Effets sur le vivant ; notions de biomarqueurs et étude de cas
Introduction
Nous allons aborder ce thème sous l'angle des biomarqueurs et bioindicateurs (biomarqueur supra-individuel). En effet ces outils de détection de polluants réagissent à ces derniers selon une réponse biologique mesurable et caractéristique. Ainsi nous aurons quelques cas de réaction du biologique à des contaminants ayant un effet et nous pourrons de la sorte aussi présenter le concept et l'utilisation des biomarqueurs.
Effets sur le vivant des substances xénobiotiques
Compréhension des mécanismes biologiques de réaction
pour la recherche de biomarqueurs efficaces
Apparition de nouveaux toxiques
Nous avons vu précédemment la liste des substances organiques ou non (pesticides, PCB, HAP¨ et métaux trace et non métaux) qu'on qualifie de xénobiotiques c'est à dire « étrangères à la vie » étymologiquement, susceptibles de perturber les entités vivantes (ADN, cellule, tissu, individu, population, communauté et enfin écosystème) voire d'entraîner leur mort ou disparition. Ces substances ont plusieurs origines dont l'industrie, les eaux usées des collectivités, les pollutions diffuses pluviales etc... Ce n'est que depuis peu, avec l'amélioration des techniques d'analyse des eaux, que de nouveaux toxiques ont été repérés et désignés sous le terme « d'émergents » . Ces substances apparaissent maintenant comme dangereuses. Il s'agit, en particulier, des produits pharmaceutiques, d'alkyl phénols, et des retardateurs de flamme bromés .
Du fait de la circulation des eaux, aucun compartiment hydrique de notre planète ne peut se considérer comme indemne de toute pollution. Même le continent Antarctique, « fait les frais » de nos rejets polluants. Des traces de PCB ont été retrouvés dans les tissus graisseux des ours polaires, on le sait depuis peu !
Le risque encouru (qui peut être défini par : la dose * l'exposition) varie largement selon les mécanismes de dégradation naturelle (chélation, hydrolyse, photolyse etc..) ou initiés par le vivant (biodégradation). D'ailleurs, ce dernier ne fait pas que « dégrader » (les sous-produits peuvent se révéler plus toxiques pour les entités biologiques que les molécules initiales). Il peut aussi utiliser différentes « techniques » pour se protéger des biocides :
- chélater puis stocker dans les cellules la substance nocive
- transformer par ajout de groupements moléculaires la substance initiale et l'excréter
- bloquer par précipitation les substances avant leur entrée dans les cellules
- limiter la surface d'épithélium touchée par un ou plusieurs xénobiotiques en rendant imperméable la carapace, la coquille etc...des animaux en question.
Catégorisation des biomarqueurs
Parmi les biomarqueurs et bioindicateurs utilisables dans les tests de qualité de l'eau littorale, citons deux catégories de molécules :
- les marqueurs biochimiques spécifiques d'un nombre restreint de substances toxiques (comme par exemple les HAPs)
- les marqueurs moins spécifiques et témoignant d'une altération globale des mécanismes vitaux que sont la croissance et la reproduction (protéines de stress, marqueurs physiologiques, marqueurs immunologiques, fitness etc...)
Mécanisme de résistance chez les vertébrés
Chez les vertébrés, (dont l'Homme fait partie, doit-on le rappeler ?), le système le plus couramment utilisé est le blocage des molécules dangereuses dans ou hors cellule grâce au couplage avec d'autres molécules protéiques. Ces dernières sont appelées métallothionéines. La partie thiol (à base de soufre) séquestre les métaux. Quand ce système est saturé, le xénobiotique empoisonne alors les cellules qui n'arrivent plus à maintenir leur homéostasie.
Un autre système est la transformation du produit dangereux par oxydation puis par couplage (la conjugaison) avec une autre molécule, suivi d'une excrétion rénale hors de l'organisme.
L'activité des enzymes impliquées dans cette cascade de réactions sert de biomarqueur.
Les molécules xénobiotiques, en particulier les HAPs, PCBs et métaux toxiques, peuvent créer un stress oxydant qui implique une génotoxicité avec lésions de l'ADN et production de mutations. Ces dernières sont parfois cancérigènes si elles ont lieu sur un oncogène.
Les PCB et les HAP agissent par leur rôle oxydant, sur le cytochrome P450 et ses enzymes associées pouvant servir de biomarqueur spécifique de ces deux catégories de substances ; c'est en particulier le rôle de l'EROD (enzyme éthorésosulfine-O-dééthylase)
D'autres types de toxiques
Les troubles du comportement et la neurotoxicité associée est un marqueur non totalement spécifique des pesticides (catégories des carbamates et organophosphorés agissant sur le récepteur de l'acétylcholine). Non totalement spécifique car certains métaux toxiques peuvent aussi attaquer le cerveau au niveau des mêmes cibles !
Des travaux assez anciens ont démontré que la taille de moules ayant le même âge et élevées dans des sites différents, variait en fonction de la plus ou moins bonne qualité de l'environnement marin. Cet effet est à prendre en considération car il a aussi lieu sur d'autres animaux que les moules ( les animaux fixés du benthos par exemple) et peut entraîner une destruction des populations, voire des communautés ou de tout un écosystème, sans pour autant mettre en cause un polluant plus qu'un autre (non spécificité).
A début, les biomarqueurs étaient classés en biomarqueurs d'exposition, d'effet et de susceptibilité. Des études plus récentes mettent en évidence une classification plus conforme à l'existant à savoir un regroupement dichotomique entre les biomarqueurs de défense et les biomarqueurs de dommage. Parmi les premiers on compte les metallothionéines, les enzymes de biotransformation des HAP et PCB et les défenses antioxydantes enzymatiques.
Les biomarqueurs de défense
L'organisme touché par un type de polluant fabrique des molécules de défense dont les biomarqueurs et alloue ainsi, en vue d'une adaptation favorable au maintien de sa vie, une partie de son énergie totale, à la production de telles molécules. Cette énergie aurait été allouée à la croissance et à la reproduction dans un environnement « propre » augmentant ainsi la « fitness » de l'organisme. Leur taille (paramètre de croissance), risque d'être plus modeste ainsi que l'efficacité de leur reproduction (fitness) par rapport à des organismes vivants dans un environnement non pollué.
On retrouve ce mécanisme ( coût de tolérance ou diminution de la fitness) dans de nombreuses autres situations n'impliquant pas forcément la résistance à des xénobiotiques. Par exemple les espèces terrestres vivant dans des conditions de stress hydrique avec des températures élevées et une forte luminosité (conditions rencontrées en été autour du bassin méditerranéen pour le thym par exemple) fabrique de nombreuses molécules volatiles et odorantes qui, en s'évaporant à la place de l'eau aident à réguler la température de la plante. Le coût énergétiquede la production de molécules très volatilesse répercute sur la taille qui reste petite. Il en est ainsi de nombreux organismes aquatiques ou terrestres soumis à un stress permanent particulier (herbivorie importante, parasitisme, présence de polluants, stress hydrique, stress de température, d'oxygène, de salinité, de compétition intra ou interspécifique )
Les biomarqueurs de dommage impliquent une atteinte biologique pouvant aller jusqu'à la perte des capacités normales inclues dans la fitness (métabolisme de base, croissance, reproduction) voire jusqu'à la mort des entités biologiques touchées. On utilise, pour caractériser ce phénomène, les diagrammes « dose-effet » à différents niveaux d'organisation qui vont des molécules du génome jusqu'au niveau tissulaire, individuel, populationnel etc... Mettre schéma p5. Plus on considère un niveau d'organisation faible, plus la réaction de défense est repérable rapidement et plus il sera facile de repérer rapidement une pollution à des doses faibles, qu'elle soit simple ou multixénobiotique et d'éventuellement les circonscrire. De façon générale , on considère que plus on utilise une entité biologique sensible et de bas niveau (moléculaire ou cellulaire par exemple), plus la protection des niveaux supérieures ( individu, population, communauté et écosystème) sera efficace et rapide mais le risque de faux positifs est important ! Le choix des espèces indicatrices se fera en fonction des objectifs à atteindre (maintien de la biodiversité, fonctionnement peu perturbé de l'écosystème, maintien d'espèces patrimoniales etc...)
La réponse au niveau des populations et des écosystèmes est très pertinente relativement aux objectifs de la DCE (Directive 2000/60/CE du parlement européen et du conseil du 23 Octobre 2000) mais en utilisant ces niveaux d'organisation pour caractériser l'état des masses d'eau, il est à craindre une dégradation déjà irréversible des entités biologiques. D'où l'intérêt d'utiliser les biomarqueurs de plus bas niveau !
Utilisation du métabolisme énergétique comme biomarqueur
Quel que soit le niveau organisationnel envisagé, les perturbations du métabolisme énergétique sont toujours précoces. Sans dénigrer les autres biomarqueurs qui serviront de compléments indispensables pour des cas de pollution plus spécifiques, il est manifeste que le succès de reproduction est un processus clé dans la conservation environnementale. « Ainsi les perturbations dues aux contaminants aux niveaux individuel et infra-individuel qui paraissent avoir le plus de chances d'être liées à des effets aux niveaux d'intégration biologique supérieurs sont toutes celles qui vont affecter la reproduction. Cela comprend les perturbations endocriniennes, les modifications du comportement, les perturbations du métabolisme énergétique et les réponses génétiques adaptatives ou néfastes » ( J.C Amiard, les biomarqueurs dans l'état écologique des milieux aquatiques, 2008, Editions Lavoisier Tec et Doc) .
Les perturbateurs endocriniens
Le problème des perturbateurs endocriniens est apparu à partir de la découverte de la toxicité d'un composé présent dans les peintures antisalissures présentes sur la coque des bateaux. Le nom de ce biocide est le TBT (tributylétain). Il provoque l'apparition d'un pénis sur les femelles de l'espèce Nucella lapillus (ce phénomène est nommé imposex )et l'empêche ainsi de se reproduire (par blocage des ovocytes) jusqu'à l'extinction des populations concernées empoisonnées par le TBT.
D'autres perturbateurs du système hormonal (perturbateurs endocriniens) entraînent un mauvais développement des organismes touchés, une mauvaise reproduction, une croissance et un comportement anormaux. Ils ont largement été étudiés chez les poissons. On s'est aperçu dans la dernière décade, que les molécules d'oestradiol (E2) et d'ethynyl-oestradiol (EE2) provenant des pilules contraceptives et introduites dans les milieux aquatiques par les rejets des stations d'épuration voyaient leur concentration augmenter. Au point de perturber le fonctionnement du système hormonal des poissons : mauvais développement des juvéniles , diminution de la fertilité des poissons adultes, phénomènes d'intersexe comme l'envahisement de la gonade mâle par des ovocytes .
Le trait commun qui relie ces perturbateurs endocriniens est leur action à de très faibles doses bien qu'il y ait une variabilité importantes entre les perturbateurs naturels et ceux synthétisés par l'homme.
Certains perturbateurs endocriniens agissent sur la thyroïde (responsable d'une partie du métabolisme énergétique) et déclenchent des troubles du comportement similaires à ceux provoqués par certains pesticides dont nous avons déjà parlé plus tôt ; En particulier les récepteurs à l'acétylcholine estérase sont perturbés.
Cette modification du comportement entraîne divers effets (nourrissage perturbé, inhibition du comportement de fuite face aux prédateurs, non repérage des zones polluées) qui tendent à diminuer le succès reproducteur portant dommage à l'ensemble d'une population, voire d'un écosystème si l'espèce est une espèce « clé de voûte ». Ainsi une perturbation au niveau hormonal donc biochimique peut entraîner des effets néfastes sur toute une population donc à un degré d'organisation beaucoup plus élevé.
« L ‘analyse peut révéler un déséquilibre de la balance énergétique associée à l'exposition à des toxiques ou à des stress plus globaux. »
C'est ainsi que différents paramètres énergétiques peuvent être utilisés comme biomarqueurs d'effet des polluants. L'utilisation simultanée de plusieurs biomarqueurs et indicateurs situés à différentes échelles biologiques peut être une méthode très fine et ciblée dans le repérage précoce des polluants.
Pour ce qui est de l'analyse énergétique, les chercheurs se sont intéressés à la concentration infra-individuelle en adénylates (ATP,source d'énergie du muscle), en glycogène (stockage de l'énergie dans les muscles en général), et à différents substrats ou produits de réaction du métabolisme. Ces différents paramètres du métabolisme énergétique peuvent être mis en relation directe avec des critères macroscopiques comme l'accroissement de taille, de biomasse, le succès reproductif etc...
Les dommages à l'ADN et aux chromosomes liés à des xénobiotiques empruntent trois voies principales :
- mutation de gènes quand la séquence codante est altérée
- aberrations chromosomiques comme la rupture des chromatides sœurs au cours de la réplication et leur réarrangement, éventuellement fautif
- augmentation du nombre de chromosomes par polyploïdie
Ces voies conduisent le plus souvent au mécanisme de cancérisation (si la mutation se fait sur un oncogène) et s'il a lieu sur les cellules du germen, on observe une forte mortalité des embryons. Le tout est de savoir si cette mortalité aura ou non une incidence sur les populations concernées.
Le cas de l'adaptation génotypique
A contrario, ces mutations peuvent par sélection naturelle, conduire à la résistance des organismes d'un milieu constamment pollué. Cette acquisition de résistance est particulièrement bien documentée dans le cas des pesticides. Elle se fait par sélection naturelle de gênes entraînant la résistance. Si cette résistance est multigénique elle aura moins de chances de se produire que si la résistance ne s'appuie que sur un seul gène. La taille de la population est aussi un critère favorisant ou non l'arrivée de la résistance. En effet, si la population est de taille réduite, l'ensemble des gènes peut varier de manière aléatoire par dérive génétique, plus vite qu'une grande population ou dans le cas d'une petite population échangeant du matériel génétique avec une population située dans une zone non polluée.
Toute adaptation par tolérance exprime un coût énergétique qui se traduit le plus souvent par une taille plus modeste des individus, une précocité à se reproduire, de durée de vie, de fécondité etc...Cette adaptation peut, en réduisant la variabilité génétique de la population en question, se traduire par une moindre capacité adaptative si les conditions étaient amenées à changer . Certains auteurs pensent même que cette adaptation coûteuse en énergie pourrait entraîner le déclin voire la mort de tous les individus d ‘une population exposée.
L'écotoxicologie du comportement (cf Suivi REPHY)
Conclusions : les biomarqueurs et leur utilisation en Méditerranée
Dans une optique de préservation de la biodiversité, de la qualité et du fonctionnement normal d'un écosystème, les biomarqueurs ont un rôle important à jouer. Ils ont d'ailleurs depuis peu été intégrés au programme environnemental des nations unies pour le plan d'action en Méditerranée (UNEP/RAMOGE) entre autres mais il est dommage que la DCE n'ait pas intégré ce type d'outil prévisionnel.
La raison de ce choix est le suivant : les réponses biologiques des organismes utilisés sont trop variables naturellement pour arriver à cerner un quelconque effet des xénobiotiques. Fort de cette connaissance, les équipes de chercheurs se sont attachées à déterminer les sources naturelles de variabilité des paramètres mesurés. Les biomarqueurs énergétiques doivent être suivis continuellement pour déceler une variation significative en réponse à l'exposition d'un contaminant ; en effet plus qu'une valeur, ce sera une variation dans le temps des paramètres étudiés qui permettra de déceler l'arrivée d'un contaminant. Cette recommandations est pertinente pour nombre d'autres biomarqueurs mais vient certes en contradiction avec un critère de choix important de cette méthodologie : une mesure simple, économique et sensible !
D'autre part, un autre élément vient freiner l'utilisation du vivant dans l'évaluation de la qualité environnementale : la prédiction d'un effet supra-individuel causé par un ou plusieurs xénobiotiques, enregistré au niveau infra-individuel n'est pas toujours solide.
Néanmoins la mise en place de batteries de biomarqueurs tests et les progrès réalisés dans les prochaines années déboucheront sur l'utilisation opérationnelle d'indices pertinents pour suivre l'état de nombreux écosystèmes.
