Introduction à l'écotoxicologie
Fondements et applications

Sommaire et contenu du livre "Introduction à l'écotoxicologie - Fondements et applications"

Table des matières


Avant-propos ..................................................... III

Liste des sigles et abréiations ....................................... V

Introduction. ................................................... .. XVII

Chapitre 1

Définition de l'écotoxicologie, place parmi les sciences biologiques

1.
Écologieetécotoxicologie .. ....................................... 1

2.
Écotoxicologieettoxicologieenvironnementale ........................ 3

2.1.
Bases conceptuelles relatives aux dimensions écologiques
del'écotoxicologie........................................... 5

2.1.1.
Leconceptd'échelleenécotoxicologie...................... 5

2.1.2.
Les différents contextes propres à l'approche écotoxicologique

des problèmes de pollution de l'environnement. . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.
Écotoxicologierétrospectiveetprédictive......................... la

2.2.1.
Écotoxicologierétrospective.............................. la

2.2.2.
L'écotoxicologieprédictive............................... la

3.
Écotoxicologie et protection environnementale 110•••• 0••• 0 •
Chapitre 2

Causes et importance de la pollution de l'écosphère

10 Qu'entend-on par pollution? 13

1.1.
Définitiondespollutions ...................................... 14

1.2.
Pollutionsetnuisances........................................ 14

2.
Classificationdespollutions........................................ 15

3.
Historique des pollutions 17

4.Causesetimportancede lapollutiondel'écosphère ..................... 18

4.1.
Lesprincipalessourcesdepollution ............................. 20

4.1.1.
La production d'énergie, source majeure de pollution.......... 20

4.1.2.
Les activités industrielles 290• • • • •
4.1.3.
L'agricultureintensive................................... 32

4.2.
La dispersion planétaire des polluants 340•••••••• ••
4.2.1.
Des pollutions régionales à une pollution globale .. 0 34

4.2.2.
Pollutions et équilibres écologiques globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Chapitre 3

Dispersion et circulation des polluants dans l'écosphère

1.
Circulationatmosphériquedespolluants .............................. 39

1.1.
Structuredel'atmosphère...................................... 39

1.2.
Passagedespolluantsdansl'atmosphère.......................... 41

1.2.1.
Lois générales de la circulation atmosphérique. . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.2.2.
Letransportàdistancedesaéropolluants .................... 45

1.3.
Devenirdespolluantsdans l'atmosphère.......................... 47

1.3.1.
Letemps moyenderésidence............................. 47

1.3.2.
Modifications physico-chimiques des polluants atmosphériques. . 48

1.4.
Pollutionsetmésoclimats...................................... 50

1.4.1.
Dômedepollutionurbaine ............................... 50

1.4.2.
Inversiondetempératureetsmogs ......................... 50

2.
Transfert des polluants de l'atmosphère dans les sols et les eaux 52

2.1.
Transfert des polluants de l'atmosphère vers la surface de l'écosphère . . 55

2.2.
Transfert des polluants de l'atmosphère vers l'hydrosphère. . . . . . . . . . . 56

2.3.
Réaction entre polluants induisant la formation de polluants secondaires. 56

2.3.1.
Formation desphoto-oxydants ............................ 57

2.3.2.
Polluants secondaires donnant lieu aux pluies acides. . . . . . . . . . . 59

3.
Incorporation des polluants dans la biomasse 60

3.1.
Influence deladégradabilité ................................... 61

3.1.1.
Principaux processus de dégradation des polluants. . . . . . . . . . . . . 61

3.1.2.
Exemples de processus de dégradation abiotique. . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.
Bioaccumulationetbioconcentration............................. 64

3.2.1.
Notiondebiodisponibilité................................ 64

3.2.2.
Labioaccumulation..................................... 65

3.2.3.
La bio-concentration.................................... 65

3.3.
Existencedeconcentreursbiologiques ........................... 66

3.3.1.
Bioconcentration dans les organismes terrestres. . . . . . . . . . . . . . . 66

3.3.2.
Bioconcentration dans les organismes aquatiques. . . . . . . . . . . . . . 67

3.4.
Circulation des polluants dans les réseaux trophiques. . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.4.1.
Bioamplification dans les réseaux trophiques aquatiques. . . . . . . . 70

3.4.2.
Bioamplification dans les réseaux trophiques terrestres. . . . . . . . . 73

3.4.3.
Principaux types de circulation des polluants dans les réseaux
trophiques ............................................ 79

3.4.4.
Modalités et mécanismes de transfert dans les réseaux trophiques. 82

3.4.5.
Modélisation du transfert des polluants dans les réseaux trophiques 85

4.
Résuméetconclusion ............................................. 87

Chapitre 4

Notion de toxique et implications écologiques

1.
Définition de la toxicologie 91

2.
Mode d'exposition et de pénétration des toxiques dans l'organisme. . . . . . . . . 92

3.
Les diverses manifestations de la toxicité 93

3.1.
Latoxicité aiguë............................................. 93

3.2.
Latoxicitésubaiguë.......................................... 94

3.3.
Latoxicitéàlong terme....................................... 94

3.4.
Problèmes de manifestation de la toxicité particuliers à l'écotoxicologie. 94

3.4.1.
Antagonisme.......................................... 95

3.4.2.
Potentiation ........................................... 95

4.
Principaux effets physiotoxicologiques induits par l'exposition à des polluants 96

4.1.
Altérationssomatiques........................................ 97

4.1.1.
Effets sur les plantes vertes et autres organismes autotrophes . . . . 97

4.1.2.
Effetssurles animaux................................... 105

4.2.
Altérationsgerminales........................................ 121

4.2.1.
Effetssurlepotentielbiotique............................. 121

4.2.2.
Effetsembryotoxiquesettératogènes....................... 122

4.3.
Génotoxicité etcancérogénicité................................. 123

4.3.1.
Mutagenèse ........................................... 123

4.3.2.
Natureetcausesdelamutagenèse ......................... 124

4.3.3.
Cancérogenèse......................................... 132

Chapitre 5

Détermination des principaux paramètres écotoxicologiques quantitatifs

1.
Détermination des paramètres caractéristiques de l'écotoxicité 141

1.1.
Évaluation de la toxicité d'un polluant........................... 141

1.1.1.
Testsdetoxicitéet/oud'écotoxicité ........................ 141

1.1.2.
Principaux paramètres écotoxicologiques et leur détermination. . . 142

1.2.
Relations dose ou concentration-réponse non monotone:
lecasdessubstanceshormétiques............................... 149

1.3.
Méthodes statistiques d'estimation de la toxicité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

1.3.1.
Transfonnationdeprobit................................. 150

1.3.2.Limitesde
laméthodedeprobit ........................... 157

1.4.
Principalesméthodesdetestsdetoxicité.......................... 158

1.4.1.
Principaux types de bio-essais en toxicologie de l'environnement. 158

1.4.2.
Bioessais d'effets mutagènes et tératogènes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

2.
Indices quantitatifs de préservation de la santé publique et environnementale. 165

2.1.
Indicesd'évaluationde lacontamination.......................... 166

2.2.
Facteursd'équivalencedetoxicité............................... 166

2.3.
Seuilsdesécurité(éco)toxicologiques............................ 168

2.3.1.
Établissement des seuils de sécurité environnementaux. . . . . . . . . 169

2.3.2.
Autresindicateursdeseuilsdesécurité...................... 171

2.3.3.
Limites des notions de seuil et d'indicateurs de sécurité
(éco)toxicologique...................................... 173

3.
Dimensions scientifiques et éthiques de la protection écotoxicologique . . . . . . 176

Chapitre 6

Effets des polluants sur les populations

1.
Principaux types d'effets démo-écologiques des polluants 180

1.1.
Effetssurlamortalité......................................... 180

1.1.1.
Effets de la mortalité sur des populations végétales. . . . . . . . . . . . 180

1.1.2.
Effetssurdespopulationsanimales......................... 181

1.1.3.
Effets létaux des pollutions sur des populations d'espèces marines 183

1.1.4.
Effets létaux des radiations ionisantes....................... 184

2.
Effets des polluants sur le potentiel biotique des populations contaminées. . . . 186

2.1.
Effetssur lareproduction...................................... 187

2.1.1.
Diminution de potentiel biotique des populations aviennes exposées

àdescomposésorganochlorés............................. 187

2.1.2.
Autres exemples d'effets des polluants sur le potentiel biotique
despopulationsexposées................................. 192

2.2.
Effets sur la mortalité embryonnaire et néonatale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

2.2.1.
Embryotoxicité ........................................ 196

2.2.2.
Diminution du potentiel biotique due à la perturbation

del'embryogenèse...................................... 196

2.2.3.
Mortalité néonatale..................................... 197

3.
Effets sur la croissance IOSl
4.
Conséquences démo-écologiques des perturbations comportementales
induites par les polluants 200

5.
Effets des polluants sur l'interaction entre les populations de deux espèces. . . 204

5.1.
Modifications de la pression de prédation due à la pollution
del'environnement........................................... 204

5.2.
Autre type d'effets sur les relations interspécifiques des polluants. . . . . . 207

6.
Adaptation des populations aux polluants: tolérance et résistance .. . . . . . . . . 213

6.1.
Toléranceauxmétauxlourds................................... 213

6.2.
Résistanceauxpesticides...................................... 216

6.2.1.
Résistancedesinsectesauxinsecticides..................... 217

6.2.2.
Résistancedesplantesauxherbicides....................... 220

6.2.3.
Autres exemples de résistance aux polluants .. . . . . . . . . . . . . . . . 222

6.204.
Résistanceauxmultixénobiotiques......................... 222

Chapitre 7

Effets des polluants sur les écosystèmes

1.
Effets des polluants sur la structure des écosystèmes 228

1.1.
Réduction d'abondance et de richesse spécifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

1.1.1.
Effets des polluants sur les espèces-clefs de voûte des peuplements 232

1.1.2.
Effetssurladominance.................................. 233

1.2.
Effetssurladiversitéspécifique ................................ 234

1.3.
Effets des polluants sur la distribution d'abondance des peuplements. . . 238

lA.
Effets sur la succession 239

2.
Effetssurlefonctionnementdes écosystèmes.......................... 241

2.1.
Effets sur la biomasse et la productivité primaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

2.1.1.
Effets sur la productivité des écosystèmes terrestres. . . . . . . . . . . . 242

2.1.2.
Effets sur la productivité des écosystèmes aquatiques. . . . . . . . . . 249

2.1.3.
Effets des polluants sur la productivité primaire des récifs coralliens
etdesécosystèmesmarinscôtiers annexes................... 255

2.104.
Effetdelapollutiondesocéansparlepétrole................. 265

2.2.
Effets sur la productivité secondaire des écosystèmes. . . . . . . . . . . . . . . . 267

2.3.
Actiondespolluantssurlecycledelamatière ..................... 271

2.3.1.
Effetssurlesdécomposeurs .............................. 272

2.3.2.
Effets sur la régulation fonctionnelle du cycle de la matière
par les consommateurs 276

2.3.3.
Conséquences sur le recyclage des éléments minéraux nutritifs
danslesécosystèmes.................................... 279

3.
Descripteurs des effets des polluants sur la régulation du fonctionnement
des écosystèmes 279

Chapitre 8
Perturbation des cycles biogéochimiques par les polluants
Conséquences écologiques

1.
Perturbation des cycles biogéochimiques d'éléments biogènes . . . . . . . . . . . . . 288

1.1.
Perturbationducycleducarbone................................ 290

1.1.1.
Monoxydede carbone................................... 291

1.1.2.
Hydrocarbures........ ................................. 292

1.2.
Perturbation du cycle biogéochimique de l'azote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

1.2.1.
Principaux polluants gazeux dérivés de ['azote. . . . . . . . . . . . . . . . 295

1.3.
Perturbation du cycle biogéochimique du soufre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

1.3.1.
Cycle biogéochimique du soufre dans les conditions naturelles. . . 301

1.3.2.
Actionde1'hommesurlecycledusoufre.................... 305

1.4.
Interactions entre aéropolluants à l'échelle globale. . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

2.
Perturbation des cycles biogéochimiques d'éléments xénobiotiques toxiques. 309

2.1.
Perturbationducycledu plomb................................. 309

2.1.1.
Cycle biogéochimique du plomb dans les conditions naturelles. . . 310

2.1.2.
Perturbations du cycle biogéochimique du plomb par l'action
del'homme........... ................................ 310

2.2.
Perturbationducycledel'arsenic ............................... 318

2.2.1.
Sources et flux naturels d'arsenic dans la biosphère. . . . . . . . . . . . 319

2.2.2.
Perturbations du cycle biogéochimique de l'arsenic par l'action
del'homme........................................... 319

2.3.
Perturbationducycledumercure................................ 321

2.3.1.
Flux naturels de mercure dans les principaux compartiments
delabiosphère......................................... 321

2.3.2.
Perturbations du cycle biogéochimique du mercure par l'action
del'homme........................................... 324

2.4.
Perturbationducycleducadmium............................... 332

2.4.1.
Cycle biogéochimique du cadmium dans les conditions naturelles 332

2.4.2.
Perturbations du cycle biogéochimique du cadmium par l'action
del'homme.............................. ............. 332

2.5.
Conséquences de la pollution par les éléments toxiques. . . . . . . . . . . . . . 336

3.
Cycles biogéochimiques des polluants organiques persistants 338

3.1.
Cycle biogéochimique des hydrocarbures aromatiques polycyliques (HAP) 338

3.1.1.
Passage des HAP dans les réseaux trophiques . . . . . . . . . . . . . . . . 341

3.2.
Cycle biogéochimique des composés organochlorés . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

3.2.1.
Passage des composés organochlorés dans les réseaux trophiques. 342

3.3.
Cycle biogéochimique des dioxines (PCDD)
etdespoJychlorodibenzofuranes(PCDF) ......................... 345

3.3.1.
Modalités de dispersion et persistance des PCDD et des PCDF
dansl'environnement................................... 346

3.3.2.
Contamination des réseaux trophiques par les PCDD et les PCDF 348

Chapitre 9

Écotoxicologie nucléaire

1.
Naturedesrayonnements .......................................... 351

2.
Radioactivité -Notions de radioécologie 354

2.1.
Périodephysiqueetpériodebiologique........................... 354

2.2.
Importance radioécologique des radio-isotopes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35'6
2.3.
Unitésde.radioactivitéetd'irradiation............................ 359

3.
Principaux types d'effets démo-écologiques des radiations ionisantes 360

3.1.
Radiosensibilité comparée des êtres vivants aux doses létales . . . . . . . . . 360

3.2.
Effetsdesdosessublétales..................................... 361

3.2.1.
Effetsphysiologiques ................................... 362

3.2.2.
Effetssur Jepotentielbiotique............................. 363

3.2.3.
Effetsmutagènesetcancérogènes.......................... 365

4.
Principalescausesdepollution nucléaire.............................. 369

4.1.
Cycledu « combustible». ..................................... 370

4.2.
Pollution par les retombées des tests atmosphériques d'armes nucléaires. 372

4.3.
Pollution de l'environnement par l'industrie nucléaire. . . . . . . . . . . . . . . 374

4.3.1.
Effluents rejetés par J'industrie nucléaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

4.3.2.
Problèmedustockagedesdéchets.......................... 377

5.
Conséquences écologiques de la pollution nucléaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

5.1.
Comportement des radionucléides produits par l'industrie nucléaire
danslesécosystèmes ......................................... 379

5.1.1.
Contaminationdeseauxcontinentales ...................... 379

5.1.2.
Contamination radioactive des eaux marines. . . . . . . . . . . . . . . . . 385

5.1.3.
Contamination radioactive des écosystèmes terrestres. . . .. . . . . . 390

5.2.
Risques d'accidents dans l'industrie nucléaire et conséquences
radioécologiques............................................. 396

5.2.1.
Scénario de référence d'un accident affectant une centrale nucléaire 396

5.2.2.
L'accidentdeTchernobyl................................ 397

5.2.3.
Études des conséquences de l'exposition aux radiations
pourlescommunautés................................... 406

Chapitre 10

Monitoring des polluants

1.
Monitoring despolluants danslesécosystèmes......................... 411

1.1.
Contamination des orgarusmes -Les bio-indicateurs de contamination. . 413

1.1.1.
Caractéristiques requises d'un bio-indicateur. . . . . . . . . . . . . . . . . 413

1.1.2.
Facteurs qui influencent la fiabilité des bio-indicateurs. . . . . . . . . 414

1.2.
Utilisation des indicateurs biologiques d'accumulation. . . . . . . . . . . . . . . 420

1.2.1.
Utilisation d'espèces bioaccumulatrices dans les biotopes aquatiques 420

1.2.2.
Utilisation d'espèces bioaccumulatrices dans les biotopes terrestres 428

2.
Biomarqueurs ................................... 436

2.1.
Définitiondesbiomarqueurs ................................... 437

2.2.
Réaction des organismes à une contamination par des xénobiotiques
toxiques ................................................... 437

2.2.1.
Notiondexénobiotique.................................. 437

2.2.2.
Étapes de la réaction d'un organisme contaminé par un xénobiotique 438

2.3.
Principauxtypesdebiomarqueurs............................... 440

2.3.1.
Identification des biomarqueurs en fonction de la phase concernée
del'actiond'unxénobiotique............................. 440

2.3.2.
Classificationdesbiomarqueurs ........................... 441

2.4.
Niveaux d'organisation concernés et spécificité des biomarqueurs. . . . . . 443

2.4.1.
Niveaux d'organisation.................................. 443

2.4.2.
Spécificité desbiomarqueurs.............................. 444

2.5.
Principalesapplicationsdesbiomarqueurs ........................ 445

2.6.
Biomarqueursd'exposition.................................... 447

2.6.1.
Biomarqueurs d'exposition aux métaux et métalloïdes toxiques. . 447

2.6.2.
Biomarqueurs d'exposition aux insecticides organophosphorés
etauxcarbamates ...................................... 449

2.6.3.
Biomarqueurs d'expositionauxHAP....................... 450

2.6.4.
Biomarqueurs d'exposition aux composés organochlorés . . . . . . . 451

2.6.5.
Biomarqueurs d'exposition aux polluants génétoxiques......... 452

3.
Monitoring des changements produits par les polluants 454

3.1.
Biomarqueursd'effets........................................ 454

3.1.1.
Biomarqueurs d'effets marqués par des inhibitions enzymatiques. 455

3.1.2.
Biomarqueursdestress chimique.......................... 455

3.1.3.
Biomarqueurs associés au métabolisme énergétique. . . . . . . . . . . . 457

3.1.4.
Biomarqueurs d'effets cytologiques et histologiques. . . . . . . . . . . 459

3.1.5.
Biomarqueurs d'effets comportementaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

3.2.
Bio-indicateurs d'effets: monitoring d'espèces« sentinelles ». . . . . . . . . 461

3.2.1.
Principaux groupes taxonomiques donnant lieu à un usage

comme bio-indicateurs d'altération des communautés
pardespolluants ....................................... 462

3.3.
Évaluation de la richesse spécifique et des indices de diversité

dans le monitoring écotoxicologique............................. 471

3.3.1.
Évaluationdelarichesse spécifique........................ 471

3.3.2.
Utilisation des indices de diversité dans le monitoring écotoxicologique 473

3.3.3.
Usage des indices biotiques dans le monitoring écotoxicologique . 474

3.3.4.
Usage d'indices factoriels et de l'analyse multivariée
danslemonitoring despolluants........................... 478

Chapitre 11

Prévision des effets et évaluation du risque environnemental

1.
Réglementation européenne relative au risque pour l'environnement
dessubstances chimiques.......................................... 481

1.1.
Caractéristiques des substances chimiques et biotests exigés
pourl'homologation.......................................... 482

I.l.l. Substancessoumisesàdéclaration ......................... 482

1.1.2.
Substances soumises à un dossier de notification complet. . . . . . . 483

1.2.
Importance et limites de la réglementation européenne de l'évaluation
durisque chimique........................................... 486

2.
Prévision du comportement d'un polluant dans un écosystème. . . . . . . . . . . . . 487

2.1.
Prévision du potentiel de bioamplification d'une substance chimique. . . 487

2.2.
Prévision de la concentration d'une substance chimique dans un biotope
terrestre ou aquatique à la suite d'une pollution 491

2.2.1.
Loi etconstantedeHenry ................................ 492

2.2.2.
Modèles de dispersion dans l'environnement. . . . . . . . . . . . . . . . . 494

3.
Prévision des effets des polluants sur les individus et les populations 495

3.1.
Évaluation de la relation quantitative structure-activité (QSAR) . . . . . . . 495

3.2.
Usage des biomarqueurs dans la prévision des effets . . . . . . . . . . . . . . . . 497

4.
Prévision des effets sur les écosystèmes 499

4.1.
Mésocosmes................................................ 500

4.1.1.
Mésocosmesaquatiques ' ............................... 500

4.1.2.
Mésocosmesterrestres................................... 516

4.2.
Enclos..................................................... 518

4.2.1.
Encloslimniques....................................... 518

4.2.2.
Enclosenmilieu marin.................................. 520

4.3.
Recherches effectuées sur des fractions d'écosystèmes naturels. . . . . . . . 522

5.
Évaluation du risque écotoxicologique 524

5.1.
Évaluation du risque fondée sur des modèles simplifiés de populations
oude communautés .......................................... 524

5.2.
Évaluation du risque fondée sur des modèles écosystémiques . . . . . . . . . 525

Annexe........................................................... 529

Bibliographie ..................................................... 549

1.
Ouvragesgénéraux ............................................... 549

2.
Autres ouvrages, publications originales et mises au point ..... . . . . . . . . . . . 550

Index général ..................................................... 585

Index taxonomique. ................................................ 609