Introduction à l’écotoxicologie

1. CIEH-Ecotoxicologie Certificat International d’Écologie Humaine - Université de Bordeaux - Introduction à l’écotoxicologie Francis Ribeyre Institut EGID – Bordeaux 3 Ribeyre@egid.u-bordeaux3.fr 1 -Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

2. Définitions de l’écotoxicologie Étude du devenir des contaminants dans les écosystèmes et de leurs impacts sur les organismes vivants. Étude des impacts des agents polluants sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes (Agence de bassin Rhône Méditerranée Corse) Science dont l’objet est l’étude des modalités de contamination de l’environnement par les agents polluants naturels ou artificiels produits par l’activité humaine (aspect descriptif) ainsi que de leur mécanismes d’action et de leurs effets sur l’ensemble des êtres vivants qui peuplent la biosphère (aspect causal) (Krishna Das) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

3. Position de l’écotoxicologie Écophysiologie Écologie Physiologie Toxicologie Ecotoxicologie Évaluation des risques Gestion environnementale (Forbès et Forbès modifié) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

4. Démarche générale de l’écotoxicologie Sources de contamination naturelles - volcanisme - érosion - lessivage Sources de contamination anthropiques - minières - rejets - usure Activités humaines Devenir des contaminants dans les biotopes - transport et stockage - transformations - biodisponibilité Cibles biologiques - accumulation - métabolisation - élimination Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

5. Sources de pollutions naturelles Krakatoa Métaux lourds Particules Composés acides … www.futura-sciences.com/.../686/or_031.jpg perso.orange.fr/.../images/air/03_krakatoa.jpg www.bzh-explorer.com/local/cache-vignettes/L3. www.marclemo.com/cevennes/zones/can_hospitale... Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

6. Qualité de vie Cadre de vie Activités humaines - aménagements : « transformations » - prélèvements : « ressources » - rejets : « déchets » Composante Socio démographique Paysages Biodiversité Agréments ... Impacts écologiques Impacts humains Environnements de proximité Niveaux d’intégration écologiques Facteurs abiotiques génome peuplement cellule Individu tissu communauté organe population Niveaux d’intégration biologiques écosystème écocomplexe biome Causes anthropiques static.howstuffworks.com/gif/ozone-pollution-... sellingstupid.files.wordpress.com/2007/04/pol... Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

7. Sources et diversité des polluants Accroissement démographique + Développement technologique = Augmentation de la pression anthropique sur les écosystèmes * Les activités agricoles : engrais, pesticides, irrigation, espaces * La production industrielles : rejets toxiques, nuisances olfactives … * Les productions et utilisations énergétiques : ressources et déchets * Le phénomène urbain : espaces, transports, rejets, nuisances * Les transferts des biens, des services et des personnes * Très grande diversité de molécules et de produits * Commercialisation de molécules de synthèse * Diffusion planétaire * Pollution de tous les milieux Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

8. Enjeux socio-économiques de l’écotoxicologie Risque “Santé” - Maladies : respiratoires, cutanées, digestives ... - Perturbations génétiques : cancers, tératogenèse - Maladies dégénératives : Alzheimer (aluminium ?) - Développement psychologique : saturnisme ... Coûts économiques - Réhabilitation de sites pollués : sols, rivières - Processus de fabrication moins polluants - Dédommagements suite à des accidents écologiques - Mise en conformité / législation - Recherche et développement - Évolution des marchés / demande des consommateurs Orientations politiques - Système de contraintes juridiques : lois, décrets, .. - Mesures d’encadrement : financier, conseil, ... - Décisions d’aménagement, de restauration, ... - Campagnes de formation et d’information Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

9. 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques

10. Exemple de l’eutrophisation d’un lac (Ramade F.) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

11. Exemple du Complexe La Grande (Hydro-Québec) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

12. Enjeux économiques importants (10 000 orpailleurs clandestins + multinationales) Exemple de l’orpaillage en Guyane Désagrégation d’anciens filons aurifères des montagnes (et fond géochimique important de Hg) Fleuves (gîtes alluvionnaires) dragage Amalgame des fines particules d’or avec du mercure métallique Évaporation du mercure par chauffage (400-500 °C ; ébullition de Hg à 357°C) (LESA) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

13. Exemple du cadmium dans le Lot Activité minière (Décazeville) Minerai de zinc * Mise en évidence en 1970 (pèche des coquillages interdites) * Cd Essentiellement d’origine anthropique * Stockage sédimentaire * Passage du particulaire au dissous dans l’estuaire * Décroissance des niveaux au cours du temps * Risques de réactivation (travaux routiers, gravières) * Risques ostreicoles pour le bassin de Marennes Oléron (DGO) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

14. 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques

15. pluies acides 1900 1950 1850 2000 déchets radioactifs nitrates pesticides métaux lourds pollution organique pollution fécale Types de polluants historique • Actuellement, environ 100 000 molécules sur le marché, dont certaines, ou leurs métabolites, sont toxiques • Micropolluants minéraux : • arsenic (As), cadmium (Cd), cuivre (Cu), chrome (Cr), mercure (Hg), nickel (Ni), plomb (Pb) (circulaire n° 90-55 du 18 mai 1990) • Micropolluants organiques : • Polychlorobiphényles (PCB), Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), Solvants chlorés, dérivés du benzène, phénols et dérivés, pesticides … • Radioéléments : • radon 222, césium 137 Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

16. Qu’est ce qu’un polluant ? Polluant Toute substance naturelle ou d’origine anthropique que l’homme introduit dans un biotope donné dont elle était absente ou encore dont il modifie ou augmente la teneur lorsqu’elle y est spontanément présente. Peut agir comme un polluant : - Toute modification d’un processus physique qui conduit à accroître les flux d’énergie ou les niveaux de radiation dans l’environnement ; - Espèce allochtone introduite dans un écosystème éloigné de son aire d’origine (Krishna Das) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

17. Mesure de l’accumulation * Concentration * Dose * Teneur * Quantité Unités de mesure ppm = 1 partie par million = 1 milligramme de contaminant par kilogramme de matière (eau, tissus, sédiment …) (rapport de 106) = 1 mg/litre ou 1 µg/g ppb = 1 partie par billion = 1 microgramme de contaminant par kilogramme ou litre de matière (rapport de 109) = 1 ug/litre mM = millimole = 10-3 moles Mole = 6,.022 1023 atomes (ou molécules) Nombre d’Avogadro(nombre d’atomes présents dans 12 g de 12C Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

18. Air (CH3)2Hg Hg° Hg(II) Colonne d’eau Organismes (CH3)2Hg CH3HgX Hg° Hg(II) MeCo Hg(II) CH3HgX (CH3)2Hg Hg° Réductase mercurique Lyase Organo Hg Organismes HgS Sédiment Transformation des contaminants : Exemple des formes chimiques du mercure Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

19. Transformation des contaminants : Exemple de la spéciation chimique de la forme inorganique du mercure Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

20. Formation de métabolites Dégradation : Action physicochimique conduisant à la minéralisation plus ou moins complète d’une molécule Biodégradation : Dégradation biologique effectuée par des êtres vivants (bactéries, champignons) et obtention de métabolites de plus faible poids moléculaire. Biodégradation primaire = attaque partielle des molécules ; peut aboutir à des métabolites plus persitants, plus biodisponibles et quelquefois plus toxiques que la molécule initiale ; Biodégradation ultime : dégradation complète de la molécule ; conduit à CO2, CH4, eau, éléments minéraux ; moins de risque que résultat de biodégradation primaire.(Sage Rhône Méditerranée Corse, modifié) Cas du DDT (dichloro – diphenyl – trichloroéthane) et de son métabolite, le DDE (dichloro –diphenyléthylène) (Krishna Das) Perte d’un atome de chlore Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

21. 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques

22. Différents niveaux d’étude en écotoxicologie Niveaux d’intégration écologiques Niveaux d’intégration biologiques Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

23. Impacts des polluants aux différents niveaux d’intégration écologique Polluant Bioaccumulation Bioamplification Réponses biochimiques Réponses comportementales Réponses physiologiques Réponses morphologiques Altérations des performances individuelles * Croissance * Développement * Succès de reproduction Impacts sur les populations * Nombre d’individus * Distribution (territoires) * Structure par âge Impacts sur la structure et la dynamique des communautés * Extinction de populations * Dominance de certaines espèces * Diversité des espèces * Biomasse végétale et animale Impact sur l’écosystème (D’après Ramade F., modifié) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

24. Temps de réponse des systèmes écologiques Échelle temporelle Échelle spatiale (ECRIN) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

25. Contamination des organismes Importance de la biodisponibilité du contaminant Flux de contaminant Durée d’exposition Fréquence des apports Nature du contaminant Voie de contamination : directe ou/et trophique Age et sexe de l’individu Bioconcentration : accumulation du polluant à partir du milieu ambiant Organisme exposé État physiologique de l’organisme Mécanismes de décontamination Facteur de bioconcentration (BCF) BCF = concentration organisme / concentration dans le milieu (eau, sédiment) Adsorption et absorption Réponse de l’organisme Pas d’effet observé Réponse sub-léthale Léthalité Effets de synergie ou d’antagonisme entre contaminants synergie : Cu + Cd antagonisme : Hg + sélénium Impacts sur les écosystèmes Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

26. Impacts des contaminants sur les organismes Impact des polluants au cours de l’ontogenèse Effets subléthaux Déformations squelettiques des poissons pêchés dans le sud de la Mer du Nord : cas du turbot (action des hydrocarbures et des métaux lourds) Processus Effets critiques démoécologique du polluant Production de gamètes Dommages génétiques, développement anormal des gamètes, fécondité réduite dans les deux sexes Fécondation Entrave au mouvement des spermatozoïdes et à sa capacité de fertiliser l’ovule Développement Altérations chromosomiques, interférence Embryonnaire avec le métabolisme de l’œuf, anomalie de l’organogenèse Éclosion Anomalies tératogéniques induisant des échecs d’éclosion, forte mortalité néonatale Croissance Dommages écophysiologiques ralentissant la croissance, altérations du comportement entravant l’alimentation et la fuite devant les prédateurs, échecs de la métamorphose Comportement Destruction des sites de parade et de fraie, parades et accouplement défectueux, compor- tement rendant l’accouplement inefficace (in Krishna Das) (in Ramade F., modifié) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

27. Cinétiques de contamination et de décontamination Contamination par voie directe Décontamination CH3HgCl Branchies Branchies Teneur Hg (ug) Teneur Hg (ug) Onchorynchus Mykiss (truite Arc-en-ciel) HgCl2 CH3HgCl HgCl2 Muscle dorsal CH3HgCl CH3HgCl Teneur Hg (ug) Muscle dorsal Teneur Hg (ug) HgCl2 HgCl2 Reins Reins HgCl2 CH3HgCl Teneur Hg (ug) Teneur Hg (ug) HgCl2 CH3HgCl Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

28. Temps de demi-vie d’un contaminant dans l’organisme Temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité ou d’une concentration d’un polluant disparaisse du biotope ou d’un organisme contaminé Polluant Temps de demi-vie DDT 15 ans Lindane 2 ans Parathion 130 jours Malathion 11 jours C/2 Demi-vie = 7 jours Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

29. Processus de bioamplification (exemple du DDD) DDD Grèbe 2500 ppm Eau 0.014 ppm zooplancton Poissons Prédateurs 22 à 221 ppm Phytoplancton 5 ppm Poissons Microphages 7 à 9 ppm Exemple de transfert et de bioamplification d’un agent polluant dans un réseau alimentaire. Le cas du Clear Lake, en Californie, contaminé par un insecticide organochloré, le DDD (d’après les données de Hunt et Bischoff (in Ramade) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

30. Bioamplification des PCB et du DDT Eau 0.000002 ppm Goeland argenté 124 ppm Phytoplancton 0.0025 ppm Œufs de goelands 124 ppm Zooplancton 0.123 ppm Truite 4.83 ppm (in Ramade F.) Eperlan 1.04 ppm (in Chassard-Bouchaud) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

31. Mécanismes de bioamplification (in Ramade F.) Facteurs favorisant le processus de bioamplification * Molécules persistantes dans les biotopes (eau ou sédiment) * Capacités de bioaccumulation de chaque maillon * Faible biodégradation du contaminant * Taux de décontamination réduit * Peu d’effet toxique aux différents niveaux trophiques * Nourriture peu diversifiée * Prépondérance de la voie trophique sur la voie directe * Durée de vie des espèces plus élevée aux niveaux supérieurs * Croissance pondérale réduite Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

32. 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

33. Prévention des risques de contamination Objectif basé sur l’évaluation des risques des substances Source Vecteur Cible Risque : Le risque est fonction du danger et de la probabilité d’occurrence (le risque est la prise en compte par une personne de la possibilité de réalisation d'un évènement contraire à ses attentes ou à son intérêt) Danger (gravité potentielle) : - le danger est fonction de la toxicité intrinsèque de la substance - la toxicité peut être évaluée au laboratoire (une molécule toxique c’est dangereux) Probabilité d’occurrence : dépend de la biodisponibilité de la substance (lié aux propriétés physico chimiques, durée d’exposition, voie d’exposition …) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

34. Approches physico-chimiques Hydrocarbures chlorés Hydrosolubilité (Ramade F.) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

35. Poissons lipophilie (in Ramade F.) Relation entre lipophilie et bioaccumulation Coefficient de partage octanol / eau (Kow) Mesure le degré d’hydrophobie (lipophilie) d’une substance chimique Log P = Log Kow = Log (Coct/Ceau) (octanol = alcool gras) Log BCF = a log Kow + b BCF = Facteur de bioconcentration = Corganisme / Ceau Divers produits testés Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

36. Indicateurs de la dégradation Pour suivre la dégradation des polluants organiques DBO (Demande Biologique en Oxygène, en mg/l d’O2) : Quantité d’oxygène nécessaire aux micro-organismes pour dégrader toutes les matières organiques fermentescibles, ou substances biodégradables (oxydation partielle de la Matière Organique en milieu aérobie) DCO (Demande Chimique en Oxygène, en mg/l d’O2) : Quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder par voie chimique tous les éléments oxydables (oxydation totale de la MO) (oxydant = bichromate de potassium) Le polluant est considéré comme biodégradable si DBO5jours / DCO5jours >= à 0.5 Substances peu biodégradables : DDT, PCB (Sage Rhône Méditerranée Corse, modifié) : Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

37. Evaluation de la toxicité des contaminants Démarche expérimentale de laboratoire permettant de déterminer la toxicité d’une substance pure ou d’un mélange par mesure de l’intensité d’une réponse biologique (comportemental à léthalité) Il s’agit d’établir la relation entre les concentrations de la substance et la réponse observée chez les organismes (relations “concentrations-réponses” ou “doses-réponses”) Conditions expérimentales - température, lumière .. - milieu (eau, sédiment ..) - renouvellements Modalités d’exposition : - nature chimique - durée d’exposition - concentration Sensibilité Représentativité Disponibilité Compatibilité Coût Type d’organisme (algues, mollusques, poissons) Réponse : - Inhibition de croissance - Modification comportementale - Mortalité Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

38. Test d’inhibition : exemple du « test daphnie » Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

39. Application à l’évaluation de la résistance des insectes Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

40. Modification de la cible Cuticule, paroi intestinale Difficulté d’accès à la cible (protéine, hormone, médiateur chimique) Milieu extérieur Milieu intra-cellulaire Pénétration Cuticule, paroi intestinale Insecticide Cible Milieu extérieur Milieu intra-cellulaire Pénétration Insecticide Cible Arrêt Dégradation Excrétion Mécanismes de résistance des insectes aux insecticides (d’après Poirié P. et Pasteur N., R234 , modifié) Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

41. 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations 3 - Caractérisation des polluants 4 - Impacts biocénotiques 5 - L’écotoxicologie : support de décisions Conclusion Éléments bibliographiques Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

42. Procédure de mise sur le marché d’une molécule Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

43. Analyse de cycle de vie des produits Acteurs et structures des entreprises Besoins « Produit » - bien et service - Distribution (produit + conditionnement) Matières premières et énergies Consommation des ménages Écologie entrepreneuriale (Écologie industrielle) Écologie familiale Caractérisation des environnements Analyse de l’impact écologique Facteurs abiotiques génome Niveaux d’intégration écologiques biocénose cellule communauté tissu population organe organisme Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

44. Éléments bibliographiques Carignon, R. et Perceval, O. (2005) Introduction à l’écotoxicologie. BIO 3893, Cours 10 « Mesure des effets des contaminants – les bioessais en laboratoire Centre d ’expertise en analyse environnementale du Québec (CEAEQ) ECRIN (2000) Modélisation en écotoxicologie. Ministère de l’aménagement du territoire et de l’environnement 197 p. IFEN (2006) L’environnement en France Les synthèses.498 p. Institut Forel (2002) Guide pour l’utilisation des tests toxicologiques. 27 p. Ramade, F. (1992) Prècis d’écotoxicologie. Coll. d’écologie n° 22. Masson Ed. 300 p. Ramade, F. (2004) Dictionnaire encyclopédique de l’écologie et des sciences de l’environnement. Dunod Ed. 1075 p. SAGE Bassin Rhône – Méditerranée – Corse. (2002) Pollution toxique et écotoxicologie : notions de base. Guide technique n°7. 82 p. http://www.isima.fr/ecosim/Welcome.html http://jm.saliege.com/paracelse.htm Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3