)
- Choix des espèces à suivreharmonisation et représentativité.
Alternatives possibles: DGT, SPMD, etc.
- Protocole d’échantillonnagefréquence, âge des organismes
- Méthodes analytiques
Données de toxicité pour les prédateurs
jourkg
µg
corporelle
tox
.
food
tox
kg
µg
Nourriture contaminée (e.g. maïs, blé, etc.)
animaux de laboratoire(e.g. souris, canard, caille, etc.)
PNECPNECoraleorale = = TOXTOXoraleorale / / AFAForaleorale
Représentativité pour les écosystèmes aquatiques ?
DOSE JOURNALIERE CONCENTRATION TOXIQUE
food
corporelle
kg
jourkg .Facteurs de conversion DOSE JOURNALIERE →→→→ CONCENTRATION
Facteurs d’extrapolation
Vers une méthodologie harmonisée pour les normesde qualité environnementale
Très grande variabilité entre les NQ des différents Etat s Membres
Les données et la méthodologie utilisées par les Etats Membres ne sont pas nécessairement transparentes
- NQ basées sur les critères d’(eco)toxicité ?
- Exhaustivité et validité des données sources ?
- Méthodologie utilisée ? (facteurs d’extrapolation, nombre de niveaux trophiques couverts, etc.)
Facteur de différence pouvant aller jusqu’à 1,000,000 !! !
Vers une méthodologie harmonisée au niveau européen
Méthodologie
• En accord avec l’Annexe V §1.2.6 de la DCE
• Doit être fondée scientifiquement
• Doit être opérationnelle et gérable
���� NQE européennes révisées / NQE pour les nouvelles s ubstances prioritaires (2009)
���� Méthodologie pouvant être utilisée aussi pour les N QE nationales
Documents clef
Technical guidance document for risk assessment: i.e. “TGD” (EC, 2003)
Evaluation du risque ≠≠≠≠ gestion du risque
La gestion du risque doit faire la balance entre ce qui est désirable pour la qualité de l’environnement et ce qui est raisonnablement acceptable d’un point de vue technique et économique.
Analyse coûts / bénéfices.
Rérérence possible à l’art. 4 (§ 4 to 8) de la DCE.
Documents clef
Méthodologie utilisée pour les 33 premières substances prioritaires(FHI, 2005)
Approche intégrée cherchant à couvrirl’ensemble des risques pour ou via l’environnement aquatique
Mais des questions méthodologiques restanten suspens
Documents clef
Etat des lieux sur les problèmes méthodologiques en suspens(INERIS/OIEau, 2006)
Revue générale, pas un guide technique
Documents clef
Technical guidance document for EQS
setting
(2008)
Guide technique pour la méthodologie de fixation des NQE.
Doit être disponible pour 2008-2009
Problèmes en suspens
Problèmes méthodologiques(NQE pour les sédiments, pour les biotes, biodisponibilité et NQE pour les métaux, NQE pour les HAPs, etc.)
Comparaison avec les données de monitoring : que fa ire si NQE < LQ ?
Que faire en cas de données insuffisantes ?Attendre les données issues de REACH ?, utilisation de (Q)SARs ?, financement pour générerdes données supplémentaires ?
Que faire en cas de grosses incertitudes ?Facteurs d’extrapolation importants (principe de précaution). Mais des NQE très strictes peuvent poser des difficultés socio-économiques.
Paradigme “substance-par-substance” ?⇒ concept “one-out all-out”
Cocktails de toxiques ?
Que faire si NQE < LQ ?
Quel est le facteur de sécurité utilisé pour dériver la NQ ?
Méthodes alternatives: biomonitoring, (biomarqueurs et bioindicateurs)
Méthodes analytiques utilisées ?
La matrice analysée est-elle appropriée ?
Produire de nouveaux tests écotox pour réduire les facteurs de sécurité
Pour les substances hydrophobes, préférer le suivi dans les matrices solides (sédiments, MES) ou le biota
Encourager le progrès technique et la diffusion de méthodes analytiques performantes
Substance extrêmement toxique ou effets à très faibles doses ?
La limite de quantification (LQ) doit respecter le critère ≤≤≤≤ 30% NQE(proposition provisoire pour les spécifications techniques de la surveillance chimique
Approches alternatives :les mésocosmes et les approches terrain
Des bioessais aux écosystèmes
RÉPLICABILITÉ
COMPLEXITÉ ET REPRÉSENTATIVITÉ
MARESEXPÉRIMENTALES ENCEINTES
ÉCOSYSTÈMESNATURELS
RIVIÈRESARTIFICIELLESMICROCOSMES
CHAÎNESTROPHIQUES
ESPÈCESISOLÉES
-+
LABORATOIREMILIEU NATUREL
MODÈLES
VALIDATION AMÉLIORATIONDÉVELOPPEMENT
+-
Les mésocosmes
« Unités expérimentales à ciel ouvert limitées et part iellement encloses, simulant le milieu naturel » (ODUM (1984))
Reproduire à l ’échelle du laboratoire un écosystème simplifié possédant un nombre réduit d’espèces caractéristiques des principaux niveaux trophiques
Évaluer les effets de substances chimiques sur les écosystèmes aquatiques
Évaluer le devenir de substances chimiques dans les écosystèmes aquatiques
Généralement placés dans des conditions climatiques naturelles
Biotope et biocénose plus complexes que lors des essais de laboratoire :� contiennent du sédiment
� regroupent des espèces de différents niveaux trophiques ; les poissons ne sont pas toujours présents
INRA Rennes : mésocosmes lentiques de 18 m2
Exemple de système lentique
Système lentique = système statique simulant un lac ou une étendue d’eau
Système lotique = système dynamique simulant un cours d’eau
INERIS : mésocosmes lotiques de 20 m de long
Exemple de système lentique
Mésocosmes INERIS : zone amont
Mésocosmes INERIS : zone aval
Piège en tubes pour invertébrés pélagiques
Piège à émergence - Cage à limnées
Les bio-indicateurs
• Font appel à la connaissance fine de la structure et du fonctionnement des écosystèmes
• La comparaison de la composition floro-faunistique des stations permet de les classer selon le degré de perturbation de leur qualité biologique
« Espèces ou groupes d ’espèces, qui par leur présenc e et/ou leur abondance, sont significatifs d ’une ou de plusieurs propriétés de l ’écosystème dont ils font partie »
Exemples de bio indicateurs
� L’indice diatomée
� L’indice oligochètes
� L’IBGN
� Suivis des populations de poissons
Approches alternatives :les biomarqueurs biochimiques
Les biomarqueurs biochimiques
« Mesures dans des liquides biologiques, des cellule s ou des tissus, qui
indiquent en terme biochimique la présence de conta minant ou le niveau de
réponse de l’organisme exposé»
Présence depolluants dans
le milieu
Présence depolluants dans
l’organisme
Réponse de l’organisme aux
polluants
Réponse des populationsou des communautés
aux polluants
Analyses chimiques
Biomarqueursd’exposition
Biomarqueursd’effets au niveau
individuel
Bio-indicateurs
d’après Lagadic et al., 1997
indiquent que le polluant présent dans le milieu a
pénétré dans l ’organisme
indiquent que le polluant exerce un effet, toxique ou non, sur une cible critique
Un indicateur précoce, mais ponctuel, réversible, sat urable
Poissons prélevés dans le milieu
Échantillon de tissu, liquide
biologique ou cellules
Tests in vitro sur cultures cellulaires
ADN
ARNm
protéine
enzyme
ADNc
anticorps immunochimie
enzymologie
biologie moléculaire
activitéenzymatique
BIOCHIMIE
ANALYSES CHIMIQUES
Fractionnement par HPLC
Test d’activité des différentes fractions
Identifications des composés responsables de l’activité (GC/MS)
Autres échantillons environnementaux (eau, sédiment)
Exemples de biomarqueurs biochimiques
NEUROTOXICITE
STRESS OXYDANT
BIOTRANSFORMATION
PERTURBATION ENDOCRINIENNE
Glutathion-S-transferase
Vitellogénine
Spiggin
Lipoperoxydation
Glutathion peroxydase
EROD Acétylcholinestérase
Glutathion
Exemple : les perturbateurs endocriniens
Substances qui « interfèrent avec les processus de synthèse, de sécr étion, de transport,
d ’action ou d ’élimination des hormones responsables de l ’homéostasie, de la
reproduction et du comportement » (Kavlock et al., 1996)
« Substances exogènes qui provoquent des effets néfa stes sur la santé d ’un organisme
ou de sa descendance, secondairement à des changemen ts de la fonction endocrine »
(OCDE, 1997)
Perturbateurs endocriniens et environnement
Populations d'alligators du lac Apopka :� diminution du taux d'éclosion,� prédominance des femelles,� pénis anormalement petit chez les mâles, � modifications des concentrations plasmatiques en hormones
sexuelles.
Truites exposées aux effluents de STEP :� production anormale de vitellogénine chez des truites mâles.
Interaction avec le récepteur des oestrogènes (ER)
ER
ARNm ARNm
HSP
ERE ADN
noyau
cytoplasme
Estradiol (E2)
protéine
Gènes oestrogéno-régulés
Xéno-oestrogènes
Réponsecellulaire auxhormones
ER
ARNm ARNm
HSP
ERE ADN
noyau
cytoplasme
Estradiol (E2)
protéine
Gènes oestrogéno-régulés
Réponsecellulaire auxhormones
Approches alternatives :les (Q)SARs
QSAR = (Quantitative) S tructure A ctivity R elationship
(Q) S A R
Avec ou sans quantification
PharmacocinetiqueToxicité
Proprieté
Relation entre le Kow et le BCF
log BCF = 0,76 log K OW – 0,23 r2 = 0,82
Relation entre le Kow et le Koc
Relations entre KOC et KOW observées dans les eaux de surface de Green Bay, lac Michigan (source: Achman et al., 1993).
Exemple de QSAR :fixation des phénols sur le récepteur oestrogénique
D’après Fang et al (2001).Chem Res Toxicol 14, 280-294
QSARs, SARs, read-across
Alertes structurales : exemple la perturbation endo crinienne
Oc(cccc1)c1
Les fragments phénols sont susceptibles de se lier aux récepteurs des oestrogènes (ER)
Code SMILES(Simplified Molecular Input Line System)
3D QSAR
Site de fixation sur le récepteur des oestrogénes (ER)
Alerte 2D
Recherche du fragment phénol dans la structure
Propriétés quantiques de la molécule
http://www.epa.gov/oppt/exposure/pubs/episuitedl.htm
Exemple de modèles QSARs: la suite EPIWIN
Irritation cutanée
Écotoxicité aquatique
Biodégradabilité
Bioaccumulation
Koc(adsorption)
Kow
Hydrosolubilité
Volatilisation
Photolyse dans l ’atmosphère
Hydrolyse
Points de fusion, d’ébullition, pression de vapeur
Limites des (Q)SARs
5 principes de validation de l’OCDE :
� critère d’effet défini ?
� algorithme défini ?
� domaine d’applicabilité défini ?
� validation interne et externe ?
� mécanisme d’interprétation (si possible) ?
Approches alternatives :la modélisation en écotoxicologie
Principe d ’un test d ’écotoxicité
Concentrations croissantes en toxique
Après une durée d, on compte le nombre d ’individus affectés dans chaque récipient
Réplicats
C0(témoins)
C1 C2 C3 C4 C5
Effets observés : mortalité, croissance, reproduction
Relation dose-réponse et détermination des critères d’écotoxicité
EC
50
50%
x%
100%
EC
x
NO
EC
Pourcentage d ’effets
Concentrations en toxique(échelle log)
Courbe d ’ajustement aux résultats expérimentaux(e.g. probit, logit, Hill, …)
0%
NOEC: Plus forte concentration testéepour laquelle les effets observés ne sont pas significativement différents de 0
EC50: concentration modélisée pour laquelle on s ’attend à observer des effets sur 50% d ’une population d ’une espèce
Variabilité statistique due aux réplicats
Témoins
Survie
Temps
Conc.
Exploiter différemment les résultats des bioessais
Survie
Temps
Conc. Temps
05CL
No Effect Concentration (NEC) ?
Exemples de variation des EC 10 en fonction du temps
D’après Alda Alvarez et al., 2006 (ES&T)
Survie
Taille
Reproduction
Taille
Reproduction
0 5 10 15 200
0.5
1
1.5
2
2.5
carbendazime
temps (jours)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
20
40
60
80
100
120
140
pentachlorobenzene
temps (jours)
EC10 EC10
Croissance
Reproduction
Assimilation
Maintenance
Le modèle DEB ( Dynamic Energy Budget )
Kooijman et al.http://www.bio.vu.nl/thb/deb
L’organisme alloue ses ressources énergétiquespour ses différentes fonctions (Budget énergétique)
Croissance
Reproduction
Assimilation
Maintenance
Le modèle DEB ( Dynamic Energy Budget )
Kooijman et al.http://www.bio.vu.nl/thb/deb
Les toxiques peuvent affecter l ’efficacité des transferts énergétiques
temps
Rej
etda
nsle
mili
eu
temps
Con
cent
ratio
n da
ns
l’org
anis
me
temps
repr
oduc
tion
temps
repr
oduc
tion
Con
cent
ratio
n da
ns le
mili
eu
Gestion dynamique (= dans le temps) du budget énergétique
