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Introduction à l’écotoxicologie PowerPoint PPT Presentation


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CIEH-Ecotoxicologie. Certificat International d’Écologie Humaine - Université de Bordeaux - . Introduction à l’écotoxicologie. Francis Ribeyre Institut EGID – Bordeaux 3 [email protected] 1 - Positionnement et enjeux de l’écotoxicologie 2 - Exemples de situations

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Introduction à l’écotoxicologie

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Presentation Transcript


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CIEH-Ecotoxicologie

Certificat International d’Écologie Humaine

- Université de Bordeaux -

Introduction à l’écotoxicologie

Francis Ribeyre

Institut EGID – Bordeaux 3

[email protected]

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


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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


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Position de l’écotoxicologie

Écophysiologie

Écologie

Physiologie

Toxicologie

Ecotoxicologie

Évaluation des risques

Gestion

environnementale

(Forbès et Forbès modifié)

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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Exemple de l’eutrophisation d’un lac

(Ramade F.)

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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Exemple du Complexe La Grande (Hydro-Québec)

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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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)

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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


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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


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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

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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


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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

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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

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Transformation des contaminants :

Exemple de la spéciation chimique de la forme inorganique du mercure

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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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


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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


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Différents niveaux d’étude en écotoxicologie

Niveaux d’intégration écologiques

Niveaux d’intégration biologiques

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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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


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Temps de réponse des systèmes écologiques

Échelle temporelle

Échelle spatiale

(ECRIN)

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3


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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


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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)

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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

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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


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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)

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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)

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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

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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


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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 …)

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Approches physico-chimiques

Hydrocarbures

chlorés

Hydrosolubilité

(Ramade F.)

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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

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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) :

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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

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Test d’inhibition : exemple du « test daphnie »

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Application à l’évaluation de la résistance des insectes

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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)

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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

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Procédure de mise sur le marché d’une molécule

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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

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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

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