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!!!
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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
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
• 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:
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:
* 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”)
• 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.
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: