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1 Contenu du cours ecotoxicologie générale L3/Protection/Production Introduction générale. La pollution de la biosphère

1.1. Définition de quelques notions.

1.2. Causes essentielles de la pollution de la biosphère.

1.1.1. Les combustibles fossiles

• le charbon • le pétrole • l'énergie nucléaire.

1.2.2. L'industrie chimique moderne

• Evolution de la production chimique. • Pollutions engendrées par l'industrie chimique. • les métaux lourds ou éléments traces. • les micropolluants industriels.

1.2.3. L'agriculture moderne

• Les engrais. • Les pesticides. • les pesticides organochlorés. • les pesticides organophosphorés. • les autres pesticides

1.3. Classification des polluants.

• Critère de classification.

1.4. Mécanismes de dispersion, de circulation et de transfert des polluants.

• Circulation atmosphérique des polluants. • Transfert des polluants et contamination de la biomasse. • Circulation des polluants dans les réseaux trophiques.

1.5. Effets des polluants sur les populations

• Evaluation de la toxicité d'un polluant : les tests d'écotoxicité, les paramètres. Ecotoxicologique et leur

détermination. • Effets des polluants sur l'interaction entre les populations de deux espèces. • Adaptation des populations aux polluants : tolérance et résistance. Chap2/.Notion de toxique et ses implications écologiques

2.1. Notion de substance toxique.

2.2. La relation dose réponse.

2 Chap.3.Influence des facteurs écologiques sur la manifestation de la toxicité.

Chap.4. Monitoring des polluants

• Monitoring des polluants dans les biotopes.

• Contamination des organismes : utilisation d'espèces bioindicatricesen milieu. aquatique et terrestre.

• Bioessais. • Indicateurs physiologiques et biochimiques en écotoxicologie. 3

Introduction generale

• Fin des années 60 : prise de conscience de l'ampleur et de la gravité de pollution de l'écosphère.

• Intensification des recherches consacrées aux problèmes de pollution des milieux naturels.

• Toxicologie de l'environnement (Truhaut, 1974).

Extension de l'étude des toxiques dangereux pour la santé humaine à celle de leur devenir dans les divers

milieux et des transformations biogéochimiques susceptibles de rendre leur exposition plus dangereuse.

Etude des polluants menaçant la santé publique, présents dans l'environnement immédiat de l'Homme, et de

leur devenir dans les chaînes alimentaires. • Ecotoxicologie en tant que science écologique.

Etude des polluants dans les organismes et les écosystèmes, y compris dans ceux moins marqués par

l'action anthropique.

Objectif de l'écotoxicologie : préciser les modalités et les mécanismes de. contamination des divers

écosystèmes et de la biosphère par les principales catégories de polluants toxiques : • circulation et transformations biogéochimiques des polluants dans les écosystèmes.

• effets biocénotiques et perturbations induites dans les processus écologiques fondamentaux.

Champ et finalité de l'écotoxicologie.

• Etude des polluants directement ou indirectement toxiques, excluant d'importantes catégories de polluants

dont les effets écologiques ne résultent pas de phénomène de toxicité (pollution par gaz à effet de serre,

pollutions thermique des eaux, pollutions des eaux continentales par les Phosphates).

• Prévision des impacts potentiel de la pollution d'un écosystème donné (ou d'une fraction de l'écosystème -

individu, population et communauté - par un produit chimique nouveau ou par un effluent complexe d'origine

industrielle.

1. La pollution de la biosphère.

Définitions de quelques notions.

1.1. Notion de biosphère. La notion de biosphère, ensemble des êtres vivants sur le globe, remonte à

J.B. Lamarck. En 1875 le géologue autrichien Suess met en parallèle le terme de biosphère avec

ceux d'hydrosphère, d'atmosphère et de lithosphère. EN 1920 vladimir ivanovitch vernadsky

(géochimiste russe) dynamise le terme de biosphère en considerant, outre les êtres vivants, les

éléments du milieu au sein duquel se déroulent les échanges d'énergie et de matière qui

permettent et caractérisent leur fonctionnement. Sous cet angle la biosphère devient un gigantesque système formé par l'ensemble des écosystèmes du globe.

Au sens strict du terme de la biosphère (ensemble des êtres vivants, végétaux, animaux et micro-

organismes) ne représente qu'une infime partie de la masse globale de la planète car 300x plus

petite que celle de l'atmosphère et 70.000x plus petite que celle de l'hydrosphère. 4

1.1.1. Composition et structure de la biosphère.

Composition chimique

. Les constituants chimiques de la matière vivante sont nombreux et d'importance

quantitative variable. Le carbone représente l'élément de base de la matière organique. On retrouve

également en quantité non négligeable de l'azote, du phosphore, ainsi que du soufre et du fer en moindre

mesure.

L'abondance de l'oxygène et de l'hydrogène s'explique par la forte teneur en eau de la matière vivante.

Divers sels minéraux comme des chlorures, des bicarbonates et des phosphates de sodium, de potassium,

de calcium et de magnésium, tous solubles dans l'eau, jouent un rôle important dans la physiologie des

organismes.

En quantité très faible on retrouve également le bore, aluminium, le zinc, le cuivre, le silicium, le gallium, le

molybdene, le manganèse, le cobalt et l'iode.

Par ailleurs l'implication de ces éléments dans des molécules simples (urée, sucres, acides aminés, acides

gras), parfois très complexes (polymères glucidiques et protidiques et ADN) rend la matière vivante encore

plus originale.

On peut dire que la présence constante de ces types de molécules chez tous les êtres vivants découle de

leur commune origine. • Diversité morphologique et fonctionnelle des êtres vivants

Les êtres vivants présentent une diversité morphologique considérable. Résultat de l'évolution biologique

qui se déroule sur notre planète depuis des milliards d'années. La biosphère telle qu'elle nous apparaît

aujourd'hui est le résultat d'un nombre immense de transformations.

Le mécanisme de ces changements par l'intermédiaire des mutations, de la recombinaison génétique et de

la sélection fait ressortir le rôle des facteurs du milieu. Les modifications continuelles du climat de la

planète sont à l'origine de l'orientation de continuelles transformations de l'ensemble des flores et des

faunes. • Heterogeinité spatiale de la biosphère.

La terre, cas unique dans le système solaire, possède une dynamique qui détermine à sa surface une

heterogeinité spatiale et temporelle des facteurs ambiants. Le rythme quotidien du jour et de la nuit, les

variations saisonnières dans l'année, et les différences de latitudes affectent le rayonnement solaire reçu

par la surface de la terre, les températures, les précipitations, l'humidité de l'air, les vents, FAutrement dit

les diverses régions du globe sont soumises à des climats qui diffèrent à la fois par les moyennes et les

fluctuations des principaux facteurs du milieu.

Par ailleurs la zonation géographique des facteurs physiques et chimiques des grands milieux naturels

détermine l'existence d'unités taxinomiques au sein d'ensembles bioclimatiques appelés biomes.

Exemple biomes terrestre : La foret tropicale, la steppe, le désert chaud, savane,

Exemple biomes aquatique ducalquicole ou marin.

5

1.1.2. Fonctionnement de la biosphère.

Le fonctionnement de la biosphere est la résultante du fonctionnement de tous les êtres vivants qui la

composent. Il se manifeste par des transferts continuels de matière et d'énergie entre le milieu physico -

chimique ambiant et les organismes d'une part, et entre les organismes d'autre part. • Structure fonctionnelle de la biosphère. Grâce à l'énergie photonique du soleil, le co2, en se combinant

avec l'eau (H2O) donne des précurseurs organiques à partir desquels se forme, avec les sels minéraux

(nitrates et phosphates divers), toutes les molécules complexes de la matière organique vivante.

Les producteurs regroupent l'ensemble des végétaux chlorophylliens capables de matérialiser l'énergie du

soleil en énergie chimique de nature organique.

Les consommateurs regroupent les êtres vivants, animaux, champignons, bactéries ou tout être non

chlorophyllien, qui transforment cette matière organique pour leur propre métabolisme. Exemple les

herbivores consommateurs de végétaux, des carnivores consommateurs d'autres carnivores.

Décomposeurs On donne ce nom aux micro-organismes qui sont prédominant dans le fonctionnement du

point de vue quantitatif mais qui ne sont pas moins des consommateurs de matière organique morte. • Production primaire et flux d'énergie.

L'ensemble des formations végétales photosynthétiques de la biosphère conduit à une production totale de

180,6 x 10°9t de MO (poids sec) ou 85,6 x 10°16 Kcal dont :

138,8 x10°9t pour les formations continentales.

41,8 x 10°9t pour les formations marines.

La répartition géographique de ces différentes productions, en se fondant sur les données climatiques et

les différentes études ponctuelles en divers points du globe, montre que les terres sont en moyennes plus

productives que les océans.

Par ailleurs il apparaît que la productivité diminue plus ou moins régulièrement de l'équateur vers les pôles.

(du chaud vers le froid )

Les zones d'égale productivité correspondent sensiblement aux grandes zones de végétations.

Dans les océans le gradient de productivité est inversé. Les mers froides étant plus productives

(mouvements ascendants de l'eau qui ramène vers la surface des sels minéraux dissous)

1.1.3. Cycle biogéochimiques.

Les flux d'énergie qui traversent la biosphère ont pour support, après le rayonnement solaire, la MO des

êtres vivants et de leurs aliments.

Principaux éléments chimiques constitutifs de la MO : C, N, P, O, H.

Ces éléments peuvent être suivis et dosés dans le milieu ambiant, en dehors des organismes vivants.

Donc il est possible de définir les cycles biogeochimiques et les modalités de fonctionnement à la fois

qualitativement et quantitativement de la biosphère comme celles de tout écosystème isolé.

• Intérêt. Faire ressortir l'importance relative de la matière vivante présente dans la planète. 6

C'est par ailleurs l'équilibre entre la production, d'une part, l'ensemble de la consommation et de la

décomposition, d'autre part, qui règle le fonctionnement des écosystèmes et, par eux, de la biosphère.

• En cas de surconsommation il y a appauvrissement voire une désertification du milieu. • En cas de surproduction il se produit un phénomène de fossilisation.

1.1.4. L'homme et la biosphère.

Depuis toujours l'homme utilise et développe des techniques pour exploiter son milieu à son propre profit,

cependant ces dernières décennies et surtout depuis le vingtième siècle son efficacité est telle qu'il arrive à

perturber le milieu environnant à des échelles atteignant maintenant celle de la planète tout entière.

L'augmentation continue des émissions de CO2, en rapport avec l'oxydation des combustibles fossiles, n'a

aucune incidence à court terme, mais il est à prévoir qu'à long terme les répercussions sur l'élévation de la

température moyenne du globe par effet de serre, entraînent une fonte des glaciers et par-là une

submersion de nombreux territoires de basse altitude

Plus directes sont les menaces qui pèsent sur la biosphère par les émanations de molécules toxiques

issues des industries chimiques.

La multiplication des produits radioactifs à usage civil et militaire dont le pouvoir destructeur est sans

commune mesure en cas de conflits armes ou d'accidents de centrales nucléaires.

De ces dangers que les diverses pollutions font courir à l'existence même de la vie les images d'accidents

que l'on déplore hélas très souvent.

1.2. La notion de polluant toxique.

1.2.1.Definition. L'ecotoxicologie peut se définir, de la façon la plus simple, comme l'étude des

conséquences écologiques de la pollution de l'environnement par les substances toxiques.

Elle étudie les perturbations fonctionnelles (ecophysiologiques) produites par l'exposition des êtres vivants

dans la nature à tel ou tel polluant, ainsi que les conséquences qui en résultent pour les populations

affectées(demoecologie).

L'objet majeur de l'ecotoxicologie est l'étude des effets des polluants sur les écosystèmes et la biosphere

tout entière.

Polluer veut dire "souiller" ce verbe prend le sens de "dégrader" un milieu, qu'il soit naturel, urbain ou

agricole.

On désigne sous le terme de "polluant toute substance artificielle produite par l'homme et dispersée dans

l'environnement. Mais aussi toute modification affectant le taux ou (et) les critères de répartition dans la

biosphère d'une substance naturelle propre à tel ou tels milieux.

2. Principales sources de pollution

Croissance quantitative et qualitative de la pollution de l'écosphère • augmentation de la production et de la consommation par tete d'habitant

• diversification incessante des substances polluantes (environ 1 millier de substances organiques

nouvelles/an - PNUE, 1983) 7

3 causes principales de contamination de l'écosphère dans la civilisation industrielle

• la production d'énergie • les activités de l'industrie chimique • les activités agricoles

2.1. La production d'énergie, source essentielle de pollution. Les combustibles fossiles

a) Le charbon

• Apparition des 1ères pollutions atmosphériques à partir du XVIIIe siècle( besoins en combustibles des

citadins -smog londonien XIXe siècle :début de la grande industrie et des nouveaux modes de transport

(chemin de fer, navires à vapeur) besoin accru en combustibles fossiles

•1900 : 90% des besoins mondiaux en énergie couvert par le charbon contre 4% pour le pétrole

• 1929-1971 : accroissement de 70% de la production de charbon, contre 1000% pour le pétrole

• Hausse excessive des prix du pétrole durant les années 80 . diminution progressive de la part des

hydrocarbures au profit dunucléaire ( pays occidentaux) et du charbon (Chine, ex-RDA, Pologne) b) Le pétrole

• Augmentation considérable de la consommation énergétique durant le XXe siècle (de 1 milliard de tonnes

équivalent charbon (TEC) en 1900 à 12 milliards en 1990) • Etats-Unis : croissance de 7000% de la consommation en pétrole durant le XXe siècle

• Production pétrolière mondiale : croissance de 300% entre 1959 et 1979 (3,24 milliards de tonnes/an en

1979)

• 1990 : masse totale de combustibles fossiles brûlés = 11% de la production primaire brute annuelle due à la

photosynthèse de l'ensemble des écosystèmes terrestres • Intervention des hydrocarbures fossiles à tous les niveaux d'activités : - 49,6% sous forme de carburant - 8% sous forme de fuels industriels - 21,4% sous forme de chauffage - 13% sous forme de matière première dans l'industrie chimique - 8% pour usages divers (bitume, F) 8 Tab1.Principales causes de pollution associées à l'usage des hydrocarbures

Activité

Cause de pollution

Milieu pollué Nature des polluants

Extraction Fuite de puits Oceans Petrole brut

Raffinage Rejet d'effluents

gazeux et liquides Atmosphere,eaux continentales et marines eaux Divers composés organiques,mercaptans so2, PhenolsF utilisation Combustions incompletes atmosphere SO2, oxydes d'azote hydrocarbures

• principal polluant des eaux marines (transit annuel de plus d'un milliard de tonnes par les océans)

• pollution aiguë et chronique sur plus de 60 millions de km2 Exemple de catastrophe écologique liée au pétrole

1. Torrey-Canyon (1967) • 55.000 T près des Iles Scilly (impact sur les peuplements alguaux et

animaux de Cornouaille et Bretagne, sur les populations zooplanctoniques de la Manche et les larves pélagiques de pilchard)

2. Amoco Cadiz (1978)• 220.000 T sur les côtes nord de la Bretagne (180 km de littoral contaminés,

profondes perturbations de la structure des peuplements benthiques)

3. Exxon Valdez (1989) 35.000 T dans le détroit de Valdez, en Alaska : ~ 500 km de littoral

contaminés, perturbations des communautés marines, des peuplements salmonicoles et des loutres de rivière à l'embouchure des cours d'eau)

Conditions écologiques défavorables

• faible température printanière.evaporation ralentie des fractions volatiles • courantologie induisant la contamination d'une vaste zone indentée avec baies et estuaires

• dépôt du pétrole sur les plages de Parcs Nationaux et sur les frayères à saumons

Conséquences écologiques de la pollution océanique par le pétrole

• Effets néfastes sur les végétaux autotrophes marins, par inhibition de l'activité photosynthétique du

phytoplancton

• Phénomène de photo-oxydation produisant des dérivés beaucoup plus toxiques que les hydrocarbures

initiaux

• Induction de perturbation importante des peuplements planctoniques raccourcissement des chaînes

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