De la toxicologie à l écotoxicologie - tice.agroparistech.fr · polluants naturels ou artificiels produits par l’activité humaine ... (prévision des effets). ... – Mise en

Présentation INERIS – 26/09/2015 1

De la toxicologie à l’écotoxicologie :


La toxicologie : une discipline ancienne

Discipline qui étudie les substances toxiques, c’est-à-dire les substances quiprovoquent des altérations ou des perturbations des fonction des organismesconduisant à des effets nocifs dont le plus grave est la mort

Truhaut 1974

.

Klaagen et Eaton, 1991


Le Clear Lake

Hunt et Bischoff 1960Calif Fish Game

L’observation d’altérations dans le milieu :Déclin de population d’oiseaux piscivores


Le déclin des populations de rapace


Perturbateurs endocriniens et environnement

19401950

1960

1970

1980

1990

2000Féminisation d’oiseaux

et de mammifères par des phyto-oestrogènes et OCs

Hyperplasie thyroïdienne Saumon des grands lacs

Induction d’imposexchez les mollusques

par le TBT

DDE induit une diminution de l’épaisseur

de la coquille (rapaces)

Féminisation d’oiseauxmarins par le DDT

Perturbations de la sexualité des poissons

par des effluentsd’usines de pâte à papier

Reproduction de poissons (HAPs, PCBs)

Reproduction des phoques de mer

Féminisation de poissons

par des effluents

Altération de la reproduction des

alligators par des OCs


ALLIGATORS DU LAC APOPKA (FLORIDE)

Ä Exposition au DTT et ses métabolites, et au Dicofol

• Anomalie morphologique du pénis• Altérations tissulaires au niveau des gonades (diminution du nombre

de tubes séminifères différenciés)• Ø teneur en testostérone plasmatique (facteur 3)

• Diminution du succès de reproduction– Ø taux éclosion des œufs (5 à 20% contre 60 à 80% en absence de contamination)– Ø viabilité des jeunes d ’un facteur 10

• Déclin d’environ 90% de la densité des juvéniles


Effet sur les amphibiens

Etude de l‘intersexe Acris crepitansEtude entre 1830 – 1996 Etat de l’Illinois

ß Période d’ utilisation des OCs

ß Période de restriction du DDT

d’après Reeder et al 2005

Période Taux d’intersexe1852 - 1929 1,2 %1930 - 1945 7,5 %1946 - 1959 11,1 %1960 - 1979 6,3 %1980 - 1996 2,7 %


Contamination des ours polaires par les composés OrganochlorésPCB, HCH, DDE, Dieldrine, …

Muir et al 1998Burgäd et al 2001Etc…

Contamination à longue distance


Contamination généralisée de l’environnement par les plastiques


Impact de la contamination sur le développement des ours polaires

Fig. 1. a: Map of the eight polar bear subpopulations included in the present study. NEG: North East Greenland, BB: Baffin Bay, DS: Davis Strait, LS: Lancaster Sound, GB: Gulf of Boothia, FB: Foxe Basin, SH: Southern Hudson, WH: Western Hudson. b: BMD Index (l...

Christian Sonne, Markus Dyck, Frank F. Rigét, Jens-Erik Beck Jensen, Lars Hyldstrup, Robert J. Letcher, Kim Gustavson, M. Thomas P. Gilbert, Rune DietzPenile density and globally used chemicals in Canadian and Greenland polar bearsEnvironmental Research, Volume 137, 2015, 287–291

http://dx.doi.org/10.1016/j.envres.2014.12.026


Transformation dans les milieux : Exemple des HAP


Ecotoxicologie

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 des mécanismes d’action des effets sur l’ensemble des êtres vivants qui peuplent la biosphère

Ramade 1977


L’étude du devenir et du cycle des polluants dans les écosystèmes est un point fondamental dans les études écotoxicologiques.


La modification induite par un polluant dans un processusphysiologique n’est significative que si la valeur sélectivedes individus est modifiée.


TOXICOLOGIEEffets des produits chimiques sur les individus ou les éléments qui les

composent et plus particulièrement mécanismes des effets nocifs et conditions dans lesquels ils se produisent.

ECOTOXICOLOGIEEtude des polluants dans les écosystèmes

préciser les modalités et mécanisme de la contamination des divers écosystèmes et de la biosphère, leur circulation et leurs transformation biogéochimiques

préciser les effets biocénotiques ainsi que les perturbations qu’ils induisent dans les processus écologiques fondamentaux en particulier ceux qui assurent la productivité biologique des écosystèmes

Des disciplines sœurs mais des finalités différentes


Des cibles différents

Toxicologie Ecotoxicologie

Individu PopulationCommunautéÉcosystème


Présence et effetsà différents niveaux d ’organisation biologique

ExpositionDétection dansl’environnement

AbsorptionRépartition tissulaire / Bioaccumulation

MétabolisationDétoxication / Toxication

Ciblesmoléculaires / cellulaires

Élimination Effets non létaux Mortalité

ComportementsDéveloppement - Croissance - Durée de vie - Maladies -Reproduction

Modifications

des caractéristiques des populations (densité - maintien -abondance - distribution - structure d ’âges)

Concentration dans les individus(pharmacocinétique)

Interactionsmoléculaires

Effetsindividuels

Effets sur lespopulations

Altérations de la structure et du fonctionnement des communautés (extinction - dominance - diversité -biomasse - productivité)

Séquence chronologiquedes évènements biologiques affectant les organismes

exposés aux polluants de l’environnement

de la sensibilité(adaptabilité - fitness résistance)

Temps de réponse

Jours

SemaineMois

Année

DécennieEffets sur lesécosystèmes


Altération du comportement


Altération anatomique :Hypertrophie des gonades


Altération anatomique : altération de la croissance des nageoires


ALTERATIONS MORPHOLOGIQUES INDUITES PAR LE PLOMB CHEZ DES TRUITES

ALTERATION DES CAPACITES DE NAGE

Ø Résistance à la prédationØ Capacité de prédation


Diminution du prédateur à pullulation de la proie


Effet de l’acidification sur la diversité spécifique


Impact sur les pollinisateurs

Traitements aériens forêt New-Brunswick avec du fenitrothium

Diminution de la pollinisation


Ecotoxicologie

Prévision des conséquences futures que l’on peut attendre de lalibération d’un contaminant déterminé (prévision des effets).

Evaluation de l’importance des atteintes subies par lesécosystèmes à la suite de leur contamination.


Le contexte de la prédiction des risques écotoxicologiques

La mise sur le marché de substance ou de produits§ Substances chimiques, produits phytosanitaires, Biocides,

Médicaments humains et vétérinaires, cosmétiques, …Les autorisations d’exploitationLa qualité des milieux § DCE et normes de qualité

Classification/étiquetage

Evaluation d’effet àvaleurs de référenceEDR


Évaluation des effets - PNEC

Données de toxicité de laboratoire. Évaluation des études

Predicted No Effect Concentration

PNEC - (mg/kg or mg/l)

Déterminer l’espèce la plus sensible

(Classification et étiquetage)

Extrapoler

Concentration sans effets innaceptables pour

l’environnement

Facteur de sécurité(incertitude / variabilité)

Méthodestatistique


Outils de terrainConditions naturelles

Mesocosmes Ecosystème

s naturelles

Canaux Mare/étang

Enclos

ReproductibilitéRépétabilité

Complexité du système expérimentalReprésentativité

Effets directsDevenir

Effets sur les relation inter-spécifiquesEffets indirects

Un continuum d’outils

Outils de laboratoire

Bioessais MicrocosmesTests in vitro

In silico


Un constat

Des limites nécessitant de faire évoluer les outils§ La non prise en compte des multistress§ La non prise en compte des conditions environnementales§ Une évaluation principalement basée sur les effets directs

+ Directives protection des animaux utilisés à des fins expérimentales en parallèle d’une exigence de plus en plus forte de limitation des risques pour l’environnement


Interaction agent biologique/agent chimique

Alaux et al 2010


Un constat




Augmentation du risque de non retour de 3 à 26% quand conditions environnementales deviennent difficiles

Augmentation de 35% en zone bocagère contre 18% en paysage ouvert

Influence des conditions météorologiques et du paysage sur la sensibilité des abeilles au thiaméthoxame


Un constat




Danio rerio, Exposition à des substances médicamenteuses (Carbamazepine, gemfibrozil)

Effets transgénérationnels

Exposition de couples 6 semaines à 10 µg/l

Collecte des œufs

Développement des jeunes en eau propre jusqu’à la maturité sexuelle

àAltération du comportement de reproductionà Altération de la morphologie et de la mobilité des

spermatozoïdes

Male F1 contrôle x Femelle F1 issues parents exposés

à Pas d’effets sur la production d’œufs

Male F1 issus parents exposés x Femelle F1 contrôle

à Diminution de 50% de la production d’œufs


Un constat




Des réflexions plus ou moins récentes

SETAC Pellston workshop Forest Grove, Oregon, USA en avril 2009

Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA La Londe les Maures 28-30/09/2009

Initiative Française pour la Recherche en Environnement Santé – feuille de route pour une transition écologique Septembre 2012 Allenvi, Athena et Aviesan


SETAC : les challenges

Deux challenges: « linkage » et « extrapolation »• Etablir des relations de causalité crédibles • Développer des outils/modèles quantitatifs

d’extrapolation


Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA 28-30/09/2009 Les besoins en lien avec les Limites spécifiques à un niveau d’organisation particulier

• Au niveau des individus– Acquisition et exploitation des données permettant de caractériser

les interactions au niveau moléculaire– Etablissement des liens entre exposition et modification du

comportement• Au niveau des populations

– Mise en œuvre d’approches de génétique des populations– Prise en compte de la plasticité et de la diversité génétique dans la

réponse aux toxiques– Interprétation des observations expérimentales ou in situ

• Au niveau des communautés– Priorisation des critères d’intérêt (structure ou fonction)– Prise en compte de la phylogénie dans le choix des espèces d’intérêt– Compréhension du rôle du paysage dans la restauration et l’évolution des

communautés impactées• Au niveau des écosystèmes

– Part des effets toxiques et d’autres facteurs de forçage– Prise en compte de l’hétérogéneité spatio-temporelle de la contamination et

des processus écologiques


Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA 28-30/09/2009Les besoins en lien avec les limites transcendant les niveaux d’organisation

§ Changement d’échelle biologique, spatiale ou temporelle

§ Prise en compte du caractère multifactoriel des stress environnementaux


IFRES : les objectifs scientifiques

Mieux comprendre et prédire les effets des contaminants et la vulnérabilité des écosystèmes et des populations humaines

Mieux comprendre les expositions multiples et les interactions avec d’autre stress environnementaux: une vision intégrée

Développer la modélisation pour mieux comprendre et prédire


Quelques pistes


Intégration des informations : Exemple des Adverse Outcome Pathways (AOP)

AOP = Cadre conceptuel qui assemble les connaissances sur le lien entre un événement moléculaire initiateur et un effet négatif à un niveau pertinent pour l’évaluation du risque.

Mode of Action PathwayModifié d’après Ankley et al., 2010


Application aux écosystémes

Exemple : Acide domoïqueet

mammifères marins (Villeneuve and

Garcia-Reyero, 2011)


Les AOPs en cours de développement à l’OCDE

2 documents en cours de développementAOPs linking aromatase inhibition, androgen receptor agonism, estrogen

receptor antagonism, or steroidogenesis inhibition, to impairement reproduction in small repeat-spawning fish species

AOPs for Nonpolar Narcosis1 étude de casAOPs Case studies using aquatic organisms


La modélisation pour le changement d’échelle

§ Echelle de gestion du risque écotoxicologique :

populations et communautés (sauf espèces menacées)

§ Echelle d’étude des effets écotoxicologiques : les individus

§ Extrapolation des effets entre les niveaux d’organisation

biologique : complexe et non linéaireð La modélisation permet d’établir le lien entre différentes échelles:

– L’échelle de mesure (individu)– L’échelle de pertinence protectrice (population)– L’échelle de pertinence toxicologique (système endocrinien + dynamique énergétique)

Schéma Adams 2002

Par rapport aux méthodes descriptives et/ou strictement statistiques : – Tester différents scénarios et hypothèses– Prédire les conséquences des effets dans différents états écologiques– Identifier les variables biologiques les plus pertinentes


Modèle dynamique de population individu-centré poisson zèbre

§ Prédiction de la dynamique en absence de perturbation similaire aux observations ‒ Prise en compte les facteurs écologiques les plus importants‒ Basé sur un modèle de type « dynamic energy budgets» (DEB)‒ Comparé à deux jeux de données de la littérature

Schéma de l’algorithme du modèle


Prédiction de l’effet de l’EE2 sur la dynamique de population

§ Exposition d’une population pendant 3 ans à 5 ng/L EE2, puis 2 années de récupération§ Protocol expérimental suivi par Kidd et al 2007 (très fort impact sur l’effectif de la

population)

Ä Flèches rouges : effets intégrés dans le modèleÄ Exemple d’effet sur les processus individuels

définis à partir de la littérature


QSAR :Quantitative Structure Activity Relationship

STRUCTURE MOLECULAIRE

ACTIVITE OU PROPRIETE

BIOLOGIQUE

MODELE STATISTIQUE

Les modèles QSAR identifient et quantifient, par le biais d ’un modèle statistique, lespropriétés physicochimiques d’une molécule en fonction de son activité biologique outoxicologique.


Un des modèles QSAR les plus simples décrit les propriétés d’une sériede molécules dont l ’effet biologique varie en fonction d ’un seulparamètre : LogP (coefficient de partition eau/octanol):

Dans ce cas, le but de l’analyse QSAR est de calculer l ’équation derégression linéaire entre l ’activité et LogP. Cette équation rend possiblela prévision de l ’activité pour un composé dont la valeur de LogP estconnue.

Log P

QSAR : un exemple monoparamétrique

Activité

Biologique


Read across

Cette méthodologie prédictive se base sur l’utilisation d’informations toxicologiques relatives à une (ou plusieurs) substance(s) afin de prédire la toxicité pour une autre substance qui est considérée comme un "analogue structurel".

Le « read-across » peut être appliqué pour prédire (de façon qualitative ou quantitative) les propriétés physico-chimiques et (eco)toxicologiques

Le « read-across » peut être considéré comme un QSAR dont la formalisation mathématique est moins rigoureuse que celle relative aux modèles QSAR (ex. validation statistique)

Les arguments mécanistes ont un poids particulièrement important lors de la validation d’une approche « read-across »


Les Omics : différents niveaux de réponse


Omics et signature d’effets toxiques

Le développement de biomarqueurs n’a pas attendu les « omics » : adduits à l’ADN, mesures biochimiques, marqueurs d’exposition.

Les approches structure activité permettent déjà de définir des signatures moléculaires d’effets.

Les plus :

Les omics peuvent donner lieu à une interprétation plus mécaniste.

Les omics devraient permettre d’accroitre le nombre de biomarqueurs, en ayant en outre une spécificité vis-à-vis de certaines classes de polluants.


Stratégies de tests intégrés

POSITIF APRES TEST 1?OUI

NO

STOP

POSITIF APRES TEST 2?

POSITIF APRES TEST 3?

La molécule a un potentielcommercial certain

NO

NO

OUISTOP

OUISTOP

Un effetsignificatifarrête la stratégie de test

Exemple Grindon et al. ATLA (2008) 36, 65-80


Stratégies optimales en écotoxicologie

• L’évaluation du risque écotoxicologique nécessite l’obtention d’informations toxicologiques sur les poissons, les algues et les daphnies.

• Le test poisson est le plus coûteux et le plus « sensible » du point de vue de la souffrance animale.

• Une stratégie simple consiste à effectuer les tests algues et daphnies, de dériver un seuil, puis de tester le poisson exposé à ce seuil. En cas d’effet significatif, on expose le poisson à une concentration 3 fois plus faible, etc.

=> Cette stratégie permet de diviser par deux le nombre de poissons utilisés.


En conclusion : les évolution dans la prévision

La prise en compte du mécanisme d’action toxiqueL’utilisation d’approches intégréesLe développement de la modélisationL’utilisation de méthodes dites alternatives en particulier in silico et

in vitro


Surveillance de la qualité de l’environnement de la surveillance chimique à la surveillance des effets

Détection et quantification des polluants

§ Le recours à l ’analyse chimique ne permet pas de quantifier simultanément tous les contaminants présents dans un échantillon

§ Ne permet pas d ’évaluer les effets sur les organismes vivants et l ’écosystème§ Effets toxicologiques de certains contaminants peuvent varier en fonction de leur forme

chimique, de l’existences d’interactions entre contaminants, …

Approche biologique

§ Bio Indicateurs• « Espèces ou groupes d ’espèces, qui par leur présence et/ou leur abondance,

sont significatifs d ’une ou de plusieurs propriétés de l ’écosystème dont ils font partie »

§ Biomarqueurs


Utilisation des biomarqueurs

Définition : « Changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui révèle l ’exposition présente ou passé d’un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant »

Marqueursbiochimiques

Mode d ’action des toxiques

Gestion des milieux aquatiques


Biomarqueurs ….

Présence depolluants dans

le milieu

Présence depolluants dansl’organisme

Réponse de l’organisme aux

polluants

Réponse des populationsou des communautés

aux polluants

Méthodesanalytiques

Biomarqueursd’exposition

Biomarqueursd’effets

Évaluation d ’effets auniveau des populationsou des communautés

Exposition Sensibilitéindividuelle

Sensibilité des populationsou des communautés


Présence et effetsà différents niveaux d ’organisation biologique

ExpositionDétection dansl’environnement

AbsorptionRépartition tissulaire / Bioaccumulation

MétabolisationDétoxication / Toxication

Ciblesmoléculaires / cellulaires

Élimination Effets non létaux Mortalité

ComportementsDéveloppement - Croissance - Durée de vie - Maladies -Reproduction

Modifications

des caractéristiques des populations (densité - maintien -abondance - distribution - structure d ’âges)

Concentration dans les individus(pharmacocinétique)

Interactionsmoléculaires

Effetsindividuels

Effets sur lespopulations

Altérations de la structure et du fonctionnement des communautés (extinction - dominance - diversité -biomasse - productivité)

Séquence chronologiquedes évènements biologiques affectant les organismes

exposés aux polluants de l’environnement

de la sensibilité(adaptabilité - fitness résistance)

Temps de réponse

Jours

SemaineMois

Année

DécennieEffets sur lesécosystèmes


Exemple d’utilisation : Cartographie de l’intersexualité chez les cyprinidés des cours d’eau français

L’intersexualité chez le poisson

- Marqueur reconnu de la perturbation endocrinienne chez le poisson

- Prédictif de la perte de biodiversité (Kidd et al., 2007)


- Intersexe sur de nombreux sites- Proportions variables (4 à 38 %)


GoujonVairon


Toxicité aigue à toxicité chroniqueFortes doses à faibles dosesPersistance à non persistance

Matière organique à substances chimiques

à PesticidesàPOP

à perturbateurs endocriniensà Médicaments

Evolution des préoccupations

Documents

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