Effets létaux et chroniques

Question 1

Exemples de défis communs en écotixcologie

Answer 1

• détermination de la toxicité d’une ou de plusieurs substances envers les écosystèmes terrestres et aquatiques
• établissement de critères de qualité des eaux, des sédiments du sol ou de l’air pour la protection des écosystèmes (incluant l’homme) afin de réglementer les rejets de polluants
• détermination de l’effet d’un effluent complexe (urbain, industriel) sur le milieu récepteur

Question 2

Annexe LCPE

Answer 2

• Pb, Hg, As, Cr, Cd
• Particules métalliques:
• Fonderies de Cu, usines de Zn
• O ,NO,NO ,N O,SO , 3222
• KBrO3, N2H4
• Microbilles de plastiques
• Substances organiques (grande proportion de l’ensemble)

Question 3

Bioessais et tests de toxicité

Answer 3

• Procédure expérimentale pour déterminer la toxicité d’une substance pure (ou d’un mélange complexe) en mesurant l’intensité d’une réponse biologique (avec relation concentration-effet)
• C-à-d: Exposer une espèce « A » pendant « B » heures à un produit chimique « C » pour examiner un indice toxicologique « D » dans le labo

Question 4

Exemple test de toxicité

Answer 4

• A = Caenorhabditis elegans (un nématode)
• B = 96 h
• C = 2 types de nanoparticules de cadmium (Cd)
• D = Critères sublétaux: fertilité, croissance, et motilité

Question 5

Vous êtes employé(e)s pour le Centre Saint-Laurent (Environnement Canada) et vous devez mesurer les effets néfastes potentiels d’un nouveau produit chimique sur les poissons en utilisant les bioesssais en laboratoire. Quels sont les décisions principales à prendre avant la mise en place de cette étude en laboratoire?

Answer 5

• Quelles substances toxiques étudier ? (spéciation des métaux, produits de dégradation, solvant): Glyphosate et AMPA
• Administrée sous quelle forme ? (exposition via l’eau, la nourriture, etc.)
• À quelle dose ? Létale ou sublétale ?
• Quelles réponses mesurer? (biomarqueurs, croissance, mort,…)
• Sur quelle durée d’exposition ? (heures, jours, semaines)
• Seule ou en présence d’autres substances toxiques ? (synergie ou antagonisme)
• Glyphosate ou Roundup?
• Dans une eau « reconstituée » ou naturelle ? Renouvellement d’eau ou
• Avec quelle espèce de poisson ? (espèce sensible ou tolérante, larves ou adultes)
• Quelle est le budget du projet? (équilibre entre coût, représentativité, reproductibilité et complexité)

Question 6

Bioessais en laboratoire

Answer 6

1. Essais sous condition statique (sans renouvellement d’eau) Exemple: Daphnie, test 48h
2. Essais de renouvellement statique (avec renouvellement)
3. Essais avec renouvellement continu (« flow-through test »)
4. Essais avec un sol ou sédiment contaminé ou artificiellement enrichi
5. Essais avec ingestion des produits toxiques (e.g. oiseaux)
6. Essais in vitro (cultures de cellules)
7. Essais de bioaccessibilité (simulation de la digestion)

Question 7

Batteries de tests

Answer 7

• L’utilisation d’une batterie (ou série) de tests permet de représenter les différents niveaux trophiques ainsi que les différents groupes phylogéniques de façon à mieux cerner la gamme de sensibilité des organismes vivants et de mieux tester différentes matrices

Question 8

Essai de renouvellement statique

Answer 8

• Peu coûteux
• Petite quantité d’eau (eau changée aux deux jours)
• Moins de contrôle sur la concentration du polluant et la
  qualité d’eau (production de déchets par organisme)

Question 9

Essai avec renouvellement continu

Answer 9

• Système complexe et coûteux
• Grande quantité d’eau nécessaire (eau toujours changée et à la même concentration)
• Plus de contrôle sur la
  concentration du polluant et la qualité d’eau
• Pas super pour l’environnement car beaucoup de rejet d’eau usée

Question 10

Test de toxicité aiguë de cuivre (Cu) sur les truites arc-en-ciel pendant 7 jours avec essai avec renouvellement continu

Answer 10

• Les essais avec renouvellement continu (« flow-through ») peuvent surestimer la toxicité car le renouvellement rapide de l’eau empêche l’équilibre chimique
• Concentration plus élevée de TOC, DOC et NH3 avec renouvellement statique
• Plus de DOC, moins de Cu libre = Cu est moins toxique!

Question 11

Essai en microcosme avec sédiments

Answer 11

• Tests en microcosme avec 5 sédiments contaminés afin d’évaluer leurs effets toxiques potentiels en utilisant les réponses biologiques de 5 espèces venant de différents groupes taxonomiques pendant 28 jours

Question 12

Essais avec ingestion des produits toxiques

Answer 12

• Design expérimental « Up-and-down »
• Administration des doses de façon séquentielle pour limiter le nombre d’animaux tués

Question 13

Comité de déontologie de l’expérimentation sur les animaux (CDEA)

Answer 13

• Ce Comité a pour objectif de voir à ce que des règles acceptables pour la société soient respectées lors de l’utilisation d’animaux pour fins d’enseignement et de recherche à l’Université, notamment en se conformant aux lois et règlements du Canada et du Québec en plus de répondre aux exigences du Conseil canadien de protection des animaux

Question 14

Bioessais Microtox

Answer 14

• Un bioessai rapide utilisant les bactéries où une diminution de bioluminescence démontrent un effet toxique pour un polluant (ou mélange) « X »

Question 15

Bioaccessibilité

Answer 15

• fraction d’une substance chimique qui se retrouve dans la phase dissoute dans le tractus digestif d’un organisme
• estimation conservatrice de la biodisponibilité

Question 16

Biodisponibilité

Answer 16

• fraction d’une substance chimique qui se retrouve dans la circulation sanguine d’un organisme

Question 17

Modèle de digestion in vitro pour l’évaluation de la bioaccessibilité

Answer 17

• pH 2 + enzymes digestives : processus de solubilisation : fraction bioaccessible
• pH 7 + enzymes digestives : absorption via la paroi intestinale : fraction bio disponible
• pH7 + microbiote : élimination via les selles

Question 18

Avantages des bioessais

Answer 18

1. Reproductibilité, rapidité, économie
2. Facilité de culture des organismes
3. Sensibilité à plusieurs polluants (même les produits complexes comme les effluents industriels)
4. Valeur légale: seuils mesurés clairs, simples et concrets qui permettent de développer des normes/critères de qualité de l’eau définis par la loi

Question 19

Limites des bioessais

Answer 19

1. Faible représentativité ou pouvoir prédictif pour le milieu naturel car n’intègre pas la spéciation des contaminants, les voies d’entrée (eau vs. nourriture); organismes modèles non représentatifs!
2. Limités aux organismes d’une petite taille, faciles à collecter, donnant des réponses faciles à observer et mesurer
3. Durée d’exposition non représentative (24 à 96h) * Pourquoi 96h?
4. Effets de synergie et additivité des différents contaminants ne sont souvent pas considérés
5. Prend rarement en considération les interactions entre organismes (mort écologique) et la bioamplification

Question 20

Effet létal : toxicité aiguë

Answer 20

• Exposition intensive de courte durée (24 à 96h) avec
  effets graves (mortalité); <10% du cycle de vie
• Situations environnementales graves et transitoires: déversements accidentels, rejets peu fréquents de substances non persistantes
• Estimation d’un seuil d’effet létal pour les organismes
• Statistiques sommaires: CL50, CE50, CLx, CEx

Question 21

CE50

Answer 21

• Concentration efficace pour 50% des organismes

Question 22

Relation concentration-effet (dose-effet)

Answer 22

• Distribution log-normale de proportion de mortalité
• Mêmes données que A en fréquence cumulative
• Transformation en log-probit =
  linéariser les données
• Estimation du CL50 (en unités log) et de l’écart-type

Question 23

Pourquoi on a une distribution de proportion de mortalité?

Answer 23

• concept de tolérance individuelle

Question 24

CL50

Answer 24

• concentration d’un produit toxique causant la mort de 50% des organismes sur une courte période (24 à 96h)

Question 25

Pourquoi CL50 au lieu de CL1 ou CL10?

Answer 25

• Donne des valeurs moins variables au niveau statistique
• Pas basé sur pertinence biologique

Question 26

Concentration efficace (CEx)

Answer 26

• Effets létaux d’immobilisation (CL50 48h Daphnia)
• Courbe de concentration-effet avec effet sublétaux (développement, croissance, reproduction, comportement)
• Permettre d’estimer une concentration et des intervalles de confiance
• Mesurer des effets qui sont
  « biologiquement » significatifs (moins que 50%)
• ex : difficile d’évaluer rapidement la mortalité chez les invertébrées. Il est donc
  possible de calculer un seuil de toxicité CE50 avec l’immobilisation comme l’effet mesuré

Question 27

Relation temps-effet

Answer 27

• Alternative à la méthode concentration-effet
• Basé sur l’individu
• Temps nécessaire pour causer la mort (time to death)
• Production de plus de données
• Au lieu d’une proportion de morts par aquarium de 10 poissons après 96h, données individuelles
• Permet de comprendre la dynamique temporelle
• Toujours peu utilisé comme approche pour calculer les LC50

Question 28

Effet et toxicité chronique

Answer 28

• Exposition prolongée de longue durée (typiquement pour
  plus que 10% de le durée de vie d’une espèce)
• Effets sublétaux: développement, croissance, reproduction, comportement, processus physiologiques etc.
• Situations environnementales répétées ou de longue durée, sources de pollution diffuses (pluies acides) ou ponctuelles (effluent, cheminée industrielle)
• Estimation d’un seuil « sans effet » pour les organismes
• Statistiques sommaires (en anglais): NOEC, NOEL (L:level), NOAEC (A:adverse), LOEC, LOEL, LOAEC, MATC, et ECx

Question 29

Seuils évalués : aiguë vs chronique

Answer 29

Aiguë
- DL : Dose létale
- CL : Concentration létale
Chronique
- DE/DI : Dose efficace/d’inhibition
- CE/CI (EC/IC) : Concentration efficace/d’inhibition
- NOEC (CSEO) : Concentration sans effet observée
- LOEC : (CMEO) :Concentration minimale pour un effet observé

Question 30

Approches de seuils de toxicités

Answer 30

• diagramme à bande : NOEC, NOEL, LOEC, LOEL
• régression : CL50, CE50, CLx, CEx

Question 31

NOEC et NOEL

Answer 31

• plus haute concentration dans un essai pour lequel il n’y aucune différence significative avec le groupe de contrôle (α = 0.05)
• définition statistique plutôt que biologique

Question 32

Clx et CEx

Answer 32

• concentration dans un essai avec un niveau d’effet (« x ») qui est biologiquement significatif

Question 33

MELCC

Answer 33

• VAF et CVAA = aiguë : CL50 ou CE50, valeur du facteur de sécurité = divisé par 2
• CVAC = chronique : CSEO, aucun FS

Question 34

Limites des tests d’hypothèses

Answer 34

• Statistiquement, les tests posthoc d’ANOVA utilisés ne peuvent être utilisés pour prouver l’absence d’effet.
• Les valeurs des seuils sont très variables et dépendent du design expérimental, du nombre de réplicats, de la puissance statistique et du choix de concentrations d’essai !
• Les effets «biologiquement»significatifs peuvent être petits(ex. une réduction de 10% de fertilité) et ne sont pas toujours
  « statistiquement » significatifs (habituellement , effet > 20%)

Question 35

Débats sur les seuils de toxicité

Answer 35

• L’approche NOEC/NOEL/NOAEC avec test d’hypothèse a de sérieux défauts!
• L’approche utilisant la relation concentration-effet permet d’estimer une concentration et des intervalles de confiance – méthode à prioriser!
• Important de noter que les 2 approches produisent les statistiques sommaires avec de nombreuses limites!

Question 36

Autres limites des bioessais

Answer 36

• hormèse : pas considéré dans bioessais, à faible dose, il y a un effet stimulant ou bénéfique et à dose plus élevée, il y a des effets négatifs
• mélanges de contaminant : Le temps de récupération des organismes après exposition à un polluant est souvent variable (« carry-over effect »), L’ordre d’exposition aux polluants peut influencer la survie!, « La dose et la séquence des contaminants font le poison »

Question 37

Additivité

Answer 37

• l’effet toxique du mélange égale la somme des effets toxiques des constituants individuels

Question 38

Synergisme

Answer 38

• l’effet toxique du mélange est supérieur à la somme des effets toxiques des constituants individuels

Question 39

Antagonisme

Answer 39

• l’effet toxique du mélange est inférieur à la somme des effets toxiques des constituants individuels

Question 40

Mélange de contaminants

Answer 40

• L’effet combiné des produits peut être exprimé en unités toxiques (UT). Les UT sont les concentrations des différents contaminants exprimés en unité létales (ex. unités de CL50).
• Les effets additifs, synergiques, antagonistes

Question 41

Antagonisme d’arsenic et sélénium

Answer 41

• L’effet de l’arsenic (Aslll), du sélenium (SeVI) et de l’arsenic et du sélenium ensemble (AsIII + SeVI) sur la croissance des plants de riz

Question 42

Distribution de la sensibilité des espèces (DSE)

Answer 42

• Modèle d’extrapolation statistique qui permet de prédire la toxicité d’une substance dans l’environnement à partir des données obtenues en laboratoire par les tests de toxicité monospécifique
• Plusieurs modèles de distribution utilisées: Logistique, Normal, Lognormal, Burr Type III, Weibull, Gumbel
• Permet de calculer une concentration qui « protège 95% de la vie aquatique »

Question 43

CVAA

Answer 43

• CVAA + VAF / 2
• Le CVAA correspond à la concentration maximale d’une substance à laquelle plus de 95 % des espèces aquatiques peuvent être exposées dans le milieu naturel, sur une courte durée, sans être gravement touchées

Question 44

Avantages DSE

Answer 44

• Facilité, reproductibilité, rapidité, économie (rapport coût- efficacité), et valeur légale

Question 45

Limites DSE

Answer 45

• Organismes modèles non représentatifs (préférence d’organismes indigènes)
• Durée d’exposition non représentative
• Souvent calculée avec mortalité aigue (qui n’est pas le paramètre le plus sensible)
• Considère seulement les effets directs
• Seuil arbitraire de 95%: potentiel de perte d’espèces importantes
• Ne considère pas les espèces clé de voûte
• Manque d’interactions écologiques entre espèces

Question 46

Stade de vie et de développement

Answer 46

• Effets létaux et sublétaux (survie et morphologie) des larves de poisson suite à l’exposition au pétrole
• L’approche des stades critiques de la vie est fondée sur l’hypothèse qu’assurer la protection des stades de vie « sensibles » assurera la protection de tous les stades de vie.

Question 47

Facteurs abiotiques

Answer 47

1. Solubilité/ lipophilicité
2. Température
3. Lumière (UV)
4. Dureté de l’eau douce ( = [Ca2+] +
   [Mg2+])
5. pH
6. Matière organique dissoute (MOD)

Question 48

Tests de toxicité

Answer 48

• Point de départ logique pour la compréhension des mécanismes d’action des contaminants.
• Les critères de qualité du milieu établis à l’aide de bioessais devraient être considérés avec beaucoup de circonspection!
• Les bioessais ne peuvent pas prédire les réponses des communautés/de l’écosystème.
• Une relation entre la toxicité estimée par les bioessais et celle observée dans le milieu n’est pas bien établie.

Question 49

Réponses fonctionnelles

Answer 49

• Flux d’énergie (production primaire, respiration)
• Flux des éléments nutritifs (décomposition)
• ex. Suivi de la production ou utilisation d’O2 ou de CO2 dans les écosystèmes terrestres ou aquatiques
• ex. Ralentissement de la décomposition des feuilles dans les lacs acides dû à l’inhibition de la flore microbienne ou à la faible abondance d’invertébrés broyeurs en conditions acides
• Moins utilisé en écotoxicologie à cause des boucles de rétroaction et les redondances fonctionnelles rendent les réponses fonctionnelles moins sensibles que la structure des communautés

Question 50

Réponses fonctionnelles : exemple périphyton

Answer 50

• Effet de plusieurs contaminants sur l’activité photosynthétique des communautés de périphyton
• Toxicité de « Primene JMT » pour le photosynthèse
• Effet sur le communauté = augmentation du réalisme environnementale

Question 51

Réponses fonctionnelles : exemple feuilles

Answer 51

• Le drainage minier acide cause un ralentissement de la décomposition des feuilles dans les milieux humides (Colorado)
• Les métaux traces et l’acidité causent des effets importants sur le fonctionnement de l’écosystème (cycles de carbone et des nutriments)
• pas capable de dégrader biomasse à cause de baisse du pH à cause du drainage

Question 52

Réponses structurelles

Answer 52

• Richesse des espèces : # d’espèces
• Régularité des espèces : abondance relative
• Diversité spécifique : # d’espèces et abondance relative
• Tient compte de la richesse et de la régularité
• ex. Raccourcissement des réseaux trophiques
• ex. Déclin et l’élimination d’espèces sensibles sont souvent les premiers changements observés lorsqu’un écosystème est soumis à un stress

Question 53

Richesse des espèces

Answer 53

• Augmentation rapide de nombre d’espèces au début de l’échantillonnage et ensuite une augmentation graduelle jusqu’à la limite estimée de nombre d’espèces
• baisse avec hausse du stress
• Réponse communautaire la moins controversé
• Les pluies acides ont abaissé le pH de 30 lacs des Adirondack causant une réduction de la richesse des espèces pour le phytoplancton, les rotifères, les crustacés, et les poissons.