DAVID Long Principes et bases de l'écotoxicologie

Introduction à l'Écotoxicologie

L'écotoxicologie est une discipline scientifique qui étudie les effets toxiques des substances naturelles ou des polluants d'origine synthétique sur les constituants des écosystèmes (animaux, plantes et microbes) dans un contexte intégré. Elle combine les principes de l'écologie et de la toxicologie pour comprendre l'impact des polluants sur les organismes vivants et leur environnement.

Définitions Fondamentales

• Écologie : Étudie les relations des êtres vivants entre eux et avec leur environnement.

• Toxicologie : Étudie les effets néfastes des agents chimiques sur les organismes vivants.

• Écotoxicologie : Branche de la toxicologie introduite par le Pr. R. Truhaut en 1969 et le Pr. J.-M. Jouany en 1971. Elle englobe le champ des études qui intègrent les effets écologiques et toxicologiques des polluants chimiques dans les écosystèmes, en considérant le devenir (transport, transformation, dégradation) de ces polluants dans l'environnement (Forbes, 1994).

• Toxicologie environnementale : À ne pas confondre avec l'écotoxicologie ; elle se concentre sur les effets des substances présentes dans l'environnement sur l'Homme et les modalités de contamination.

La Notion de Dose

« Seule la dose fait le venin »

• Cette notion, introduite par Paracelse, souligne que des substances peuvent être toxiques à fortes concentrations, mais ne pas l'être à faibles concentrations, ou vice-versa.

• C'est la dose (concentration) d'une substance qui définit sa toxicité.

Pollution et Polluants

La pollution est une altération de l'environnement, causée par diverses substances, déchets ou nuisances.

Types et Catégories de Polluants

• Pollution : Altération/modification de l'environnement par des substances, des déchets ou des nuisances diverses.

• Polluants et contaminants : Éléments dont la concentration est anormalement élevée par rapport à une référence.

  • Polluant : Induit des dommages réels à l'environnement.

  • Contaminant : Anormalement présent sans avoir forcément un effet nocif.

• Xénobiotique : Substance organique ou inorganique d'origine anthropique qui possède des propriétés toxiques même à très faibles concentrations.

Les polluants peuvent être classés selon leur nature :

• Polluants chimiques

• Polluants physiques

• Polluants biologiques

Ils peuvent être d'origine naturelle ou artificielle.

Objectifs et Démarche de l'Écotoxicologie

L'écotoxicologie vise à comprendre et à prévenir les risques environnementaux liés aux pollutions.

Principes Fondamentaux

1. Identification des polluants dans les écosystèmes.

2. Étude des voies de transfert des polluants et leurs interactions avec l'environnement.

3. Étude des modalités et modes de contamination.

4. Étude des effets toxiques des agents chimiques ou physiques à différents niveaux d'organisation biologiques (molécule, tissu, organe, individu, populations, communautés, écosystèmes) et des mécanismes d'actions des polluants.

Les étapes 1, 2, 3 sont descriptives, tandis que l'étape 4 est explicative. Ces approches permettent l'évaluation du risque environnemental.

Les Niveaux d'Organisation Biologique Étudiés

• Sub-individu : molécule, tissu, organe

• Individu

• Populations

• Communautés écosystèmes

Finalités et Applications

• Étudier l'impact des polluants sur les écosystèmes.

• Corriger ou prévenir les risques environnementaux liés à ces pollutions.

Les objectifs de l'écotoxicologie sont multiples :

• Scientifiques : Organiser la connaissance sur le devenir et les effets des contaminants sur la biosphère.

• Techniques : Développer et appliquer des outils et des méthodes pour une meilleure connaissance du devenir et des effets des contaminants.

• Pratiques : Appliquer les connaissances et technologies disponibles pour résoudre des problèmes spécifiques.

Problématiques Scientifiques et Aspects Réglementaires

• Criblage (screening) des substances.

• Évaluation des effets et des risques, menant à la classification et à l'étiquetage des substances chimiques.

• Définition de critères de qualité environnementale et de limites maximales de rejets basées sur la toxicité.

• Évaluation de l'écotoxicologie potentielle des rejets et surveillance générale de l'environnement, incluant le contrôle des rejets.

Biodisponibilité des Polluants

La biodisponibilité est la capacité de certaines formes d'un polluant chimique à franchir les barrières biologiques d'un organisme.

Niveaux de Biodisponibilité

• Formes biodisponibles : Fraction d'une substance chimique qui sera disponible pour interagir avec les tissus d'un organisme.

• Disponibilité environnementale : Polluants potentiellement absorbables.

• Biodisponibilité environnementale : Polluants disponibles qui pénètrent dans l'organisme.

• Biodisponibilité toxicologique : Polluants internes conduisant à une réponse biologique.

Facteurs Influençant la Biodisponibilité

Les facteurs qui influencent la biodisponibilité peuvent être environnementaux ou liés aux propriétés du polluant et de l'organisme.

Facteurs liés à l'environnement :

• Type d'environnement.

• Distribution/taille des particules du milieu concerné.

• Présence de matière organique (MO).

• Potentiel redox.

• Forme et propriétés du polluant.

• pH du milieu. Par exemple, un pH acide augmente la forme ionique du zinc, qui est plus toxique, augmentant ainsi la biodisponibilité de sa toxicité potentielle.

• Salinité.

• Dureté.

• Température.

• Composition ionique du milieu.

• Activité microbienne (peut modifier les formes chimiques du milieu).

Facteurs liés à l'écologie de l'espèce :

• Type d'alimentation.

• Habitat.

• Capacités enzymatiques de défense contre la contamination.

• Mode de croissance (ex : mues successives).

• Stade de vie/développement.

Exemple : Biodisponibilité et écologie de l'espèce chez deux crustacés amphipodes

Devenir des Polluants dans l'Environnement

Les polluants subissent diverses transformations dans l'environnement.

Processus Physico-Chimiques

• Réactions acido-basiques et redox dans les sols et l'eau.

• Hydrolyse : Concerne les molécules solubles dans l'eau.

• Oxydation, réduction.

• Dégradation photochimique : Liée à l'absorption de photons par les molécules excitées. Peut être directe ou indirecte.

  • Dissociation (photolyse) : conduit à des composés plus petits.

  • Association avec d'autres molécules (phototransformation).

• Exemple : Dégradation directe des carbamates sous l'action des UV.

Biodégradation et Métabolisme

La biodégradation est un processus essentiel qui limite la persistance des polluants dans l'environnement.

• Biodégradation ou métabolisation : Processus réalisé par des micro-organismes du sol et de l'eau. La métabolisation par les plantes et les animaux est appelée biotransformation.

• Liée à l'activité de micro-organismes, possible dans tous les milieux, concerne la plupart des molécules.

• Une seule souche bactérienne ne peut pas dégrader tous les xénobiotiques. Cependant, les bactéries peuvent apprendre à biodégrader de nouvelles molécules.

• Nécessite la présence de bactéries capables de dégrader dans le milieu considéré.

• Recon

naissance de la molécule et induction enzymatique, avec une phase de latence de quelques minutes à quelques jours.

Conditions de Biodégradation

• Présence d'une flore de dégradeurs.

• Concentration suffisante du contaminant.

• Biodisponibilité du contaminant.

• Génome permettant la synthèse d'enzymes.

• Conditions du milieu optimales : température, humidité, pH, matière organique.

• Présence d'accepteurs d'électrons (O₂, N₂O, SO₂, molécules organiques...).

Le nouveau substrat doit :

• Ne pas conduire à la formation de produit toxique.

• Être utilisable comme source de carbone et/ou d'énergie.

Les processus de dégradation diffèrent selon les conditions :

• Dégradation aérobie : α ou β oxydation.

• Dégradation anaérobie : déshalogénation réductive.

Rôle de la Chaîne Respiratoire Bactérienne

Essentielle pour la vie cellulaire et la biodégradation.

• Fournit de l'énergie à la cellule bactérienne.

• Nombreuses réactions redox, libération d'électrons.

• Les électrons sont transportés jusqu'à un accepteur final.

• Ces processus permettent : l'élimination des électrons, le rejet des protons pour maintenir le gradient, et la libération d'énergie pour la synthèse de l'ATP.

Types de Biodégradation

• Biodégradation complète (ultime) : Formation de biomasse et de produits finaux (CH₄, CO₂, H₂O, dérivés minéraux) à partir d'une substance chimique (minéralisation).

• Biodégradation partielle (primaire) :Perte de l'identité chimique du produit initial et production de certains produits finaux non complètement minéralisés.

Facteurs influençant la biodégradabilité des molécules

• Composition élémentaire.

• Structure des unités de base répétées.

• Liaisons entre les unités.

• Degré de branchement de la molécule (linéaire, ramifié...).

• Exemple : L'amidon et le glycogène (liaisons ) sont faciles à dégrader, contrairement à la cellulose (liaisons ).

Biodégradation des Hydrocarbures

• Les dégradeurs d'hydrocarbures sont ubiquistes dans l'environnement.

• La biodégradation est principalement aérobie, avec l'O₂ comme réactif direct (oxygénases).

• Méthane : Dégradé par des micro-organismes spécialisés C₁ (méthanotrophes).

• Aliphatiques (ex : hexane) :

  • C₄ (méthane à butane) : gaz.

  • > C₉ : potentiellement toxiques, biodégradables, relativement volatils.

  • C₁₀ à C₂₄ : facilement biodégradés.

  • > C₂₄ : biodégradation plus faible en raison de leur structure branchée.

• Les composés insaturés (alcynes, alcènes) sont plus rapidement dégradés que les saturés (alcanes).

• Inclut aussi l'acétylène, l'éthylène, l'éthane, les aromatiques et les alicycliques.

Les hydrocarbures aromatiques :

• Monoaromatiques : Benzène, éthylbenzène, xylène (BTEX).

• Polyaromatiques (HAP) : Naphtalène.

Mécanismes de dégradation des composés aromatiques :

• Oxygénases (di- ou mono-) : Étapes initiales conduisant aux catéchols et protocatéchuate.

• Ensuite, le cycle est clivé :

  • Entre les groupes hydroxyles (ortho-fission).

  • À côté des groupes hydroxyles (méta-fission).

• Formation de composés entrant dans le métabolisme central (cycle de Krebs).

Dégradation anaérobie des hydrocarbures :

• Réduction puis clivage, acides gras -oxydés en acétyl-CoA.

• L'oxygène provient de l'eau.

• Les BTEX sont lentement biodégradés.

• Les mono-carbures peuvent être dégradées par ce type de voie.

Déhalogénation Réductive

• En conditions anoxiques (sans oxygène) et très réductrices.

• Chaque étape de déhalogénation nécessite des électrons et des protons.

• Les micro-organismes les plus efficaces sont capables d'halo-respirer.

Influence de la Structure Moléculaire sur la Persistance

• La présence de groupements halogénés peut augmenter la persistance.

• Exemple : Le 2,4-D est dégradé en environ 4 semaines, tandis que le 2,4,5

-T (qui a un chlore supplémentaire en C5) prend environ 20 semaines, illustrant une persistance multipliée par cinq.

Types de Biodégradation Spécifiques

• Cométabolisme : Biodégradation d'un xénobiotique ne s'opérant qu'en présence obligatoire d'un autre substrat (cosubstrat) extracellulaire ou endogène, autorisant la croissance cellulaire.

• Métabolisme simultané : Deux substances sont simultanément biodégradées et utilisées comme source de carbone et d'énergie par une seule espèce bactérienne.

• Polyauxie : Les bactéries se multipliant dans un mélange de molécules organiques peuvent dégrader simultanément certaines molécules ou favoriser la dégradation de certaines.

• Attaque synergique : Certains composés ne peuvent subir une dégradation ultime que par l'action successive de plusieurs bactéries.

Effets des Métaux sur la Biodégradation

• Toxicité pour les bactéries, notamment pour Ag et Hg.

• Les métaux peuvent inhiber la nitrification, la minéralisation du carbone, et des activités enzymatiques spécifiques (ex : Ni).

• Le Hg (méthylation, déméthylation) et d'autres métaux (Se, As) changent d'état d'oxydation sous l'influence des micro-organismes selon les conditions redox.

• Cependant, les métaux ne peuvent pas être biodégradés au sens strict du terme.

Transfert et Devenir des Polluants dans les Organismes

Entrée et Excrétion des Polluants

• L'entrée dépend du contaminant, de l'environnement, du type de contact et de l'espèce.

• L'excrétion dépend du métabolisme, du stockage et du contaminant.

Barrières Biologiques

Les organismes possèdent des systèmes pour limiter la pénétration des xénobiotiques.

• Tractus gastro-intestinal.

• Organes respiratoires.

• Peau/tégument.

• Derme ou phanères.

• Couches protéiques plus ou moins denses.

• Mucus.

• Épithéliums plus ou moins épais.

Caractéristiques des Membranes Biologiques

• Interfaces entre le milieu extérieur et le milieu intérieur.

• Limitent la déshydratation, l'entrée de l'eau, la perte d'ions, et la pénétration des contaminants.

• L'eau passe difficilement.

• Très perméables aux petites molécules polaires non chargées (ex: urée, éthanol).

• Presque imperméables aux substances de poids moléculaire > 100 g/mol.

• Très imperméables aux molécules chargées (double couche lipidique hydrophobe).

• Molécule sous forme ionisée : diffuse peu ou pas.

• Molécule sous forme non-ionisée : diffuse rapidement.

• Rôles cruciaux dans l'homéostasie cellulaire, mais peuvent laisser entrer les toxiques.

Modes de Transport à Travers les Membranes Cellulaires

Transports Passifs (sans énergie, selon le gradient de concentration)

• Diffusion simple :

  • Très petites molécules (< 100 g/mol).

  • Petites molécules polaires non chargées (gaz dissous, urée, éthanol, glycérol, H₂O).

  • Molécules hydrophobes, non ionisées (molécules organiques non polaires : PCBs, HAPs, acides et bases faibles sous forme protonée).

• Diffusion facilitée :

  • Protéines de transport spécifiques (canaux sélectifs) non consommatrices d'énergie.

  • Permet le passage de molécules non hydrophobes.

  • Transporteurs pour métaux essentiels (Fe, Cu, Zn), appelés DMT (transporteurs de métaux divalents).

  • Pas de canaux spécifiques pour les xénobiotiques, mais certains toxiques (Hg, Cd, Pb) peuvent utiliser les DMT par phénomène de mimétisme.

  • Exemple de mimétisme :

    • PO₄⁻ monovalent laisse passer arsénate (AsO₄⁻), vanadate (VO₄⁻).

    • Sulfates laissent passer sélénates, molybdates, chromates.

    • Ca²⁺ laisse passer Cd²⁺.

  • Conjugaison de métaux par l'organisme (ajout de thiol -SH) : pris en charge comme des acides aminés ou polypeptides.

Transports Actifs (avec énergie, contre le gradient de concentration)

• Protéines de transport spécifiques.

• Permet le passage d'une molécule contre le gradient de concentration.

• Nécessite de l'énergie.

• Exemples :

  • Phagocytose (digestion microbienne par les lysosomes).

  • Endocytose :

    • Molécules qui n'entrent pas dans la cellule en traversant la membrane.

    • Implique une invagination de la membrane cellulaire.

    • Plus ou moins sélective, parfois via des récepteurs.

    • Exemples de particules transportées : dioxyde d'uranium, amiante, nanoparticules de plastique.

    • Également médiée par récepteurs pour le transport des métaux (protéines liant le fer : transferrine, ferritine, lactoferrine).

Adsorption aux Surfaces

• Liaison d'une substance sur une surface par des forces électrostatiques ou moléculaires.

• Contribue à la « charge générale de l'organisme ».

• Peut modifier les fonctions épithéliales (échange, sécrétion, mouvement ciliaire, mucus).

• Protection chimique (mucus, kératine) et mécanique (jonctions intercellulaires).

• Contribue peu ou pas à la toxicité réelle.

Transport des Métaux

• Voie lipidique : Rôle limité, sauf pour le Hg qui peut diffuser sous forme de chlorocomplexe neutre (HgCl₂) ou de mercure méthylé (MeHg).

• Voie aqueuse :

  • Diffusion simple par les canaux Ca²⁺ (peuvent transporter Zn²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺).

  • Diffusion facilitée par les transporteurs de métaux divalents (Fe²⁺, Zn²⁺), transportant également Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺ par mimétisme moléculaire avec MeHg-L-cystéine et méthionine.

Distribution des Xénobiotiques dans l'Organisme

Une fois absorbés, les xénobiotiques sont distribués par le système circulatoire.

• Dans l'organisme, la distribution des xénobiotiques se fait via le système circulatoire (sang, lymphe, sève chez les plantes) et des transporteurs tels que les macromolécules circulantes.

• La distribution varie selon :

  • Spéciation chimique du contaminant.

  • Solubilité dans les graisses (hydrophilie/hydrophobie).

  • Facilité à traverser les membranes.

  • Liaison/dissolution dans les différents sites de stockage (graisses, foie/hépatopancréas, os).

Transporteurs Sanguins (chez les vertébrés)

• Albumine : Représente 60% de la charge protéique plasmatique chez l'Homme, transporte de nombreuses molécules, y compris les xénobiotiques inorganiques et organiques.

• Systèmes spécifiques de transport et de stockage :

  • Transferrine : Glycoprotéine de 76 kDa, transporte le fer dans le plasma.

  • Ferritine : Protéine de réserve et de détoxication.

Transport Sanguin chez les Invertébrés

• Système circulatoire clos ou ouvert.

• Hémolymphe : Rôle dans le transport des éléments minéraux et organiques.

• Hémocyanine : Pigment respiratoire pour le transport d'O₂.

Transport de la Sève chez les Plantes

• Xylème : Pour les contaminants entrés par voie racinaire.

• Phloème : Pour les contaminants entrés par voie foliaire.

La rapidité de cette étape dépend du débit sanguin, de la vitesse de diffusion vers les cellules des tissus et de l'affinité du toxique pour le tissu.

Stockage des Toxiques

Les toxiques peuvent être stockés dans différents organes et tissus.

• Dans le foie/hépatopancréas et les reins/néphridies (organes épurateurs/filtrateurs) :

  • Captage rapide des toxiques.

  • Ligandine (foie) : Grande affinité pour les acides organiques.

  • Métallothionéine : Grande affinité pour les métaux comme le Cd et le Zn.

• Dans les graisses : Les xénobiotiques liposolubles (ex : DDT, PCB) s'accumulent dans les graisses et le tissu adipeux. Le stockage réduit la concentration dans les organes cibles.

• Dans les os et les cuticules : Stockage de Pb, F, Sr dans la matrice osseuse. Le Pb n'est pas toxique pour l'os, mais le F et le Sr peuvent causer fluorose ou ostéosarcomes.

Bioconcentration, Bioaccumulation et Bioamplification

• Bioaccumulation : Capacité des organismes à absorber des contaminants chimiques.

• Bioconcentration : Accumulation du polluant à partir du milieu ambiant (eau, air). Se traduit par une concentration du polluant dans l'organisme supérieure à celle du milieu ambiant (). Concerne les voies respiratoire et transcutanée/trans-tégumentaire.

  • Facteur de bioconcentration (BCF) : .

• Bioaccumulation : Accumulation du polluant à partir du milieu ambiant et via la nourriture. Concerne les voies alimentaire, respiratoire et transcutanée/trans-tégumentaire.

  • Formule : Prise – (métabolisme + excrétion).

Facteurs affectant la bioaccumulation :

• Mode et niveau d'absorption de la substance.

• Vitesse d'élimination.

• Mode de transformation de la substance dans l'organisme.

• Teneur en gras de l'organisme.

• Reproduction et migration vers les zones contaminées.

• Âge de l'organisme.

• Autres facteurs environnementaux, biologiques et physiques.

Caractéristiques chimiques agissant sur la bioaccumulation :

• Kow (coefficient de partage octanol-eau)

• Charge ionique

• Taille de la molécule

• Bioamplification (ou biomagnification) : Accroissement de la concentration de toxique le long de la chaîne alimentaire.

  • Facteur de biomagnification (BMF) : .

  • Entraîne des conséquences graves (échec reproductif, problèmes immunitaires, altération du système nerveux, mort).

  • Ne concerne généralement pas les métaux sous leur forme inorganique.

  • Exemple : Amplification du mercure sous sa forme méthylée.

Biotransformation et Excrétion des Xénobiotiques

La biotransformation est l'ensemble des réactions biochimiques qui modifient un composé chimique.

La Biotransformation (ou Métabolisme)

• Ensemble de réactions biochimiques réalisées par des organismes vivants sur un composé chimique.

• Détermine le devenir des xénobiotiques dans un organisme.

• But : faciliter l'élimination des substances lipophiles en les rendant hydrophiles.

• Conséquence : transformation d'un composé chimique en un autre, et changements des caractéristiques des molécules, qui peut entraîner :

  • Détoxication : Production de formes moins toxiques.

  • Activation métabolique : Conversion des xénobiotiques en formes toxiques plus actives (bioactivation).

• La biotransformation n'est pas possible pour les métaux, bien qu'il existe des oxydases et réductases modifiant leur forme et biodisponibilité. La méthylation (ex: Hg) peut rendre un métal plus toxique, tandis que pour l'As, elle facilite l'excrétion.

Rôle du Métabolisme

• Réduit la quantité de formes biologiquement actives (ex: Métallothionéines, glutathion).

• Recyclage des substrats endogènes pour maintenir l'homéostasie.

• Facilite l'élimination des tissus et l'excrétion des molécules organiques en augmentant leur hydrosolubilité.

• Neutralise les groupements réactifs.

• Les séries de réactions enzymatiques forment des métabolites plus polaires, plus hydrophiles, de poids et de taille réduits.

Conséquences de la Biotransformation

• Diminution de la demi-vie biologique des molécules.

• Diminution de la durée d'exposition des composants cellulaires.

• Limitation de l'accumulation des composés.

• Modification de la réactivité biologique et de sa durée.

Phases de la Biotransformation

La biotransformation se déroule en plusieurs phases compartimentées au niveau cellulaire.

• Phase I : Se produit principalement dans le réticulum endoplasmique (foie et hépatopancréas).

  • Ajout de groupes fonctionnels polaires (-COOH, -OH, -NH₂) pour augmenter la polarité et le caractère hydrosoluble de la molécule.

  • Catalysée par des oxydases, réductases, hydrolases, etc.

  • Entraîne une modification structurale augmentant la réactivité de la molécule et modifiant son activité biologique et sa toxicité (réduction le plus souvent).

  • Permet la phase II.

  • Types de réactions :

    • Oxydation : Réaction la plus courante, addition d'oxygène. Implique les Cytochromes P-450s (CYP) et les flavine monooxygénases (N, S-oxydation).

    • Réduction : Réaction moins courante, addition d'hydrogène. Catalysée par des réductases.

    • Hydrolyse : L'eau interagit avec le substrat (esters, amines). Catalysée par des hydrol

ases, estérases.

• Le système multienzymatique des MFO (Mixed Function Oxygenase) :

• Enzymes les plus communes de phase I.

• Réaction d'oxydation : RH + NADPH + O₂ + H² → ROH + NADP⁺ + H₂O.

• L'enzyme majoritaire est le Cytochrome P450.

• Cytochrome P450 :

  • Hémoprotéine associée au Fe³⁺.

  • Impliquée dans l'oxydation de composés endogènes et exogènes.

  • Large gamme de substrats.

  • Fortes concentrations dans le réticulum endoplasmique.

  • Existe sous plusieurs formes (74 familles), dont des formes inductibles.

  • Présente dans tous les tissus.

  • Les capacités de biotransformation sont variables selon les organismes, entraînant des toxicités différentes. (Exemple : Malathion, oxydé en malaoxon toxique chez les insectes, et détoxifié par phosphatase et estérase chez les mammifères).

• Phase II : Se produit dans le réticulum endoplasmique et le cytosol.

• Accroît la polarité de la molécule par l'ajout d'un composé polaire au groupe fonctionnel.

• Réactions de conjugaison, catalysées par des transférases.

• Les molécules intervenant dans les conjugaisons sont :

  • Acide glucuronique (UDPGA) → glucuronoconjugaison.

  • Sulfate (PAPS) → sulfoconjugaison.

  • Acétate (Acétyl CoA) → N-acétyl conjugaison.

  • Glutathion → glutathion-conjugaison.

  • Cystéine, glycine, glutamine → conjugaison aux acides aminés.

• Le complexe formé est facilement éliminé.

• Concerne majoritairement la bioinactivation (détoxication), mais il existe des exceptions (toxication).

Phase III : Élimination

L'élimination des métabolites hors de la cellule est facilitée par des pompes membranaires spécifiques.

• Présence de pompes membranaires particulières, qui prennent en charge les métabolites conjugués.

• Rejet à l'extérieur de la cellule (bile, urine, sang).

• Ces pompes appartiennent au système MXR (Multixenobiotic Resistance), incluant la P-glycoprotéine (Pgp).

Voies d'Excrétion

• Animaux : Urine, fèces, respiration/transport branchial, coquille, corne, ongles, poils, peau/tégument, salive, sueur, lait, bile, mue.

• Plantes : Lessivage, évaporation, perte des feuilles, broutage (herbivores).

La voie d'élimination dépend de la taille et de la polarité des composés :

• Petits composés hydrophiles : éliminés par les branchies et l'urine.

• Petites molécules lipophiles (< 300 Da) : éliminées par l'urine.

• Grosses molécules lipophiles, composés conjugués (> 300 Da) : bile → fèces.

Une diminution de la concentration d'un contaminant sans perte réelle de contaminant peut se produire par dilution due à la croissance de l'organisme (si pas de nouvelle contamination).

Processus de Détoxication et d'Induction Génique

Dans une cellule hépatique, un xénobiotique peut être métabolisé et éliminé, ou induire des réponses géniques.

• Le xénobiotique pénètre dans la cellule par le sang.

• Il est pris en charge par les mécanismes de biotransformation de phase I et II, produisant un métabolite plus facilement éliminé.

• Des réactions de phase III (pompes membranaires) éliminent les métabolites de la cellule.

• Les xénobiotiques peuvent se lier à des récepteurs comme AhR (aryl hydrocarbon receptor) et ARNT (aryl hydrocarbon nuclear translocator).

• Le complexe xénobiotique-récepteur se lie à un DRE (dioxin response element) dans le noyau, induisant la transcription de gènes d'intérêt.

• L'ARNm retourne au cytoplasme et est traduit en protéine, pouvant activer des systèmes de détoxification.

Toxicité des Polluants et Risques Environnementaux

La toxicité est la capacité d'un polluant à perturber le métabolisme, pouvant entraîner des troubles physiologiques ou la mort.

Facteurs d'Influence de la Toxicité

• Espèce.

• Sexe, âge, état physiologique, état de santé.

• Dose d'exposition et temps d'exposition.

• Effets synergiques ou antagonistes des polluants (effets de mélange).

Types de Toxicité en Fonction du Temps d'Exposition

Mécanismes de Toxicité des Métaux

• Interférences dans les voies de signalisation intracellulaire et dans le métabolisme du Ca²⁺.

• Stress oxydant.

• Interférence dans la transcription, la traduction et la réparation de l'ADN.

• Substitution des métaux essentiels dans les centres actifs des enzymes.

Effets de Mélange (Cocktail de Polluants)

• Additivité : La toxicité du mélange A et B est similaire à la somme des toxicités individuelles (Ex: ).

• Antagonisme : La toxicité du mélange A et B est inférieure à la somme des toxicités individuelles (Ex: ).

  • Antagonisme fonctionnel : A et B ont des effets physiologiques opposés.

  • Antagonisme chimique : Combinaison de A et B forme un complexe moins toxique.

  • Antagonisme de disposition : A affecte la prise, le transport ou l'élimination de B.

  • Antagonisme au niveau des récepteurs (compétitif) : A et B se lient au même récepteur, chacun bloquant la toxicité de l'autre.

• Synergie : La toxicité du mélange A et B est supérieure à la somme des toxicités individuelles (Ex: ).

  • Exemple : Effet synergique des PCBs et du méthyl-mercure sur les fonctions cérébrales des oiseaux (diminution du neurotransmetteur).

• Potentialisation : Un composé non toxique B accroît la toxicité d'une molécule toxique A dans le mélange (Ex: ).

  • Exemple : Impact des pyréthrinoïdes de synthèse chez les insectes ou l'accroissement de la toxicité des organochlorés.

Le Phénomène d'Hormèse

Il décrit une réponse biphasique des organismes aux substances toxiques.

• Faible dose → stimulation.

• Forte dose → inhibition.

• La zone hormétique se caractérise par une stimulation maximale (30 à 60% supérieure au témoin) et un écart à la CSEO (Concentration Sans Effet Observable).

• Mécanisme : Activation des systèmes de réparation, de détoxication, de maintenance cellulaire, et surplus de défenses immunitaires.

Modes d'Action des Xénobiotiques

• Structures très conservées : de nombreux effets toxiques sont communs à tous les organismes et tissus cibles.

• Effets non spécifiques : Réagissent indistinctement avec toutes sortes de biomolécules.

  • Interactions ioniques (électrostatiques).

  • Liaisons covalentes (causent des dommages et ont un caractère irréversible).

  • Dommages membranaires (affectent les communications cellulaires).

• Effets très spécifiques : Sur une cible moléculaire particulière.

• Les composés réactifs et multifonctionnels peuvent présenter de multiples mécanismes d'action.

Pour déterminer le mode d'action, il faut combiner la classe d'effet (spécifique/non spécifique) et le site d'action (membrane, protéine, ADN).

Cadre conceptuel de la démarche AOP (Adverse Outcome Pathway) : Décrit le chemin de l'effet néfaste, de l'interaction moléculaire initiale jusqu'à l'effet adverse au niveau de l'individu ou de la population.

Demandes Chimique et Biologique en Oxygène

• DBO (Demande Biologique en Oxygène) : Quantité d'oxygène nécessaire à l'oxydation de la matière organique par les bactéries et micro-organismes.

• DCO (Demande Chimique en Oxygène) : Quantité d'oxygène nécessaire à l'oxydation de la matière organique par des effluents et autres oxydants chimiques (non vivants).

Évaluation de la Toxicité en Écotoxicologie

Les bioessais sont des procédures expérimentales utilisant des organismes vivants pour évaluer la toxicité.

Bioessais

• Procédures expérimentales utilisant des organismes vivants pour déterminer la toxicité d'une substance ou d'un mélange.

• Mesurent l'intensité d'une réponse biologique (dose-réponse).

• Utilisation de tests standardisés et d'une batterie de tests

pour couvrir la gamme de sensibilité des espèces.

• Application à divers milieux contaminés (effluents, sols, sédiments, déchets solides, substances pures).

Critères de Mesure de la Toxicité

• Mesure de différents critères d'effets (ex : mortalité CL50) chez les organismes exposés et non exposés.

• Permet d'identifier les effets délétères et d'évaluer/comparer le potentiel toxique.

• 3 critères légalement requis :

  • Mortalité.

  • Croissance.

  • Reproduction.

• Autres critères étudiés en laboratoire : perturbations comportementales, changements physiologiques et/ou biochimiques.

• Utilisés pour comparer le potentiel toxique des effluents, comme outils de dépistage et pour évaluer les risques pour des espèces clés.

Toxicité Aiguë et Chronique en Bioessais

• Toxicité aiguë : Brève exposition (heures ou jours), associée à la destruction des tissus à une vitesse supérieure aux capacités de réparation. Critère principal : mortalité.

• Toxicité chronique : Exposition prolongée (jours ou mois), correspondant à environ 10% du cycle de vie de l'organisme, incluant plusieurs stades de vie. Critères principaux : croissance, reproduction.

Mesures et Expressions des Résultats (Courbes Dose-Réponse)

• Basées sur des courbes dose-réponse de type sigmoïde.

• La fréquence des doses létales minimales est distribuée selon une courbe de Gauss.

• CL50 (LC50) : Concentration létale pour 50% des organismes testés.

• CE50 (EC50) : Concentration efficace pour 50% des organismes.

• CI50 (IC50) : Concentration qui inhibe 50% d'une activité biologique quantitative.

• DL50 (LD50), DE50, DI50 : Doses létales, efficaces ou inhibitrices pour 50% des organismes.

• TL50, TE50, TI50 : Temps létaux, efficaces ou inhibiteurs pour 50% des organismes.

• Ces valeurs sont rapportées à un temps d'exposition, une espèce et un toxique.

Autres valeurs :

• CSEO (NOEC - No Observed Effect Concentration) : Concentration sans effet observable.

• CMEO (LOEC - Lowest Observed Effect Concentration) : Concentration minimale causant un effet observable.

• CSE (NEC - No Effect Concentration) : Concentration sans effet, acquise par modélisation.

Facteurs Influençant les Résultats des Tests

• Espèce utilisée et sa physiologie (nutrition, cycle de vie, tolérance).

• Réponse biologique mesurée (mortalité, croissance, reproduction).

• Conditions d'élevage et expérimentales (mode d'exposition, alimentation, oxygénation, milieu).

• Schéma expérimental (nombre d'organismes par réplicat, nombre de réplicats).

Pour une comparaison fiable :

• Connaître les espèces utilisées.

• Utiliser une batterie de tests sur différentes espèces et niveaux trophiques.

• Fixer les conditions expérimentales et d'élevage.

• Préciser le schéma expérimental.

• En contexte réglementaire : suivre les lignes directrices (OCDE, AFNOR, CEN, ISO).

Exemples d'Organismes et Tests Utilisés

• Organismes aquatiques :

  • Toxicité aiguë chez la bactérie Vibrio fisheri.

  • Toxicité chronique chez des algues unicellulaires dulcicoles.

  • Toxicité aiguë chez le poisson zèbre Danio rerio.

• Organismes terrestres :

  • Toxicité aiguë et chronique chez le ver Eisenia fetida.

  • Toxicité larvaire aiguë chez l'abeille domestique Apis mellifera.

  • Essais chroniques d'inhibition de croissance des parties aériennes des végétaux.

Évaluation du Risque Environnemental

• CSEP (PNEC - Predicted No Effect Concentration) : Plus forte concentration testée ne produisant pas d'effet biologique.

• CEP (PEC - Predicted Environmental Concentration) : Plus forte concentration susceptible de se retrouver dans l'environnement.

• Quotient du risque (QR) : .

  • QR < 1 : Pas de risque.

  • QR = 1 : Réagir (alerte).

  • QR > 1 : Risque majeur, révision et réaction.

Limites et Intérêts des Bioessais

• Intérêts :

  • Évaluer le potentiel toxique d'un effluent ou d'une substance.

  • Déterminer la toxicité d'une substance.

  • Identifier les espèces clés potentiellement impactées.

• Limites :

• Les conditions expérimentales sont fixées, ce qui peut ne pas être réaliste par rapport aux conditions réelles (interactions biotiques, température, nourriture, etc.).

• Permettent néanmoins de définir les substances toxiques pour des études plus fines (biomarqueurs) sur des espèces adaptées aux problématiques régionales.

Biomonitoring et Biomarqueurs

Le biomonitoring utilise des biomarqueurs pour détecter les effets précoces des polluants.

Biomonitoring

• Nécessité de développer des outils de détection d'effets précoces dans des conditions naturelles (exposition chronique à de faibles taux de contamination).

• Étude des effets sublétaux aux niveaux sub-individuel et individuel.

• Applicables in situ.

• Biosurveillance passive.

Bioconcentration et Résistance

Il existe une relation entre la dose interne du polluant, la résistance et l'activation des systèmes de défense.

• En dessous d'une certaine dose interne et/ou temps d'exposition, les biomarqueurs traduisent le maintien de l'homéostasie en tamponnant l'action du polluant.

• Lorsque la dose interne et/ou le temps d'exposition augmentent, les capacités de résistance peuvent être dépassées.

Les Bioconcentrations Comme Stratégie de Compensation

• Ils compensent l'action des contaminants et limitent la toxicité.

• Indiquent un état de souffrance, mais favorisent la guérison (ex : Cytochrome P450, métallothionéines).

Les Bioconcentrations Comme Stratégie de Dommage

• Ne limitent pas l'action des contaminants, les organismes la subissent.

• Marquent des effets plus ou moins indélébiles (ex : inhibition de l'AchE, formation d'adduits à l'ADN, histopathologie).

• Au-delà d'une certaine dose ou temps d'exposition, la compensation est insuffisante, menant à une dégradation irréversible ou la mort.

Biomarqueurs

Un biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable qui révèle l'exposition présente ou passée à un polluant.

• "Changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui révèle l'exposition présente ou passée d'un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant" – Lagadic et al. 1997.

Types de Biomatériaux

• Biomarqueurs d'exposition : Révèlent la présence d'un polluant.

  • Témoignent que le polluant a pénétré dans l'organisme.

  • Rôle de système d'adaptation ou de défense ayant un impact sur l'homéostasie et la survie.

  • Exemples :

    • Métabolisation : induction des enzymes de biotransformation (monooxygénase à Cytochrome P450 phase I, activité EROD pour HAP, PCB, dioxines ; induction de la glutathion-S-transférase phase II).

    • Élimination : activité MXR.

    • Induction de protéines de stress : métallothionéines, HSP.

    • Stress oxydant : induction de la peroxydase, catalase, superoxyde dismutase, glutathion réductase.

• Biomarqueurs d'effet : Révèlent un dépassement des capacités de régulation de l'organisme.

  • Témoignent que le polluant a exercé un effet sur une cible critique.

  • Révèlent une insuffisance biologique sévère, potentiellement responsable d'effets néfastes.

  • Exemples :

    • Intégrité de l'ADN : tests des comètes (cassures monocaténaires), micronoyaux (cassures chromosomiques).

    • Neurotoxicité : inhibition de l'AchE (organophosphorés).

    • Réponse immunitaire : dénombrement cellulaire, mesure de l'activité du lysosome, phagocytose.

    • Modifications du métabolisme énergétique.

    • Perturbations ultrastructurales : histologie (nécrose, lyse cellulaire).

    • Perturbations de l'osmorégulation, du comportement, de la reproduction.

• Biomarqueurs de sensibilité : Indiquent la capacité et les limites de l'organisme à répondre à l'exposition.

  • Variation d'origine génétique de la réponse, se traduisant par une variation de sensibilité.

  • Résistance : diminution de la sensibilité d'origine génétique, en réponse à la sélection par des molécules toxiques.

Caractéristiques des Biomarqueurs

• Peuvent être spécifiques d'un groupe taxonomique ou non (protéines du stress).

• Spécifiques : Réponses de l'organisme entier ou de tissus associées à une classe particulière de xénobiotique.

• Non spécifiques (indices généraux de stress) : Effets provoqués par un grand nombre de facteurs de stress (polluants, facteurs biotiques ou abiotiques).

Utilisation et Application des Biomarqueurs

• Décrire, expliquer et prédire les effets des polluants.

• Calibration :

  • Détermination des valeurs normales (témoins).

  • Identification des facteurs pouvant modifier la réponse (biotiques : sexe, stade de développement ; abiotiques : température, saison, etc.).

  • Distinguer la réponse aux perturbations environnementales de la variabilité naturelle.

  • Connaissance du temps d'induction et de la persistance de la réponse.

• Qualités requises :

  • Précocité et sensibilité.

  • Stabilité/répétabilité et durée de la réponse.

  • Associés à l'état de santé de l'individu.

  • Relation concentration-effet.

  • Applicables sur de nombreuses espèces.

• Nécessité d'une approche multiparamétrique : association de biomarqueurs traduisant l'exposition, les effets au niveau individuel, et les effets potentiels aux niveaux des populations et communautés.

• En usage in situ et en routine : nécessité de sites/organismes de référence.

Avantages des Biomarqueurs

• Peuvent être spécifiques d'un toxique ou d'une classe.

• Révèlent la présence de contaminants imprévisibles ou à faibles concentrations.

• Réponses indiquent la présence de contaminants biodisponibles.

• Facilité de mesure et faible coût par rapport au dosage des xénobiotiques.

• Outil proactif : permettent de prévoir l'effet sur des niveaux d'organisation supérieurs en comprenant le mode d'action.