CHAPITRE 3: EFFET DES POLLUANTS SUR LES ECOSYSTEMES ET SUR L’EQUILIBRE DE LA BIOSPHERE

• Ecosystème = cadre de référence pour l’évaluation de l’effet d’un polluant sur les populations

• propriétés d’un écosystème non identifiables à la somme des propriétés de chacun de ses composants élémentaires pris isolément!!!

EFFET SUR LA STRUCTURE DES ECOSYSTEMES

• Richesse spécifique

• La Dominance

• Les sp. Clefs des peuplements

• La succession

Réduction de la richesse spécifique

Diminution du nombre d’sp. Du peuplement d’un écosystème

• Cas extrême: 1969, tonneau d’endosulfane dans le Rhin a provoqué la mort de tous les poissons sur 400 Km de son cours.

pluies acides acidification des lacs: élimination presque totale de la

zoocoenose aquatique:

Cas de certains lacs en Suède (années 70):

- pH > 7: 40 sp. Phytoplancton et 15 sp. Zooplancton

- pH < 4: 10 sp. Phytoplancton et 5 sp. Zooplancton

Effet sur la dominance• Si sp. Dominante pollusensible, la pollution induira

soit une baisse de la dominance soit une substitution d’sp.

• Consommateurs sont sp. À spécificité alimentaire, donc une pollution provoque une baisse importante des consommateurs par rapport aux producteurs

• Indice de dominance:D = Ni/N

Ni: nombre d’individus de l’sp. La plus abondanteN: nombre total d’individus

Effet sur les sp. Clefs des peuplements

• sp. Clef: sp. Dont le rôle est déterminant dans la structuration des peuplements

• Exp: écosystème limnique: zooplancton (sp. Dominante) est la proie des Salmonidés (sp. Clef). Cette prédation est très importante pour la structuration des écosystèmes limniques

Fig:• En absence de Salmonidés, pas de prédation sur les

cladocères (daphnia), la densité de ces derniers augmente, et ils entrent alors en compétition avec les autres microcrustacés pour le broutage des algues, ces derniers peuvent alors être complètement éliminés

Effet sur la succession

• L’exposition permanente à un polluant maintient la communauté en un stade successionnel juvénile où seules quelques sp.peuvent survivre: * Opportunistes, * pollutolérantes, stratège r* à faible longétivité* à haut potentiel biotique

• Exp: en milieu aquatique, pollution baisse de la compétition interspécifique espaces libres oligochètes g.Tubifex se multiplie (sp. Opportuniste)

• Cas d’un rejet ponctuel permanent d’un égout riche en matière organique dans un cours d’eau (figure), apparition de 4 zones qui se succèdent dans le sens du courant (gradient successionnel stable):

1- Zone de dégradation: disparition totale de la biocénose d’eau pure

2- Zone septique:* communauté de bactéries et champignons saprophytes actifs pour la décomposition de la MO,* zoocoenose réduite (quelques sp. Pollutolérantes/ Tubificidae)

3- Zone de restauration: * processus d’épuration naturelle,* communauté algale dense (décomposition Mo, nutriments disponibles), * sp. Pollutolérantes (chironomus), * peu d’sp. D’eau pure

4- Zone des eaux pures: * pureté normale* biocénose diversifiée

EFFET SUR LE FONCTIONNEMENT DES ECOSYSTEMES

• Effet sur la production primaire

• Effet sur la productivité secondaire

• Effet sur la décomposition de la MO et le cycle de la matière

1. Effet sur la production primaire• inhibition de la photosynthèse• Perturbation croissance organismes

autotrophes (action sur taux mitotique)Polluants responsables:• SO2• Photo-oxydants• Pesticides • Organochlorés

• 3 groupes selon la gravité des effets:1- classe1:

* faible charge en polluant* la phytocénose représente un puits pour le polluant* réponses décelables seulement par analyses chimiques* apparition des 1ers indices d’accumulation

2- classe2:* concentration moyenne en polluant* réduction de la croissance des plantes* forte mortalité des sp. les plus sensibles* baisse de la productivité Iaire* écosystème vulnérable

3- classe3:* forte mortalité des populations végétales* simplification de la structure phytocénotique* grande instabilité de l’écosystème

• Le dioxyde de soufre, SO2:Un des aéropolluants les plus toxiques pour les plantesQuantités SO2 anthropogénique rejeté dans atmosphère très importantesSO2: pluies acides:

SO2 + H2O H2SO3 + 18Kcalacide sulfurique

SO2 + 1/2O2 UV SO3 + 22Kcal

H2O + SO2 + NO2 atm polluée H2SO4 + NO

SO3 + H2O H2SO4 (réaction spontanée)

Acide sulfurique et acide nitrique: principaux acides forts responsables de l’acidité des pluies:

pluies acides: 70°/° acide sulfurique30°/° acide nitrique

Acidité forte des sols

activité bactérienne lessivage azote dans sol

Minéralisation azote

Pertes d’azote pour l’absorption

Diminution croissance arbres(productivité Iaire diminuée)

• Les photo oxydants: ozoneFormation en atmosphère polluée et intense rayonnement solaire:

O2 2O

O + O2 O3

Atm polluée: NO2 NO + O

O3 + autres aéropolluants ou hydrocarbures imbrûlés

R-C(O)-O-O- (peroxyacyles)+ NO2

R-C(O)-O-O-NO2 (PAN)

PAN: photo oxydant à toxicité > ozone (effet à concentrations < ppm)PAN attaquent préférentiellement limbes foliaires et structures cellulaires

photosynthétiques.

2- Effet sur la productivité secondaire(P.II)

2 types d’effets:

* Direct sur les consommateurs* Indirect résultat de la baisse de la P.I

Conséquences: diminution nombre individus, sp. Et biomasse donc P.II

Exp: pollution par les pesticides suite à un traitement phytosanitaire:- mare témoin: biomasse > 35 g/m3

P.II > 160 g/m3/an- mare dans champs culture intensive (herbicides): biomasse < g/m3

P.II < 80g/m3/an

3- Action sur la décomposition de la MO et le cycle de la matière

1. Pluies acides2. Métaux lourds 3. Pesticides

Pluies acides:Acidification sols:

- baisse nombre, taille et biomasse bactéries- diminution longueur champignons saprophytes

action sur croissance des arbrespH<4:nombre protozoaires, oligochètes terricole, acariens

(les plus sensibles)

PesticidesHorizons supérieurs des sols, nombreux invertébrés

saprophages, à rôle essentiel dans la dégradation de la litière et les 1ères étapes de l’humification, sont très sensibles aux insecticides:

- Larves coléoptères- Larves diptères- Collemboles- Acariens- OligochètesExp: insecticide carbamyl dispersé sur une culture à

raison de 25Kg/ha/an: mort des insectes visés mais également 95°/° invertébrés détritiphages

EFFET DE LA POLLUTION SUR L’EQUILIBRE DE LA BIOSPHERE

• Eléments biogènes:carbone azote

• Éléments toxiques:plomb, arsenic, mercure, cadmium

Perturbations des cycles biogéochimiques des éléments biogènes

• Éléments biogènes (oligoéléménts): corps simples qui rentrent dans la constitution de la matière vivante

• carbone, phosphore, azote, soufre…• Certains sont indispensables, mais deviennent

toxiques à seuil très élevé• Flux naturels, flus anthropogéniques (tableau)

Cycle du carbone

• Principales sources perturbatrices: usage des combustibles fossiles, émission de monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures

NB: combustibles fossiles: émission CO2, concentrations CO2 atmosphériques augmentent effet de serre

• Monoxyde de carbone (CO): constituant naturel de la biosphèreToxique pour végétaux et animaux à sang chaud

Sources: plancheSources naturelles: volcanismeSources anthropiques: incendies de forêt et technologie (plus

importantesConséquences:Plantes: interférence avec métabolisme azoté, inhibition

respiration PhytotoxicitéVertébrés à sang chaud: combinaison irréversible à

l’hémoglobine carboxyhémoglobine (incapable de fixer l’O2) asphyxie et mort

Mécanismes d’adaptation:Processus biogéochimiques de dégradation de

ce gaz:

OH- + CO neutralisation CO2 + H+

Radicaux libresStratosphère oxydation

CO Bactéries sol CO2

Bacillus ClostridiumOligocarbophilus wechii

• Hydrocarbures:Méthane: émissions en continuelle augmentation depuis les origines de la

civilisation industrielle (planche)Sources naturelles• Végétation (surtout phanérogames terrestre)• Fermentations bactériennes anaérobies (sols, marécages, lagunes

littorales)• Fuites des gisements d’hydrocarbures

Sources anthropogéniques:• Intensification agriculture• Usage combustibles fossiles ***:

Combustion incomplète (moteurs à diesel, peu essence) rejet d’imbrûlés (gaz, particules: suie, goudron) hydrocarbures polycycliques carcicogénes

CYCLE DE L’AZOTE

• 2 sources principales de pollution:• Combustions• Engrais nitrés1- polluants gazeux dérivés de l’azote

(atmosphère):• Oxyde nitreux N2O: naturel, abondant

• Oxydes nitriques NO naturels

• Peroxyde d’azote NO2 moins abondants

Les oxydes d’azote: (planche sources)• N2O: dénitrification des engrais azotés• NO, NO2: combustion à température et pression

élevées (moteurs à combustion interne) T>600°c

2NO + O2 2NO2 + 28,4 Kcal

acide Nitrique

pluies acidesAutres: péroxyacylnitrate PAN

Péroxybenzoylnitrate (toxicité>PAN)

2- Pollution pédosphère et hydrosphère

2 sources essentielles:• Apport nitrates formés dans atmosphère• Usage fertilisants azotés en agriculture

3- Bilan global du cycle de l’azote* Nitrification>dénitrification: déséquilibre* Pollution sol-air: excès de nitrates non recyclé sous forme de

rejet d’azote dans atmosphère par micro-organismes dénitrifiants

* Principale conséquence: augmentation des teneurs atmosphériques en N2O: effet de serre

CYCLE DU SOUFRE• perturbation: injection dans atmosphère de

quantités importantes d’anhydre sulfureux SO2• Sources SO2: (planche)• volcanisme: SO2• Fermentations anaérobies:

H2S (***) SHCO3 (sulfure de méthyle), S(CH3)2 (sulfure de diméthyle)

oxydation spontanée dans atm. SO2• Combustibles fossiles (***): SO2

Conditions naturelles: [SO2]atm: 0,01-0,2ppbPollution: [SO2]atm > 100ppb

SO2 ac. Sulfureux ac.sulfurique

H2SO4: très hygroscopique• brouillards toxiques SMOGS (zones urbaines

industrielles, climat humide et froid)• Pluies acides

Chapitre 4 MONITORING DES POLLUANTS: SURVEILLANCE PERMANENTE DE L’ENVIRONNEMENT

• Monitoring: outil de contrôle avec un aspect réglementaire des pollutions.

• 2 types de démarches:• Détermination des niveaux de contamination des biotopes et

biocénoses (études chimiques)• Évaluation des effets écotoxicologiques sur les peuplements

(études biologiques)

Résultats: relation dose-réponse, donc seuil minimal de contamination (au dessous, effet nocif non significatif)

• Normes de protection:3 concentrations à déterminer:

• (1)Concentrations minimales tolérables (sp. Les plus sensibles et sp. Clefs)

• (2)Concentrations maximales admissibles (biotopes et réseaux trophiques)

• (3)Niveau maximale de rejet au site pour respecter les normes de qualité définies par (1) et (2)

LES BIOINDICATEURS: Indicateurs biologiques de pollution

• Avantages de l’analyse des êtres vivants par rapport à la composante abiotique des écosystèmes pollués:

• Beaucoup de polluants surtout les substances persistante se trouvent à des concentrations très élevées dans les organismes par rapport au biotope

• Cette analyse mesure la disponibilité des polluants pour la biomasse

• CARACTERISTIQUES DES ESPECES BIOINDICATRICES IDEALES/

• Capacité de bioaccumulation (sp. Supportant les niveaux max observés sans mortalité et sans perturbation de sa reproduction)

• Sp. Sédentaires afin que les concentrations trouvées dans l’organisme soient en rapport avec la zone considérée

• Tous les individus de l’sp. Doivent présenter une corrélation identique et simple entre leurs teneurs en polluant et la concentration moyenne dans le biotope (comparer entre zone)

• Sp. Abondantes dans l’aire étudiée et distribution géographique étendue

• Sp à forte longétivité (plusieurs classes d’age et effet à long terme)

• Sp. Facile à échantillonner

En pratique, difficile de trouver des sp. Pouvant répondre à la totalité de ces critères (les plus importantes)

Facteurs influençant la fiabilité des bioindicateurs

Fiabilité=efficacité à estimer la concentration prépondérante (moyenne) de polluants dans l’environnement

1. Facteurs intrinsèques (propres à l’sp.Bioindicatrice)

• Taux d’accumulation et d’excrétionComparables ou différents, donc estimation niveaux de contamination différente:

- accumulation rapide et excrétion lente: niveaux dans l’sp. Bioindicatrice reflètent les taux maximum atteints par le polluant

- accumulation similaire à excrétion: concentration dans l’sp. Reflète les niveaux moyens dans le biotope

• Interférence entre polluants

Règle générale: Exposition simultanée à 2 polluants

Effet identique

Exposition isolée à chacun des 2

Exceptions: potentialisation ouantagonisme;Exp: - Cas de potentialisation:Poissons: cu + cd bioaccumulation 1Poissons: cu puis cd bioaccumulation 2Bioaccumulation 1 > bioaccumulation 2

- Cas d’un antagonismeTruite: DDT-méthoxychlore-Dieldrine

1 2 3

1 et 2 réduisent la bioaccumulation de 31 et 3 réduisent la bioaccumulation de 2

Niveau trophique des organismesRègle générale: polluants persistants: bioaccumulation en milieu

terrestre et peu en milieu aquatique (avec même parfois baisse de concentration vers le sommet de la pyramide)

Exp: Plutonium, facteurs de concentration les plus élevés chez lichens mains, algues et spongiaires

Exception: organochlorés et méthyle mercure, forte bioaccumulation dans les réseaux trophiques terrestres

2- Les facteurs extrinsèques- Température- Précipitations- pH des eaux- Salinité des eaux

Les indicateurs biologiques d’accumulations

En milieu aquatique

* Les macrophytes aquatiques- mousses aquatiques d’eau douce:

sp. Fontinalis antipytretica et Fontinlis squamosa: corrélation correcte des concentrations en Zn et PCB entre organisme et eau (planche)- algues/ Rhodophycées:

Genre Lemanea: vit dans zone polluée par Pb- phanérogames: sp. Typha latifolia pour le Zn

* Les mollusques lamellibranches:Caractéristiques favorables pour la bioaccumulation:• Forte bioaccumulation• Sédentaires (sessiles)• Cycle vital long• Échantillonage facile (taxonomie connue)Eau douce:

- Unio- Anadonta sp.

Milieu marin:- huîtres:

Crassostrea virginica: Fr(DDT)=70 OOOCrassostrea gigas: Fr(Cu)=5.105-106

- moules:Mytilus edulis et Mytilus galloprovincialis:

Fr(PCB)=5.105-106

Remarque:Mytilus edulis: matériel de choix pour le monitoring des

pollutions des eaux marines:• Vaste distribution mondiale• Fort pouvoir accumulateur• Polluants dans parties molles

* Les poissonsTaux d’accumulation fonction:- [polluant]eau- Durée exposition- Température eauExp: Brochet (Hg, eau douce)

Thon (divers polluants) Truite arc en ciel, Salmo gardneri (Métaux)

En milieu terrestre (atmosphère, sols)

* Les végétaux• Les lichens: filtration volumes importants d’air,

contamination atm (SO2, Métaux toxiques)• Les mousses: Pb et composés organochlorés

(Hyloconium splendess et cupresiforme)• Les phanérogames: sp. À bulbe ou tubercule

- carottes: composés organochlorés- certains Crucifères et Labiées: Nickel- l’Hydrophylacée Phacelia sericea: OR!!!

* Les invertébrés terrestres: les plus intéressants=Annélides oligochètes,

Ingèrent jusqu’à 3 fois leur poids en MO morte et sol:- ML- composés organiques de synthèse/ insecticides organochlorés

Exp: Lombricus terrestis (planche):[dieldrine]être vivants~[dieldrine]solsFr jusqu’à 150

* Les vertébrés terrestres: biaccumulation rare- oiseaux: plumage- cervidés: bois, monitoring ML des écosystèmes forestiers.

METHODES D’EVALUATION EN ECOTOXICOLOGIE AQUATIQUE

• OBJECTIFS:• Prédire impact rejet sur milieu récepteur (effet en

conditions contrôlées: organismes ou systèmes plus complexes)

• A posteriori, effet sur milieu et surveillance in situ (bioindicateurs)

• Repérer les toxiques majeurs: adapter filière de traitement et condition d’acceptation du rejet par milieu réceptaur

• Prédire effet effluent brut sur traitement biologique d’épuration

Démarche expérimentale de laboratoire permettant de déterminer la toxicité d’une substance pure ou d’un mélange par mesure de l’intensité d’une réponse biologique (comportemental à léthalité)

Il s’agit d’établir la relation entre les concentrations de la substance et la réponse observée chez les organismes (relations “concentrations-réponses” ou “doses-réponses”)

Francis RIBEYRE – Institut EGID Bordeaux 3

Evaluation de la toxicité des contaminants

Type d’organisme(algues, mollusques, poissons)

Modalités d’exposition : - nature chimique - durée d’exposition - concentration

Conditions expérimentales - température, lumière .. - milieu (eau, sédiment ..) - renouvellements

Réponse : - Inhibition de croissance - Modification comportementale - Mortalité

SensibilitéReprésentativitéDisponibilitéCompatibilitéCoût

• Principes généraux des mesures de toxicité par bioessaisObjectifs: déterminer le potentiel toxique d’un polluantConditions contrôlées sur organismes cultivés au laboratoireTests normalisés:• Durée d’exposition (24,48 ou 96h pour la toxicité aigue et 7

jours pour la toxicité à long terme)• Milieu de dilution• Température et/ou éclairement• Photopériode• Type de récipient• Volume des solutions• Nombre de dilutions et de réplicats• Critère de toxicité (mortalité, inhibition croissance-mobilité)

Test type:- statique (sans renouvellement de solution)- semi statique (renouvellement périodique de la solution)- dynamique (renouvellement continu de la solution)

But: détermination des constantes écotoxicologiques pour évaluer le potentiel toxique du polluant

• Les méthodes

Grande panoplie: - Tests physiologiques et enzymatiques (bioessais labo)- Milieu reconstitué: conditions semi contrôlées

(microcosmes de labo, microcosme extérieurs, mésocosmes)

- Examen de l’écosystème (in situ): différents niveaux d’organisation (peuplement, communauté, écosystème), de structure et de fonctionnement)

• Tests d’activité enzymatique ou de métabolisme et les « biocapteurs »

Inhibition (effet sublétal) d’activité enzymatique ou de métabolisme particulier (bactéries ou cellules)

Biocapteur: dispositif=organisme ou cellule + mesure activitémesure en continu la toxicité sublétale d’une eau de

rivière ou d’un effluent.Actuellement: systèmes compacts et portables =association

enzymes (acétylcholinestérase, uréase, nitrate rédusctase, hydrolase…etc) ou cellules (microalgues, bactéries boues activées) et une électrode sélective pour la mesure de l’activité enzymatique ou métabolique correspondante: émission d’un signal et amplification présence d’un toxique dans l’échantillon

Exp: Inhibition respiration des boues activées prévoir le disfonctionnement du processus d’épuration biologique (effluent industriel toxique).

Méthode: mesure consommation OD par électrode à oxygène: respiration augmente, biodégradation des MO par bactéries augmente.Si effluent toxique: bactéries détruites, respiration chute

Systèmes disponibles: SOLYOM ET SHIEH

• Tests de génotoxicité

Effets:• Altérations génétiques (mutations)• Adduits à l’ADN• Dommages chromosomiques/ échanges de chromatides

Essais: in vitro ou in vivo:- In vitro:

* cellules eucaryotes ou procaryotes* concentrats d’échantillons ou substances chimiques* Test d’AMES: Salmonella typhimurium, mutants se développant sans Histidine (acide aminé)* SOS –chromotest: détection du complexe enzymatique SOS que des salmonelles émettent pour réparer des dommages du matériel génétique (disponible en kit)

- In vivo:* organismes aquatiques supérieurs (mollusques, poissons, amphibiens)* sans concentration échantillon

• Tests monospécifiques de toxicité aigue aigue ou subaigue

* Tests conventionnelsTests simples sur de courtes durées (24,48 ou 96h)Poissons: 1ers organismes tests: maillon supérieur de la chaîne

trophique aquatique, donc sentinelles pour le santé de ces écosystèmes.

* Tests alternatifs (planche)- Rapidité (MicrotoxR)- Simplicité (-----et microbiotest)- Coût modéré (microbiotest)

Remarque: MicrotoxR , inhibition de la luminescence de la bactérie marine Photobactérium phosphoreum; avantages:

• Rapidité d’obtention des résultats (1h30min, avec préparation de l’échantillon contre 24h pour la CE50)

• Coût faible/ baisse frais techniciens• Sensibilité et répétabilitéTest normalisé AFNOR T90-320 (France); non aux

USA

Microbiotests sur Rotifères ou Crustacés, principe: organismes tests obtenus à partir d’œufs en quiescence (embryon enkystés à un stade précoce de développement, enfermé dans une enveloppe résistante la dessication et températures extrêmes

Dans l’eau: éclosion rapide

Œufs et matériel: disponibles en kit=Toxkits

Avantages:• Larves à la demande• Mise en œuvre facile• Coût modéré• Matériel biologique homogène: résultats plus

précis

• Tests monospécifiques de toxicité chronique

• Durée de l’exposition: 7jours à plusieurs semaines (selon le cycle de vie de l’organisme, généralement durée d’exposition supérieure ou égale au 1/10 du cycle).

• Doses inférieures aux doses de la toxicité aigue.

• Critères utilisés: inhibition de la reproduction ou de la croissance

Exp: - test de reproduction de Daphnia magma (21-28 jours) - test embryo-larvaire Brachydanio rerio: taux d’éclosion, survie, croissance sur 11 jours

• Les batteries de test

• C’est une association d’organismes de différents niveaux trophiques.

• Permet de balayer:

- un spectre de fonctions écologiques: P.I, P.II et décomposeurs;

- Un spectre d’effets:létaux-sublétauxAigus-chroniques

- Un spectre de sensibilité large

TESTS SUR ECOSYSTEMES RECONSTITUES

• Conditions proches de la réalité• Représentation du système contaminé et du système

non contaminé (témoin)• Suivi:• physico-chimique• Paramètres de structure: identification et

dénombrement des populations• Paramètres de fonctionnement: respiration,

photosynthèse, activité bactérienne

Différents degrés de complexité

• Microcosmes de laboratoire

• Microcosmes extérieurs

• Mésocosmes

Microcosmes de laboratoire• Récipients de quelques litres• Enceintes thermostatées• Éclairement défini• Phase aqueuse et phase sédimentaire• Compartiment biologique comprenant:

* P.I (microalgues, bryophytes, macrophytes enracinées ou flottantes)* Consommateurs (zooplancton, mollusques..)* Décomposeurs (bactérie,..)

Microcosmes extérieurs et mésocosmes

• Bassins ou rivières artificiels:

• jusqu’à 15 mètres cube pour les microcosmes

• Plusieurs dizaines de mètres cube pour les mésocosmes

• Même type de système que les microcomes de laboratoire

• Taille plus importante a pour avantage de:

- éliminer les effets de paroi- possibilité de représenter un

grand nombre d’sp. Et de populations donc une complexité plus importante

• Conditions climatiques naturelles: plus de réalisme