Ecotoxicologie Marine & Biochimie de la Pollution Krishna Das

Ecotoxicologie Marine & Biochimie de la Pollution

Krishna Das

Plan du cours

• 1. Introduction• 2. Comment mesurer l’impact d’un polluant?

• 3. Répercussion sur les écosystèmes

• 4. Classification des polluants

• 5. Les métaux traces

• 6. Les organochlorés et autres micropolluants

• 7. Dégradation et métabolisation des micropolluants

• 8. Etude de cas: La Mer d’Aral

1. Introduction

• Qu’est-ce que l’écotoxicologie?

• L’écotoxicologie est l’étude de la prédiction des effets des polluants sur l’environnement (y compris l’homme)

1. Introduction

• 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 (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)

1. Introduction

• Qu’est ce qu’une pollution?

1. Introduction

• Pollution = Modification défavorable du milieu naturel qui apparaît comme un sous-produit de l’action humaine altérant les critères de répartition des flux d’énergie, des niveaux de radiation, de la constitution physico-chimique du milieu naturel et de l’abondance des espèces vivantes.

• En bref, pollution = effets de l’ensemble des composants toxiques libérés par l’homme dans la biosphère

1. Introduction

• Qu’est ce qu’un polluant?

1. Introduction

• 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 (dans l’eau, l’air ou les sols selon le biotope) 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

1. Introduction

Caulerpa taxifolia: une espèce allochtone en Méditerranée

1. Introduction

Caulerpa taxifolia: une espèce allochtone en MéditerranéeDécouverte en 1984 à Monaco.

Aujourd’hui: plus de 1500 Ha entre la France et l’Italie.

1. Introduction

Produits dórigine anthropique arrivant en Mer

Marées Noires

Armement et munitions diverses

Déchets en provenances de bateaux

Déchets industriels et nucléaires

Epaves

Stations de forage pétrolier

Précipitations atmosphériques (métaux lourds et hydrocarbures)

Déchets industriels

Déchets urbains et routiers

Eaux d’égouts

Gaz d’échappement via atmosphère

Engrais et pesticides

Eaux de refroidissement

1. Introduction

Produits dórigine anthropique arrivant en Mer

• Déchets dégradables, essentiellement du matériel organique sujet aux attaques bactériennes et à certains processus oxidatifs

• Fertilisants: nitrates et phosphates• Déchets stables comme les métaux lourds et

les halogénés• Déchets solides généralement inertes

1. Introduction

1. Introduction

Mer = Réceptacle final de toute pollution

1. Introduction

Environ 5 billions de tonnes de produits chimiques synthétisés annuellement

Canada: 1000 nouvelles substances par an mises sur le marché (peintures, alimentaire, industries)

1. Introduction

Plan du cours

• 1. Introduction

• 2. Comment mesurer l’impact d’un polluant?• 3. Répercussion sur les écosystèmes

• 4. Classification des polluants





Comment mesurer cet effet?

?

2. Impact d’un polluant?

chemicals

Cinq critères pour évaluer límpact dúne substance anthropique

(2.1.) Quantité. - ppm/ppb et M

(2.2.) Persistance. - Temps de demi-vie

(2.3.) Toxicité. - LC50 and LD50

(2.4.) Bioaccumulation, bioconcentration et biomagnification -

KOW et autres paramètres physico-chimiques

(2.5.) Autres – métabolites – e.g. DDT/DDE


(2.1.) Quantités et concentrations

• Concentrations généralement exprimées en ppm/ppb or mM

• ppm = 1 part par million = 1 gramme/106grammes• = 1 mg/litre ou µg/g• ppb = 1 part par billion = 1 gramme/109grammes• = 1 mg/litre• mM = millimole = 10-3moles and mM = micromoles

= 10-6moles


(2.2.) Temps de demi-vie

• Temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité ou d’une concentration d’un polluant disparaisse du biotope ou d’un organisme qu’il contamine

Polluant Temps de demi-vie

DDT 15 ans

Lindane 2 ans

Parathion 130 jours

Malathion 11 jours


(2.3.) Toxicité

• Tests de toxicité aiguë et sub-aiguë


Estimation de la toxicité de différents produits

Substance Dose toxique (mg/kg)

Alcool éthylique 10 000

NaCl (sel de cuisine)

4000

Fer (en tablettes) 1500

Nicotine 1

Dioxine 0.0001

Toxine botulique 0.00001


Notion de toxicité

« Sola dosis fecit venenum »

Paracelse (1493-1541)


Relation dose-réponse

Dose croissanteEff

ets

sur

l’or

gani

sme

Pas d’effet

Effet maximal

Effet croissant


Mesure de la Toxicité

DL50


Effets létaux – CL50 et DL50

• La CL50 est définie comme la “concentration létale” càd la concentration d’un polluant toxique de l’air ou des eaux provoquant 50% de mortalité dans une population exposée à ce dernier pendant une période de temps fixée, généralement entre 24 et 96h.

• La DL50 est définie comme étant la dose létale. C’est la dose provoquant la mort de 50% des organismes exposés au bout d’une période de temps fixée, généralement entre 24 et 96h. Dans ce cas, le produit toxique est directement administré via l’alimentation ou par injection.


Effets subléthaux

Déformations squelettiques des poissons pêchés dans le sud de la Mer du Nord : cas du turbot (action des hydrocarbures et métaux

lourds)


Effets subléthaux

Malformations de larves de polychètes sous l’action de sulfates de

cuivre et de zinc et détergents


Facteurs affectant ou modifiant la toxicité

• Sexe – influence du métabolisme• Alimentation au moment de léxposition• Age et état de santé• Hormones (e.g. en cas de grossesse)• Conditions expérimentales durant le test

de toxicité• Espèce


Toxicité du chlorpyrifos insecticide

organophosphoré

Espèce LD50

poulets 32 mg/kg

souris 60 mg/kg

rats 95 to 270 mg/kg

cochons dÍnde 500-504 mg/kg

moutons 800 mg/kg

lapins 1000 mg/kg


Evaluation du risque

• Lowest observed effect level (LOEL)

• No observed effect level (NOEL) = dose la plus élevée sans effet décelable sur l’animal

• TDI (Tolerable Daily Intake). Selon la qualité de la courbe on divise par 100 ou par 1000 la NOEL

• Implique léxistence dúne limite en dessous de laquelle il ný a pas déffets néfastes pour la santé humaine

LOELNOEL

TDI


1) Permet de quantifier spécifiquement la toxicité d’un produit chimique pour un organisme.

2) Permet de fixer des limites maximales ou tolérables: No Observed Effect Level…NOEL (législations)

3) Les tests sont hautement standardisés: espèces, sexe, age, état de santé.

4) Permettent de retirer de la circulation des composés toxiques et sont utilisés pour l’évaluation du risque engendré par ce composé.


Que nous apprend un test de toxicité?

1) Les tests de LD50 et LC50 sont des tests dépendants du temps (24 à 96h).

2) Ne reflète pas les conditions environnementales.

3) Ces tests sont hautement spécifiques et les résultats ne sont pas extrapolables à d’autres espèces.


Quelles sont les limites de ces tests?

Cl

Cl

O

OH

O

Illustration de la notion de toxicité:Effets toxicologiques du 2,4-D

2,4-D (2,4-dichlorphenoxyacetic acid, composant de lágent orange)


Agent orange (2,4-D et 2,4,5T)

50 000 t répandues pendant le conflit du

Vietnam


Illustration de la notion de toxicité:Effets toxicologique du 2,4-D

• Toxicite aigue• LD50

rats : 375-666 mg/Kg souris : 370 mg/Kg

• LC50

truite : 1-100 mg/l

• Toxicité chronique• rats (50 mg/Kg)/jour : pas

déffets• chien <50 mg/Kg/jour :

Mort

• Autres test de toxicité• Effets sur la reproduction• Effets tératogènes, i.e. e.g.

150 mg/Kg par jour durant les jours 6-15 accroissent les déformations squelettiques chez le rat

• Effets mutagènes• Effets carcinogènes

• EnvironnementTaux de dioxines encore décelables dans les sols et sédiments des mangroves


(2.4.) paramètres physico-chimiques

AirCa

SolCSo

EauCw

BiotopeCb

Sédimentsen suspension

Cse

SédimentsCse

Environnement atmosphérique et terrestre

Environnement aquatique

Ksew

Kbw

Kaso

Kaw

Ksew


(2.4.) Paramètres physico-chimiques

• Hydrosolubilité Sw

• Pression de vapeur P

• Vitesse de volatilisation Ki

• Coefficient d’absorption Koc

• Liposolubilité Pow, solubilité dans les solvants organiques (coefficient octanol eau)



Coefficient de partage octanol/eau ou Kow: mesure du degré d’hydrophobie (ou de lipophilie) d’une substance

Log Fc= a log Kow+ b

Fc = concentration dans l’organisme

concentration dans l’eau

Kow

Fc


Le facteur de bioconcentration dépend directement du coefficient

octanol-eau

• Bioconcentration: accumulation du polluant à partir du milieu ambiant

Fc = concentration dans l’organisme

concentration dans l’eau

• Biomagnification: accumulation du polluant dans un prédateur à partir de sa proie

Fm = concentration dans le prédateur

concentration dans la proie

• Bioaccumulation: bioconcentration + biomagnification


1. Substances solubles: nitrobenzène, phénols

2. Substances volatiles: chloroforme

3. Substances liposolubles (Koc et Pow élevés): PCB, DDT, HCB

4. Substances intermédiaires entre 1 et 3 mais non-volatiles: autres organochlorés et organophosphorés


(2.5.) Formations de métabolites

Cas du DDT (dichloro – diphenyl – trichloroéthane) et de son métabolite, le DDE (dichloro – diphenyl –

dichloroéthane


Réduction de l’épaisseur de la coquille des oeufs

Plan du cours

• 1. Introduction

• 2. Comment mesurer l’impact d’un polluant?

• 3. Répercussion sur les écosystèmes• 4. Classification des polluants





3.1. Impact sur l’organisme

3.2. Impact sur une population

3.3. Impact sur une communauté

3. Répercussion sur les écosystèmes

organisme-population-communautéAlgues

Bernacles

Moules

Patelles

Gastéropodes

Algues brunes

Individu:

Étude de la croissance

CL50

Comportement

Reproduction






Individu-population-communauté

Algues

Bernacles

Moules

Patelles

Gastéropodes

Algues brunes

Population:

Distribution des Tailles

Croissance de la population

Abondance

Condition



Mesure des changements affectant une population

mesure de la densité ou de la biomasse et comparaison avec sites contrôles



concept d’espèces-clés • espèces intéressantes à conserver : oiseaux et mammifères

marins (prédateurs)

• espèces commerciales : morue ou hareng

• espèces dont la présence ou l’absence peuvent avoir des répercussions majeures sur leur environnement (patelles sur substrat rocheux)

• espèces indicatrices très sensibles ou résistantes à la pollution (polychètes) : leur présence ou absence sont révélatrices d’une certaine pollution






Individu-population-communauté

Algues

Bernacles

Moules

Patelles

Gastéropodes

Algues brunes

Communauté:

Diversité spécifique

Composition spécifique

Abondance et biomasse relative



• Via des indices exprimant la diversité : ex. : Nbre d’espèces par aire étudiées


Différents types de paramètres mesurables

Paramètres physico-chimiques

Indices biocénotiques

Bioindicateurs Biomarqueurs

N, P, O2, DBO Indices de diversité

Espèces indicatrices (abondance, présence absence)

Marqueurs biochimiques, cytologiques et physiologiques

Bioaccumulateurs

Biocapteurs et marqueurs éthologiques

Ecosystèmes Communautés Populations Individus et niveaux infraindividuels

Approche physico-chimiques

Approche biologique


Biomarqueurs

• Changement observable et mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental qui révèle une exposition présente ou passée d’un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant


Bioindicateurs

Espèce 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


1. Espèce bioaccumulatrice: espèce qui bioaccumule certains contaminants via le milieu ambiant ou via la nourriture.

Huitres et zinc

2. Espèce sentinelle : toute espèce vivante susceptible d’être utilisée en tant qu’indicateur de la présence ou de la toxicité d’un contaminant

Ulva et azote

Espèces à risque

Espèces indispensables au bon fonctionnement de l’écosystème ou intéressantes du point de vue économique

pollinisateurs en milieu terrestres, harengs, prédateurs


Espèces-cibles

• Espèces exposées à dessein à certains biocides

Le moustique exposé au DDT


En résumé: que devient un produit chimique dans l’environnement?


En résumé: que devient un produit chimique dans l’environnement?

aireau

sédiment

Contamination environnementale

organismes

Toxicité léthales et sub-léthales

Biotransformation- Bioaccumulations et transfert dans la chaine trophique

Modifications de la structure et du fonctionnement des communautés (espèces, diversité, changement dans les relations proies-prédateurs)

2. Métabolisation par les

organismes

Modifications du fonctionnement des écosystèmes (respiration, photosynthèse, cycles et flux des nutrients)

PolluantSources

1. Dispersion physiqueFlux

biogéochimiquesDistribution, transport et

transformation

Exposition des organismes

Propriétés physiologiques Propriétés biochimiquesRéponses des organismes

Réponses des populations et écosystèmes

Modifications des caractéristiques et de la dynamique des populations (reproduction, immigration, recrutement, mortalité)

Sites web consultés

• http://www.isima.fr/ecosim/Welcome.html

• http://jm.saliege.com/paracelse.htm

Documents

Ecotoxicologie Marine & Biochimie de la Pollution Krishna Das