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Toxicologie de l’environnement TXL 6014 Notions de bioindicateurs et biomarqueurs en écotoxicologie Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

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Toxicologie de l’environnement TXL 6014 Notions de bioindicateurs et biomarqueurs en écotoxicologie. Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005. Suivi des effets des contaminants sur l’environnement. Expériences: 1950-1980 exposition à des [...] élevées court terme (24-92h) - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Toxicologie de l’environnementTXL 6014

Notions de bioindicateurs et biomarqueurs en écotoxicologie

Bernadette Pinel-Alloul19 décembre 2005

Page 2: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Suivi des effets des contaminants sur l’environnement

Expériences: 1950-1980•exposition à des [...] élevées•court terme (24-92h)•état d’équilibre non-atteint

Observations: 1980-2000•exposition chronique in situ•long terme (400 j – 10 ans)•état d’équilibre atteint

Tests de toxicité en laboratoire

Expériences in situ

Suivi sur le terrain

Réalisme environnemental

Contrôle expérimental

Conditions contrôlées

Manque de réalismePas de facteurs confondants

Conditions peu contrôlées

Meilleur réalismePlus de facteurs confondants

Page 3: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Bioindicateurs-biomoniteurs

ÉCOLOGIE: Organismes caractéristiques d’un type d’habitat ou de conditions environnementales (bioindicateurs: présence-absence). Conditions: acidification, eutrophisation, eaux courantes, lacs. Très utiles en reconstruction paléolimnologique de l’évolution

des lacs et pour la surveillance écologique de l’état des lacs.

ÉCOTOXICOLOGIE: Organismes sentinelles reflétant les niveaux de pollution ambiants (biomoniteurs) et permettant de surveiller et mesurer la bioaccumulation des polluants dans les communautés vivantes. Très utiles pour le biomonitoring de la contamination et des

effets des polluants dans les milieux récepteurs.

Page 4: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Exposition

Dose interne

Dosebiologiquement active

Structure/fonction altérées

Effet biologique précoce

État de santé

Bio

mo

nit

eur

Bio

ma

rqu

eur

d’e

xp

osi

tio

n

Bio

ma

rqu

eur

d’e

ffe

t

Signal recherchéP

ertinen

ce écoto

xicolo

giq

ue

Page 5: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Bioindicateurs et biomarqueurs

Algues Diatomées,

Chrysophycées

Moules, Insectes Moules d’eau douce:

Pyganodon, Elliptio, Larves d’insectes :

Hexagenia, Chaoborus

Crustacés, Vers Amphipodes: Hyalella azteca

Oligochètes: Limnodrilus sp.

Poissons Perchaude, Brochet

Biomarqueurs biochimiques charge énergétique: ATP, ADP, AMP Enzymes (glutation, malondialdehyde) Métallothionéine

Biomarqueurs physiologiques Taux de respiration Facteur de condition Hepatosomatic index

Difformités morphologiques Diptères Chironomides

Tumeurs labiales Poissons benthiques

Page 6: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Critères d’un bioindicateur

Espèce tolérante à la pollution qui peut bioaccumuler les contaminants indicateur d’exposition et d’effet sous-létal (mollusques > crustacés > poissons)

Espèce très sensible à la pollution indicateur précoce d’alarme (insectes aquatiques, truites)

Espèce cosmopolite et commune Espèce abondante et facile à récolter et reconnaître Espèce sessile, de grande taille, à biologie connue Espèce facile à transplanter et à utiliser en laboratoire Espèce clé au sein des réseaux trophiques Population représentative Grande longévité

Page 7: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Critères d’un bioindicateur

Les relations entre la concentration de contaminant bioaccumulé et la concentration de contaminant dans le milieu (ou nourriture) doivent être identiques pour tous les individus de même taille ou de même âge de l’espèce bioindicatrice.

Source: Rask et al. (1994)

Page 8: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Critères d’un bioindicateur

Source: Hare, 1992, Crit. Rev. Toxicol. 22: 327-369.

Variabilité saisonnière bien établie : choix des périodes stables

Page 9: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Mollusque pélécypodesUnionidés

Elliptio complanataSaint Laurent: métaux

Pyganodon grandis grandisLacs miniers: métaux Lampsilis radiata

Page 10: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Types de bioindicateurs

Espècesmonitrices

Mesurent l’impact des polluants par altération de leurfonctions/ performances

Espècesindicatrices

Indiquent l’intensité de la pollution par leur présence/absence

Espècessentinelles

Servent à cartographier la fraction biodisponible dans unécosystème en retenant les contaminants dans leurs tissus

Sentinellesefficaces

Résistants aux polluants, au moins pour les concentrationsambiantes de contaminants

Intègrent le signal de pollution dans le temps et dansl’espace

Corrélation entre les concentrations tissulaires et ambiantes

Utilisationdessentinelles

Comme accumulateurs (accroissent la sensibilité analytique;résument un signal de pollution complexe)

Comme intégrateurs (dans le temps et l’espace) Comme mesure d’exposition (servent à quantifier la fraction

biodisponible du contaminant)

Source: Beeby. 2000. Environ. Pollut. 112: 285-298

Page 11: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Organismes sentinelles

Lichens (smog réducteur: SO2)

Moules et bivalves Mytilus edulis (métaux) Unionidés (métaux)

Vers marins Capitella (métaux, organiques)

Ratio Nématodes/Copépodes

Poissons coralliens

Algues Invertébrés benthiques Gastéropodes Bivalves Crustacés Vers Oligochètes

Tubificidés

Insectes aquatiques Diptères Chironomides Trichoptères, Plécoptères

Page 12: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Emploi relatif des bioindicateurs

Fréquence (%)

0 5 10 15 20 25 30

Ta

xo

n

1

2

3

4

5

6

7

8

9

macro-invertébrés

poissons

protozoaires

macrophytes

algues

levures

champignons

bactéries

virus

Pollution par les métaux

Pollution organique

Pollution acide

Bactéries coliformes:eaux usées

Page 13: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Système des SaprobiesPollution organique - Europe

Classe Système dessaprobies-classification

Organismesindicateurs

I Oligosaprobe Organismescaractéristiques deseaux propres:Trichoptères,Plécoptères

II Beta-mésosaprobe Organismes tolérantsà la pollution; pas dedominance parChironomus et Tubifex

III Alpha-mésosaprobe Espèces tolérantes:Chironomus, Tubifex;Asellus; Erpobdella

IV Polysaprobe ExclusivementEristalis; Tubifex;Chironomus

*Très bonne connaissance taxonomique

Peu pollué

Très pollué

Page 14: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Milieux polysaprobes

Protozoaires

Amibe nue

Nématodes

Vers

Ciliés

Vorticella

Oligochètes

Diptères ChironomidesCyanobactéries toxiques

Page 15: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Milieux mesosaprobes

Ciliés

Paramécies

Protozoaires

GastéropodesPlanaires

Isopodes

Sangsues

DiptèresSimulidés

Megaloptères

PisidiumAlguesvertes

Page 16: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Milieux mesosaprobes

Protozoaires

CarchesiumGastéropodes

AmphipodesEphémères

TrichoptèresAlgues diatomées

Page 17: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Milieux oligosaprobes

Plécoptères

Odonates

Trichoptères

Ephémères

Page 18: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Indices et métriques

Page 19: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Mesures de la diversité biologique

Indices de diversité spécifique: Indice de Shannon-Weaver

S

H’ = - (ni/N )•log2(ni/N) i=1

Indices d’intégrité biotique basés sur l’abondance relative d’espèces tolérantes et intolérantes

Distributions rang-fréquenceStructure trophique

Source: Ramade, 1992.

Page 20: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Études de cas

Pollution par le mercure et les BPCs dans le lac Saint-François (Saint-Laurent)

Pollution par le cadmium (Cd) et le mercure (Hg) dans le fleuve Saint-Laurent

Pollution par le cadmium dans la région minière de l ’Abitibi

Page 21: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005
Page 22: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Lac Saint-François -Hg

Page 23: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Lac Saint-François -BPC

Page 24: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Invertebrate Community Index (ICI)

Page 25: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Métrique ICI

Page 26: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Hg

BPC

BPC

Substrat

Page 27: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

ICI- Pollution

Facteurs écologiquesGranulométrie

ContaminationHg, BPC

Effets confondants des facteurs écologiques

HerbiersSédiments

M.O.

Page 28: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Bioaccumulation du cadmium et du mercure dans les invertébrés benthiques du fleuve Saint- Laurent: Utilisation des espèces sentinelles:les gastéropodes Bithynia tentaculata et Physa gyrina

J. Désy1, C. Flessas1, J-F. Archambault1

B. Pinel-Alloul1, J. Hubert1 et P.G.C. Campbell2

1Université de Montréal2INRS-ETE1990-1992

Page 29: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Objectifs

Déterminer les relations entre les concentrations de Cd et de Hg dans les organismes sentinelles avec les concentrations de Cd et Hg dans les sédiments ou les concentrations de l ’ion libre Cd2+ dans l ’eau interstitielle.

(2)Déterminer si les espèces sentinelles sont de bons biomoniteurs des niveaux de contamination du fleuve en Cd et en Hg.

Page 30: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Sites d ’étude: Fleuve Saint-Laurent

20 stations : - LSF: Lac St.François - LSL: Lac St.Louis - BLP: Bassin Laprairie - CTC: Région de Contrecoeur - LSP: Lac Saint-Pierre

Stations:• profondeurs: 0.5 à 3.5 m• zones de sédimentation• zone littorale• plantes submergées

Page 31: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Cadmium - gastéropodes

Bithynia tentaculata

Physa gyrina

Algues

Espèces bioindicatrices

Milieu

Milieu

Métal non-essentiel

Page 32: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Zn - gastéropodes

Bithynia t.

Physa g.

Plantes

Métal essentiel

Milieu

Page 33: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Méthyl-mercure - Gastéropodes

Fleuve Saint-Laurent

Lac Saint Louis

Bithyniatentaculata

Page 34: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Définition des biomarqueurs

Toute réaction biochimique, physiologique, histologique et morphologique en réponse à un contaminant, mesurée à l ’intérieur d ’un organisme, et qui indique une déviation de son état normal(van Gestel et van Brummelen, 1996, Ecotoxicology 5: 217:225)

Approche hiérarchique d’évaluation de la toxicité du niveau cellulaire à l’individu, à la population et à la communauté Hypothèse du débordement cellulaire

Page 35: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Niveau cellulaire/sub-

cellulaire

Niveau physiologique

Perturbations des Perturbations des voies voies biochimiquesbiochimiques

Individus ne pouvant Individus ne pouvant survivre ou se survivre ou se reproduirereproduire

Espèce absenteEspèce absente

Organisme

Population

Communauté

DétoxicationDétoxication•granules•métallothionéines

CompensationCompensation•changements comportementaux•adaptations physiologiques

CompensationCompensation•survie individuelle•changements dans l’allocation d’énergie

CompensationCompensation•immigration•tolérance génétiquement acquise

Interaction initiale Interaction initiale du métal à ce du métal à ce niveauniveau

Débordement

Débordement

Débordement

Débordement

Stress physiologiqueStress physiologique•individus faibles•reproduction inhibée•vulnérabilité au stress

Page 36: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Propriétés des biomarqueurs

Indicateurs précoces: doivent prédire des effets toxiques à des niveaux élevés de l ’organisation biologique.

Spécifiques d’un contaminant ou d’une classe de contaminants. Réponses concentration-dépendante. Les facteurs endogènes (sexe, taille, état reproducteur) et exogènes

(Ca++, H+, COD) pouvant affecter la réponse du biomarqueur doivent être connus.

Le biomarqueur doit être relié à l ’état de santé ou au « fitness » de l’organisme.

Les études expérimentales doivent passer par une validation sur le terrain.

Page 37: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Types de biomarqueurs

Enzymes: ALAD (Acide AminoLévulinique Déhydratase): inductible par le plomb. Cytochromes P450: classes d’hémato-protéines inductibles par les

contaminants organiques. Cholinestérases: activité inhibée par les carbamates et les pesticides

organophosphorés. Enzymes de conjugaison: accroissement causé par les HAP, ou les

métaux traces. Ex: gluthathion-S-transférase. Enzymes de stress oxydatif. Ex: glutathion reductase, malondialdehyde

Métallothionéines (MTs): augmentation causée par les métaux traces.

Protéines de stress (glucose-regulated proteins, heat stress proteins): spécificité relativement faible.

ADN: modifications de la structure d ’ADN (formation d ’adduits). Sources multiples.

Page 38: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Évaluation de la métallothionéine (MT) comme biomarqueur d’exposition métallique

et d’effets toxiques en milieu naturel

B. Pinel-Alloul1, O. Perceval1, Y. Couillard2, A. Giguère3, P.G.C. Campbell3 et L. Hare3

1Université de Montréal2Environnement Canada3INRS-ETE

1989- 2005

Page 39: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Évaluation des effets de l ’exploitation minière sur le milieu aquatique au Canada

S’acquitter de l’engagement pris par Environnement Canada de mettre à jour et renforcer le Règlement sur les effluents liquides des mines de métaux (RELMN)

Conception, pour les mines de métaux, d’un programme de suivi des effets sur l ’environnement développement d ’outils efficaces pour la réalisation

d’un tel suivi.

Page 40: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Les métallothionéines (MTs)

Domaine

Domaine

Métal

Soufre

Page 41: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Rôle de la métallothionéine

Régulation des concentrations intracellulaires des métaux essentiels (Zn, Cu) chez les animaux (Kelly et al., 1996).

Protection contre la toxicité des métaux non-essentiels (Cd) (Roesijadi, 1992).

Protection contre le stress oxydatif à la fois à l’échelle de la cellule et de l’organisme (Viarengo et al., 1999).

Page 42: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Objectifs de l ’étude

MT = biomarqueur d’exposition au CdMT = biomarqueur d’effets toxiques: Corréler

l’augmentation du Cd lié à des ligands cytosoliques autres que la MT à des effets biologiques délétèresau niveau de la celluleau niveau des populations

Page 43: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Modèle de cytotoxicité

Cd-MTCd-MT1

Cd-FPMCd-FPM

2

noyau

cytosol

A.

Cd-HPMCd-HPM

Cd2+

B.

Cd-MTCd-MT

Cd-FPMCd-FPM

2noyau

cytosol

Cd2+

Cd-HPMCd-HPM

Modèle du débordement cellulaire des ligands

Faible contamination Forte contamination

Page 44: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Organisme sentinelle : bivalves

Sédentaire Vit jusqu’à 15 ans Tolérant aux métaux Capacité à

accumuler les métaux Capacité à synthétiser

la MT Suivi à long termePyganodon grandis grandis

Page 45: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Réponses concentration dépendantes

[Cd2+] (nmol.L-1)

0 1 2 3

[Cd(

orga

nism

e)] (

µg

. g-1

)

0

20

40

60

80

100

120

[Cd2+] (nmol.L-1)

0 1 2 3[M

T(o

rgan

ism

e)] (

nmol

site

s.g-1

p. s

ec)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Tessier et al., 1993, L&O 38: 1-17 Couillard et al., 1993, L&O 38: 299-313

Page 46: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Aire d ’étude

Destor

Dasserat

Ollier

Waza

D ’Alembert

Beauchastel

Adéline

Évain

Hélène

Renaud

Bouzan Héva

Caron

Cléricy

OpasaticaVaudray

Petit Dufresnoy

Dufay

Bousquet

Joannès

ROUYN-NORANDA

R. Kinojévis

Page 47: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Approche écotoxicologique intégrée

Variables physico-chimiques et Variables physico-chimiques et écologiques confondantesécologiques confondantes

[Chl a], [C(seston)], [N(seston)], pH, [Ca]d, conductivité, [COD], [AH+AF], chaleur accumulée en degré-jours Abondance des poissons hôte

Variables physico-chimiques et Variables physico-chimiques et écologiques confondantesécologiques confondantes

[Chl a], [C(seston)], [N(seston)], pH, [Ca]d, conductivité, [COD], [AH+AF], chaleur accumulée en degré-jours Abondance des poissons hôte

Réponses des populationsRéponses des populations

Abondance (densité littorale) Biomasse et structure en taille Production annuelle Rapports P/B Fécondité (individuelle et cumulée)

Réponses des populationsRéponses des populations Abondance (densité littorale) Biomasse et structure en taille Production annuelle Rapports P/B Fécondité (individuelle et cumulée)

Contamination des moulesContamination des moulesRéponses intracellulairesRéponses intracellulaires

[Cd] dans le cytosol [MT] dans les branchies Répartition intracellulaire du Cd: Cd-MT/ Cd-FPM/ Cd-HPM

Indicateurs enzymatiques de stress toxique: MDA/ Glutathion

Contamination des moulesContamination des moulesRéponses intracellulairesRéponses intracellulaires

[Cd] dans le cytosol [MT] dans les branchies Répartition intracellulaire du Cd: Cd-MT/ Cd-FPM/ Cd-HPM

Indicateurs enzymatiques de stress toxique: MDA/ Glutathion

Contamination des lacsContamination des lacsNiveau d’expositionNiveau d’exposition

Sédiments superficiels - eau surnageante [Cd2+]

Contamination des lacsContamination des lacsNiveau d’expositionNiveau d’exposition

Sédiments superficiels - eau surnageante [Cd2+]

Page 48: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Caractéristiques des lacs sélectionnés: gradient de contamination en Cd

RE OP OL ÉV JO DU CA BO VA HÉ

[Cd

2+]

esti

mée

(n

M)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Rapport Max/Min = 270

contrôle contaminationniveau moyen

contaminationniveau élevé

Page 49: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Métallothionéine dans les branchies

[Cd2+] (nM)

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

[MT

] (n

mo

l si

tes

de

liai

son

d

u H

g.g

-1 p

oid

s se

c)

0

60

120

180

240

300

[Cd] cytosol branchies (nmol.g-1 poids sec)

0 50 100 150 2000

60

120

180

240

300A B

r2= 0,78; P < 0,001r2= 0,50; P < 0,001

Dans des conditions d’exposition Dans des conditions d’exposition chronique:chronique:MT = biomarqueur d’exposition au CdMT = biomarqueur d’exposition au Cd

Page 50: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Modèle de cytotoxicitéB.

Cd-MTCd-MT

Cd-FPMCd-FPM

2noyau

cytosol

Cd2+

Cd-HPMCd-HPMModèle du

ligand biotique

Saturation de la MTIncorporation dans HPMIncorporation dans FPM

Page 51: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Répartition intracellulaire du Cd

[Cd] cytosol branchies(nmol.g-1 poids sec)

0 40 80 120 160

[Cd

] fr

acti

on

(n

mo

l.g

-1 p

oid

s se

c)

0

40

80

120

160[Cd-MT][Cd-HPM][Cd-FPM]

r2= 0,95P < 0,001

r2= 0,37P < 0,001

r2= 0,68 P < 0,001

Dans des conditions d’exposition chronique: Liaison progressive du Cd à des ligands autres que la MT Cytotoxicité observée suite à cette exposition

Page 52: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Superoxide theory on oxygen toxicitySuperoxide theory on oxygen toxicitySuperoxide theory on oxygen toxicitySuperoxide theory on oxygen toxicity

Reactive oxygen speciesO2

-, ·OH & H2O2

Oxygen

Endogenous reaction

Cellular lipid membrane

Degradation

Increase inMalondialdehyde

(MDA)

Antioxidants(GSH; GSH-peroxidase; GSH-reductase)

Organic contaminantsCu2+, Fe2+ (Cd2+?)

(Fridovich, 1975)

Page 53: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Évidence de stress oxydant au niveau cellulaire

Source: Giguère et al., 2003, Aquat. Toxicol., 64:185-200.

contaminationniveau très élevé

Page 54: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Effets au niveau des populations: densité littorale

Log10([Cd2+] estimée (nM))-1.5 -1.0 -0.5 0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

(a)r = -0,79

Log10([Cd] cytosol (nmol.g-1

p. sec))

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

0.0

0.5

1.0

1.5

(b)r = -0,37

Log10([MT] (nmol sites de liaison

du Hg.g-1 p. sec))

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50

(De

nsi

té (

nb

. in

div

idu

s.m

-2))

0,5

0.0

0.5

1.0

1.5

(c)r = -0.38

Log10([Cd-HPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

0.0

0.5

1.0

1.5

(d)r = -0,81

Log10([Cd-MT] (nmol.g-1

p. sec))

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25

0.0

0.5

1.0

1.5

(e)r = -0,29

Log10([Cd-FPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

0.0

0.5

1.0

1.5

(f)r = -0,19

Page 55: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Effets au niveau des populations: biomasse et production

Biomasse (g/m2)

Production (g/m2/an)

[Cd2+] estimée -0,70* -0,78**

[Cd] cytosol -0,27 -0,38

[MT] -0,24 -0,36

[Cd-HPM] -0,69* -0,79**

[Cd-MT] -0,19 -0,28

[Cd-FPM] -0,15 0,48

* * PPunilat.unilat. < 0,05; ** < 0,05; ** PPunilat.unilat. < 0,0083 < 0,0083

Page 56: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Effets au niveau des populations: taux de renouvellement : ratio P/B

Log10([Cd2+] estimée (nM))-1.5 -1.0 -0.5 0.0

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

(a)r = -0,52

Log10([Cd] cytosol (nmol.g-1

p. sec))

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

(b)r = -0,57

Log10([MT] (nmol sites de liaison

du Hg.g-1 p. sec))

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50

Lo

g1

0(P

/B (

an-1

))

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

(c)r = -0,59

Log10([Cd-HPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

(d)r = -0,58

Log10([Cd-MT] (nmol.g-1

p. sec))

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

Log10([Cd-FPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

(e)r = -0,53

(f)r = -0,40

JO

Page 57: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Structures d’âge

L. Joannèsn = 424

Fré

qu

ence

(%

du

to

tal)

0

5

10

15

20

25

L. Bousquetn = 123

Âge estimé (ans)

0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 8+ 9+ 10+

>10

+

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

25

L. Dufayn = 307

0

5

10

15

20

25

L. Évainn = 675

0

5

10

15

20

25

L. Vaudrayn = 102

0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 8+ 9+ 10+

>10

+

0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

15

20

25

L. Hévan = 115

0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 8+ 9+ 10+

>10

+

0

10

20

30

L. Caronn = 17

0

5

10

15

20

25

L. Opasatican = 414

L. Olliern = 274 P/B=0,27P/B=0,27

P/B=0,28P/B=0,28

P/B=0,33P/B=0,33P/B=0,31P/B=0,31

P/B=0,21P/B=0,21P/B=0,23P/B=0,23

P/B=0,14P/B=0,14

P/B=P/B=0,220,22 P/B=P/B=

0,200,20

Page 58: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Effets au niveau des populations: fécondité cumulée

Log10([Cd2+] estimée (nM))-1.5 -1.0 -0.5 0.0

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(a)r = -0,67

Log10([Cd] cytosol (nmol.g-1

p. sec))

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(b)r = -0,26

Log10([MT] (nmol sites de liaison

du Hg.g-1 p. sec))

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(c)r = -0,19

Log10([Cd-HPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(d)r = -0,64

Log10([Cd-MT] (nmol.g-1

p. sec))

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25

Lo

g1

0(f

éco

nd

ité

cu

mu

lée

(n

b. l

arv

es. m

-2))

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(e)r = -0,18

Log10([Cd-FPM] (nmol.g-1

p. sec))

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

(f)r = -0,17

Page 59: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Influence des variables confondantes

Densité littorale (ind/m2)

Biomasse (g/m2)

Production (g/m2/an)

P/B (an-1)

Fécondité cumulée

(nb.

larves/m2)

Cd2+ estimée -0,79 -0,70 -0,78 -0,52 -0,67

Cd-HPM -0,81 -0,69 -0,79 -0,58 -0,64

pH 0,74 0,67 0,70 0,27 0,67

Ca 0,27 0,25 0,25 0,20 0,32

Chl a 0,41 0,51 0,48 -0,10 0,63

C Sest -0,12 0,01 0,03 -0,03 -0,03

N Sest -0,33 -0,19 -0,20 -0,04 -0,19

Degrés-jours 0,86 0,80 0,87 0,40 0,73

Nb. esp. poissons 0,26 0,30 0,35 0,37 0,40

Abond. poissons 0,28 0,10 0,25 0,50 -0,07

Page 60: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Densité littorale

[Cd2+]

[Cd] cyt[MT]

[Cd-HPM]

[Cd-MT]

[Cd-FPM]

r d

e P

ears

on

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

Fécondité cumulée

[Cd2+]

[Cd] cyt[MT]

[Cd-HPM]

[Cd-MT]

[Cd-FPM]

r d

e P

ears

on

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

Production

[Cd2+]

[Cd] cyt[MT]

[Cd-HPM]

[Cd-MT]

[Cd-FPM]

r d

e P

ears

on

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

Biomasse

[Cd2+]

[Cd] cyt[MT]

[Cd-HPM]

[Cd-MT]

[Cd-FPM]

r d

e P

ears

on

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

corrélation simplecontrôle pour les degrés-jours

Page 61: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Expériences de transplantation: 400 jours

Lac de référence Opasatica : Cd2+: 0.03 nM, Ca: 9.2 mg/L

Lacs de niveau de contamination moyen Joannès: Cd2+: 0.25 nM, Ca: 7.7 mg/L Vaudray: Cd2+: 0.39 nM, Ca: 3.5 mg/L

Lacs de niveau de contamination élevé Dasserat: Cd2+: 1.08 nM, Ca: 9.3 mg/L Dufault: Cd2+: 0.76 nM, Ca: 19.3 mg/L

Page 62: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Expériences de transplantation: 400 j niveau de contamination des bivalves

1 2 3 4 5 6 7

[Cd]

gill

cyt

osol

(n

mol

. g-1

dw

)

0

20

40

60

80

100

120

140

Transplant site

1 2 3 4 5 6 7

[MT

] (nm

ol H

g b

indi

ng

site

s.g-1

dw

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

OP (R) JO (M) VA (M) DS (H) DT (H)

A

B

*

*

*

*

Comparaison des niveaux de contaminants des bivalvesdans les enceintes et hors desenceintes

[Cd] gill cytosol (nmol.g-1 dw)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

[MT

] (nm

ol H

g bi

ndin

g si

tes.

g-1 d

w)

0

20

40

60

80

100

120

140

r2 = 0.78; P = 0.0001y = 37.6 + 0.727 x

OPt400

JOt400

VAt400

DSt400

DTt400

Très faible Ca

Page 63: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Expériences de transplantation: 400 j répartition subcellulaire du Cd

Transplant site

OP (R) JO (M) VA (M) DS (H) DT (H)

[Cd]

in fr

actio

n (n

mol

. g-1

dw

)

0

20

40

60

80

100

120

140

[Cd-HMW] [Cd-MT] [Cd-LMW]

(5.5) (4.8)(8.5) (10.3)

(40.3) (52.2)

(99.2)

(37.0)

(0.52)(0)(0)(0)

* * *

§

§

[Cd] gill cytosol (nmol.g-1 dw)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

[Cd

] in

fra

ctio

n (

nm

ol. g

-1 d

w)

0

20

40

60

80

100

120

140

160[Cd-MT]

[Cd-HMW]

r2 = 0.96; P<0.0001y = 8.98 + 0.922 x

r2 = 0.61; P = 0.0009y = 1.61 + 0.112 x

[Cd-LMW]

Ligands les plus importants: MT et HPM

Lac Vaudray: Cd-MT très fort: bonne détoxicationLac Dufault : Cd-HMW très fort: maximum de toxicité

Page 64: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Expériences de transplantation: 400 j réponse des populations

Transplant site

OP (R) JO (M) VA (M) DS (H) DT (H)

Ch

ang

e in

sh

ell

len

gth

(m

m)

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

n =

76

n =

85

n =

89

n =

35

n =

31

95% range of measurement errors (n = 200)

NE

T G

RO

WT

H

NE

T LO

SS

A

B

C

AB Aab

bc

c

a ab

n =

21

n =

19

n =

22

n =

12

n =

8

High density Natural density

Transplant site

OP (R) JO (M) VA (M) DS (H) DT (H)

Mo

rtal

ity

(%)

0

20

40

60

80

100

**

ANOVA: F4,25 = 28.0; P<0.0001

Croissance Mortalité

Effet protecteur de la MT

Page 65: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Suivi à long terme: 1989-2002

Years

1980 1985 1990 1995 2000

Cd

em

iss

ion

s (

ton

ne

s)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Cu

em

iss

ion

s (

ton

ne

s)

20

40

60

80

100

120

140

160

Zn

em

iss

ion

s (

ton

ne

s)

0

250

500

750

1000

1250

1500

Cd Cu Zn

Baisse des émissions de la fonderie de Noranda

Page 66: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

[Cd] gill (nmol g-1 dry wt.)100 1000

100

1000

[Zn] gill (nmol g-1 dry wt.)

10000

100

1000

[Cu] gill (nmol g-1 dry wt.)

1000

[MT

] g

ill (n

mo

l H

g b

ind

ing

sit

es

g-1 d

ry w

t.)

100

1000

r = 0.7926; P < 0.0001

r = 0.0446; P = 0.8443r = 0.6640; P = 0.0006

A

B C

VA

HE

DU

OP

JOBO

1989

1994

1997

2002

Baisse des concentrations du biomarqueur d’exposition (MT) chez les bivalves

Relation avec les baissesde Cd et Cu

En amont de la fonderieOP: Opasatica 29 kmDu: Dufay 39 km

En aval de la fonderieJO: Johannes 26 kmVA: Vaudray 30 kmBO: Bousquet 30 kmHE: Héva 51 km

Page 67: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

0 1 2 3 4 5 6 7

Va

ria

tio

n b

etw

ee

n 1

98

9 a

nd

200

2 (

%)

-100

-75

-50

-25

0

25

50

Cd emissions

free [Cd

2+ ]

[Cd] gill

[Cu] gill[Zn] gill

[MT] gill

Wat

er

com

par

tmen

t

Bivalves

Atm

osp

her

e

Cohérence temporelle entre les baisses des émissions, du niveau de pollution, de la bioaccumulation des métaux et du biomarqueur MT

Page 68: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Conclusions de l ’étude

La MT peut être utilisée comme biomarqueur d’exposition et de contamination chez les invertébrés d’eau douce

Potentiel d’utilisation de la répartition sub-cellulaire du Cd (Cd-MT, Cd-HPM, Cd-FPM) comme biomarqueur prédictif du risque toxicologique au niveau cellulaire

Potentiel mais manque de certitude pour assigner à la répartition sub-cellulaire du Cd un rôle prédictif d’effets écotoxicologiques sur l’état des populations de bivalves

Influence des facteurs confondants au niveau écologique: Chaleur accumulée dans la zone littorale des lacs reliée à la morphométrie des lacs, niveau de dureté des eaux reliée aux concentrations en calcium.

Page 69: Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

Conclusions (suite)

Hypothèse: En raison des efforts de traitement de l’industrie minière dans la région, les facteurs écologiques ont supplanté la pression de contamination exercée par le Cd comme élément structurant des populations de bivalves

Le manque de connaissance sur les effets confondants des facteurs écologiques en milieu naturel limite de beaucoup la signification écotoxicologique de la MT et de la répartition subcellulaire du Cd dans les ligands cytosoliques comme biomarqueur d’effets toxiques au niveau des populations

Les études au niveau des communautés restent à faireLes études au niveau des communautés restent à faire