Ecotoxicologie Marine et Biochimie de la Pollution partim

Ecotoxicologie Marine et Biochimie de la Pollution (partim 2) Krishna Das

Plan du cours • • 1. Introduction 2. Comment mesurer l’impact d’un polluant? 3. Répercussion sur les écosystèmes 4. Classification des polluants 5. Les métaux traces 6. Les organochlorés et autres micropolluants 7. Dégradation et métabolisation des micropolluants 8. Etude de cas: La Mer d’Aral

Nature des polluants Atmosphère Ecosystèmes continentaux Ecosystèmes limniques Ecosystèmes marins Polluants physiques Radiations ionisantes Pollution thermique * * * * * * * * * * * Polluants chimiques Hydrocarbures Matières plastiques Pesticides Détersifs Composés organiques de synthèse divers Dérivés du souffre Nitrates Phosphates Métaux lourds Fluorures Particules minérales (aérosols) Polluants biologiques Matière organique morte Microorganismes pathogènes * * *

4. Classification des polluants Micropolluant - Macropolluant Phosphates Dioxines (PCDD) Egouts 1 mgp/l 4. 10 -6 mg/l Poissons de zones polluées 12 gp/kg 1. 10 -6 g/kg 60. 106 t/an ? 6 g/hab/j ? Production mondiale Quantité rejetée par personne

4. Classification des polluants Micropolluant - Macropolluant • Troubles métaboliques à partir de doses très faibles • Sources diffuses et difficilement contrôlables • Pénétration aisée dans l’organisme • Temps de demi-vie assez long et dégradation limitée • Détection et analyse délicate

4. Classification des polluants Classe de micropolluants A. Micropolluants minéraux -Métaux traces -Silice et silicates -Amiante -Fluorocarbones

4. Classification des polluants Classe de micropolluants B. Micropolluants organiques non pesticides 1. Hydrocarbures aromatiques polycycliques et hétéroaromatiques (PAH) Benzo (a) anthracène/ B(a)A et Benzo (a) pyrène/ B(a)P (diesel et toute combustion incomplète) 2. Paraffines chlorées: CH 3 Cl, Ch. Cl 3, 3. Aromatiques halogénés Polychlorobiphényles (PCB) Polychloroterphényles (PCT) Polychloronaphtalènes (PCN) 4. Aromatiques halogénés avec oxygène Polychlorophénols (PCP) Polychlorodibenzo-para-dioxines (PCDD) Polychlorodibenzofurannes (PCDF) 5. Aromatiques volatils Benzène Toluène Xylène 6. Amines aromatiques (AA), Esters phtaliques, colorants, pigments, surfactants, produits pharmaceutiques…

4. Classification des polluants Classe de micropolluants C. Pesticides et Biocides 1. Organo-halogénés aliphatiques 2. Acides phénoxyacétiques 3. Diphényls (DDT) 4. Cyclodiènes 5. Triazines (maïs) 6. Carbamates (Baygon vert) 7. Organophosphorés (gaz de combat) 8. Organomercuriels

Plan du cours • • 1. Introduction 2. Comment mesurer l’impact d’un polluant? 3. Répercussion sur les écosytèmes 4. Classification des polluants 5. Les métaux traces 6. Les organochlorés et autres micropolluants 7. Dégradation et métabolisation des micropolluants 8. Etude de cas: La Mer d’Aral

5. Les métaux traces 5. 1. Définitions générales • Qu’est-ce qu’un métal? • Qu’est-ce qu’un métal lourd? • Qu’est ce qu’un métal essentiel? • Qu’est ce qu’un métal non-essentiel?

5. Les métaux traces • Les métaux sont définis à partir du tableau périodique des éléments. • Excellente conductivité de la chaleur et de l’électricité • Propriétés de former des charges positives (cations)

5. Les métaux traces

5. Les métaux traces Métaux lourds = appelation non-contrôlée • Les métaux lourds ont une masse atomique relative élevée comme le Hg (201) ou le Pb (207) • On parle plus communément de métaux traces • Les métaux essentiels possèdent une fonction dans l’organisme. – – hémoglobine et fer hémocyanine et cuivre pigment respiratoire des tuniciers et vanadium Plus de 200 métalloenzymes et zinc

5. Les métaux traces Métaux essentiels: exemple du cuivre suffisance Croissance déficience toxicité modéré sévère Concentration croissante

5. Les métaux traces Elements essentiels et non-essentiels stimulation Macronutrient : calcium inhibition Concentration croissante Micronutrient: cuivre Élément nonessentiel comme le plomb

5. Les métaux traces Emissions atmosphériques des métaux lourds Les apports atmosphériques humains dépassent souvent les apports naturels

5. Les métaux traces D’où proviennent les apports anthropiques de métaux? • Raffineries, mazout et industries du bois • Carburants • Industries des métaux nonferreux • Autres types d’industries • Déchets résultant de l’incinération

5. Les métaux traces Entrées de métaux en Mer du Nord vidanges atmosphère rivières industries Dépôt direct

5. Les métaux traces 5. 2. Le plomb (Pb) Les apports anthropiques de plomb proviennent de l’ajout de l’alkyl de plomb dans l’essence

5. Les métaux traces Evolution temporelle des concentrations dans la glace

Il n’y a pas que dans les glaces que le plomb a diminué…mais… • USA: baisse de 82% de la plombémie en 15 ans • Cette diminution résulte de l’abaissement de la teneur en plomb des carburants et suppression d’autres sources en plomb comme la soudure des boîtes de conserve • Seuil acceptable: 10 µg Pb par dl de sang mais le seuil de sécurité n’est pas clairement défini • Pays en voie de développement? Source: www. unicef. org

Sources de plomb • Peintures au plomb (vertus antirouilles, toujours présentes dans de nombreux logements anciens) • Adduction d’eau: anciennes conduites en plomb • Objets et produits domestiques à risque: poteries vernissée, cosmétiques (khôl) • Carburants et de manière plus générale industrie pétrolière et industries (accumulateurs)

L’intoxication par le plomb ou saturnisme • Critique chez l’enfant • Lésions cérébrales, rénales et génitales • A concentrations plus élevées: coma, convulsions et mort • Association entre le saturnisme et une diminution du QI, de l’attention, de l’attitude à l’apprentissage, de l’hyperactivité …

5. Les métaux traces Troubles de la motricité: atonie intestinale • Ecailles ingérées de peintures plombées sur le trajet colique qui est plein de matière (atonie) • Le plomb incorporé par voie digestive, respiratoire ou sanguine (mère-fœtus) se distribue à 94% dans le squelette où il reste stocké très longtemps (demi-vie > 10 ans)

5. Les métaux traces 5. 3. Le mercure Seul métal liquide à température ambiante

5. Les métaux traces Le mercure Hg = Hydrargyrum ou argent liquide • Elément naturel • Dépôt naturel surtout dans le cinabre (Hg. S) • Niveau des sources chaudes et des roches volcaniques • Seul métal sous forme liquide à température ambiante

5. Les métaux traces Effets du mercure à dose subléthale sur l’homme mercure métallique • gingivite • tremblement non intentionnel • éréthisme (irritabilité, excitabilité, perte de la mémoire, insomnie) méthylmercure • ataxie (incoordination des mouvements volontaires) • paresthésie (trouble subjectif de la sensibilité, sensations non douloureuses tels engourdissement, fourmillements, sensations de ruissellement sous la peau) • restriction du champ visuel – cécité • troubles de l’ouïe - surdité Retard dans le développement moteur du fœtus

5. Les métaux traces Oxydant / réducteur • oxydant + e réducteur • oxydant = accepteur d’électrons • oxydation = perte d’électrons • Réduction = gain d’électrons • Hg++ (oxydant) + 2 e réduite) Hg 0 (réducteur, forme

5. Les métaux traces Hg 0 ↔ Hg++ ↔ CH 3 Hg+ ↔ (CH 3)2 Hg Oxydation bactérienne (perte d’électrons) Hg++ Synthèse bactérienne, chélation Plantes Bactéries benthiques anaérobiques Plancton - algues Réactions inorganiques réductions bactérienne (gain d’électrons) champignons Hg (0) plantes R-Hg-X réactions inorganiques, lumière solaire R-Hg-X’ n Oxydation bactérienne (perte d’électrons) Plantes, réactions inorganiques ra g Dé Hg+ Ions mercureux cations et anions chélatés o ati d Synthèse bactérienne, chélation, oxydants organiques

5. Les métaux traces Variations d’état du mercure dans la biosphère en fonction de l’action des divers facteurs biogéochimiques : état oxydé ↔ état réduit état inorganique ↔ organique

5. Les métaux traces D’ou provient le mercure anthropique dans l’environnement?

5. Les métaux traces Sous-produit de l’extraction de l’or Mais encore…

5. Les métaux traces

5. Les métaux traces • Les émissions anthropiques totales sont quatre fois plus importantes que les émissions naturelles

5. Les métaux traces

Assimilation du mercure Tubifex tubifex Lebistes reticulata Chlorella vulgaris Daphnia magna

Pourcentage d’assimilation du mercure sous forme d’Hg. Cl 2 ou CH 3 Hg. Cl

5. Les métaux traces 5. 4. Le Cadmium (Cd)

5. Les métaux traces Sources de Cd dans l’environnement • Naturelles • Productions de métaux nonferreux • Production secondaire • Production de fer et de l’acier • Combustibles fossiles • Incinération • Production de fertilisants à base de phosphates • Combustion du bois • Autres…

Toxicité chronique du Cd • Lésions rénales • Déformations osseuses (maladie de itaï-itaï) • Cancer

Facteurs influençant la concentration en métaux des organismes exposés à un environnement marin pollué par des métaux lourds Facteurs abiotiques • concentration en polluant dans l’eau • spéciation • interactions avec d’autres métaux • p. H, Eh • température • salinité Facteurs biotiques • concentrations en polluants dans la nourriture • taux d’assimilation • adaptations physiologiques (métalloprotéines, lysosomes, sphérocristaux • variations saisonnières

Etude de cas: Processus de contamination et détoxication des métaux traces chez les mammifères marins des côtes européennes

Plan de l’exposé • INTRODUCTION • • Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion Conclusions

Introduction Mammifère marin = mammifère inféodé au milieu aquatique q Ordre des Cétacés (dauphins, baleines, marsouins) q Ordre des Carnivores - pinnipèdes (phoques, otaries, morse) - ours polaire - loutre marine et loutre de mer q Ordre des Siréniens (lamantins et dugongs)

Introduction Rôle des mammifères marins dans l’écosystème ¨ Dynamique des écosystèmes – Consommateurs – Structuration des écosystèmes – Apport de matières organiques aux systèmes benthiques

Introduction Rôle des mammifères marins dans l’écosystème • Bioindicateurs de l’état de santé de l’écosystème marin

Introduction Capture dans les filets de pêche Mazoutage et destruction de l’habitat Pollution chimique Chasse

Pollution <=> Etat de santé des mammifères marins? ? Introduction Photo: E. Donnay Photo: J. Haelters, MUMM

Introduction Les métaux traces • Métaux essentiels: – Zinc (Zn) – Cuivre (Cu) – Sélénium (Se) • Métaux non-essentiels – Cadmium (Cd) – Mercure (Hg)

Introduction La Mer du Nord q 0. 2% de la superficie totale des océans q 3 % de la production halieutique mondiale q 8 pays différents à accès direct q 185 millions d’habitants q 7 espèces de mammifères marins Parmi lesquels…

Introduction Environ 30 000 phoques communs Phoca vitulina

Introduction 60 000 phoques gris Halichoerus grypus

Introduction 300 000 marsouins communs Phocoena phocoena

Plan de l’exposé • • • Introduction OBJECTIFS Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion Conclusions

Objectifs Variations en métaux traces (Hg, Cd, Zn, Cu) présents dans les mammifères marins ü Rôle des métallothionéines dans la dynamique de ces métaux ü Métaux - Etat de santé?

Plan de l’exposé • • • Introduction Objectifs DESCRIPTION ET ORIGINE DE L’ECHANTILLONNAGE Résultats et Discussion Conclusions

Description et origine de l’échantillonnage Description de l’échantillonnage • • 175 marsouins communs Phocoena phocoena 29 dauphins bleus et blancs Stenella coeruleoalba 29 dauphins communs Delphinus delphis 10 dauphins à bec blanc Lagenorhynchus albirostris • 4 dauphins à flancs blancs Lagenorhynchus acutus • 27 phoques communs Phoca vitulina • 8 phoques gris Halichoerus grypus

Description et origine de l’échantillonnage Distribution et abondance du marsouin commun Mer Noire: 10 000 Atlantique-Ouest: 50 000 Pacifique-Est: 50 000 Mer du Nord: 300 000

Description et origine de l’échantillonnage Origine de l’échantillonnage ü Belgique et Allemagne ü Norvège ü Islande ü Irlande üEst-Atlantique et Manche üDanemark et Mer Baltique

MARIN IRSNB échantillons UGMM Education & Nature Coordination administrative Coordination technique Support technique échantillons IN: collecte des oiseaux marins Océanologie (ULg) + CART: toxicologie, métaux lourds, dioxines Dpt. de Pathologie (ULg): autopsies, échantillonnage, état de santé Ecotoxicologie (VUB): Hg et PCBs RUCA: organochlorés coplanaires, composés fluorés, génotoxicité Sealife Center (Blankenberghe) , AMINAL, CRMM (La Rochelle), FTZ (Allemagne), autorités municipales , volontaires, administrations

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines Impact? Conclusions

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations dûes à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines Impact? Conclusions

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines Impact? Conclusions

Variations géographiques des concentrations en Zn (foie) et Cd (rein) du marsouin commun Contamination de l’environnement? Zn Cd

Résultats et Discussion: Contamination de l’environnement • Zn Mer du Nord >>>> côtes norvégiennes • Hg Mer du Nord >>>> Mer Baltique (Siebert et al. , 1999, ce travail) Apports anthropiques • Cd Côtes islandaises et norvégiennes >>>> Mer du Nord ?

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement VARIATIONS LIEES À L’ GE Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines Impact? Conclusions

Résultats et Discussion: Age Accumulation du Cd avec l’âge des marsouins

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. Contamination de l’environnement 2. Variations liées à l’âge 3. VARIATIONS LIÉES AU RÉGIME ALIMENTAIRE 4. Variations liées au statut nutritionnel 5. Liaisons aux métallothionéines 6. Impact? • Conclusions

Résultats et Discussion: Régime alimentaire • 13 C/12 C d 13 C • 15 N/14 N d 15 N enrichissement trophique d 13 C: +10/00 d 15 N: +30/00

Résultats et Discussion: d 15 N: +30/00 d 15 N (muscle, 0/00) Niveau trophique Régime alimentaire Pélagique d 13 C: +10/00 d 13 C (muscle, 0/00) Côtier

Résultats et Discussion Régime alimentaire Statut trophique du marsouin d 15 N (muscle, 0/00) Allemagne Belgique Baltique Danemark Norvège Islande d 13 C (muscle, 0/00)

Statut trophique du marsouin de Norvège d 15 N (muscle, 0/00) Finnmark Norland S-O Skagerrak d 13 C (muscle, 0/00)

Résultats et Discussion: Régime alimentaire Relation entre les valeurs en d 15 N (muscle) et les concentrations en Cd (rein) d 15 N (muscle, 0/00)

Résultats et Discussion: Régime alimentaire d 15 N (muscle, 0/00) Statut trophique des mammifères marins de la côte belge phoque commun dauphin à bec blanc phoque gris marsouin cachalot dauphins à flancs blancs d 13 C (muscle, 0/00)

Résultats et Discussion: Régime alimentaire Statut trophique des mammifères marins de la côte belge dauphin à bec blanc phoque gris poissons carnivores marsouin d 15 N (muscle, 0/00) phoque commun poissons zooplanctonophages cachalot dauphins à flancs blancs POM d 13 C (muscle, 0/00)

Résultats et Discussion: Régime alimentaire Relation entre les valeurs en d 15 N (muscle) et les concentrations en Cd (rein) d 15 N (muscle, 0/00)

Résultats et Discussion Influence du régime alimentaire • Pas de relation avec le Hg, Cu, Zn • Cd corrélé aux d 15 N et d 13 C - Cd dans les reins des cachalots (Holsbeek et al. , 1999) - Céphalopodes océaniques: sources de Cd pour les prédateurs (e. g. Bustamante et al. , 1998) - Cd dans mammifères marins arctiques (revu par AMAP, 1998)

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire VARIATIONS LIÉES AU STATUT NUTRITIONNEL 5. Liaisons aux métallothionéines 6. Impact? • Conclusions

Résultats et Discussion marsouin non-émacié Statut nutritionnel marsouin émacié Photos: T. Jauniaux Emaciation: réduction des masses graisseuses et musculaires (Siebert et al. , 1999; Jauniaux et al. , 2002)

Résultats et Discussion Statut nutritionnel Concentrations en Zn (foie) et statut nutritionnel p < 0. 001

Résultats et Discussion Statut nutritionnel Concentrations en Hg (foie) et statut nutritionnel p < 0. 07

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel LIAISONS AUX MÉTALLOTHIONÉINES Impact? Conclusions

Résultats et Discussion Liaison aux métallothionéines Les métallothionéines (MTs) Protéines de faible poids moléculaire impliquées dans: Ø Homéostasie du Zn et du Cu Ø Détoxication du Cd

Résultats et Discussion Liaison aux métallothionéines Distribution du zinc (foie)

Résultats et Discussion Liaison aux métallothionéines Zn fixé aux protéines (foie, µg. g-1 ps) Zn fixé aux métallothionéines (foie) Concentrations totale en Zn (foie, µg. g-1 ps)

Résultats et Discussion Liaison aux métallothionéines Distribution du mercure (foie)

Détoxication du mercure • Déméthylation du Hg (e. g. Holsbeek, 2000) • Formation de Hg. Se ou tiémannite (~50 nm e. g. Nigro et Leonzio, 1996)

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines IMPACT? Conclusions

Résultats et Discussion Impact? ü Le Hg et le Zn induisent-ils l’émaciation? OU BIEN… ü L’émaciation induit-elle une augmentation des concentrations en Zn et en Hg?

Résultats et Discussion Impact? Hypothèses ü Privation de nourriture sans contamination - Zn et MTs - réduction de la masse hépatique et de la masse corporelle (Krämer et al. , 1993) ü Contamination alimentaire en Zn ou Hg - amaigrissement - perturbation de l’homéostasie (revu par Eisler et al. , 1993)

Résultats et Discussion Impact? Variation de la masse hépatique lors de l’émaciation

Résultats et Discussion Impact? Variation de la masse hépatique lors de l’émaciation p < 0. 001

Résultats et Discussion Cu (foie, µg. g-1 ps) Relation Zn – Cu (foie) marsouins de Norvège Zn (foie, µg. g-1 ps)

Relation Zn – Cu (foie) Cu (foie, µg. g-1 ps) marsouins de la côte belge Zn (foie, µg. g-1 ps)

Résultats et Discussion Impact? Animal non-émacié Zn+Hg+Se+Cd Tiémannite Proies Zn+Hg +Se+Cd Zn+Hg MTs Foie Muscles Cd+Zn Reins MTs Zn+Hg Lard

Résultats et Discussion 6. Impact? Animal émacié: protéolyse et lipolyse Hg, Zn Toxicité Proies Hg +Zn Foie Muscles Zn+Hg +Se+Cd Reins Hg +Zn Lard

Résultats et Discussion Impact? En bref… • Redistribution du Zn et Hg Mais: • Concentrations en Zn et Hg élevées en Mer du Nord • Augmentation de la charge hépatique en Zn et en Hg • Dysfonctionnement homéostasique • Synthèse de métallothionéines = coût pour l’organisme Métaux lourds = facteur de stress

Plan de l’exposé • • Introduction Objectifs Description et origine de l’échantillonnage Résultats et Discussion 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Contamination de l’environnement Variations liées à l’âge Variations liées au régime alimentaire Variations liées au statut nutritionnel Liaisons aux métallothionéines Impact? CONCLUSIONS

Conclusions • Nombreuses causes de variations: contamination l’environnement, âge, régime alimentaire et état de santé de • Analyse combinée d 13 C et d 15 N et métaux traces = outil efficace pour retracer le régime alimentaire des mammifères marins • Redistribution des métaux suite à l’émaciation • Rôle clé des métallothionéines dans la régulation du Zn • Concentrations en Hg, Zn élevées en Mer du Nord • Dysfonctionnement de l’homéostasie Les métaux apparaissent comme un facteur de stress

Conclusions Photos: J. Haelters, MUMM • Métaux traces • Autres polluants: organochlorés, dioxines, composés fluorés…. • Diminution du nombre de proies • Maladies • Capture dans les filets de pêche… ?

Remerciements - Pr JM Bouquegneau - Mon comité de thèse: L. Holsbeek, les Pr Coignoul et Bouquegneau - U. Siebert (FTZ) - Les membres des laboratoires d’Océanologie et de Morphologie Fonctionnelle et Evolutive - Le groupe MARIN, T. Jauniaux et le Céto-Club - Famille Das Merci à tous!

Trace metal contamination and detoxication processes in marine mammals from European coasts Processus de contamination et détoxication des métaux traces des mammifères marins des côtes européennes http: //www. ec. gc. ca/MERCURY/EH/FR/eh-b. cfm? SELECT=EH Krishna Das