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Université d’AnnabaFaculté des Sciences, Département de Biologie
Année universitaire 2017/2018
ECOTOXICOLOGIE GENERALE
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a. Ecologie
C’est la science globale des relations desorganismes avec leur monde extérieurenvironnant dans lequel sont incluses ausens large, toutes les conditionsd’existence (HAECKEL, 1866).
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b. Toxicologie TRUHAUT, (1976)
C’est la discipline qui étudie les substancestoxiques (poisons) qui provoquent desaltérations biologiques menant à la mort siles perturbations physiologiques sontintenses.
La toxicologie est à la fois descriptive etexplicative.
Elle évalue la toxicité (tests) et précise lesmécanismes.
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La science qui étudie les modalités decontamination de l’environnement par desagents polluants naturels ou artificielsproduits par l’activité humaine.
Elle étudie également leur mécanisme d’actionet leurs effets sur l’ensemble des êtresvivants qui peuplent la biosphère.
c. Ecotoxicologie RAMADE (1971)
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c. Ecotoxicologie RAMADE (1977)
La science qui étudie les interactions et leseffets in situ de contaminants sur lesêtres vivants (végétaux, animaux) àdifférents niveaux
-organismes-populations-peuplements-communautés
Ainsi que le devenir de ces substances dansles écosystèmes.
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Moléculaire
Cellulaire
Tissulaire
Organisme
Population
Ecosystème
Niveau
de s
ignifica
tion
éco
logiqu
e
Niveau
d’org
anisa
tion
biologiqu
e
Rapid
ité
de l’app
arition
de la r
épo
nse
obse
rvée
Représentation graphique de l’ordre séquentiel des réponses à un stress au sein d’un système biologique 7
Définition de l’écologie, de la toxicologie et de l’écotoxicologie.
La discipline qui étudie lessubstances toxiques quiprovoquent des altérations oudes perturbations desfonctions menant à terme à lamort.
La science des relations desorganismes avec leur mondeextérieur environnant dans lequelnous incluons au sens large, toutesles conditions d’existence.
ECOTOXICOLOGIE
C’est la science qui étudie les modalités de contaminationde l’environnement par des agents polluants naturels ouartificiels produits par l’activité humaine ainsi que leurmécanisme d’action et leurs effets sur l’ensemble desêtres vivants qui peuplent la biosphère.
TRUHAUT (1976) HAECKEL (1866)
RAMADE (1971)
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C’est un mouvement social, philosophique etpolitique.
d. Ecologisme SIMONET (1979)
Mouvement en faveur de la protection del’environnement naturel, notamment contre lesdifférentes formes de pollution industrielle.
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e. Environnique BOUCHE (1996)
C’est l’ensemble des approches techniquesqui gèrent les connaissances bio-physico-chimiques
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f. Pollution
La pollution est une modification défavorable dumilieu naturel qui apparaît en totalité ou enpartie comme un sous-produit de l'actionhumaine, au travers d'effets directs ouindirects.
Ces effets altèrent:
• les critères de répartition des flux d'énergie,
• de la constitution physico-chimique du milieunaturel
• de l'abondance des espèces vivantes.11
g.Polluant
C'est une substance naturelle ou artificielle que
l'homme a introduit dans un milieu où elle était
absente (ou présente en quantité différente)
Polluant
Naturel Artificiel
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• Exemple d'une « substance polluante naturelle » :
le sel
des usines de dessalement
des inconvénients
gourmande en énergie
le rejet, en mer ou dans le sol
saumures
concentrées au double de la salinité naturelle13
une augmentation de la salinitédes eaux a des conséquencesnéfastes sur la plante à fleursaquatique posidonie, dès 38,4g/l (Sanchez-Lizaso, 2008). Or,ces herbiers constituent unécosystème de premier plan enMéditerranée et exercent unefonction protectrice deslittoraux contre l'érosionmarine. Ces herbiers sont lerefuge d'un grand nombred'espèces animales (mollusques,poissons, crustacés, etc.).
➢ la salinité de l'eau de mer: 37 et 38 grammes parlitre (g/l)
➢ la salinité des saumures peut atteindre les 70 g/l(Sanchez-Lizaso, 2008).
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• Exemples de « substances polluantes artificielles » (dite d'origine anthropogénique)
❖ Ce sont des substances créées et introduites dansl'environnement par l'activité humaine. Les exemplessont innombrables :
➢ les pesticides
➢ les PCB (Polychlorobiphényles)
➢ les CFC (Chlorofluorocarbones)
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* Agents polluants
* Agents toxiques
* Agents contaminants
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Agents polluantsDéfinition
Agents qui excercent des influences perturbatrices surl’environnement (Ramade, 1992).
Origine-Agents polluants naturels
( fumés de volcans, coliformesfécaux transférés du sols versdes eaux marines…).
-Agents polluants artificiels(insecticides agricoles…).
Nature
-Agents polluants chimiques(pesticides, oxyde d’azote émispar les automobiles…)
-Agents polluants physiques(rayons ultraviolet…).
-Agents polluants biologiques(bactéries de biodégradations).
Effet
pollution soit “une perturbation de l’équilibre naturel del’environnement” (Ramade, 1992). Un équilibre naturelpeut se développer aprés le retrait du polluants 17
DéfinitionAgents qui ont des teneurs élevées par rapport aux teneursnaturelles normales (Francis, 1994).
Origine-Agents contaminantsnaturels (métaux, mercureméthylés…).
-Agents contaminantsartificiels (biphénylespolychlorés PCB, herbicides,chrome issue des Poteauéléctriques…).
Nature-Agents contaminantschimiques (métaux lourds enexcés, organochlorés, pesticidessynthétiques…).
-Agents contaminantsmicrobiologiques (bactériesfécales , salmonelles pathogénes).
Effet
contamination soit un déséquilibre des teneurs naturelles(Francis, 1994) et sa réversibilité se révéle souventlente.
Agents contaminuants
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DéfinitionAgent qui à cause de leurs teneurs excessives occasionnent deseffets néfastes dans des organismes biologiques (Klaassen et al.1986).
Origine
-Agents toxiques naturels(Cd et Pb en concentrationexcessives, nicotine de lacigarette, haute dose de caféine).
-Agents toxiques artificiels(insecticides organophosphates malutilisés…).
Nature
-Agents toxiques chimiques(Monoxyde de carbone des gaz déchappement d’automobiles, métauxlourds).
-Agents toxiques physiques(Radioactivité, rayons ultraviolets..
EffetToxicité soit “un ensemble variable d'effet néfaste“ (Klaassen etal. 1986), elle est lentement réversible sauf dans des casextrêmes tels que mortalités, anomalies du développementembryonnaire ou neurotoxicité du cerveau.
Agents toxiques
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- Tout agent toxique est un contaminant et unpolluant.
- Tout polluant ou tout contaminant n’est pasnécessairement toxique, car la toxicité exigeune teneur excessive.
- Les agents polluants, contaminants et toxiquesont en commun le même effet général undéséquilibre dans l’environnement.
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EcophysiologieEcologie Physiologie
ToxicologieEcologie chimiqueEvolution, génétique,
chimie, biologie moléculaire, etc.
2. Objectifs
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L'évaluation des effets de la pollution estl'objectif de l'écotoxicologie qui étudie lesdommages occasionnés aux écosystèmes engénéral et aux biocénoses en particulier, parles polluants physiques et/ou chimiques.
En plus de l'étude de l'impact des polluants surles écosystèmes, l'écotoxicologie examine lesrelations entre les polluants et le milieu
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(telles que les voies de transfert ou decheminement des polluants dans lesécosystèmes, la biodégradation et labioaccumulation des polluants, etc…).
Elle utilise des techniques propres à latoxicologie qui étudie plus spécifiquement latoxicité en laboratoire d'une substance surdes organismes tests représentatifs de:
- l'espèce humaine (tests de toxicité)
- organismes tests en plein champ (testsd'écotoxicité).
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L’écotoxicologie a deux objectifs principaux :
- Etudier les processus de contamination desmilieux.- Evaluer les effets des polluants à l’égard dela structure et du fonctionnement des systèmesnaturels.
Elle doit donc étudier les niveaux de pollutionet de toxicité pour appréhender lesmécanismes responsables de labioaccumulation et des transferts descontaminants au sein des systèmes biologiquesainsi que les processus entraînant les effetssub-létaux.
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Cependant, l’écotoxicologie à des contraintes. Ellese heurte:
• à une très grande complexité liée à la diversitédes constituants de l’écosphère
• aux variations spatio-temporelles des facteursécologiques.
• à la diversité qualitative et quantitative descontaminants.
• aux nombreux mécanismes d’adaptation mis enœuvre par les organismes.
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les modalités de contamination de l’environnement
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• Exemple d'un polluant directement introduit dans l'environnement: un pesticide
Dispersion dans l'environnement d'un pesticide appliqué sur une plante
Sur ce schéma, on voit que le pesticide se disperse:➢ dans le sol➢ dans les cours d'eau (eau de surface) où il est entrainé par
ruissellement➢ dans les nappes phréatiques par infiltration (à cause de la pluie)➢ dans l'air par volatilisation où il peut être dégradé (photo-
décomposition) et/ou redéposé à un autre endroit 27
• Exemple d'un polluant introduit indirectement dans l'environnement: l'éthinylestradiol, hormone de synthèse présente dans la pilule contraceptive
perturber la reproduction et les caractères sexuels (poissons mâles féminisés) de la faune aquatique .
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Le polluant se répartit selon ses propriétés et selon lesconditions du milieu, par exemple:
✓ un produit faiblement soluble dans l'eau aura tendanceà s'accumuler dans les sédiments
✓ un produit qui n’est pas soluble dans l’eau aura tendanceà flotter en surface (par exemple les hydrocarbures)
✓ un polluant soluble sera plutôt réparti dans l'eau d’unerivière (par exemple le dioxyde de soufre SO2)
❖Que devient le polluant une fois dans l’Environnement ?
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❖ Une fois le polluant dans l'environnement :
a. il peut être rapidement dégradé ou au contrairepersister dans l'environnement.
b. il peut se transformer ou se combiner avec d'autrescomposés et devenir plus ou moins toxique que laforme initiale.
c. il peut être « piégé » et ne pas contaminer lesorganismes vivants ou au contraire être « disponible » etles contaminer : ce concept se nomme la biodisponibilité.
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les PCB (Polychlorobiphényles) = faiblement biodégradables
✓ l'activité biologique (notamment les mircoorganismes)ainsi que la décomposition chimique ne dégrade quetrès lentement le composé
✓ demi-vie du PCB = 94 jours à 2700 ans
✓ demi-vie du Toluène = 28 jours, il est donc assezrapidement dégradé dans l'environnement (Wiedemeier,1999).
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a. il peut être rapidement dégradé ou au contrairepersister dans l'environnement.
(Dichlorodiphényldichloroéthylène)(Dichlordiphényltrichloroéthane)
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b. il peut se transformer ou se combiner avec d'autrescomposés et devenir plus ou moins toxique que laforme initiale.
Biodégradation:
La biodégradation est tout processus biologique quientraîne la conversion d’une substance organique endérivés chimiquement distincts de la substanceinitiale.
La biodégradation est une dégradation biologiqueeffectuée par des micro-organismes (bactéries,champignons…). Elle est due à l’abondance et à lavariété des micro-organismes dans le milieuconsidéré. L'attaque d'une molécule chimique par desmicro-organismes a pour aboutissement saminéralisation et l’obtention de métabolites de faiblespoids moléculaires facile à éliminer.
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Deux types de biodégradation sont distingués :
• La biodégradation primaire (biotransformation): a étédéfinie comme la perte de l’identité chimique duproduit initial. C’est une attaque partielle de lamolécule, aboutit à l’apparition de métabolitespersistants, moins ou plus toxiques que la moléculeinitiale.
• La biodégradation ultime (minéralisation): dégradationcomplète conduisant à la formation de CO2, eau,éléments minéraux. Cette biodégradation, si elle sefait rapidement, conduit à l'élimination du polluantdans le milieu.
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Le potentiel de biodégradation d’un produit chimiquepeut être estimé par le rapport entre la demi-vie (letemps nécessaire pour réduire la quantité de produità 50% de sa valeur initiale) et le temps de résidence.
Biodégradation primaire et biodégradation ultime.
Dégradation primaire ou ultime: un risque différent.
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Ex : un sol contaminé en métaux lourds✓ Quels sont leurs effets sur la faune du sol , ex: vers de
terre?➢ si ces métaux ne sont pas biodisponibles (sol sec), c'est à
dire non assimilables par les organismes vivants. C’est-à-direque les polluants sont adsorbés (=collés) très fortement à lasurface des particules du sol donc il ne représente aucundanger pour la faune du sol
➢ si ces mêmes polluants sont dissous dans l'eau présenteentre les particules du sol, alors ils sont biodisponibles,alors il est potentiellement dangereux pour la faune locale.
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c. il peut être « piégé » et ne pas contaminer lesorganismes vivants ou au contraire être « disponible » etles contaminer : ce concept se nomme la biodisponibilité.
Biodisponibilité:
C’est la propriété d’un élément ou d’une substanced’atteindre les membranes cellulaires desorganismes vivants.
Il s’agit d’un des paramètres essentiels de latoxicité car un changement de la biodisponibilitéd’un polluant équivaut à un changement detoxicité.
Un polluant, dans un compartiment, peut-être à lafois toxique et non toxique pour un organisme enraison de sa biodisponibilité ou non.
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Rapport entre biodisponibilité et toxicité dans un écosystème aquatique.
Exemple : le mercure (Hg) fixé dans les sédiments est sous cette forme, non toxique. L’Hg qui se trouve en solution dans les sédiments est, à l'inverse, toxique pour les organismes des sédiments car biodisponible pour ceux-ci et son relargage dans l’eau augmente son risque toxique par transfert indirect via la chaîne alimentaire.
La biodisponibilité, paramètre essentiel de la toxicité.
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Effets sur les êtres vivants
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a. Les producteurs: qui sont les végétaux autotrophes.
b. Les consommateurs: qui sont les animauxhétérotrophes:
• les consommateurs de premier ordre (les herbivoresqui mangent d’autres végétaux),
• les consommateurs de second ordre (les carnivoresou prédateurs qui mangent les herbivores)
• Les consommateurs de troisième ordre (lescarnivores qui mangent d’autres carnovores).
c. Les décomposeurs: qui sont les bactéries et leschampignons, qui dégradent la matière organique descadavres et redonnent aux plantes les sels minérauxindispensables à la photosynthèse.
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Les différents niveaux trophiques.
c. DÉCOMPOSEURb. CONSOMATEUR
a. PRODUCTEUR
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polluant se trouve dans le milieu naturel
biodisponible
effets sur les êtres vivants
Une fois le polluant ingéré, ou encore respiré par unorganisme, il est susceptible de s'accumuler au cours dutemps dans les tissus. Il peut ainsi s'accumuler de façontrès importante au point que les concentrations dansl'organisme sont très supérieures à celles que l'on trouvedans le milieu.
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Bioaccumulation:
Certains polluants peuvent devenir toxique en
s’accumulant dans certains organes par petites
doses jusqu’à l’apparition d’effets nocifs pour
l’organisme.
La bioaccumulation est un terme qui englobe
biomagnification et bioconcentration.
La bioaccumulation résulte d'un phénomène de
transfert et d'amplification biologique de la
pollution à travers les biocénoses contaminées.44
Bioconcentration:
C'est la capacité qu'a un organisme de stockerune substance à une concentrationsupérieure à celle de l'eau ou de lanourriture.
BCF (facteur de bioconcentration)=Concentration du polluant dansl’organisme/concentration du polluant dans lemilieu.
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Biomagnification:
Elle désigne une accumulation progressive d'unesubstance via la chaîne alimentaire (Ft).
Ft (Facteur de transfert) = Concentration dupolluant dans le niveau trophique n+1/Concentration du polluant dans le niveautrophique n.
➢ Ft >1 bioamplification➢ Ft = 1 simple transfert➢ Ft < 1 diminution de la concentration.
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La bioaccumulation s’appuie sur le coefficient departage octanol/eau ou KOW qui mesure le degréde lipophilie (ou d’hydrophobie) d’une substance,c'est-à-dire une estimation du partage de lasubstance entre l’eau et les graisses des tissuspour prédire la capacité d’un polluant des’accumuler dans les graisses.
Le Kow est souvent exprimé par son logarithme,
log Kow = log P.
une substance est bioaccumulable si :
Kow ≥ 100, ou Log P ≥ 3.
Ex:
Pentachlorophenol log P = 5,12 : bioaccumulable. Chloroforme log P = 1,97 : non bioaccumulable. 47
Processus de bioaccumulation48
Effets des polluants sur les écosystèmes
➢altérer la reproduction des animauxEx: le pesticide DDT est à l'origine d'unamincissement de la coquille des œufs de Grebes(une espèce d’oiseaux) qui diminue le succès de lareproduction avec une mortalité accrue des petits(Hickey, 1968 ; Ratcliffe, 1970 ; Peakall, 1970).
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➢ provoquer une augmentation de la mortalité
ex : la marée noire où de nombreux oiseaux et organismes aquatiques périssent.
➢ modifier les conditions du milieu
Certains polluants peuvent par exemple acidifier un cours d'eau. Certaines espèces qui ne peuvent vivre dans un milieu trop acide, disparaissent.
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➢ Comment peut-on évaluer ces effets ?
tests in vitrotests in vivo
l'effet d'un composé sur des cellules
exposer un organisme vivant à la substance testée
ingérée injectée
tests in situ
le terrain
bioindicateurs
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Expérience visant à évaluer les effets d'un polluant sur une espèce
de poissons
au bout d'1 mois, les œufs pondus par les poissons et le nombre de décès seront comptés.L'expérience va permettre notamment de déterminer les valeurs de références d'un test écotoxicologique : la CE50, la NOEC et la LOEC.
52
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Ce test permettra de mettre à jour:
• soit une toxicité aigüe du composé testé :c'est à dire que le produit affecte le poisson en
peu de temps,• soit une toxicité chronique du composé testé :
c'est à dire des effets à long terme du produit.
Différence entre toxicité aigüe et chronique 54
➢ Si on s'intéresse aux décès des poissons, on peutdéterminer une CL50 (Concentration Létale 50%): la concentration en polluant qui tue 50% desindividus en un temps donné.
➢ Ces valeurs de référence que sont les NOEC,LOEC et CE50 sont très utiles car ellespermettent de déterminer les normes de rejetdes différents produits potentiellementpolluants.
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tests in situ Exemple: on dispose, dans une rivière, une cagecontenant des organismes élevés en laboratoire : aubout d'une certaine durée, on récupère la cagecontenant les organismes et on analyse ces derniers.On peut également prélever directement desorganismes de populations naturelles de la rivière.
Bioindicateurs
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Espèces animales ou végétales
Bioindicateurs Biomarqueurs
Ecotoxicologie
Moléculaires
Biochimiques
Cellulaires
Physiologiques
Comportementaux
Bioindicateurs et biomarqueurs
Bioindicateur d’accumulation
Bioindicateur d’effet
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Bioindicateur:
a. Définition: Un bioindicateur est une espècevégétale ou animale dont la présence renseignesur certaines caractéristiques physico-chimiquesou biologiques de l'environnement ou surl'incidence de certaines pratiques.
Les effets sont observables au niveau del'individu et/ou la population et se traduisentpar des altérations morphologiques,comportementales, tissulaires, physiologiques,biochimiques, moléculaires,….etc (biomarqueurs).
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L’utilisation de bioindicateurs repose sur leprincipe de sélection des organismes résistants(tolérants) aux pollutions au détriment desorganismes sensibles.
Les individus ou les espèces sensibles vontdisparaître sous la pression du polluant (mort oufuite), laissant la possibilité aux espècesrésistantes de se développer davantage.
Ce phénomène c’est l’analyse desprésences/absences. Une espèce bioindicatricetraduit la contamination du milieu par sonabondance ou son absence.
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Principe d’un bioindicateur: sélection d’organismes résistant audétriment d’organismes sensibles. Analyse prèsence/absence
Pollution
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b. Types :
• bioindicateur d’accumulation: qui accumule uneou plusieurs substances issues de sonenvironnement permettant ainsi d’évaluer sonexposition.
• bioindicateur d’effet: qui permet de révélerdes effets spécifiques ou non lors del’exposition à une ou plusieurs substancesissues de son environnement.
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c. Caractéristiques :
• Être connu scientifiquement (ubiquiste, abondant etsédentaire).
• Être lié ou corrélé à des fonctions de l’écosystème.
• Intégrer des propriétés ou des processus physiques,chimiques et biologiques.
• Présenter des qualités de mesure.
• Echantillonnage facile, efficace et peu cher.
• Élevage possible en laboratoire
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d. Utilisations :
• Déceler les changements dans l'environnementnaturel.
• Surveiller la présence de pollution et seseffets sur l'écosystème et l'organisme.
• Suivre les progrès du nettoyage del'environnement.
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Biomarqueurs :
a. Définition: Un biomarqueur est un changementobservable et/ou mesurable au niveau:
moléculaire, biochimique, cellulaire,
physiologique ou comportemental,
qui révèle l'exposition présente ou passée d'unindividu à au moins une substance chimique àcaractère polluant (Lagadic et al., 1997).
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Les biomarqueurs sont mesurés chez desorganismes exposés à des conditions destress liées à la présence de substancespolluantes dans l’environnement.
Ils représentent la réponse biologique initialedes organismes face à des perturbations oudes contaminations du milieu dans lequel ilsvivent.
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L’inhibition ou l’induction des biomarqueurs sont de bons outils écotoxicologiques pour:
-Évaluer l’exposition-Évaluer les effets potentiels des xénobiotiquessur l’organisme.
Principe d’un biomarqueur : inhibition ou induction.
Principe d’un biomarqueur: sa concentration dans l’organisme reflète que celui-ci est exposé a un polluant.
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b. Types :
• Biomarqueurs d’exposition: substance exogène ou sonmétabolite, ou le produit d'une interaction entre unagent xénobiotique et une molécule ou une cellule-cible, qui est mesurée dans un compartiment àl'intérieur d'un organisme.
• Biomarqueurs d’effet: altération biochimique,physiologique ou d'un autre type qui peut êtremesurée à l'intérieur d'un organisme et qui, suivantson ampleur, peut être reconnue comme un trouble dela santé ou une maladie, établie ou potentielle.
• Biomarqueurs de sensibilité: indiquent l’existenced’une sensibilité différente au toxique dans une partiede la population. 67
Complexité
EXPOSITIO
N
Effets biochimiquesmolécule, organelles, cellule
Effets
physiologiques
pathologiquestissu, organe, organisme
Effets écologiquespopulation,
communauté,
écosystème
Dose
Durée
réponse
PrécoceSensible
Spécifique
cibles moléculaires de l'organisme
xénobiotique
dose durée
Biomarqueurs: carctéristiques
Caractéristiques d’un biomarqueur
c. Caractéristiques :
La réponse du biomarqueur doit être sensible,spécifique et précoce.
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• Leur sensibilité et leur spécificité vis-à-vis d’un type de pollution ou de stress doivent être connues.
• Leur mesure doit être reproductible dans le temps, sur le court et/ou le long terme.
• Ils doivent être communs aux individus d’une même population, et la variabilité au sein d’un groupe témoin ou exposé doit être connue.
• Les méthodes de leur dosage doivent tenir compte de divers facteurs d’applicabilité en laboratoire et sur terrain tels que la facilité d’échantillonnage et de conservation et le coût des analyses.
• Ils doivent avoir un pouvoir prédictif des effets à des niveaux biologiques supérieurs (croissance, reproduction, population…) et éventuellement prédire les risques pour l’homme.
c. Caractéristiques :
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CONTAMINANTS, BIOMARQUEURS ET EFFETS
d. Utilisations:
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