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UniversitUniversitéé dd’’Avignon et des pays du VaucluseAvignon et des pays du Vaucluse

Ecotoxicologie terrestre et aquatiqueEcotoxicologie terrestre et aquatique

GGÉÉNNÉÉRALITRALITÉÉSSÉÉCOTOXICOLOGIE dans le MILIEUCOTOXICOLOGIE dans le MILIEU

GESTIONGESTION etet ÉÉVALUATION du RISQUEVALUATION du RISQUE

Yvan Yvan CapowiezCapowiez

HISTORIQUEHISTORIQUE

L’Ecotoxicologie : une discipline autonome

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)

Années 50 : intérêts accrus des gouvernementspour les questions environnementales (Mer)

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- HistoriqueHistorique

Intensification des recherches consacrées auxproblèmes de pollution des milieux naturels

Années 70-80 : développement de lois destinées à protéger l’environnement


Gestion de l’environnement

Besoins de réponses scientifiques et techniques


Approche réductionniste : action physio-toxicologique despolluants sur les organismes-cibles (Mammifères et Homme)

Interprétations contradictoires del’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

Truhaut (1974)


Interprétations contradictoires de

l’écotoxicologie

Approche holistiqueEtude des polluants dans les organismes et les écosystèmes,y compris dans ceux moins marqués par l’action anthropique

• l’Ecotoxicologie une science écologiqueRamade (1979), Cairns (1988), Moriarty (1983)

Objectif de l’écotoxicologiePréciser les modalités et lesmécanismes de contamination des divers écosystèmes et de labiosphère par les principales catégories de polluants toxiques :


- circulation et transformations biogéochimiques des polluants dans les écosystèmes

- effets biocénotiques et perturbations induites dans les processusécologiques fondamentaux

=> => Ecotoxicologie Ecotoxicologie = Effets et Devenir des polluants= Effets et Devenir des polluants

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- DDééfinitionfinition

Ecologie : étude de la structure et du fonctionnement des écosystèmesPhysiologie : étude de la structure et du fonctionnement des organismes

Systèmes non perturbés ..

Systèmes perturbés ..

Forbes et Forbes (INRA 1997)

(= confrontation effets et devenir)

(décideurs)

(toxicité et exposition)

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- DDééfinitionfinition

• Discipline récente:Nombreuses controversesDéveloppements méthodologiques nécessairesCertitudes 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 sociauxÉmergence d’enjeux environnementaux prioritaires

approches scientifiques intégratives et comparatives

OUTILSOUTILS

But = décrire et prédire effets sur les écosystèmes …

1) Cadre « législatif » (production de normes)

- contrôles de pollution en sortie (industrie)

- homologation des produits phytosanitaires

(bientôt élargi à tous les produits chimiques REACH)

2) Etudes a posteriori (biosurveillance)

- effet des mélanges

- dynamiques spatiales et temporelles{{

« Utilisateurs » :

experts

décideurs

chercheurs

écologues

Outils et approches peuvent différer …

gestionnaires

COMMENT ÉVALUER ET PRÉVOIR ?

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- OutilsOutils

Les « tests de toxicité »

ProtocoleNiveau d’organisation biologique

Durée d’exposition

Point final

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

Où ?Comment ?


Impacts du polluant selon le niveau d’organisation biologique

In Kestemont Faculté Namur www

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Pertinence

Difficultés

Tps de réponse

A. ALTA. ALTÉÉRATION RATION DES PERFORMANCES INDIVIDUELLESDES PERFORMANCES INDIVIDUELLES

1. LES BIOTESTS1. LES BIOTESTS

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- Outils Outils --

Toxicité : particularité propre à diverses substances dont le contact oul’absorption a pour effet de perturber le métabolisme des êtres

vivants, provoquant des troubles physiologiques pouvant aller jusqu’àla mort des individus exposés

• toxicité aiguë : intoxication (unique) dont l’intensité est telle qu’elle entraînerapidement la mort des individus exposés

• toxicité chronique : intoxications (répétées) appliquées selon une intensitésublétale n’entraînant des séquelles prolongées, voire irréversibles,

qu’après de longues périodes d’exposition (parfois longtemps après la disparition de l’exposition au toxique)

Evaluation de la toxicité d’un polluant

But :évaluer le degré de sensibilité (ou de résistance) à un toxique donnéchez 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

les tests d’écotoxicité


La démarche initiale d’évaluation du risque est basée sur ce type de test, si possible normalisé

• 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 observedeffect concentration) : concentration minimale d’un polluant provoquantun effet cliniquement décelable chez les organismes exposés

Exemple de point final(mortalité ou autre)


NB : attention à la précision (discretisation)


exemples de bioessais monospécifiques

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 observationExemple 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)

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

Pratique (parthénogénétique) mais peu réaliste !


exemples de bioessais monospécifiques

Les tests sublétaux et chroniquesDétermination 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 milieuxet différents niveaux d’organisation biologique

. Une estimation de l’exposition d’une molécule -> PEC (ou CEP)

. Une simple comparaison entre toxicité et exposition -> définitiond’un risque : TER = ratio toxicité/exposition (+ expertise !)

- mais robuste : pas ou très peu de « catastrophes » (visibles)

. Exception (?) effet des néonicotinoides sur abeilles -> controverse

A. ALTA. ALTÉÉRATION RATION DES PERFOMANCES INDIVIDUELLESDES PERFOMANCES INDIVIDUELLES

2. LES BIOMARQUEURS2. LES BIOMARQUEURS


COMMENT ÉVALUER ET PRÉVOIR ?historique (des approches)

In Malbrouck Faculté Namur www

(plus précoces)

Limites de la chimie analytique. ..

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- Outils Outils -- biomarqueursbiomarqueurs

IMPACTS des POLLUANTS

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.

Lagadic et al., 1998

Définition de biomarqueurs

Différentes natures de biomarqueurs

- biomarqueurs d’exposition

- biomarqueurs d’effet

- modification de la sensibilité

Concentration en polluant dansle milieu (exposition)

Réponse de l’organisme (effet délétère)

Absence dAbsence d’’effeteffet

CompensationCompensation(physiologique)(physiologique)

«« SouffranceSouffrance »»

Saturation de la Saturation de la rrééponseponse

LOECou NOEC

CE 100

Biomarqueurs d’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

Courbe théorique des effets

Courbes théoriques de réponse d’un biomarqueur

Concentration en polluant dansle milieu (exposition)

Intensité de la réponse du biomarqueur

B1

B2

B3

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

Utilisation des biomarqueurs en milieu naturel

- 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 polluantsbiodisponibles, en termes de présence mais aussi d’effets sur lespopulations animales, végétales ou microbiennes.

Avantages :

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- Outils Outils -- biomarqueursbiomarqueurs

Dangers courants des biomarqueurs

* Facteurs de confusion

* Réponses transitoires

* Ne révèlent pas toujours d’effet délétères

- d’où leur faible/ non incorporation dans les procédures d’homologation (faux positifs) ?

- demande une bonne connaissance du modèle biologique (habitat) et du biomarqueur(sensibilité aux variations environnementales)

- demande des études préalables

* 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)

* Approche « à étages » (hierarchical multi-tier sequence)

Usage séquentiel de biomarqueurs :évaluation du risque en milieu naturel

- tier I : il y a-t-il un stress ?

- tier II : quelle est la cause du stress ?

- tier III : quel polluant ?

quelle famille de polluants ?

* Situations et pollutions complexes (et existence d’interactions)

NB : en écotoxicologie terrestre, différences entre sites pollués et contaminations diffuses

Ex : HSP70, comportement

Ex : ChEs, metallothioneines

Ex : inhibitions of ALAD

B. IMPACTS SUR LES COMMUNAUTB. IMPACTS SUR LES COMMUNAUTÉÉS S ET LES FONCTIONSET LES FONCTIONS

--> LES BIOINDICATEURS> LES BIOINDICATEURS

(Historiquement, première approche développée)

Ecotoxicologie Ecotoxicologie -- Outils Outils -- CommunautCommunautééss

IMPACTS DES POLLUANTS SUR LES COMMUNAUTÉS

Impacts des polluants sur les interactions entre espèces

Blandin 1986

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

Conséquences : disparition ou raréfaction de certains taxonsles plus sensibles, apparition ou développement d’autres taxons plus tolérants. Réduction de le diversité et/ou modification de l’abondance relative des taxons



Impacts des polluants sur les interactions entre espèces

Exemple : impacts de l’Irgarol sur le phytoplancton du Léman(essais en microcosmes, analyses taxonomiques)

Bérard et al. 2003

Irgarol 1051 concentration (ng/l) Irgarol 1051 concentration (ng/l)



Impacts sur la structure des communautésMéthodes 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).


-- MicroscopieMicroscopie

DDééveloppement de mveloppement de mééthodologies : structure des communautthodologies : structure des communautéés algaless algales

Impacts sur la structure des communautés

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)

2

14

-- Analyses biomolAnalyses biomolééculairesculaires

DDééveloppement de mveloppement de mééthodologies : structure des communautthodologies : structure des communautéés algaless algales


Impacts sur la structure des communautés

Méthodes DestructivesExtraction de lExtraction de l’’ADNADN

Méthodes NON Destructives

Echantillon Echantillon naturelnaturel

FISH (comptage en microscopie ou cytométrie)

PCR(gène marqueur phylogénétique)

indirecteindirecte directedirecte

Gradient de densité

Cinétique de réassociation ADN\ADN

Clonage

SEQUENCAGE(Banque de données)

D/TGGESSCPRISARFLPT-RFLP

% GC Nombres de génomes diffèrent

Techniques de » fingerprinting »moléculaires

Dorigo Dorigo et al.et al. 20042004

universi universittéd’avignon et des pays du

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