Ecotoxicologie Marine & Biochimie de la Pollution

1. Ecotoxicologie Marine & Biochimie de la Pollution Krishna Das

2. 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

3. 1. Introduction • Qu’est-ce que l’écotoxicologie?

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

5. 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)

6. 1. Introduction • Qu’est ce qu’une pollution?

7. 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

8. 1. Introduction • Qu’est ce qu’un polluant?

9. 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

10. 1. Introduction Caulerpa taxifolia: une espèce allochtone en Méditerranée

11. 1. Introduction Caulerpa taxifolia: une espèce allochtone en Méditerranée Découverte en 1984 à Monaco. Aujourd’hui: plus de 1500 Ha entre la France et l’Italie.

12. 1. Introduction Produits d´origine 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

13. 1. Introduction Produits d´origine 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

14. 1. Introduction

15. 1. Introduction Mer = Réceptacle final de toute pollution

16. 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)

17. 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

18. Comment mesurer cet effet? 2. Impact d’un polluant? ? chemicals

19. 2. Impact d’un polluant? Cinq critères pour évaluer l´impact d´une substance anthropique (2.1.) Quantité. - ppm/ppb et mM (2.2.) Persistance. - Temps de demi-vie (2.3.) Toxicité. - LC50 and LD50 (2.4.) Bioaccumulation, bioconcentration et biomagnification - KOW et autresparamètres physico-chimiques (2.5.) Autres – métabolites – e.g. DDT/DDE

20. 2. Impact d’un polluant? (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

21. 2. Impact d’un polluant? (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

22. 2. Impact d’un polluant? (2.3.) Toxicité • Tests de toxicité aiguë et sub-aiguë

23. 2. Impact d’un polluant? Estimation de la toxicité de différents produits

24. 2. Impact d’un polluant? Notion de toxicité « Sola dosis fecit venenum » Paracelse (1493-1541)

25. 2. Impact d’un polluant? Relation dose-réponse Effet maximal Effets sur l’organisme Effet croissant Pas d’effet Dose croissante

26. 2. Impact d’un polluant? Mesure de la Toxicité DL50

27. 2. Impact d’un polluant? 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.

28. 2. Impact d’un polluant? Effets subléthaux Déformations squelettiques des poissons pêchés dans le sud de la Mer du Nord : cas du turbot (action des hydrocarbures et métaux lourds)

29. 2. Impact d’un polluant? Effets subléthaux Malformations de larves de polychètes sous l’action de sulfates de cuivre et de zinc et détergents

30. 2. Impact d’un polluant? Facteurs affectant ou modifiant la toxicité • Sexe – influence du métabolisme • Alimentation au moment de l´exposition • Age et état de santé • Hormones (e.g. en cas de grossesse) • Conditions expérimentales durant le test de toxicité • Espèce

31. 2. Impact d’un polluant? Toxicité du chlorpyrifos insecticide organophosphoré

32. 2. Impact d’un polluant? 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 l´existence d´une limite en dessous de laquelle il n´y a pas d´effets néfastes pour la santé humaine NOEL LOEL TDI

33. 2. Impact d’un polluant? Que nous apprend un test de toxicité? • Permet de quantifier spécifiquement la toxicité d’un produit chimique pour un organisme. • Permet de fixer des limites maximales ou tolérables: No Observed Effect Level…NOEL (législations) • Les tests sont hautement standardisés: espèces, sexe, age, état de santé. • Permettent de retirer de la circulation des composés toxiques et sont utilisés pour l’évaluation du risque engendré par ce composé.

34. 2. Impact d’un polluant? Quelles sont les limites de ces tests? • Les tests de LD50 et LC50 sont des tests dépendants du temps (24 à 96h). • Ne reflète pas les conditions environnementales. • Ces tests sont hautement spécifiques et les résultats ne sont pas extrapolables à d’autres espèces.

35. Illustration de la notion de toxicité:Effets toxicologiques du 2,4-D 2. Impact d’un polluant? 2,4-D (2,4-dichlorphenoxyacetic acid, composant de l´agent orange)

36. 2. Impact d’un polluant? Agent orange (2,4-D et 2,4,5T) 50 000 t répandues pendant le conflit du Vietnam

37. 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 d´effets 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 2. Impact d’un polluant? Illustration de la notion de toxicité:Effets toxicologique du 2,4-D • Environnement • Taux de dioxines encore décelables dans les sols et sédiments des mangroves

38. 2. Impact d’un polluant? (2.4.) paramètres physico-chimiques Kaso Air Ca Sol CSo Environnement atmosphérique et terrestre Kaw Sédiments en suspension Cse Kbw Eau Cw Biotope Cb Ksew Ksew Environnement aquatique Sédiments Cse

39. 2. Impact d’un polluant? (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)

40. 2. Impact d’un polluant? (2.4.) Paramètres physico-chimiques 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 Fc                               Le facteur de bioconcentration dépend directement du coefficient octanol-eau Kow

41. 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 leprédateur • concentration dans laproie • Bioaccumulation: bioconcentration + biomagnification

42. 2. Impact d’un polluant? (2.4.) Paramètres physico-chimiques • Substances solubles: nitrobenzène, phénols • Substances volatiles: chloroforme • Substances liposolubles (Koc et Pow élevés): PCB, DDT, HCB • Substances intermédiaires entre 1 et 3 mais non-volatiles: autres organochlorés et organophosphorés

43. 2. Impact d’un polluant? (2.5.) Formations de métabolites Cas du DDT (dichloro – diphenyl – trichloroéthane) et de son métabolite, le DDE (dichloro – diphenyl – dichloroéthane

44. Réduction de l’épaisseur de la coquille des oeufs

45. 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

46. 3. Répercussion sur les écosystèmes 3.1. Impact sur l’organisme 3.2. Impact sur une population 3.3. Impact sur une communauté

47. 3. Répercussion sur les écosystèmes organisme-population-communauté Algues Bernacles Moules Patelles Gastéropodes Algues brunes Individu: Étude de la croissance CL50 Comportement Reproduction

48. 3. Répercussion sur les écosystèmes 3.1. Impact sur l’organisme 3.2. Impact sur une population 3.3. Impact sur une communauté

49. 3. Répercussion sur les écosystèmes Individu-population-communauté Algues Bernacles Moules Patelles Gastéropodes Algues brunes Population: Distribution des Tailles Croissance de la population Abondance Condition

50. 3. Répercussion sur les écosystèmes 3.2. Impact sur une population Mesure des changements affectant une population  mesure de la densité ou de la biomasse et comparaison avec sites contrôles