Introduction à l�écotoxicologie

Marc Girondot Laboratoire Ecologie, Systématique & Evolution (bat 362)

Plus récemment Newman a défini l�écotoxicologie comme la science des contaminants dans la biosphère et leurs effets sur les constituants de la biosphère en y incluant l�homme

Qu�est ce que l�écotoxicologie ??

Toxicologie de l�environnement Etude des substances toxiques dans l�environnement de l�homme et dans les populations et les individus exposés ainsi que les effets biologiques qui en résultent.

Ecotoxicologie Le terme inventé par Truhaut (1969) qui la considère comme une extension naturelle de la toxicologie appliquée aux effets sur les écosystèmes.

« constitue une pollution toute modification du flux de l'énergie, de l'intensité des rayonnements, de la concentration des constituants chimiques naturels ou encore l'introduction dans la biosphère de substances chimiques artificielles produites par l'homme »

Dictionnaire encyclopédique des pollutions (Ramade, 1992)

Une Pollution c�est quoi ? Une discipline aux enjeux majeures

Les causes majeurs de perte de biodiversité :

•  Modification et/ou perte de l�habitat

•  Introduction d�espèce envahissantes

•  Surexploitation

•  Pollution

Convention sur la diversité biologique (2006) Perspectives mondiales de la diversité biologique, 2nd édition. Montréal, 83 + viii pages

Une discipline aux enjeux majeures Une discipline aux enjeux majeures

Quelques chiffres du ministère de l�écologie (populations humaine): •  30 000 décès par an sont liés à la pollution atmosphérique urbaine •  doublement des maladies allergiques respiratoires depuis 20 ans •  37 % des ressources en eau potable disposent aujourd�hui de périmètres de protection •  7 à 20 % des cancers seraient imputables à des facteurs environnementaux

Tableau Classification des polluants (Ramade, 1977)

Nature des polluants Compartiment ou écosystème

atmosphérique continentaux limniques marins

1)  Polluants physiques : Radiations ionisantes Pollution thermique

+ +

+ +

+ +

+ +

2)  Polluants chimiques: Pesticides Métaux lourds Nitrates

+ +

+ + +

+ + +

+ + +

3)  Polluants biologiques: Microorganismes

+

+

+

+

Dispersion des polluants dans l�environnement

Qu�elles sont les propriétés physico-chimiques des molécules qui déterminent la dispersion des polluants ?

•  La solubilité d'un composé dans l'eau est exprimée en mg/L à 20°C. Les composés de solubilité plus élevée sont normalement plus facilement lixiviables dans les eaux souterraines.

•  La pression de vapeur est la pression à laquelle un liquide et sa vapeur sont en équilibre à une température donnée. Plus la pression de vapeur d�un liquide est élevée plus ce liquide s�évapore rapidement.

•  Rémanence : désigne l'aptitude d'un polluant à demeurer dans le milieu temp de ½ vie (DT50) temps nécessaire à l�élimination de 50% du polluant

rapport de la concentration de polluant dans la phase octanol et dans l'eau.

Kow = [poll]octanol/[poll]eau

•  Coefficient de partage octanol-eau (Kow)

octanol

eau

polluant

Généralement exprimé en log : Kow =106 ! log Kow = 6

Le Kow rend compte de la tendance d�une molécule à s�accumuler dans les membranes biologiques (substances lipophiles) des organismes vivants (bioaccumulation)

Concentration octanol

Concentration eau

Kow

Comment détermine t�on le Kow ? Circulation atmosphérique des polluants

Les cellules de convection :

•  Stratosphère 2 à 3 ans (30 kms)

•  Basse stratosphère 1 an

•  Tropopause 2 mois

•  Troposphère 30 jours

Temps de résidence :

Tropopause : 130 km/h tour du monde en 14 jours (peut être supérieur à 360 km/h : jet stream )

•  Temps de résidence dans la stratosphère 2 à 3 ans (30 km)

•  Contamination loin de source d�émission

Conséquences :

•  Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques dans les lacs d�altitude

•  Chez les ours polaires présence de PCB : diminuent les défenses du système immunitaire (sensibilité accrue aux infections virales: grippes, le virus REO ou celui de l�herpès)

Exemples :

Les gaz qui restent dans l�atmosphère… « l �effet de serre »

Mouvement des polluants dans la Biosphère

(d�après Ramade, 1998)

Comportement des Polluants en milieu aquatique

P

P (dissoute)

+ Particules en suspensions

P (Adsorbé)

Rem

ise

en s

uspe

nsio

n

Séd

imen

tatio

n

(vapeur)

préc

ipita

tion

Dis

solu

tion

P pur

Diffusion

B + C Dégradation

(Hydro, photolyse, biodégradation)

M + D Complexation

biotransformation

SEDIMENT

EAU

AIR

Lessivage

Transport des sédiments

Adsorption

Désorption

Polluants Organiques Persistants (POP)

La Convention de Stockholm de 2001 sur les polluants organiques persistants (POP ) :

3) le dichlorodiphényltrichloréthane (DDT)

1) l'aldrine 2) Le chlordane

4) La dieldrine 5) l'endrine 6) le l'heptachlore 7) le mirex 8) toxaphène

10) les polychlorobiphényles (PCB) 9) l'hexachlorobenzène

11) les dioxines 12) les furanes

Polluants organiques persistants (POPs)

12 prioritaires :

Polluants organiques persistants (POPs)

Définition : Les POPs sont des molécules complexes qui ne sont non pas définies à partir de leur nature chimique mais à partir de 4 propriétés :

- Toxicité

- Persistance dans l'environnement - Bioaccumulation - Transport longue distance

Un rapide historique de l�utilisation des pesticides …

•  Histoire offre de nombreux exemples de destruction en masse des récoltes par les maladies ou les insectes.

•  jusqu�en 1940 on disposait seulement de quelques insecticides.

•  La seconde guerre mondiale point de départ d�un nouveau concept de composés chimiques celui des produits de synthèse organiques : le premier d�entre eux étant le DDT

Ex de l�Irlande en 1851 ou les récoltes de pommes de terre nourriture de base pour les irlandais ont été détruite par une moisissure Phytophthora infestans

Classe des pesticides Cibles Action sur les invertébrés Insecticides Nématicides

Insectes Nématodes

Action sur les vertébrés Rodenticides Avicides

Rongeurs Oiseaux

Action sur les plantes Herbicides

herbes

Action sur les micro-organismes Fongicides

(levures-moisissures)

Remarque : « pest » vient de l�anglais qui veut dire « nuisible »

Les différentes classes de pesticides D’après l’Union des Industries de la Protection des Plantes

Utilisation de pesticides en France

L�exemple de la France

3ème utilisateur de pesticides dans le monde 76 100 tonnes vendues en 2004.

Exemple de pesticide : le DDT

Le DDT

•  Le DDT se présente sous forme de cristaux solides incolores. Il résiste à la destruction sous l'effet de la lumière et à l'oxydation.

Propriété Paramètre Unité Valeur Conclusion

Point de fusion °C 108

Pression de vapeur mPa 0,025

Densité g/cm3 non déterminée

Dégradation DT50 sol années 4–30 très légèrement dégradable

Solubilité Sw mg/litre 0,0033 non soluble

Mobilité Log Koc 6.2 non mobile

•  Utilisé durant la Deuxième Guerre mondiale… (Prix Nobel de médecine pour Müller 1948)

•  Après la guerre : largement utilisé sur diverses cultures agricoles et pour lutter

également contre les vecteurs de maladies (3 millions de tonnes entre

1943-1980)

•  utilisation contre : les moustiques vecteurs de la malaria la mouche tsé tsé les poux les tics les puces

• Insecticide organochloré le + utilisé le plus fabriqué au monde

Le DDT

•  Effet stérilisant chez les oiseaux (effet direct) + effet amincissant de la coquille des œuf (oestrogénomimétique) et diminution du taux d�éclosion chez de nombreuses espèces d�oiseaux aux Etats-Unis.

•  1957 campagne intensive de lutte contre les moustiques aux Etats-Unis fut catastrophique pour les oiseaux.

•  Forte réduction des populations d�oiseaux et de rapaces ichthyophages entre 1950 et 1980. Faucon pèlerin a frôlé l�extinction aux Etats-Unis et au Canada.

Le DDT Le DDT

Recommandation de l�OMS « Le DDT ne doit être pulvérisé qu�à l�intérieur des maisons et il faut prendre toutes les mesures nécessaires pour empêcher qu�il soit détourné vers l�agriculture »

Aujourd�hui : 34 pays ont interdit le DDT 34 autres ont sévèrement restreint l�utilisation

Conséquences : 1970 sévères restrictions du DDT / ou interdiction

Malgré tout !!

Le DDT

les PCB (polychlorobiphényles)

•  Les PCB production commerciale à commencée en 1929

•  209 congénères possibles dont 120 sont produits dans les produits commerciaux

Les PCB (polychlorobiphényles)

Avantages :

•  Inertie chimique •  Résistance à la chaleur •  Isolant électrique

Généralités :

•  Interviennent de la composition de nombreux matériaux utilisés comme additifs d�huiles, de produits de de soudure, dans certains adhésifs, certaines peintures, certains composants électroniques...

Très solubles dans les graisses, ces substances s�accumulent dans les tissus graisseux tout au long de la chaîne alimentaire. L�homme se contamine par l�ingestion d�animaux ou de produits d�origine animale, notamment le lait, les œufs et les poissons, contaminés par le PCB.

Les PCB (polychlorobiphényles)

Effets néfastes chez l�animal : •  toxicité pour la reproduction •  immunotoxicité •  cancérogénicité.

Signes et symptômes:

Ex : la contamination d�huile de riz par des PCB au Japon (1968) et à Taïwan (1979)

•  gonflement des paupières

•  pigmentation des ongles/muqueuses

•  nausées et vomissements

•  Hyperkératose

•  noircissement de la peau

Ex d�Hyperkératose

•  contamination d�une huile de riz.

•  Plus de 15 000 personnes intoxiquées

Suite a une rupture accidentelle de canalisation :

Les PCB (polychlorobiphényles)

Des enfants nés jusqu�à 7 ans après l�exposition de leur

mère lors de l�incident de Taïwan présentaient :

•  retard de croissance intra-utérin

•  Mauvais développement cognitif

Des effets dans la durée…

En France :

1979 : interdiction dans les encres, adhésifs, additifs et dans certaines huiles ; 1987 : interdiction de vendre, d�acquérir ou de mettre sur le marché des appareils contenant des PCB ; 2003 : Le plan national de décontamination et d�élimination des appareils contenant des PCB et PCT prévoit un calendrier de décontamination des appareils recensés au plus tard pour le 31 décembre 2010.

Mouvement des PCBs dans l�environnement

Fours à micro-ondes Air conditionné Transformateurs Encres Asphalte

Déchets Fuites Equipement mis hors service

Recyclage Huiles Plastiques

Stockage/Elimination Stockage temporaire (installations) Incinération

Matériaux recyclés

Aliments

Eau

Air

Sol

Décharges

(d�après PNUE, 1999)

Inertie de propagation

Exemple d�inertie : le lac Léman

Les dioxines

Non produites intentionnellement par l'homme : produits dérivés de réactions chimiques issues de la fabrication industrielle :

Principales sources de dioxines :

"  de désinfectants "  de pesticides et d'herbicides chlorés "  du blanchiment de la pâte à papier "  l'usage de voitures à essence

"  Incinération de déchets ménagers "  Industrie sidérurgique "  cigarettes

50%

Les dioxines

La catastrophe Seveso (Italie) le 10 juillet 1976 un nuage de dioxine s�échappe d�une industrie. Les arbres jaunissent et les animaux familiers meurent par dizaines. Seveso devient « la plus grande catastrophe depuis Hiroshima ».

Les dioxines

Remarque : « Seveso » nom des sites de production classés à risques en Europe (1 249 en France). En 2001 une usine classée Seveso a explosé à Toulouse : AZF.

Les bilans :

•  Humain :

•  193 personnes(0,6 % des habitants) atteintes de chloracné (enfants) •  pas de décès, quelques séquelles •  cancers et malformations fœtales n�ont pas augmentés de manière significative.

•  écologique :

•  3 300 animaux domestiques morts intoxiqués •  70 000 têtes de bétail son abattues •  sols agricoles et les maisons (lourds travaux de décontamination)

Viktor Iouchtchenko (Président de la république d�ukraine empoisonné avec des dioxines)

Les dioxines

Effets des dioxines :

Tératogène

Stérilité

Cancérigène

Foetotoxicité

Immunosuppresseur

…

En 1999 contamination des poulets Belges par l�alimentation (700 picogrammes (10-12g) de dioxines par gramme de graisse)

2 juin 1999 contamination d�un lot de poulets originaires de Belgique

"  leur développement "  leur reproduction "  leur système immunitaire

Tests sur les animaux et effets sur

Interdiction à la vente

Les dioxines

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)

•  Naturelles : feu de foret, éruptions volcaniques…

•  Anthropiques : industrie, chauffages, automobiles…

Sources : combustions incomplètes

Formé par l�association de cycles benzeniques.

Au XXIe siècle, les grands secteurs d'utilisation des produits pétroliers sont : transports : 33 %

Industrie : 31 % Domestique et tertiaire : 30 % Sidérurgie : 3,2 % Agriculture : 2,8 %

"  fortement cancérigènes et mutagènes chez les animaux

Les effets

Causes principales de contamination :

"  combustion incomplète des charbons et des fuels (moteurs diesels, chaufferies…)

"  extraction / transport / raffineries du pétrole

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)

Zones maritimes contaminées par les HAP

Pollutions chroniques : Déballastages ou dégazages

Pollutions accidentelles

1967

1989 1999

1978

Remarque : 10 % du pétrole rejeté en mer provient d'échouages et de collisions

1983 1999

1967

1978

1983

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) Dispersion des HAP lors d�une marée noire

Les métaux lourds

Les métaux

Les métaux essentiels

Ex : Al, Cd, Pb, Hg, Ex : Fe, Cu, Zn, Co, Mn, Cr, ….

Les métaux lourds

"  procédés industriels (ex : fusion de métaux communs, industries du fer et de l�acier)

"  utilisation de combustibles fossiles (ex : centrales électriques au charbon,

chaudières industrielles, fours à ciment)

"  transports (ex : véhicules et moteurs routiers et non routiers, embarcations)

"  incinération de déchets

"  produits (ex : interrupteurs électriques, amalgames dentaires, éclairages fluorescents)

Principales sources d�émission sources anthropiques (humaines) de rejets de métaux lourds :

Les métaux

Le Plomb est connu pour entraver la fabrication de l�hémoglobine et modifier la composition du sang. Il agit également sur le système nerveux central. Son intoxication chronique constitue le saturnisme. Le Cadmium pénètre dans l�organisme par les voies digestives ou respiratoires et peut provoquer des troubles de la respiration et des voies urinaires. Il est responsable de troubles hépato-digestifs, sanguins, rénaux, osseux, parfois mortels. Le Nickel provoque des inflammation des muqueuses nasales, des organes respiratoires et est connu pour être cancérigène. L�Arsenic est quant à lui un poison cellulaire, il atteint les organes digestifs et le foie.

Les métaux

Exemples d�effets:

En France en 1980

Exemple : Contamination au plomb dans la région de la Camargue

31,8 % des oiseaux présentent de fortes concentrations en plomb dans les tissus

5 millions de plombs à l'hectare en Camargue 1987 : environ 405 millions de cartouches tirées/an 32 g/cartouche : 12 960 t de plomb répandu sur le territoire national dans l'année

augmentation de 35% du taux d'ingestion de 1965 à 1980 chez le canard Pilet (Anas acuta)

Les métaux