04 12 INSA Spectrométrie, chromatographie, écotoxicologie au service des écotechnologies
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Présentation INERIS – 26/09/2015 1
De la toxicologie à l’écotoxicologie :
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La toxicologie : une discipline ancienne
Discipline qui étudie les substances toxiques, c’est-à-dire les substances quiprovoquent des altérations ou des perturbations des fonction des organismesconduisant à des effets nocifs dont le plus grave est la mort
Truhaut 1974
.
Klaagen et Eaton, 1991
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Le Clear Lake
Hunt et Bischoff 1960Calif Fish Game
L’observation d’altérations dans le milieu :Déclin de population d’oiseaux piscivores
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Le déclin des populations de rapace
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Perturbateurs endocriniens et environnement
19401950
1960
1970
1980
1990
2000Féminisation d’oiseaux
et de mammifères par des phyto-oestrogènes et OCs
Hyperplasie thyroïdienne Saumon des grands lacs
Induction d’imposexchez les mollusques
par le TBT
DDE induit une diminution de l’épaisseur
de la coquille (rapaces)
Féminisation d’oiseauxmarins par le DDT
Perturbations de la sexualité des poissons
par des effluentsd’usines de pâte à papier
Reproduction de poissons (HAPs, PCBs)
Reproduction des phoques de mer
Féminisation de poissons
par des effluents
Altération de la reproduction des
alligators par des OCs
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ALLIGATORS DU LAC APOPKA (FLORIDE)
Ä Exposition au DTT et ses métabolites, et au Dicofol
• Anomalie morphologique du pénis• Altérations tissulaires au niveau des gonades (diminution du nombre
de tubes séminifères différenciés)• Ø teneur en testostérone plasmatique (facteur 3)
• Diminution du succès de reproduction– Ø taux éclosion des œufs (5 à 20% contre 60 à 80% en absence de contamination)– Ø viabilité des jeunes d ’un facteur 10
• Déclin d’environ 90% de la densité des juvéniles
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Effet sur les amphibiens
Etude de l‘intersexe Acris crepitansEtude entre 1830 – 1996 Etat de l’Illinois
ß Période d’ utilisation des OCs
ß Période de restriction du DDT
d’après Reeder et al 2005
Période Taux d’intersexe1852 - 1929 1,2 %1930 - 1945 7,5 %1946 - 1959 11,1 %1960 - 1979 6,3 %1980 - 1996 2,7 %
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Contamination des ours polaires par les composés OrganochlorésPCB, HCH, DDE, Dieldrine, …
Muir et al 1998Burgäd et al 2001Etc…
Contamination à longue distance
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Contamination généralisée de l’environnement par les plastiques
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Impact de la contamination sur le développement des ours polaires
Fig. 1. a: Map of the eight polar bear subpopulations included in the present study. NEG: North East Greenland, BB: Baffin Bay, DS: Davis Strait, LS: Lancaster Sound, GB: Gulf of Boothia, FB: Foxe Basin, SH: Southern Hudson, WH: Western Hudson. b: BMD Index (l...
Christian Sonne, Markus Dyck, Frank F. Rigét, Jens-Erik Beck Jensen, Lars Hyldstrup, Robert J. Letcher, Kim Gustavson, M. Thomas P. Gilbert, Rune DietzPenile density and globally used chemicals in Canadian and Greenland polar bearsEnvironmental Research, Volume 137, 2015, 287–291
http://dx.doi.org/10.1016/j.envres.2014.12.026
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Transformation dans les milieux : Exemple des HAP
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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 des mécanismes d’action des effets sur l’ensemble des êtres vivants qui peuplent la biosphère
Ramade 1977
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L’étude du devenir et du cycle des polluants dans les écosystèmes est un point fondamental dans les études écotoxicologiques.
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La modification induite par un polluant dans un processusphysiologique n’est significative que si la valeur sélectivedes individus est modifiée.
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TOXICOLOGIEEffets des produits chimiques sur les individus ou les éléments qui les
composent et plus particulièrement mécanismes des effets nocifs et conditions dans lesquels ils se produisent.
ECOTOXICOLOGIEEtude des polluants dans les écosystèmes
préciser les modalités et mécanisme de la contamination des divers écosystèmes et de la biosphère, leur circulation et leurs transformation biogéochimiques
préciser les effets biocénotiques ainsi que les perturbations qu’ils induisent dans les processus écologiques fondamentaux en particulier ceux qui assurent la productivité biologique des écosystèmes
Des disciplines sœurs mais des finalités différentes
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Des cibles différents
Toxicologie Ecotoxicologie
Individu PopulationCommunautéÉcosystème
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Présence et effetsà différents niveaux d ’organisation biologique
ExpositionDétection dansl’environnement
AbsorptionRépartition tissulaire / Bioaccumulation
MétabolisationDétoxication / Toxication
Ciblesmoléculaires / cellulaires
Élimination Effets non létaux Mortalité
ComportementsDéveloppement - Croissance - Durée de vie - Maladies -Reproduction
Modifications
des caractéristiques des populations (densité - maintien -abondance - distribution - structure d ’âges)
Concentration dans les individus(pharmacocinétique)
Interactionsmoléculaires
Effetsindividuels
Effets sur lespopulations
Altérations de la structure et du fonctionnement des communautés (extinction - dominance - diversité -biomasse - productivité)
Séquence chronologiquedes évènements biologiques affectant les organismes
exposés aux polluants de l’environnement
de la sensibilité(adaptabilité - fitness résistance)
Temps de réponse
Jours
SemaineMois
Année
DécennieEffets sur lesécosystèmes
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Altération du comportement
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Altération anatomique :Hypertrophie des gonades
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Altération anatomique : altération de la croissance des nageoires
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ALTERATIONS MORPHOLOGIQUES INDUITES PAR LE PLOMB CHEZ DES TRUITES
ALTERATION DES CAPACITES DE NAGE
Ø Résistance à la prédationØ Capacité de prédation
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Diminution du prédateur à pullulation de la proie
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Effet de l’acidification sur la diversité spécifique
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Impact sur les pollinisateurs
Traitements aériens forêt New-Brunswick avec du fenitrothium
Diminution de la pollinisation
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Ecotoxicologie
Prévision des conséquences futures que l’on peut attendre de lalibération d’un contaminant déterminé (prévision des effets).
Evaluation de l’importance des atteintes subies par lesécosystèmes à la suite de leur contamination.
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Le contexte de la prédiction des risques écotoxicologiques
La mise sur le marché de substance ou de produits§ Substances chimiques, produits phytosanitaires, Biocides,
Médicaments humains et vétérinaires, cosmétiques, …Les autorisations d’exploitationLa qualité des milieux § DCE et normes de qualité
Classification/étiquetage
Evaluation d’effet àvaleurs de référenceEDR
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Évaluation des effets - PNEC
Données de toxicité de laboratoire. Évaluation des études
Predicted No Effect Concentration
PNEC - (mg/kg or mg/l)
Déterminer l’espèce la plus sensible
(Classification et étiquetage)
Extrapoler
Concentration sans effets innaceptables pour
l’environnement
Facteur de sécurité(incertitude / variabilité)
Méthodestatistique
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Outils de terrainConditions naturelles
Mesocosmes Ecosystème
s naturelles
Canaux Mare/étang
Enclos
ReproductibilitéRépétabilité
Complexité du système expérimentalReprésentativité
Effets directsDevenir
Effets sur les relation inter-spécifiquesEffets indirects
Un continuum d’outils
Outils de laboratoire
Bioessais MicrocosmesTests in vitro
In silico
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Un constat
Des limites nécessitant de faire évoluer les outils§ La non prise en compte des multistress§ La non prise en compte des conditions environnementales§ Une évaluation principalement basée sur les effets directs
+ Directives protection des animaux utilisés à des fins expérimentales en parallèle d’une exigence de plus en plus forte de limitation des risques pour l’environnement
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Interaction agent biologique/agent chimique
Alaux et al 2010
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Un constat
Des limites nécessitant de faire évoluer les outils§ La non prise en compte des multistress§ La non prise en compte des conditions environnementales§ Une évaluation principalement basée sur les effets directs
+ Directives protection des animaux utilisés à des fins expérimentales en parallèle d’une exigence de plus en plus forte de limitation des risques pour l’environnement
Présentation INERIS – 26/09/2015 32
Augmentation du risque de non retour de 3 à 26% quand conditions environnementales deviennent difficiles
Augmentation de 35% en zone bocagère contre 18% en paysage ouvert
Influence des conditions météorologiques et du paysage sur la sensibilité des abeilles au thiaméthoxame
Présentation INERIS – 26/09/2015 33
Un constat
Des limites nécessitant de faire évoluer les outils§ La non prise en compte des multistress§ La non prise en compte des conditions environnementales§ Une évaluation principalement basée sur les effets directs
+ Directives protection des animaux utilisés à des fins expérimentales en parallèle d’une exigence de plus en plus forte de limitation des risques pour l’environnement
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Danio rerio, Exposition à des substances médicamenteuses (Carbamazepine, gemfibrozil)
Effets transgénérationnels
Exposition de couples 6 semaines à 10 µg/l
Collecte des œufs
Développement des jeunes en eau propre jusqu’à la maturité sexuelle
àAltération du comportement de reproductionà Altération de la morphologie et de la mobilité des
spermatozoïdes
Male F1 contrôle x Femelle F1 issues parents exposés
à Pas d’effets sur la production d’œufs
Male F1 issus parents exposés x Femelle F1 contrôle
à Diminution de 50% de la production d’œufs
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Un constat
Des limites nécessitant de faire évoluer les outils§ La non prise en compte des multistress§ La non prise en compte des conditions environnementales§ Une évaluation principalement basée sur les effets directs
+ Directives protection des animaux utilisés à des fins expérimentales en parallèle d’une exigence de plus en plus forte de limitation des risques pour l’environnement
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Des réflexions plus ou moins récentes
SETAC Pellston workshop Forest Grove, Oregon, USA en avril 2009
Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA La Londe les Maures 28-30/09/2009
Initiative Française pour la Recherche en Environnement Santé – feuille de route pour une transition écologique Septembre 2012 Allenvi, Athena et Aviesan
Présentation INERIS – 26/09/2015 37
SETAC : les challenges
Deux challenges: « linkage » et « extrapolation »• Etablir des relations de causalité crédibles • Développer des outils/modèles quantitatifs
d’extrapolation
Présentation INERIS – 26/09/2015 38
Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA 28-30/09/2009 Les besoins en lien avec les Limites spécifiques à un niveau d’organisation particulier
• Au niveau des individus– Acquisition et exploitation des données permettant de caractériser
les interactions au niveau moléculaire– Etablissement des liens entre exposition et modification du
comportement• Au niveau des populations
– Mise en œuvre d’approches de génétique des populations– Prise en compte de la plasticité et de la diversité génétique dans la
réponse aux toxiques– Interprétation des observations expérimentales ou in situ
• Au niveau des communautés– Priorisation des critères d’intérêt (structure ou fonction)– Prise en compte de la phylogénie dans le choix des espèces d’intérêt– Compréhension du rôle du paysage dans la restauration et l’évolution des
communautés impactées• Au niveau des écosystèmes
– Part des effets toxiques et d’autres facteurs de forçage– Prise en compte de l’hétérogéneité spatio-temporelle de la contamination et
des processus écologiques
Présentation INERIS – 26/09/2015 39
Séminaire d’écotoxicologie INEE-INRA 28-30/09/2009Les besoins en lien avec les limites transcendant les niveaux d’organisation
§ Changement d’échelle biologique, spatiale ou temporelle
§ Prise en compte du caractère multifactoriel des stress environnementaux
Présentation INERIS – 26/09/2015 40
IFRES : les objectifs scientifiques
Mieux comprendre et prédire les effets des contaminants et la vulnérabilité des écosystèmes et des populations humaines
Mieux comprendre les expositions multiples et les interactions avec d’autre stress environnementaux: une vision intégrée
Développer la modélisation pour mieux comprendre et prédire
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Quelques pistes
Présentation INERIS – 26/09/2015 42
Intégration des informations : Exemple des Adverse Outcome Pathways (AOP)
AOP = Cadre conceptuel qui assemble les connaissances sur le lien entre un événement moléculaire initiateur et un effet négatif à un niveau pertinent pour l’évaluation du risque.
Mode of Action PathwayModifié d’après Ankley et al., 2010
Présentation INERIS – 26/09/2015 43
Application aux écosystémes
Exemple : Acide domoïqueet
mammifères marins (Villeneuve and
Garcia-Reyero, 2011)
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Les AOPs en cours de développement à l’OCDE
2 documents en cours de développementAOPs linking aromatase inhibition, androgen receptor agonism, estrogen
receptor antagonism, or steroidogenesis inhibition, to impairement reproduction in small repeat-spawning fish species
AOPs for Nonpolar Narcosis1 étude de casAOPs Case studies using aquatic organisms
Présentation INERIS – 26/09/2015 45
La modélisation pour le changement d’échelle
§ Echelle de gestion du risque écotoxicologique :
populations et communautés (sauf espèces menacées)
§ Echelle d’étude des effets écotoxicologiques : les individus
§ Extrapolation des effets entre les niveaux d’organisation
biologique : complexe et non linéaireð La modélisation permet d’établir le lien entre différentes échelles:
– L’échelle de mesure (individu)– L’échelle de pertinence protectrice (population)– L’échelle de pertinence toxicologique (système endocrinien + dynamique énergétique)
Schéma Adams 2002
Par rapport aux méthodes descriptives et/ou strictement statistiques : – Tester différents scénarios et hypothèses– Prédire les conséquences des effets dans différents états écologiques– Identifier les variables biologiques les plus pertinentes
Présentation INERIS – 26/09/2015 46
Modèle dynamique de population individu-centré poisson zèbre
§ Prédiction de la dynamique en absence de perturbation similaire aux observations ‒ Prise en compte les facteurs écologiques les plus importants‒ Basé sur un modèle de type « dynamic energy budgets» (DEB)‒ Comparé à deux jeux de données de la littérature
Schéma de l’algorithme du modèle
Présentation INERIS – 26/09/2015 47
Prédiction de l’effet de l’EE2 sur la dynamique de population
§ Exposition d’une population pendant 3 ans à 5 ng/L EE2, puis 2 années de récupération§ Protocol expérimental suivi par Kidd et al 2007 (très fort impact sur l’effectif de la
population)
Ä Flèches rouges : effets intégrés dans le modèleÄ Exemple d’effet sur les processus individuels
définis à partir de la littérature
Présentation INERIS – 26/09/2015 48
QSAR :Quantitative Structure Activity Relationship
STRUCTURE MOLECULAIRE
ACTIVITE OU PROPRIETE
BIOLOGIQUE
MODELE STATISTIQUE
Les modèles QSAR identifient et quantifient, par le biais d ’un modèle statistique, lespropriétés physicochimiques d’une molécule en fonction de son activité biologique outoxicologique.
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Un des modèles QSAR les plus simples décrit les propriétés d’une sériede molécules dont l ’effet biologique varie en fonction d ’un seulparamètre : LogP (coefficient de partition eau/octanol):
Dans ce cas, le but de l’analyse QSAR est de calculer l ’équation derégression linéaire entre l ’activité et LogP. Cette équation rend possiblela prévision de l ’activité pour un composé dont la valeur de LogP estconnue.
Log P
QSAR : un exemple monoparamétrique
Activité
Biologique
Présentation INERIS – 26/09/2015 50
Read across
Cette méthodologie prédictive se base sur l’utilisation d’informations toxicologiques relatives à une (ou plusieurs) substance(s) afin de prédire la toxicité pour une autre substance qui est considérée comme un "analogue structurel".
Le « read-across » peut être appliqué pour prédire (de façon qualitative ou quantitative) les propriétés physico-chimiques et (eco)toxicologiques
Le « read-across » peut être considéré comme un QSAR dont la formalisation mathématique est moins rigoureuse que celle relative aux modèles QSAR (ex. validation statistique)
Les arguments mécanistes ont un poids particulièrement important lors de la validation d’une approche « read-across »
Présentation INERIS – 26/09/2015 51
Les Omics : différents niveaux de réponse
Présentation INERIS – 26/09/2015 52
Omics et signature d’effets toxiques
Le développement de biomarqueurs n’a pas attendu les « omics » : adduits à l’ADN, mesures biochimiques, marqueurs d’exposition.
Les approches structure activité permettent déjà de définir des signatures moléculaires d’effets.
Les plus :
Les omics peuvent donner lieu à une interprétation plus mécaniste.
Les omics devraient permettre d’accroitre le nombre de biomarqueurs, en ayant en outre une spécificité vis-à-vis de certaines classes de polluants.
Présentation INERIS – 26/09/2015 53
Stratégies de tests intégrés
POSITIF APRES TEST 1?OUI
NO
STOP
POSITIF APRES TEST 2?
POSITIF APRES TEST 3?
La molécule a un potentielcommercial certain
NO
NO
OUISTOP
OUISTOP
Un effetsignificatifarrête la stratégie de test
Exemple Grindon et al. ATLA (2008) 36, 65-80
Présentation INERIS – 26/09/2015 54
Stratégies optimales en écotoxicologie
• L’évaluation du risque écotoxicologique nécessite l’obtention d’informations toxicologiques sur les poissons, les algues et les daphnies.
• Le test poisson est le plus coûteux et le plus « sensible » du point de vue de la souffrance animale.
• Une stratégie simple consiste à effectuer les tests algues et daphnies, de dériver un seuil, puis de tester le poisson exposé à ce seuil. En cas d’effet significatif, on expose le poisson à une concentration 3 fois plus faible, etc.
=> Cette stratégie permet de diviser par deux le nombre de poissons utilisés.
Présentation INERIS – 26/09/2015 55
En conclusion : les évolution dans la prévision
La prise en compte du mécanisme d’action toxiqueL’utilisation d’approches intégréesLe développement de la modélisationL’utilisation de méthodes dites alternatives en particulier in silico et
in vitro
Présentation INERIS – 26/09/2015 56
Surveillance de la qualité de l’environnement de la surveillance chimique à la surveillance des effets
Détection et quantification des polluants
§ Le recours à l ’analyse chimique ne permet pas de quantifier simultanément tous les contaminants présents dans un échantillon
§ Ne permet pas d ’évaluer les effets sur les organismes vivants et l ’écosystème§ Effets toxicologiques de certains contaminants peuvent varier en fonction de leur forme
chimique, de l’existences d’interactions entre contaminants, …
Approche biologique
§ Bio Indicateurs• « Espèces ou groupes d ’espèces, qui par leur présence et/ou leur abondance,
sont significatifs d ’une ou de plusieurs propriétés de l ’écosystème dont ils font partie »
§ Biomarqueurs
Présentation INERIS – 26/09/2015 57
Utilisation des biomarqueurs
Définition : « Changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui révèle l ’exposition présente ou passé d’un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant »
Marqueursbiochimiques
Mode d ’action des toxiques
Gestion des milieux aquatiques
Présentation INERIS – 26/09/2015 58
Biomarqueurs ….
Présence depolluants dans
le milieu
Présence depolluants dansl’organisme
Réponse de l’organisme aux
polluants
Réponse des populationsou des communautés
aux polluants
Méthodesanalytiques
Biomarqueursd’exposition
Biomarqueursd’effets
Évaluation d ’effets auniveau des populationsou des communautés
Exposition Sensibilitéindividuelle
Sensibilité des populationsou des communautés
Présentation INERIS – 26/09/2015 59
Présence et effetsà différents niveaux d ’organisation biologique
ExpositionDétection dansl’environnement
AbsorptionRépartition tissulaire / Bioaccumulation
MétabolisationDétoxication / Toxication
Ciblesmoléculaires / cellulaires
Élimination Effets non létaux Mortalité
ComportementsDéveloppement - Croissance - Durée de vie - Maladies -Reproduction
Modifications
des caractéristiques des populations (densité - maintien -abondance - distribution - structure d ’âges)
Concentration dans les individus(pharmacocinétique)
Interactionsmoléculaires
Effetsindividuels
Effets sur lespopulations
Altérations de la structure et du fonctionnement des communautés (extinction - dominance - diversité -biomasse - productivité)
Séquence chronologiquedes évènements biologiques affectant les organismes
exposés aux polluants de l’environnement
de la sensibilité(adaptabilité - fitness résistance)
Temps de réponse
Jours
SemaineMois
Année
DécennieEffets sur lesécosystèmes
Présentation INERIS – 26/09/2015 60
Exemple d’utilisation : Cartographie de l’intersexualité chez les cyprinidés des cours d’eau français
L’intersexualité chez le poisson
- Marqueur reconnu de la perturbation endocrinienne chez le poisson
- Prédictif de la perte de biodiversité (Kidd et al., 2007)
Présentation INERIS – 26/09/2015 61
- Intersexe sur de nombreux sites- Proportions variables (4 à 38 %)
Présentation INERIS – 26/09/2015 62
GoujonVairon