Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

1. Toxicologie de l’environnementTXL 6014Notions de bioindicateurs et biomarqueurs en écotoxicologie Bernadette Pinel-Alloul 19 décembre 2005

2. Suivi des effets des contaminants sur l’environnement • Expériences: 1950-1980 • exposition à des [...] élevées • court terme (24-92h) • état d’équilibre non-atteint • Observations: 1980-2000 • exposition chronique in situ • long terme (400 j – 10 ans) • état d’équilibre atteint Tests de toxicité en laboratoire Expériences in situ Suivi sur le terrain Réalisme environnemental  Conditions contrôlées Manque de réalisme Pas de facteurs confondants Conditions peu contrôlées Meilleur réalisme Plus de facteurs confondants Contrôle expérimental 

3. Bioindicateurs-biomoniteurs • ÉCOLOGIE: Organismes caractéristiques d’un type d’habitat ou de conditions environnementales (bioindicateurs: présence-absence). • Conditions: acidification, eutrophisation, eaux courantes, lacs. • Très utiles en reconstruction paléolimnologique de l’évolution des lacs et pour la surveillance écologique de l’état des lacs. • ÉCOTOXICOLOGIE: Organismes sentinelles reflétant les niveaux de pollution ambiants (biomoniteurs) et permettant de surveiller et mesurer la bioaccumulation des polluants dans les communautés vivantes. • Très utiles pour le biomonitoring de la contamination et des effets des polluants dans les milieux récepteurs.

4. Pertinence écotoxicologique  Signal recherché Exposition Dose interne Biomoniteur Dose biologiquement active Biomarqueur d’exposition Biomarqueur d’effet Effet biologique précoce Structure/fonction altérées État de santé 

5. Bioindicateurs et biomarqueurs • Algues • Diatomées, Chrysophycées • Moules, Insectes • Moules d’eau douce: Pyganodon, Elliptio, • Larves d’insectes : Hexagenia, Chaoborus • Crustacés, Vers • Amphipodes: Hyalella azteca • Oligochètes: Limnodrilus sp. • Poissons • Perchaude, Brochet • Biomarqueurs biochimiques • charge énergétique: ATP, ADP, AMP • Enzymes (glutation, malondialdehyde) • Métallothionéine • Biomarqueurs physiologiques • Taux de respiration • Facteur de condition • Hepatosomatic index • Difformités morphologiques • Diptères Chironomides • Tumeurs labiales • Poissons benthiques

6. Critères d’un bioindicateur • Espèce tolérante à la pollution qui peut bioaccumuler les contaminants • indicateur d’exposition et d’effet sous-létal (mollusques > crustacés > poissons) • Espèce très sensible à la pollution • indicateur précoce d’alarme (insectes aquatiques, truites) • Espèce cosmopolite et commune • Espèce abondante et facile à récolter et reconnaître • Espèce sessile, de grande taille, à biologie connue • Espèce facile à transplanter et à utiliser en laboratoire • Espèce clé au sein des réseaux trophiques • Population représentative • Grande longévité

7. Critères d’un bioindicateur • Les relations entre la concentration de contaminant bioaccumulé et la concentration de contaminant dans le milieu (ou nourriture) doivent être identiques pour tous les individus de même taille ou de même âge de l’espèce bioindicatrice. Source: Rask et al. (1994)

8. Critères d’un bioindicateur Variabilité saisonnière bien établie : choix des périodes stables Source: Hare, 1992, Crit. Rev. Toxicol. 22: 327-369.

9. Mollusque pélécypodesUnionidés Elliptio complanata Saint Laurent: métaux Pyganodon grandis grandis Lacs miniers: métaux Lampsilis radiata

10. Types de bioindicateurs Source: Beeby. 2000. Environ. Pollut. 112: 285-298

11. Organismes sentinelles • Lichens(smog réducteur: SO2) • Moules et bivalves • Mytilus edulis (métaux) • Unionidés (métaux) • Vers marins • Capitella (métaux, organiques) • Ratio • Nématodes/Copépodes • Poissons coralliens • Algues • Invertébrés benthiques • Gastéropodes • Bivalves • Crustacés • Vers Oligochètes • Tubificidés • Insectes aquatiques • Diptères Chironomides • Trichoptères, Plécoptères

12. Emploi relatif des bioindicateurs Bactéries coliformes: eaux usées Pollution acide Pollution organique Pollution par les métaux

13. Système des SaprobiesPollution organique - Europe Peu pollué Très pollué *Très bonne connaissance taxonomique

14. Milieux polysaprobes Protozoaires Vers Amibenue Nématodes Oligochètes Ciliés Diptères Chironomides Cyanobactéries toxiques Vorticella

15. Milieux  mesosaprobes Protozoaires Paramécies Isopodes Gastéropodes Planaires Ciliés Sangsues Megaloptères Diptères Simulidés Algues vertes Pisidium

16. Milieux  mesosaprobes Protozoaires Ephémères Amphipodes Gastéropodes Carchesium Trichoptères Algues diatomées

17. Milieux oligosaprobes Plécoptères Ephémères Trichoptères Odonates

18. Indices et métriques

19. Mesures de la diversité biologique • Indices de diversité spécifique: • Indice de Shannon-Weaver S H’ = - (ni/N )•log2(ni/N) i=1 • Indices d’intégrité biotique basés sur l’abondance relative d’espèces tolérantes et intolérantes • Distributions rang-fréquence • Structure trophique Source: Ramade, 1992.

20. Études de cas • Pollution par le mercure et les BPCs dans le lac Saint-François (Saint-Laurent) • Pollution par le cadmium (Cd) et le mercure (Hg) dans le fleuve Saint-Laurent • Pollution par le cadmium dans la région minière de l ’Abitibi

22. Lac Saint-François -Hg

23. Lac Saint-François -BPC

24. Invertebrate Community Index (ICI)

25. Métrique ICI

26. Substrat Hg BPC BPC

27. ICI- Pollution Effets confondants des facteurs écologiques Herbiers Sédiments M.O. Facteurs écologiques Granulométrie Contamination Hg, BPC

28. Bioaccumulation du cadmium et du mercure dans les invertébrés benthiques du fleuve Saint- Laurent: Utilisation des espèces sentinelles:les gastéropodes Bithynia tentaculata et Physa gyrina J. Désy1, C. Flessas1, J-F. Archambault1 B. Pinel-Alloul1, J. Hubert1 etP.G.C. Campbell2 1Université de Montréal 2INRS-ETE 1990-1992

29. Objectifs • Déterminer les relations entre les concentrations de Cd et de Hg dans les organismes sentinelles avec les concentrations de Cd et Hg dans les sédiments ou les concentrations de l ’ion libre Cd2+ dans l ’eau interstitielle. (2)Déterminer si les espèces sentinelles sont de bons biomoniteurs des niveaux de contamination du fleuve en Cd et en Hg.

30. Sites d ’étude: Fleuve Saint-Laurent • 20 stations : • - LSF: Lac St.François • - LSL: Lac St.Louis • - BLP: Bassin Laprairie • - CTC: Région de Contrecoeur • - LSP: Lac Saint-Pierre • Stations: • profondeurs: 0.5 à 3.5 m • zones de sédimentation • zone littorale • plantes submergées

31. Cadmium - gastéropodes Milieu Espèces bioindicatrices Bithynia tentaculata Algues Métal non-essentiel Milieu Physa gyrina

32. Zn - gastéropodes Milieu Métal essentiel Bithynia t. Physa g. Plantes

33. Méthyl-mercure - Gastéropodes Fleuve Saint-Laurent Bithynia tentaculata Lac Saint Louis

34. Définition des biomarqueurs • Toute réaction biochimique, physiologique, histologique et morphologique en réponse à un contaminant, mesurée à l ’intérieur d ’un organisme, et qui indique une déviation de son état normal (van Gestel et van Brummelen, 1996, Ecotoxicology 5: 217:225) • Approche hiérarchique d’évaluation de la toxicité du niveau cellulaire à l’individu, à la population et à la communauté • Hypothèse du débordement cellulaire

35. Communauté Espèce absente Débordement • Compensation • immigration • tolérance génétiquement acquise Individus ne pouvant survivre ou se reproduire Population Débordement • Compensation • survie individuelle • changements dans l’allocation d’énergie Organisme Débordement Perturbations des voies biochimiques • Compensation • changements comportementaux • adaptations physiologiques Niveau physiologique Débordement Niveau cellulaire/sub-cellulaire • Détoxication • granules • métallothionéines Interaction initiale du métal à ce niveau • Stress physiologique • individus faibles • reproduction inhibée • vulnérabilité au stress

36. Propriétés des biomarqueurs • Indicateurs précoces: doivent prédire des effets toxiques à des niveaux élevés de l ’organisation biologique. • Spécifiques d’un contaminant ou d’une classe de contaminants. • Réponses concentration-dépendante. • Les facteurs endogènes (sexe, taille, état reproducteur) et exogènes (Ca++, H+, COD) pouvant affecter la réponse du biomarqueur doivent être connus. • Le biomarqueur doit être relié à l ’état de santé ou au « fitness » de l’organisme. • Les études expérimentales doivent passer par une validation sur le terrain.

37. Types de biomarqueurs • Enzymes: • ALAD (Acide AminoLévulinique Déhydratase): inductible par leplomb. • Cytochromes P450: classes d’hémato-protéines inductibles par les contaminants organiques. • Cholinestérases: activité inhibée par les carbamates et les pesticides organophosphorés. • Enzymes de conjugaison: accroissement causé par les HAP, ou les métaux traces. Ex: gluthathion-S-transférase. • Enzymes de stress oxydatif. Ex: glutathion reductase, malondialdehyde • Métallothionéines (MTs): augmentation causée par les métaux traces. • Protéines de stress(glucose-regulated proteins, heat stress proteins):spécificité relativement faible. • ADN: modifications de la structure d ’ADN (formation d ’adduits). Sources multiples.

38. Évaluation de la métallothionéine (MT) comme biomarqueur d’exposition métallique et d’effets toxiques en milieu naturel B. Pinel-Alloul1, O. Perceval1, Y. Couillard2, A. Giguère3, P.G.C. Campbell3 et L. Hare3 1Université de Montréal 2Environnement Canada 3INRS-ETE 1989- 2005

39. Évaluation des effets de l ’exploitation minière sur le milieu aquatique au Canada • S’acquitter de l’engagement pris par Environnement Canada de mettre à jour et renforcer le Règlement sur les effluents liquides des mines de métaux (RELMN) • Conception, pour les mines de métaux, d’un programme de suivi des effets sur l ’environnement • développement d ’outils efficaces pour la réalisation d’un tel suivi.

40. Métal Soufre Les métallothionéines (MTs) Domaine  Domaine 

41. Rôle de la métallothionéine • Régulation des concentrations intracellulaires des métaux essentiels (Zn, Cu) chez les animaux (Kelly et al., 1996). • Protection contre la toxicité des métaux non-essentiels (Cd) (Roesijadi, 1992). • Protection contre le stress oxydatif à la fois à l’échelle de la cellule et de l’organisme (Viarengo et al., 1999).

42. Objectifs de l ’étude • MT = biomarqueur d’exposition au Cd • MT = biomarqueur d’effets toxiques: Corréler l’augmentation du Cd lié à des ligands cytosoliques autres que la MT à des effets biologiques délétères • au niveau de la cellule • au niveau des populations

43. A. B. cytosol cytosol Cd-HPM Cd-FPM Cd-HPM Cd-FPM 2 Cd2+ 2 Cd2+ noyau noyau 1 Cd-MT Cd-MT Modèle de cytotoxicité Faible contamination Forte contamination Modèle du débordement cellulaire des ligands

44. Organisme sentinelle : bivalves • Sédentaire • Vit jusqu’à 15 ans • Tolérant aux métaux • Capacité à accumuler les métaux • Capacité à synthétiser la MT • Suivi à long terme Pyganodon grandis grandis

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

46. Destor Petit Dufresnoy R. Kinojévis D ’Alembert ROUYN-NORANDA Cléricy Dasserat Bousquet Hélène Bouzan Waza Héva Adéline Joannès Renaud Ollier Évain Beauchastel Vaudray Opasatica Dufay Caron Aire d ’étude

47. Variables physico-chimiques et écologiques confondantes  [Chl a], [C(seston)], [N(seston)], pH, [Ca]d, conductivité, [COD], [AH+AF], chaleur accumulée en degré-jours  Abondance des poissons hôte Contamination des lacs Niveau d’exposition Sédiments superficiels - eau surnageante  [Cd2+] Contamination des moules Réponses intracellulaires  [Cd] dans le cytosol  [MT] dans les branchies  Répartition intracellulaire du Cd: Cd-MT/ Cd-FPM/ Cd-HPM Indicateurs enzymatiques de stress toxique: MDA/ Glutathion Réponses des populations  Abondance (densité littorale)  Biomasse et structure en taille  Production annuelle  Rapports P/B  Fécondité (individuelle et cumulée) Approche écotoxicologique intégrée

48. Caractéristiques des lacs sélectionnés: gradient de contamination en Cd Rapport Max/Min = 270 contamination niveau moyen contamination niveau élevé contrôle

49. Dans des conditions d’exposition chronique: MT = biomarqueur d’exposition au Cd Métallothionéine dans les branchies r2= 0,50; P < 0,001 r2= 0,78; P < 0,001

50. B. cytosol Cd-HPM Cd-FPM 2 Cd2+ noyau Cd-MT Modèle de cytotoxicité Modèle du ligand biotique Saturation de la MT Incorporation dans HPM Incorporation dans FPM