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TXL 6014 TOXICOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT. Faculté des études supérieures Département de sciences biologiques Automne 2005. Professeur-Collaborateurs. B. Pinel-Alloul , Sci. Biol, Univ. Montréal R. Van Coillie , expert écotoxicologie, Risque environmental

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txl 6014 toxicologie de l environnement

TXL 6014TOXICOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

Faculté des études supérieures

Département de sciences biologiques

Automne 2005

professeur collaborateurs
Professeur-Collaborateurs
  • B. Pinel-Alloul, Sci. Biol, Univ. Montréal
  • R. Van Coillie, expert écotoxicologie, Risque environmental
  • Y. Couillard, Évaluateur sénior, Env. Can.
  • C. Blaise, Chercheur sénior, Centre Saint-Laurent, Env. Can.
  • M. Amyot, Sci. Biol., Univ. Montréal
  • M. Fournier, INRS-Armand Frappier, Univ. Québec
syllabus g n ral
Syllabus général
  • Écotoxicologie: Notions de base en toxicologie de l’environnement, historique de l’écotoxicologie, mécanismes de dispersion, de circulation et de transfert des polluants.
  • Effets des polluants sur les individus et populations: Démarche écotoxicologique, estimation des effets toxicologiques à différents niveaux (génotoxicité, cytotoxicité, effets physiologiques, démoécologiques).
syllabus g n ral4
Syllabus général
  • Effets des polluants sur les écosystèmes: Effets sur la structure des communautés, sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes.
  • Perturbations globales actuelles: Perturbation des cycles biogéochimiques, changements climatiques, déplétion de la couche d’ozone, dépôts acides, pollution radioactive, modification des habitats et de la biodiversité.
syllabus g n ral5
Syllabus général
  • Surveillance écotoxicologique et prévision des risques toxicologiques: Bioindicateurs et biomarqueurs de qualité environnementale, prévision des effets et des risques toxicologiques, santé environnementale.
bar me d valuation
Barème d’évaluation
  • Examen intra: fin octobre 2005 40%
    • 3 questions à développement court
      • 1-3 pages par question (documentation disponible)
      • Q1: B. Pinel-Alloul : 15 points
      • Q2 et Q3: R. Van Coillie : 15 et 10 points
  • Examen final: fin décembre 2005 60%
    • 5 questions à développement court
      • 1-3 pages par question (documentation disponible)
      • Q4: Y. Couillard; Q5: B. Pinel-Alloul: 15 points chaque
      • Q6: M. Amyot; Q7: M. Fournier; Q8: C. Blaise: 10 points chaque
toxicologie de l environnement txl 6014 historique de l cotoxicologie

Toxicologie de l’environnementTXL 6014Historique de l’écotoxicologie

Bernadette Pinel-Alloul

15 septembre 2005

plan du cours
Plan du cours
  • Définitions
    • écotoxicologie vs toxicologie environnementale
  • Historique de la pollution
    • Relations entre l’homme et son environnement
    • Notions sur le développement durable
  • Les principales sources de pollution
    • La production d’énergie
    • L’industrie chimique
    • L’agriculture
    • L’urbanisation
  • Mécanismes de dispersion et de transfert des polluants
1 d finitions cotoxicologie
1. Définitions:Écotoxicologie
  • Premières définitions basées sur la toxicologie médicale
  • Terme inventé par Truhaut (1969) qui définit cette science comme étant 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.
  • Approche réductioniste visant à évaluer les effets des contaminants sur les populations humaines: tests en laboratoire á des concentrations iréalistes
1 d finitions cotoxicologie12
1. Définitions: Écotoxicologie
  • Définitions basées sur l’écologie, la science des interactions entre les êtres vivants et les écosystèmes
  • Selon Ramade (1979), “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 ainsi que de leurs mécanismes d’action et de leurs effets sur l’ensemble des êtres vivants qui peuplent la biosphère”
  • Approche holistique visant à évaluer le cheminement des contaminants dans les écosystèmes et leurs effets sur l’ensemble des êtres vivants incluant l’homme
1 d finitions cotoxicologie13
1. Définitions: Écotoxicologie
  • Démarche récente (depuis 1990) intégrant les aspects écologiques et écotoxicologiques, ainsi que l’évaluation du risque toxicologique
  • Selon Chapman (2002), “science devant fairel’intégration de la toxicologie et de l’écologie, dont les objectifs sont de comprendre et prédire les effets des contaminants sur les communautés naturelles, pour des régimesd’exposition réalistes d’un point de vue environnemental”
  • Approches en laboratoire avec de forts niveau de contamination souvent irréalistes versus évaluation sur le terrain en milieu contaminé à des niveaux ambients en utilisant des bioindicateurs et des biomarqueurs
slide14

Sources: Chapman, 1995; Baird et al., 1996

ÉCOLOGIE:

Interactions

entre organismes,

Fonctionnement

des populations,

Processus influençant ces paramètres

Simples observations sur le terrain

Observations planifiées sur le terrain

Manipulations expérimentales

Évolution dans le temps

ÉCOTOXICOLOGIE:

Écologie en présence de polluants toxiques

TOXICOLOGIE ENVIRONNEMENTALE:

Effets des polluants toxiques sur les organismes individuels

Recherches en conditions quasi-naturelles

Expositions simples en laboratoire

Expériences complexes in situ

1 d finitions toxicologie environnementale cotoxicologie
1. Définitions:Toxicologie environnementale  écotoxicologie

Source: Chapman, 2002

1 d finitions caract ristiques propres l cotoxicologie
1. Définitions:Caractéristiques propres à l’écotoxicologie
  • Discipline jeune:
    • Nombreuses controverses
    • Valeurs des bioindicateurs et des biomarqueurs
    • Certitudes empiriques et théoriques rares
  • Discipline complexe:
    • Étude des sources, de la dispersion, de l’accumulation et des effets des polluants toxiques sur les populations, les communautés, les écosystèmes et la biosphère
    • Évaluation des effets à tous les niveaux depuis la cellule jusqu’aux individus, populations et communautés
  • Pluridisciplinaire:
    • chimie, physique, mathématiques, biologie, écologie, etc...
  • Discipline sujette à des forces et des impératifs sociaux
    • Émergence d’enjeux environnementaux prioritaires
2 historique de la pollution relations entre l homme et son environnement
2. Historique de la pollution:Relations entre l’homme et son environnement
  • Dans “essai sur le principe de population”, Malthus montre que la population humaine croît de façon géométrique alors que les ressources disponibles croissent de façon arithmétique:
    • Émet l’hypothèse que la population va dépasser la capacité de support du milieu
    • Dégradation des terres par déforestation et désertification, famines, maladies et guerres
  • Réponse pessimiste par rapport à la perspective optimiste selon laquelle l’habilité de l’homme lui permettrait de maîtriser son environnement sans aucune limite, perception valable grâce aux progrés de l’agriculture et de l’industrialisation au 19ième siècle, mais fortement remise en doute actuellement suite aux changements globaux du climat et de l’atmosphére.

Thomas Malthus (1766-1834)

économiste anglais

2 historique de la pollution relations entre l homme et son environnement18
2. Historique de la pollution:Relations entre l’homme et son environnement
  • La croissance et la distribution de la population jouent un rôle significatif dans la durabilité des ressources mondiales.
    • 2 millards en 1930, 6 en 1999 et 12-15 milliards prévus en 2050
  • Relation entre la croissance de la population et la dégradation de l’état général de l’environnement.
    • Production primaire avant l’industrialisation environ à 150 milliards de tonnes de ressources en matière organique
    • 40% utilisé par la population humaine actuelle, 60% restant pour supporter plantes et animaux
    • 12% détruit par la déforestation et 27% utilisé directement pour les ressources énergétiques
    • 100% permettrait de supporter une population de 15 milliards mais sans préserver les habitats naturels et la biodiversité
  • Situation compliquée par une grande disparité entre les continents et les pays dans les réglementations gouvernementales, l’avancement des technologies, les niveaux d’industrialisation et les patrons de consommation existant à travers le monde.
slide19

Population humaine

TailleUtilisation des ressources

Entreprises humaines

Agriculture Industrie Loisirs Commerce international

Transformation de la terre

Feux de forêt

Défrichage

Sylviculture

Pâturages

Pertes et ajouts d’espèces

Espèces invasives

Chasse

Pêches

Cycles biogéochimiques

Carbone, azote,

eau

Produits xénobiotiques

Perte de la diversité biologique

Extinction d ’espèces et de populations

Perte d ’écosystèmes

Changements climatiques

Effet de serre

Aérosols

Source: Vitousek et al.,

1997

slide20
2. Historique de la pollution:Exemples d’impacts majeurs sur l’environnement liés aux activités anthropiques

Source: Vitousek et al., Science 44, 1997, 7-15

effets des populations humaines
Effets des populations humaines
  • Dégradation de 39-50% de la surface des continents (déforestation, agriculture, urbanisation
  • Utilisation de 8% de la production primaire des océans
  • Accroissement des concentrations de CO2 dans l’atmosphère de 30%
  • 50% de l’azote fixé dans les terres est due à l’activité humaine (fertilisation, cultures, utilisation des combustibles fossiles)
  • 20% des plantes ont été introduites par l’homme
  • 20% des espèces d’oiseaux sont disparues ou en voie de disparition depuis 2 siècles.
  • 22% des ressources marines sont décimées ou surexploitées et 44% sont à leur limite d’exploitation
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2. Historique de la pollution:Distribution des sources de CO2 par les combustibles fossiles

Combustibles fossiles

Ajout annuel

5.5 t de CO2

Émissions globales

12.2 g.m2.an de CO2

Maximum 450

Europe de l’est

USA

Differences entre

les pays, continents

et hémisphères

Source: Vitousek et al., Science 44, 1997, 7-15

2 historique de la pollution stade agro pastoral 10 000 1000 ans b p
2. Historique de la pollution:Stade agro-pastoral: 10.000 à 1000 ans B.P.

Source: Tanton, 1995

  • Population: 8 à 300 millions, taux de croissance 0,1% par an. Faible longévité. Forte mortalité.
  • Développement de l’agriculture entraîne la déforestation et l’irrigation.
  • Augmentation de la capacité de support du milieu pour l’homme.
  • Lien écologique entre l’homme et son environnement
2 historique de la pollution un des premiers exemples d impact environnemental l chelle du globe
2. Historique de la pollution:Un des premiers exemples d’impact environnemental à l’échelle du globe…
  • La pollution de l’environnement causée par l’homme préhistorique débute avec l’utilisation des métaux et la domestication du feu.
  • Durant l’empire romain:
    • Pb: 80.000 à 100.000 tonnes métriques/an
    • Cu: 15.000 tonnes/an
    • Zn: 10.000 tonnes/an
    • Hg: >2 tonnes/an (Nriagu, 1996)
  • Les teneurs en Pb retrouvées dans les dépôts glaciaires du Groënland entre 500 avant JC et 300 après JC:
    • 4 x supérieures aux concentrations naturelles (Hong et al., 1994).

Photographie: Alinari/Art Resource, NY

2 historique de la pollution flux atmosph riques de plomb
2. Historique de la pollution:Flux atmosphériques de plomb

Plomb dans l’essence

Époque romaine

1ière et 2ième déglaciations

Source: Shotyk et al., Science 281: 1635-1639 (1998)

2 historique de la pollution stade pr industriel 1000 100 ans b p
2. Historique de la pollution:Stade pré-industriel: 1000 à 100 ans B.P.
  • Population: 300 à 1000 millions, taux de croissance 0,3 à 0,5% par an.
  • Transformation massive des forêts en champs et pâturages.
  • Début de l’utilisation du charbon.
  • Début de l’ïndustrialisation et l’urbanisation massive
2 historique de la pollution stade industriel 100 ans b p pr sent
2. Historique de la pollution:Stade industriel ( 100 ans B.P.-présent)
  • Population: 1000 à 5500 millions, taux de croissance 0,8-1,9% /an.
  • Utilisation de l’énergie fossile non-renouvelable.
  • Prévision de 8 milliards pour 2020
  • L’homme devient une “force géophysiologique” (Vladimir Vernasky) capable de façonner la surface du globe et d’influer sur les mécanismes régulateurs de la biosphère.
  • Entre 1850 et 1990: la consommation globale d’énergie augmente de 13 fois.
2 historique de la pollution stade post industriel
2. Historique de la pollution:Stade post-industriel
  • Trois scénarios de fertilité
  • Dédoublement à tous les 51 ans
  • D’ici 10 ans, un milliard de plus
  • 10 milliards en 2100
  • 2 fois plus en 100 ans

2150

10 billions

2050

8.9 billions

2025

7.8 billions

Scénario: 2.1 enfants

Source: U.N., World Population Prospects, The 1998 Revision

slide29

2. Historique de la pollution:

Population et disponibilité des ressources renouvelables

Source: Postel, S. “carrying capacity: Earth’s bottom line”. Sate of the World, 1994

2 historique de la pollution distribution de la population mondiale par r gion 1800 2050
2. Historique de la pollution:Distribution de la population mondiale par région, 1800-2050

Plus forts taux de croissance

Source: U.N., World Population Prospects, The 1998 Revision

slide31
2. Historique de la pollution:Répartition de la population mondiale et de l’énergie produite et consommée, 1995

Amérique du nord

Europe de l’ouest

Russie

Europe centrale

Afrique, Asie, Océanie

Moyen-Orient

Amérique latine

Source: Haub, C. et D. Cornelius, “2000 World Population Data Sheet”, PRB

2 historique de la pollution d veloppement durable
2. Historique de la pollution:Développement durable
  • “Le développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs” (commission Brundtland, 1987).
  • “Améliorer les conditions d’existence des communautés, tout en restant dans les limites de la capacité de support des écosystèmes” (programme des Nations Unies pour l’environnement).
2 historique de la pollution mise en place du d veloppement durable
2. Historique de la pollution:Mise en place du développement durable
  • Principe de précaution (principe 15 du sommet de Rio, 1992)
    • nouvelle appréhension du progrès technique: toute nouvelle technologie n’est pas forcément associée au bienfait social
  • Ouverture au débat public
    • existence de “conférences de consensus”
  • Écologie industrielle
    • volonté systématique de produire moins de déchets
    • mise en place d’une “économie de fonctionnalité”: découpler les flux financiers des flux de matière et d’énergie (pose un autre rapport aux produits, celui de l’usage et non de la possession)
    • écosystèmes industriels: associations complémentaires d’industries dans lesquelles les flux de matière et d’énergie circuleraient dans des cycles bouclés, recyclage des matiéraux
2 historique de la pollution tendance globale de l utilisation d nergie par sources
2. Historique de la pollution:Tendance globale de l’utilisation d’énergie, par sources

Sources non polluantes

Plus haut taux de croissance

Source: Worldwatch News Brief (98-6)

(Données de 1990 à 1996)

3 principales sources de pollution les combustibles fossiles
3. Principales sources de pollution:Les combustibles fossiles

Depuis 1950: x 4

Charbon : années 50-60

Pétrole: > 1970

Gaz naturel: > 1980

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Figure 1. Utilisation mondiale des principales ressources énergétiques (Brown et al., 1996 “Vital Signs 1996”).

3 principales sources de pollution cas du charbon
3. Principales sources de pollution:Cas du charbon
  • Le charbon relâche 29% plus de C/unité d’énergie que le pétrole et 80% plus de C que le gaz naturel.
  • Il compte pour 43% des émissions annuelles globales de C, soit  2,7 milliards de tonnes.
  • Le charbon est le combustible fossile le plus abondant, avec des réserves estimées à 1000 ans
  • Fumée de charbon: pollution particulaire, et SO2.
  • En dépit de la baisse générale de l’utilisation des combustibles fossiles à travers le monde, les É.U. et le Danemark dépendent du charbon, respectivement à 53 et 74%, pour leurs productions d’électricité, comme c’est le cas des pays d’Europe de l’est.
slide37
3. Principales sources de pollution:Consommation mondiale du charbon, entre 1950 et 1998 (million de tonnes)

Chine

É.U.

Inde

Reste du monde

3 principales sources de pollution consommation mondiale du p trole entre 1976 et 2001
3. Principales sources de pollution:Consommation mondiale du pétrole entre 1976 et 2001

Millions de barils/j

25%

Asie, Pacifique

Afrique

M.Orient

Ex URSS

25%

Europe

25%

Amérique du Nord

Source: BP Amoco

slide39

Risque écotoxicologique

Prise en feu d’un puits de pétrole

Émissions énormes de C, S et poussières

Source: Photo satellite/ESA

3 principales sources de pollution consommation mondiale d nergie nucl aire entre 1976 et 2001
3. Principales sources de pollution:Consommation mondiale d’énergie nucléaire entre 1976 et 2001

Million de tonnes équiv. pétrole

Reste du monde

Forte augmentation

depuis 1976

Distribution

dans 4 continents

Asie-Pacifique

Ex URSS

Europe

Am. du Nord

Source: BP Amoco

slide42
3. Principales sources de pollution:Pour ou contre le nucléaire: évolution de l’opinion publique américaine

NON

OUI

d’après Laws, Aquatic Pollution (2000)

3 principales sources de pollution l industrie chimique
3. Principales sources de pollution:L’industrie chimique
  • Composés organiques de synthèse: certains sont toxiques pour l’humain et autres espèces animales à des concentrations de l’ordre du ppb; de nombreux produits chimiques sont persistants dans l’environnement pour des décennies (ex: BPC); certains sont à la fois toxiques et persistants.
  • Chaque année l’industrie chimique produit plus de 100 millions de tonnes de composés organiques de synthèse, représentant plus de 70000 produits différents dont 1000 composés nouveaux ajoutés (Postel, 1987).
3 principales sources de pollution l industrie chimique44
3. Principales sources de pollution:L’industrie chimique

Certains composés de synthèse

n’ont pas besoin d’être toxiques pour poser des problèmes environnementaux: les CFCs (chlorofluorocarbones)

persistants et volatiles, utilisés comme propulseurs aérosols provoquent le délabrement de l’ozone (O3) stratosphérique.

Source: ESA

slide45

3. Principales sources de pollution:L’agriculture

Récoltes mondiales de grains, entre 1950-1996

Source: Brown et al., 1996 “Vital Signs 1996”

slide46

3. Principales sources de pollution:Agglomérations les plus importantes en 1950, 2000, 2015

  • En 2000, 47% de la population mondiale vit dans des centres urbains;
  • En 2030, 60% de la pop. mondiale vivra dans des villes.
  • Les grands centres urbains sont des sources importantes de polluants atmosphériques.

Source: U.N., World Urbanization Prospects, The 1999 Revision

3 principales sources de pollution croissance des grands centres urbains entre 1950 et 2015
3. Principales sources de pollution:Croissance des grands centres urbains entre 1950 et 2015

Source: U.N., World Urbanization Prospects, The 1999 Revision