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BELCA, un thème de recherche à la croisée de l ... - Irstea

Dossier

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N°218

Spot

Les activités du TR BELCA

se structurent autour de trois

axes principaux qui prennent

en compte les différentes

échelles biologiques d'analyse

de la réponse des

écosystèmes à une pollution

chimique (sub-cellulaire et

individu, population et

communauté).

A • Compréhension des

mécanismes d'action des

contaminants

Le TR BELCA en bref

Réponses adaptatives

multi-échelles à des stress

toxiques non létaux

L'objectif est de développer des outils de détection de perturbations toxiques sur des

organismes modèles. Les effets recherchés doivent rendre compte du mode d'action des

substances toxiques aux niveaux de concentrations observés dans les milieux naturels.

B • Réponses biologiques aux toxiques en milieu aquatique

Les marqueurs étudiés dans l'axe précédent sont développés pour permettre l’évaluation

d'impact dans le milieu aquatique sur les populations modèles du TR.

C • Structure et fonctionnement des communautés aquatiques sous pression chimique

L'enjeu est d'identifier, dans la structure et le fonctionnement des communautés microbiennes,

algales et d'invertébrés les perturbations liées à une pression chimique globale (nutriments,

toxiques, etc.).

D • Réponses adaptatives multi-échelles à des stress toxiques

À l'échelle de l'individu, il s'agit d'évaluer les variabilités de sensibilité et l'acquisition de

résistance. À l'échelle de la population, l'accent est mis sur les phénomènes d’adaptation via

la sélection d'individus présentant des atouts plus grands en milieu contaminé. À l'échelle

des communautés, l'acquisition de tolérance, voire de résilience, intègre l'ensemble des

réponses adaptatives listées ci-dessus, ainsi que le processus de remplacement d'espèces.

Les diatomées, au croisement de la bioindication et de l'écotoxicologie

■ Témoignage de François Delmas

UR Réseaux, épuration et qualité des eaux, Bordeaux

Les diatomées sont des algues unicellulaires qui vivent en pleine eau ou fixées sur les pierres et les

végétaux immergés. Compte tenu de leur répartition dans la rivière, ces organismes sont de bons

indicateurs de la qualité physico-chimique de la colonne d'eau. Les principaux indices diatomées

(Indice Biologique Diatomées ou IBD et Indice de Polluosensibilité Spécifique ou IPS) se fondent

sur l'analyse taxonomique des communautés algales. Environ 1000 espèces présentes dans tous

les cours d'eau français permettent de calculer ces indices.

Aujourd'hui, les recherches s'élargissent à la détection des effets des micropolluants (pesticides,

métaux lourds, polluants émergents) solubles dans l'eau. Différents types de marqueurs d'effets

peuvent signer la présence de micropolluants selon leur mode et leur site d'action : déformation du

squelette siliceux, anomalies du noyau, disparition des chloroplastes (siège de la photosynthèse

dans les cellules)... En parallèle, nous décrivons l'ambiance chimique des milieux en utilisant des

échantillonneurs passifs, comme les POCIS, qui accumulent les polluants hydrophiles (solubles

dans l'eau) dans le temps. Cet échantillonnage plus intégratif permet de relier exposition dans

le milieu et effets biologiques. Ces travaux sont complémentaires de ceux menés à Antony et

Lyon sur les contaminants hydrophobes (insolubles dans l'eau) comme les HAP qui se fixent de

préférence dans les sédiments et les organismes. D'autres organismes sentinelles comme les

invertébrés d'eau douce sont alors mobilisés.

Un laboratoire de pointe en

chimie environnementale

■ Témoignage de Marina Coquery

Responsable scientifique du laboratoire

d'analyses physico-chimiques des

milieux aquatiques, UR Milieux

aquatiques, écologie et pollutions, Lyon

Les activités du laboratoire se partagent

entre trois TR : TED (axe épuration), ARCEAU

(volet risques liés aux pollutions agricoles

diffuses) et BELCA. Nous développons des

méthodes analytiques pour quantifier les

contaminants chimiques dans des matrices

environnementales complexes : eaux de

surface, sédiments, effluents et boues de

station d'épuration, organismes vivants,

biofilms...

Ces méthodes concernent en priorité les

molécules ciblées par la DCE (pesticides,

PCB, métaux lourds…) et les micropolluants

émergents (produits pharmaceutiques,

hormones estrogéniques…) présents à

l'état de trace (quelques milliardièmes de

gramme) dans les milieux. Aux analyses

classiques effectuées au laboratoire,

s'ajoute un important volet dédié aux

échantillonneurs passifs qui captent les

polluants directement dans les eaux ou le

sédiment.

Nous menons des expérimentations et

des études d’inter-comparaison (entre

laboratoires et entre outils) pour mieux

comprendre leur fonctionnement et leur

applicabilité sur le terrain. Nous testons

ces outils pour étudier par exemple

l'impact des rejets de stations d'épuration

des eaux usées sur la qualité des cours

d’eau. Plusieurs des projets menés sur ces

échantillonneurs sont à l'interface de la

chimie et de la biologie. Ainsi, la mesure de

la concentration en métal "disponible" via

des échantillonneurs passifs de type DGT

est étudiée dans des sédiments contaminés

afin de mieux prédire la bioaccumulation des

métaux dans des organismes benthiques.


Diatomées indicatrices d'une qualité globale de

l'eau...


...excellente (fond bleu) à très mauvaise (fond

rouge)


BELCA, un TR à la croisée

de l'écotoxicologie et de la bioindication

Vers de nouveaux outils

d'évaluation du risque

écotoxicologique

Pour répondre à ces questions, le

thème de recherche BELCA 1 mobilise

des spécialistes dans les domaines de

l'écologie, de la chimie, de la biologie

appliquée et de l'écotoxicologie.

Le TR est né en 2009 de la fusion des

TR EXPER et DYNAQ dédiés respectivement

à l'écotoxicologie et à la

bioindication, deux thématiques pour

lesquelles le Cemagref dispose de

longue date, de solides compétences.

Ces deux TR ont formé BELCA dans

le but de coupler ces deux approches

pour développer de nouveaux outils

de prédiction des risques toxiques et

de diagnostic de la qualité des cours

d'eau. Les travaux visent notamment

à améliorer la sensibilité des outils de

bioindication à la contamination toxique.

Dans le domaine de l'écotoxicologie,

les études mettent l'inflexion sur

les conséquences écologiques des

pressions chimiques. L’objectif est

de mieux comprendre les réponses

biologiques aux différentes échelles

d'organisation qui vont de la cellule

à la communauté d’organismes. Les

outils expérimentaux doivent aussi

intégrer le milieu naturel dans toute sa

complexité.

Des essais sur les organismes

au plus près du terrain

Dans les années 80, les premiers essais

permettaient d’évaluer la toxicité

de substances ou d'échantillons

environnementaux sur des organismes

élevés au laboratoire - végétaux,

poissons, invertébrés. Afin de mieux

prédire le risque environnemental

dans les conditions naturelles, les

études s'orientent aujourd'hui vers

des tests réalisés sur le terrain sur des

organismes modèles, représentatifs

des communautés aquatiques.

À Antony et à Lyon, les scientifiques

utilisent des invertébrés d'eau douce

Évaluer les effets des polluants à l'échelle des populations d'invertébrés

■ Témoignage d'Arnaud Chaumot, Lyon

UR Milieux aquatiques, écologie et pollutions, Lyon

Les polluants sont à l'origine de troubles

variés chez les organismes (anomalies

cellulaires, dérèglements hormonaux,

mutations génétiques, etc.). La santé

des individus est alors affectée (chute de

croissance, baisse de la fertilité, hausse

de la mortalité, etc.), avec des impacts

potentiels sur la démographie des

populations.

Notre travail consiste à faire le lien entre

les effets de ces polluants de l'échelle

de l'individu et celle de la population.

Cela suppose en amont de connaître

parfaitement la biologie et le cycle de

vie des espèces dans des milieux non

qu'ils mettent en cage directement dans

le cours d'eau. Il s'agit le plus souvent

d'espèces européennes communes

de crustacés, de mollusques bivalves

et de gastéropodes. Le choix des

organismes est guidé par différents

critères liés à la biologie, au cycle de vie

et à l'histoire évolutive des organismes

cibles qui expliquent les différences

de sensibilité aux toxiques. À titre

d'exemple, on comprend aisément que

les voies de contamination (par l'eau

ou par les particules) d’un organisme

seront d’importance variable selon que

l'on s’intéresse à un organisme enfoui

dans le sédiment (chironome) ou

filtreur de particules (moule zébrée) ou

vivant sur les graviers ou les végétaux

(gammare).

Les promesses du biofilm

Des organismes microscopiques

sont utilisés pour détecter les

micropolluants directement dans

le cours d’eau. Il s'agit des algues

(vertes, bleues ou de type diatomées),

des bactéries et des champignons qui

constituent le biofilm.

Omniprésent dans les rivières, le

biofilm forme une couche visqueuse

et glissante à la surface des cailloux,

contaminés. Vient ensuite tout un panel

d'essais réalisés au labo et sur le terrain,

afin de mesurer les impacts des toxiques

à l'échelle du sub-individu et de l'individu

(tests de toxicité, développement

de biomarqueurs). Cet ensemble de

données est intégré dans des modèles

démographiques qui permettent

d'évaluer la capacité des populations

à se maintenir dans les milieux pollués.

L'enjeu est d'améliorer la pertinence

des outils réglementaires d’évaluation

du risque toxique et de diagnostic des

sources de dégradation de la qualité de

l’environnement.

plantes ou objets immergés. Il

regroupe des organismes ayant des

cycles de vie relativement courts et

une grande diversité de préférences

environnementales et de sensibilité

aux altérations d'origine humaine. Ces

caractères lui confèrent une qualité

"d'indicateur biologique d'alerte".

À Bordeaux, les travaux portent depuis

plus de trente ans sur les diatomées,

avec de fortes compétences

développées dans le domaine de la

taxonomie. Des milliers d'espèces de

diatomées, plus ou moins sensibles

aux molécules toxiques sont

concernées. À Lyon, des approches

toxicologiques sont développées sur

l'ensemble de la communauté de

microorganismes du biofilm afin de

détecter les impacts de pollutions

agricoles (pesticides, métaux lourds)

sur ces communautés.

De nouvelles générations

d’échantillonneurs

dans les rivières

Un autre enjeu des recherches

concerne la caractérisation de

l'environnement chimique dans lequel

vivent les organismes. Les chercheurs

explorent les performances d'une

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N°218

Spot


Le biofilm de rivière : une communauté complexe de micro-organismes utilisés en écotoxicologie pour déterminer

le degré de pollution des cours d'eau ou le risque représenté par les substances toxiques


Dossier

Connaître le comportement d'un polluant en milieu naturel

est indispensable mais complexe

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N°218

Spot

nouvelle génération d'échantillonneurs

dits "passifs" - POCIS, SBSE, DGT,

SPMD - qui permettent de concentrer,

en continu les contaminants dissous

dans les milieux aquatiques.

Contrairement aux prélèvements

ponctuels, ils permettent de rendre

compte des concentrations présentes

dans le milieu sur une longue durée (de

quelques jours à plusieurs semaines).

On parle d'échantillonnage intégré

dans le temps. Certains dispositifs

comme les SPMDs miment le rôle

sélectif des membranes biologiques

vis-à-vis des différentes formes

chimiques des polluants.

Ces méthodes de prélèvement,

peu répandues dans les réseaux de

surveillance des milieux aquatiques,

sont étalonnées et testées par les

équipes scientifiques à Antony,

2 - http://www.aquaref.fr/fiches_methodes_validees

Bordeaux et Lyon. Des fiches

méthodes écrites par les chercheurs

sont mises en ligne sur le site

d'AQUAREF 2 (Laboratoire national

de référence pour la surveillance des

milieux aquatiques) en vue de leur

transfert vers les acteurs de l'eau.

La parole à un expert… du biofilm

■ Témoignage de Stéphane Pesce

UR Milieux aquatiques, écologie et pollutions, Lyon

Les biofilms sont capables de fournir un signal d'alerte précoce en cas de pollution

de la rivière. Outre leur développement rapide, l'intérêt de ces biofilms réside dans

leur capacité à interagir avec les substances toxiques dissoutes (pesticides, métaux

lourds, etc.) qu'ils peuvent dégrader et dans leur faculté de s'adapter rapidement aux

modifications de l'environnement.

Lorsqu'un milieu est soumis à un polluant, le biofilm voit généralement sa structure

évoluer au cours du temps : parmi les organismes qui le composent les plus sensibles

disparaissent au profit des plus résistants. Une première approche consiste à analyser

l'évolution de la diversité au sein de la communauté, grâce notamment à des outils

de biologie moléculaire fondés sur l'analyse de l'ADN. Ces méthodes mises au point

au début des années 90 dans le domaine médical, sont de plus en plus utilisées en

écologie microbienne appliquée aux milieux naturels, à l'épuration des eaux usées et au

traitement des déchets.

Une autre voie d'évaluation du risque environnemental privilégie l'analyse des fonctions

assumées par les communautés microbiennes (algues, bactéries, champignons…)

présentes au sein du biofilm. Ainsi, des tests biologiques ciblant différentes activités

(photosynthèse, respiration, potentiel enzymatique…) peuvent permettre de renseigner

l'état de pollution des milieux dans lesquels les biofilms ont été prélevés.

Zoom sur la biodisponibilité

des contaminants urbains

■ Témoignage de Catherine Gourlay-

Francé

UR Hydrosystèmes et bioprocédés, Antony

La biodisponibilité d'une substance

chimique désigne sa capacité à interagir

avec les organismes vivants. Cette notion

dépend à la fois du polluant, de son devenir

dans l'environnement et de la physiologie

de l'organisme exposé.

À Antony, nos travaux se focalisent sur

deux types de contaminants urbains : les

métaux et les hydrocarbures aromatiques

polycycliques (HAP).

Différents modèles biologiques sont

utilisés : bryophytes (mousses végétales),

gammare et moule d'eau douce. Nous

mesurons la concentration en métal labile

via des capteurs passifs de type DGT

pour se rapprocher de la concentration

biodisponible. Nous couplons ces études

avec des mesures des flux entrants et

sortants dans les organismes. D'autres

techniques sont mobilisées pour l'étude de

la biodisponibilité des HAP. Hydrophobes,

ils ont tendance à s'associer aux particules

organiques présentes dans le milieu. Pour

évaluer la fraction biodisponible des HAP,

nous utilisons des membranes poreuses

qui ne laissent diffuser que les HAP

dissous libres et les comparons à ce qui

est accumulé par un organisme.

Enfin, d'autres types de travaux sont menés

sur le biofilm afin d'évaluer ses capacités de

résistance à une contamination métallique.

Trois dispositifs DGT installés

pour l'exposition en rivière

Deux SPDM prêtes à être installées dans une

cage de protection et déployées en rivière

Dispositif POCIS après une exposition

de deux semaines dans une rivière

Équipe BELCA, UR HBAN

Équipe BELCA, UR HBAN

Équipe BELCA, UR HBAN

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