La biodisponibilité au cœur de l’évaluation du risque écotoxicologique

Après « les effets écotoxicologiques » et « l’écotoxicologie, des communautés au fonctionnement des écosystèmes », le troisième ouvrage de la série Ecotoxicologie (ISTE Editions) fait le point sur la notion de biodisponibilité des polluants avec un focus particulier sur les milieux aquatiques. Avec la biodisponibilité, l’ouvrage aborde aussi la notion de bioaccumulation,à savoir ce que les organismes accumulent depuis leur milieu de vie. Il fait également le point sur les méthodologies qui permettent de nous renseigner sur la biodisponibilité de ces contaminants.

La biodisponibilité des contaminants

Qu'il s'agisse des métaux, des molécules organiques, issues de la chimie de synthèse, ces molécules font, par leurs usages multiples, partie de notre vie quotidienne. Elles imprègnent tous les compartiments de l'environnement à des concentrations faibles, mais présentent un danger toxique intrinsèque plus ou moins fort.

Un des verrous, pour l’évaluation correcte du risque écotoxicologique pour les organismes aquatiques réside dans notre aptitude à prédire quelle sera la fraction contaminante de ces micropolluants susceptible d’exercer une action toxique sur l'organisme.

En effet, dans le milieu, les polluants sont présents sous différentes formes qui n’ont pas toutes la même biodisponibilité, c’est-à-dire la même capacité d’être au contact des organismes et d’interagir avec eux et donc pas le même pouvoir contaminant. Au-delà de la concentration des polluants, mesurée par les méthodes analytiques classiques, la connaissance de leur biodisponibilité est donc un point crucial pour l’évaluation correcte du risque écotoxicologique.

La biodisponibilité et la bioaccumulation dépendent à la fois du polluant, de son devenir dans l’environnement et de la physiologie de l’organisme exposé (ses capacités à accumuler, excréter ou transformer les polluants).

Ces phénomènes concernent le milieu aquatique, mais aussi le milieu terrestre et le milieu atmosphérique. Par exemple, les végétaux sont exposés aux polluants au niveau du sol, via l’eau des racines, mais aussi au niveau de l’air, via l’absorption des contaminants par les feuilles.

La biodisponibilité des métaux (cuivre, zinc) est en général liée à la fraction ionisée ou libre (par opposition aux formes complexées : carbonates, sulfates, oxydes, etc …).

En ce qui concerne les polluants organiques (par exemple les PCB), leur biodisponibilité est fortement influencée par la teneur en matière organique de l’eau, avec laquelle ils vont par exemple former des complexes de taille trop importante pour traverser les membranes biologiques.

On peut estimer la biodisponibilité de plusieurs manières :

  • la première, purement chimique, consiste à décrire les différentes formes chimiques sous lesquelles se trouve le contaminant dans le milieu (on utilise le terme de spéciation pour les métaux) et à faire une hypothèse de biodisponibilité sur chacune de ces formes ;
  • la deuxième, chimique et biologique, consiste à mesurer la concentration en polluant accumulé dans un organisme exposé
  • la troisième, biologique, consiste en la mesure d’une réponse comme un effet biologique au niveau de la cellule (réponse enzymatique par exemple) ou d’un organisme (une réponse physiologique comme la mortalité par exemple) à une exposition..

La bioaccumulation

Une des conséquences possibles de la biodisponibilité des polluants est leur accumulation dans les organismes vivants : c’est la bioaccumulation. Elle renseigne sur la concentration biodisponible dans le milieu sans préjuger de sa toxicité.

Cette bioaccumulation est influencée par les caractéristiques physico-chimiques du milieu (température, dureté, matière organique…), de la substance absorbée (caractère hydrophobe par exemple) et également par la physiologie des organismes (capacité à excréter ou métaboliser la substance).

La bioaccumulation constitue un outil potentiel d’évaluation environnementale. En effet, la mesure de concentrations très basses dans le milieu par les méthodes analytiques classiques se heurte à la sensibilité (limite de quantification) de celles-ci, et ne renseigne pas sur leur biodisponibilité pour les organismes.

Aujourd’hui des modèles permettent de prédire la bioaccumulation des contaminants du milieu, dissous et particulaires pour les organismes (des poissons et des invertébrés), et en retour d’estimer la fraction bio disponible du milieu à partir de la concentration dans l’organisme. C’est le cas par exemple des modèles biodynamiques. Ces modèles multi compartiments prennent en compte l’adsorption d’un métal ou d’un composé organique par l’eau et la nourriture et les processus physiologiques qui régulent la bioaccumulation propre à chaque organisme.

Les capteurs passifs au défi de la biodisponibilité

Si la mesure des contaminants dans les organismes du milieu est le juge de paix de l’évaluation de la biodisponibilité des contaminants dans un milieu pour les espèces qui y vivent, des techniques sont aussi disponibles pour échantillonner les contaminants dans les milieux et tenter d’y associer un risque écotoxicologique.

Depuis les années 80, différents systèmes d’échantillonnage passifs ont été développés pour la mesure des contaminants chimiques dans l’eau afin d’améliorer la pertinence de la mesure chimique en termes d’impact toxique. Immergés quelques jours à plusieurs semaines, ces systèmes extraient et concentrent in-situ les contaminants présents. Ces techniques permettent de mesurer les faibles niveaux de contamination tout en améliorant la représentativité temporelle de la mesure, notamment vis-à-vis d’une exposition chronique des organismes aquatiques.

Ils sont particulièrement utilisés pour identifier les traces de métaux lourds :

  • DGT (Diffusive Gradient in Thin Films – gradient de diffusion en couche mince) pour les métaux HAP, PCB ou encore des pesticides hydrophobes
  • Les SMPD (Semi-perméable Membrane Device) pour les molécules organiques hydrophobes et des substances émergentes plus hydrophiles (résidus de médicaments, hormones…).
  • POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) pour les micropolluants organiques à affinité hydrophile                                                                            

Le rôle des micro-organismes dans la biodisponibilité

Les microorganismes (bactéries, champignons,) sont susceptibles de moduler la biodisponibilité des polluants, par le biais d’interactions agissant au niveau cellulaire ou au niveau des communautés d’organismes.

  • Au niveau cellulaire, plusieurs mécanismes peuvent intervenir dans la biodisponibilité : biosorption, biosequestration, et via des transformations chimiques (oxydation, formation de précipités insolubles…).
  • Au niveau des communautés, les biofilms par exemples (agrégats de bactéries, d’algues et de champignons qui se développent sur les supports immergés)  ont une capacité à secréter des substances polymériques qui interagissent avec les substances, métaux ou organiques, présentes dans le milieu.   et à interagir avec elles en les piégeant ou les dégradant et à s’adapter rapidement aux modifications de l’environnement.

A chacun sa biodisponibilité ?

Si la compréhension de la biodisponibilité des contaminants dans le milieu est un volet incontournable de l’évaluation de la dangerosité d’un milieu, cette notion ne recouvre qu’imparfaitement la complexité des interactions qui se produisent entre les substances, qu’il s’agisse de substances utiles (les nutriments par exemple) ou toxiques, et les espèces présentes dans le milieu. Aujourd’hui la biodisponibilité est d’abord décrite par des modèles chimiques, or ces modèles restent peu représentatifs des écosystèmes, et il reste encore à explorer comment les caractéristiques des organismes vivants, individus ou communautés modifient, dans le temps et l’espace la biodisponibilité des substances auxquelles ils sont exposés.

Dans la même série « Ecotoxicologie » Collection Système Terre-Environnement coordonnée par Jeanne Garric IRSTE Editions

  • Volume 1 « Les effets écotoxicologique. De la molécule à la population - Explorer à l’aide de quelques exemples, la toxicité des substances, ses mécanismes, sa mesure et sa modélisation de la cellule à la population. Haut du formulaire
  • Volume 2 « Ecotoxicologie, des communautés au fonctionnement des écosystèmes » - Effet des substances toxiques sur la structure et le fonctionnement des communautés et des écosystèmes

Dans les milieux, terrestres et aquatiques, les espèces vivantes sont organisées en communautés, qui interagissent avec leur habitat. Ce volume propose quelques exemples d’interactions entre substances toxiques et communautés (microorganismes, invertébrés) au sein de leur milieu.

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