Matthieu DUSSAUZE Karine Pichavant-Rafini, Michaël … · • Diffusion des solvants et libération des surfactants ... • Limiter l’impa t biologique ... pas de éponses aux

Matthieu DUSSAUZE

Journée technique du Cedre

13 novembre 2014

Contribution à l’étude de mélange pétrole - dispersants sur une espèce tempérée le bar Dicentrarchus labrax :

application à une espèce d’eau froide.

Karine Pichavant-Rafini, Michaël Theron, Philippe Lemaire, Lionel Camus et Stéphane Le Floch

2004

Introduction

Principales zones de consommation et de production du pétrole

2

447 292

441

485

381

533

1186

1037

307

124

771

1091

251

186

Transport du pétrole

Risques de pollution

3

Introduction

• Pollutions aux hydrocarbures en mer

• Rejet chronique

• Rejet accidentel : Marée noire

• Coût environnemental

• Toxicité

• Zone impactée

Introduction

4

Introduction

Confinement et récupération

Dispersion chimique In situ burning

Réponses opérationnelles à une marée noire

5

Introduction

• Application du dispersant

• Diffusion des solvants et libération des surfactants

• Surfactants à l’interface pétrole - eau

• Formation de micelles

6

Utilisation de la dispersion chimique

Fractionner et transférer la nappe de pétrole de la surface vers la colonne d’eau

Introduction

• Prévenir l’échouement

• Diluer

• Accélérer la biodégradation

• Limiter l’impact biologique

• Conditions météorologiques

Avantages

• Zone offshore

• Fenêtre d’action limitée

• Pétrole non retiré

• Ajout d’une substance chimique

• Augmentation concentration en

pétrole dans la colonne d’eau

Limites

7

?

Introduction

• Le dispersant augmente-t-il la toxicité du pétrole ?

• Les différents dispersants ont-il la même toxicité ?

• Qu’en est-il des effets biologiques à court ou à long terme ?

• Les nouvelles zones exploration/production ?

• Ecosystème arctique

• Milieu profond (DeepWater Horizon)

8

Introduction

Impact d’un mélange

pétrole – dispersant

Etudes en toxicité aigüe

9

Comment évaluer ces impacts environnementaux ?

Introduction





• Préférence des autorités et de l’industrie

• Tests normalisés et reproductibles

• Temps

• Urgence opérationnelle

10

Introduction





Détermination des effets sub-létaux

• Préférence des autorités et de l’industrie

• Tests normalisés et reproductibles

• Temps

• Urgence opérationnelle

• Travailler à des concentrations réalistes

• Etudier différents niveaux d’intégration

• Etudier une fonction

• Du court au long terme

11

Introduction


pétrole - dispersant

Aide à la décision urgence opérationnelle


Détermination des effets sub-létaux

12

Introduction


13

Introduction


Fraction soluble Dispersion mécanique Dispersion chimique

• A quel type d’exposition un organisme est-il soumis pendant une marée noire ?

14

Introduction


Dispersion mécanique Dispersion chimique Fraction soluble

• A quel type d’exposition un organisme est-il soumis pendant une marée noire ?

15

Introduction


Dispersion chimique

Dispersion mécanique

Contrôle

Dispersant seul

Pétrole :

Brut Arabian Light (BAL)

Dispersants :

Finasol OSR 52

Corexit 9500

INIPOL IP 90

DASIC Slickgone NS

Pétrole utilisé en écotoxicologie

Espèces modèles des écosystèmes tempéré et

arctique

Dispersants enregistrés dans le plus grand nombre de pays

Espèces : Bar

Dicentrarchus labrax

Morue polaire Boreogadus saida

16

Introduction

Effets sub-létaux

Bar (Dicentrarchus labrax)

Paramètres intégrateurs

Fonction tissulaire

Pression Toxicité aigüe

Morue polaire (Boreogadus saida)

Energétique mitochondriale

17

Croissance

Immunité Défenses

anti-oxydantes

Muscle

cardiaque



Fonction tissulaire




18

19

Toxicité aigüe

• Dispersant augmente toxicité à court terme

• Effet synergique du mélange pétrole - dispersant ?

• Augmentation des concentrations en hydrocarbures ?

• Deux types d’analyse de mortalité :

• Concentrations nominales Kaplan Meier

• Concentrations mesurées Concentrations létales

Bac d’exposition

Circulation de l’eau

Agitateur magnétique

Robinet pour prélèvement

d’eau

Grille de protection

Colonne centrale Arrivée d’air

Barreau aimanté

20

Toxicité aigüe - Exposition

Protocole expérimental

21

Toxicité aigüe - Exposition

16 bars par bac (1,0 ± 0,2g)

échantillonnage (T0, T24, T48, T72, T96)

Mesure des concentrations en hydrocarbures

Comptage et prélèvement des poissons morts

22

Toxicité aigüe - Résultats

Analyse de survie (Kaplan Meier)

Time( h)

0 20 40 60 80 100

Surv

ival

pro

babi

lity

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Concentration nominale de 500mg/L

DC-C

DC-D

DC-F

. . . . . DC-I

DM

a

c

b

b

b

Variations physico-chimiques des mélanges pétrole – dispersant ?

23


DC-C DC-D DC-F DC-I DM

médiane 17,9 ± 0,0a,b 42,3 ± 0,3c 25,0 ± 0,2a,c 14,0 ± 0,0b non

déterminé

Taille des gouttes

Pas de corrélation entre taille des gouttes et variations de mortalité observées

24


Concentrations létales

bc

DC-C

DC-D

DC-F

DC-I

DM

• Concentrations nominales : Dispersion chimique augmente la toxicité du pétrole

• Concentrations mesurées : Pas de différence entre Dispersion mécanique et Dispersions chimiques à 96h

Pas d’effets synergiques du pétrole et du dispersant sur la toxicité

Différences de toxicité sont dues aux concentrations en hydrocarbures

25

Toxicité aigüe - Conclusion

Effets sub-létaux




26

27

Effets sub-létaux

• Expositions aux hydrocarbures Peu de mortalité directe

• Effets sub-létaux :

• Réduction/Perte de capacités adaptatives

• Diminution des probabilités de survie

• Etude à différents niveaux d’intégration


Fonction tissulaire


Pollution

Subcellulaire

Organisme Population

Ecosystème

Moléculaire

Cellulaire

Tissulaire

Organe

28

Effets sub-létaux

Circulation de l’eau

Bac d’exposition

Arrivée d’air

Pompe

Entonnoir

29

Effets sub-létaux - Exposition

• Etude sur des juvéniles et des individus matures

• 48h d’exposition en condition statique

• 4 conditions expérimentales

– Contrôle (C)

– Dispersant seul (D)

– Dispersion chimique du pétrole (DC)

– Dispersion mécanique du pétrole (DM)

30


Biomarqueur d’exposition

• D’après littérature:

• Activité EROD dans le foie

Induction du cytochrome P450

• Fluorescence fixe de la bile

Voie d’excrétion majoritaire des HAPs biotransformés

• Résultats: 2 groupes distincts

• C et D: pas de réponses aux biomarqueurs d’exposition

• DC et DM: réponses importantes aux biomarqueurs d’exposition

31




Fonction tissulaire




32

• Indicateurs de l’état de santé

• Croissance

• Renouvellement de la population

• Immunité

• Ligne de défense de l’organisme

• Bibliographie Impact des hydrocarbures sur la croissance et l’immunité

33

Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs

34


Croissance

Challenge immunologique

14 jours (T14) 28 jours (T28) 48h (T0)

Exposition

0h

Mesure

biométrique

Mesure

biométrique

Mesure

biométrique

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

TC

S (

g.j

-1)

C D DC DM

Croissance

• Taux de croissance spécifique (TCS)

35


Croissance

• Taux de conversion alimentaire (TCA) • Prise alimentaire (PA)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

C Ds DC DM

36


TCA de T0 à T14

TCA de T14 à T28

PA de T0 à T14

PA de T14 à T28

37


Concentration lysozymale Activité du complément

Croissance

Challenge immunologique

42

jours 48h

Exposition

0h

Prélèvement plasma

Exposition au virus

ab

bc c

a

0

1

2

3

4

5

C D DC DM

Co

nce

ntr

atio

n ly

sosy

mal

e

pla

smat

iqu

e (

mg/

l)

Immunité

• Concentration en lysozyme plasmatique

38


Immunité

• Activité hémolytique du complément de la voie alterne dans le plasma

39


Dussauze et al (4)

a

ab

c

bc

0

5

10

15

20

AC

H5

0 (

un

ité

/ml)

C D DC DM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42

Jours après contamination

Mo

rtal

ité (

%)

C

Contrôle sans virus

D

DC

DM

Immunité

• Challenge immunologique

40


• Pas d’effet à moyen terme

• Croissance

Si contraintes supplémentaires ?

• Immunité

Phénomène de compensation

41




Fonction tissulaire




42

43

Effets sub-létaux – Fonction tissulaire

O2- H2O2 H2O + O2

H2O

GSH

CAT

GP

X

SOD

HAPs Métabolite HAPs CYP 450

Production de ROS

Branchies Foie

Cerveau

Intestin

Défenses anti-oxydantes

44



45



• Branchie

46


ab ab

a

b

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

C Ds DC DM

U/m

g d

e p

roté

ine

s to

tale

s

GPX

ab

ab

a

b

0

5

10

15

20

25

30

C Ds DC DMU

/mg

de

pro

téin

es

tota

les

SOD

C D DC DM C D DC DM


• Foie

47


a a

ab

b

0

20

40

60

80

µm

ole

/g d

e p

roté

ine

s to

tale

s

Glutathion total

C D DC DM

a

a

b b

0

2

4

6

8

10

12

14

C Ds DC DMU

/mg

de

pro

téin

es

tota

les

SOD

C D DC DM


• Intestin

48


a

ab bc

c

0

10

20

30

40

50

60

C D CD MD

(µ

mo

l/g

de

pro

téin

es

tota

les)

C DM DC D

Glutathion total a

b

b b

0

10

20

30

40

50

60

70

C Ds DC DMU

/mg

de

pro

téin

es

tota

les

SOD

C D DC DM


• Cerveau

49


a

b b b

0

2

4

6

8

10

12

C Ds DC DMU

/mg

de

pro

téin

es

tota

les

SOD

C D DC DM

ab

a a

b

0

5

10

15

20

C D CD MD

U/m

g o

f to

tal p

rote

in

GPX

D C DM DC

Conclusion

50


C

D DC DM

Branchies

SOD = = =

GPX = = =

GSH = = =

Foie

SOD =

GPX = = =

GSH = =

Intestin

SOD

GPX = = =

GSH =

Cerveau

SOD

GPX = = =

GSH = = =

Conclusion

51


C DC

D DC DM DM

Branchies

SOD = = =

GPX = = =

GSH = = = =

Foie

SOD = =

GPX = = = =

GSH = = =

Intestin

SOD =

GPX = = = =

GSH = =

Cerveau

SOD =

GPX = = =

GSH = = = =

Pas d’effet synergique du mélange pétrole - dispersant



Fonction tissulaire




52

53

Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire

• Rôle central (physiologie et métabolisme)

• Indicateur sensible et pertinent

• Précédentes études Hydrocarbures ont un impact sur le cœur

Fonctionnalité du cœur

• Contractilité de lambeau de cœur:

• Force de contraction

• Vitesse de contraction

• Vitesse de relaxation

54


0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Fo

rce d

e C

on

tracti

on

(m

N.m

m-2

)

Fréquence de stimulation (Hz)

#

* #

* #

* #

*

#

*

#

* #

*

#

*

(*) C est différent de DC (#) C est différent de DM

C D DC DM

Contractilité cardiaque

• Force de contraction

55


Même tendance pour les vitesses de contraction et de relaxation

• Pétrole réduit la force de contraction ainsi que la vitesse de contraction et de relaxation

• Dispersant n’augmente pas les effets du pétrole

Pas d’effet synergique du mélange pétrole - dispersant

• Problème d’apport en ATP ?

Etude de la mitochondrie

Contractilité cardiaque

56




Fonction tissulaire




57

Energétique de la cellule cardiaque

58


• Mitochondries indispensables au métabolisme énergétique intracellulaire

• Technique des fibres perméabilisées :

• Travailler sur des mitochondries in situ

• Préserver interactions entre les compartiments cellulaires

Succinate

+

Pyruvate-Malate

+

Ascorbate-TMPD

+

Oligomycine

-

Energétique tissulaire

59


a

a

a

b b

b

b

a

ab

ab ab

a

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

Pyruvate/Malate Succinate Ascorbate-TMPD

Co

nso

mm

atio

n d

’oxy

gèn

e

(µ

mo

lO2

.L-1

.min

-1.m

g-1)

C

D

DC

DM


• Consommation d’O2 de fibres cardiaques perméabilisées

60


Altération de la fonction mitochondriale


• Fuite de proton

61


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Fuit

e d

e p

roto

n (

Rat

io)

C D DC DM

a

b

a a


Conclusion

62


C

D DC DM

Fonctionnalité =

Mitochondrie =

Hypothèse problème d’apport en ATP est rejetée

Diminution des capacités métaboliques

Problème d’homéostasie calcique ? Altérations des activités Ca2+ATPase ?



Fonction tissulaire




63

• Ouverture de nouvelles voies maritimes

• Exploration/Production

• Risques augmentent

• Morue polaire Boreogadus saida

64

Application à une espèce polaire


• Consommation d’O2 de fibres cardiaques perméabilisées

65


a

a

ab

ab

bc

ab

c

b

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

pyruvate/malate succinate ascorbate/TMPD

Oxy

gen

e C

on

sum

pti

on

(µ

mo

l O2

..m

in-1

.mg

of

dry

tis

sue

-1)

C

on

som

mat

ion

d’O

2

(µm

ol O

2.m

in-1

.mg

de

tis

su s

ec-1

)

Succinate Ascorbate - TMPD Pyruvate/malate

C

D

DC

DM



• Fuite de proton

66


0

0,25

0,5

0,75

1

C D DC DM

Fuit

e d

e p

roto

n (

rati

o)

67

C

D DC DM

Bar =

Morue polaire =

• Variation interspécifique • Diminution des capacités métaboliques pour les deux espèces :

• Mitochondries moins functionelles et/ou en nombre réduit? • Attaque radicalaire plus importante?

Comparaison espèces tempérées/espèces arctiques

Pourquoi cette variation interspécifique ?

• Adaptation au froid des membranes mitochondriales?

Augmentation de l’indice d’insaturation des membranes mitochondriales.

Insaturations sont des cibles préférentielles des attaques radicalaires.

• Modification des propriétés physico-chimiques du pétrole?

68


69


Dicentrarchus labrax

Ecosystème tempéré

Boreogadus saida

Svensen.R

Ecosystème arctique

Besoin de poursuivre des études en milieu polaire

• Ecosystèmes distincts Réponses différentes

Variation interspécifique

• Détermination de potentiels impacts environnementaux du pétrole

dispersé

Pas judicieux d’extrapoler les résultats d’une espèce arctique en se basant sur une espèce tempérée

• Différences de toxicité sont dues aux concentrations en hydrocarbures

• Dispersant n’aggrave pas les effets du pétrole

Pas d’effet synergique du pétrole et du dispersant

70

Conclusions générales

Pollution

Subcellulaire

Organisme Population

Ecosystème

Moléculaire Cellulaire

Tissulaire

Organe

71

Conclusions générales

Croissance

Fonction

cardiaque

Bar / Morue polaire

Immunité

Si contraintes physico-chimiques supplémentaires ?

Merci de votre attention.

72

Matthieu DUSSAUZE

Journée technique du Cedre

13 novembre 2014

Contribution à l’étude de mélange pétrole - dispersants sur une espèce tempérée le bar Dicentrarchus labrax :

application à une espèce d’eau froide.

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