TXL 6014 TOXICOLOGIE DE L

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TXL 6014TOXICOLOGIE DE LENVIRONNEMENT

• Faculté des études supérieures
• Département de sciences biologiques
• Automne 2005

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Professeur-Collaborateurs

• B. Pinel-Alloul, Sci. Biol, Univ. Montréal
• R. Van Coillie, expert écotoxicologie, Risque
  environmental
• Y. Couillard, Évaluateur sénior, Env. Can.
• C. Blaise, Chercheur sénior, Centre
  Saint-Laurent, Env. Can.
• M. Amyot, Sci. Biol., Univ. Montréal
• M. Fournier, INRS-Armand Frappier, Univ. Québec

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Syllabus général

• Écotoxicologie Notions de base en toxicologie de
  lenvironnement, historique de lécotoxicologie,
  mécanismes de dispersion, de circulation et de
  transfert des polluants.
• Effets des polluants sur les individus et
  populations Démarche écotoxicologique,
  estimation des effets toxicologiques à différents
  niveaux (génotoxicité, cytotoxicité, effets
  physiologiques, démoécologiques).

4
Syllabus général

• Effets des polluants sur les écosystèmes Effets
  sur la structure des communautés, sur la
  biodiversité et le fonctionnement des
  écosystèmes.
• Perturbations globales actuelles Perturbation
  des cycles biogéochimiques, changements
  climatiques, déplétion de la couche dozone,
  dépôts acides, pollution radioactive,
  modification des habitats et de la biodiversité.

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Syllabus général

• Surveillance écotoxicologique et prévision des
  risques toxicologiques Bioindicateurs et
  biomarqueurs de qualité environnementale,
  prévision des effets et des risques
  toxicologiques, santé environnementale.

6
Calendrier
Date Contenu Professeur
15 sept. 2005 Historique de lécotoxicologie B. Pinel-Alloul
22 sept. 2005 Démarche dévaluation du risque écotoxicologique R. Van Coillie
29 sept. 2005 Perturbations globales des cycles biogéochimiques I Les dépôts acides B. Pinel-Alloul
6 oct. 2005 Perturbations globales des cycles biogéochimiques II Réchauffement climatique, les CFC et lappauvrissement de la couche dozone B. Pinel-Alloul
13 oct. 2005 Cas types dévaluation du risque écotoxicologique R. Van Coillie
20 oct. 2005 Programmes gouvernementaux de surveillance écotoxicologique R. Van Coillie
7
Calendrier
Date Contenu Professeur
27 oct. 2005 Pollution par les métaux traces Y. Couillard
3 nov. 2005 Cycle global du mercure M. Amyot
10 nov. 2005 Pollution par les contaminants organiques Y. Couillard
17 nov. 2005 Radiocontamination Y. Couillard
24 nov. 2005 Notions de bioindicateurs et biomarqueurs B. Pinel-Alloul
1 déc. 2005 Biomarqueurs immunologiques M. Fournier
8 déc. 2005 Évaluation de la toxicité dun polluant á différents niveaux micro-tests C. Blaise
15 déc. 2005 Écotoxicologie des lieux denfouissement sanitaire Visite des bioessais chez Paprican R. Van Coillie
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Barème dévaluation

• Examen intra fin octobre 2005 40
• 3 questions à développement court
• 1-3 pages par question (documentation disponible)
• Q1 B. Pinel-Alloul 15 points
• Q2 et Q3 R. Van Coillie 15 et 10 points
• Examen final fin décembre 2005 60
• 5 questions à développement court
• 1-3 pages par question (documentation disponible)
• Q4 Y. Couillard Q5 B. Pinel-Alloul 15 points
  chaque
• Q6 M. Amyot Q7 M. Fournier Q8 C. Blaise 10
  points chaque

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Toxicologie de lenvironnementTXL
6014Historique de lécotoxicologie

• Bernadette Pinel-Alloul
• 15 septembre 2005

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Plan du cours

• Définitions
• écotoxicologie vs toxicologie environnementale
• Historique de la pollution
• Relations entre lhomme et son environnement
• Notions sur le développement durable
• Les principales sources de pollution
• La production dénergie
• Lindustrie chimique
• Lagriculture
• Lurbanisation
• Mécanismes de dispersion et de transfert des
  polluants

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1. Définitions Écotoxicologie

• Premières définitions basées sur la toxicologie
  médicale
• Terme inventé par Truhaut (1969) qui définit
  cette science comme étant le prolongement de la
  toxicologie orienté vers létude des effets
  écologiques et des risques associés à la présence
  dans lenvironnement de contaminants susceptibles
  davoir un effet néfaste sur la santé humaine.
• Approche réductioniste visant à évaluer les
  effets des contaminants sur les populations
  humaines tests en laboratoire á des
  concentrations iréalistes

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1. Définitions Écotoxicologie

• Définitions basées sur lécologie, la science des
  interactions entre les êtres vivants et les
  écosystèmes
• Selon Ramade (1979), science dont lobjet est
  létude des modalités de contamination de
  lenvironnement par les agents polluants naturels
  ou artificiels produits par lactivité humaine
  ainsi que de leurs mécanismes daction et de
  leurs effets sur lensemble des êtres vivants qui
  peuplent la biosphère
• Approche holistique visant à évaluer le
  cheminement des contaminants dans les écosystèmes
  et leurs effets sur lensemble des êtres vivants
  incluant lhomme

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1. Définitions Écotoxicologie

• Démarche récente (depuis 1990) intégrant les
  aspects écologiques et écotoxicologiques, ainsi
  que lévaluation du risque toxicologique
• Selon Chapman (2002), science devant faire
  lintégration de la toxicologie et de lécologie,
  dont les objectifs sont de comprendre et prédire
  les effets des contaminants sur les communautés
  naturelles, pour des régimes dexposition
  réalistes dun point de vue environnemental
• Approches en laboratoire avec de forts niveau de
  contamination souvent irréalistes versus
  évaluation sur le terrain en milieu contaminé à
  des niveaux ambients en utilisant des
  bioindicateurs et des biomarqueurs

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Sources Chapman, 1995 Baird et al., 1996
ÉCOLOGIE Interactions entre organismes, Fonctionn
ement des populations, Processus influençant ces
paramètres
Simples observations sur le terrain
Observations planifiées sur le terrain
Manipulations expérimentales
Évolution dans le temps
ÉCOTOXICOLOGIE Écologie en présence de polluants
toxiques
TOXICOLOGIE ENVIRONNEMENTALE Effets des
polluants toxiques sur les organismes individuels
Recherches en conditions quasi-naturelles
Expositions simples en laboratoire
Expériences complexes in situ
15
1. Définitions Toxicologie environnementale ?
écotoxicologie
Source Chapman, 2002
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1. Définitions Caractéristiques propres à
lécotoxicologie

• Discipline jeune
• Nombreuses controverses
• Valeurs des bioindicateurs et des biomarqueurs
• Certitudes empiriques et théoriques rares
• Discipline complexe
• Étude des sources, de la dispersion, de
  laccumulation et des effets des polluants
  toxiques sur les populations, les communautés,
  les écosystèmes et la biosphère
• Évaluation des effets à tous les niveaux depuis
  la cellule jusquaux individus, populations et
  communautés
• Pluridisciplinaire
• chimie, physique, mathématiques, biologie,
  écologie, etc...
• Discipline sujette à des forces et des impératifs
  sociaux
• Émergence denjeux environnementaux prioritaires

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2. Historique de la pollution Relations entre
lhomme et son environnement
Dans essai sur le principe de population,
Malthus montre que la population humaine croît de
façon géométrique alors que les ressources
disponibles croissent de façon arithmétique Émet
lhypothèse que la population va dépasser la
capacité de support du milieu Dégradation des
terres par déforestation et désertification,
famines, maladies et guerres Réponse pessimiste
par rapport à la perspective optimiste selon
laquelle lhabilité de lhomme lui permettrait de
maîtriser son environnement sans aucune limite,
perception valable grâce aux progrés de
lagriculture et de lindustrialisation au 19ième
siècle, mais fortement remise en doute
actuellement suite aux changements globaux du
climat et de latmosphére.
Thomas Malthus (1766-1834) économiste anglais
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2. Historique de la pollution Relations entre
lhomme et son environnement

• La croissance et la distribution de la population
  jouent un rôle significatif dans la durabilité
  des ressources mondiales.
• 2 millards en 1930, 6 en 1999 et 12-15 milliards
  prévus en 2050
• Relation entre la croissance de la population et
  la dégradation de létat général de
  lenvironnement.
• Production primaire avant lindustrialisation
  environ à 150 milliards de tonnes de ressources
  en matière organique
• 40 utilisé par la population humaine actuelle,
  60 restant pour supporter plantes et animaux
• 12 détruit par la déforestation et 27 utilisé
  directement pour les ressources énergétiques
• 100 permettrait de supporter une population de
  15 milliards mais sans préserver les habitats
  naturels et la biodiversité
• Situation compliquée par une grande disparité
  entre les continents et les pays dans les
  réglementations gouvernementales, lavancement
  des technologies, les niveaux dindustrialisation
  et les patrons de consommation existant à travers
  le monde.

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Population humaine Taille Utilisation des
ressources
Entreprises humaines Agriculture Industrie Loisirs
Commerce international
Transformation de la terre Feux de
forêt Défrichage Sylviculture Pâturages
Pertes et ajouts despèces Espèces
invasives Chasse Pêches
Cycles biogéochimiques Carbone,
azote, eau Produits xénobiotiques
Perte de la diversité biologique Extinction
d espèces et de populations Perte d écosystèmes
Changements climatiques Effet de serre Aérosols
Source Vitousek et al., 1997
20
2. Historique de la pollutionExemples dimpacts
majeurs sur lenvironnement liés aux activités
anthropiques
Source Vitousek et al., Science 44, 1997, 7-15
21
Effets des populations humaines

• Dégradation de 39-50 de la surface des
  continents (déforestation, agriculture,
  urbanisation
• Utilisation de 8 de la production primaire des
  océans
• Accroissement des concentrations de CO2 dans
  latmosphère de 30
• 50 de lazote fixé dans les terres est due à
  lactivité humaine (fertilisation, cultures,
  utilisation des combustibles fossiles)
• 20 des plantes ont été introduites par lhomme
• 20 des espèces doiseaux sont disparues ou en
  voie de disparition depuis 2 siècles.
• 22 des ressources marines sont décimées ou
  surexploitées et 44 sont à leur limite
  dexploitation

22
2. Historique de la pollution Distribution des
sources de CO2 par les combustibles fossiles
Combustibles fossiles Ajout annuel 5.5 t de CO2
Émissions globales 12.2 g.m2.an de CO2 Maximum
450 Europe de lest USA Differences entre les
pays, continents et hémisphères
Source Vitousek et al., Science 44, 1997, 7-15
23
2. Historique de la pollution Stade
agro-pastoral 10.000 à 1000 ans B.P.
Source Tanton, 1995

• Population 8 à 300 millions, taux de
  croissance 0,1 par an. Faible longévité. Forte
  mortalité.
• Développement de lagriculture entraîne la
  déforestation et lirrigation.
• Augmentation de la capacité de support du
  milieu pour lhomme.
• Lien écologique entre lhomme et son
  environnement

24
2. Historique de la pollution Un des premiers
exemples dimpact environnemental à léchelle du
globe

• La pollution de lenvironnement causée par
  lhomme préhistorique débute avec lutilisation
  des métaux et la domestication du feu.
• Durant lempire romain
• Pb 80.000 à 100.000 tonnes métriques/an
• Cu 15.000 tonnes/an
• Zn 10.000 tonnes/an
• Hg gt2 tonnes/an (Nriagu, 1996)
• Les teneurs en Pb retrouvées dans les dépôts
  glaciaires du Groënland entre 500 avant JC et 300
  après JC
• 4 x supérieures aux concentrations naturelles
  (Hong et al., 1994).

Photographie Alinari/Art Resource, NY
25
2. Historique de la pollution Flux
atmosphériques de plomb
Plomb dans lessence
Époque romaine
1ière et 2ième déglaciations
Source Shotyk et al., Science 281 1635-1639
(1998)
26
2. Historique de la pollution Stade
pré-industriel 1000 à 100 ans B.P.

• Population 300 à 1000 millions, taux de
  croissance 0,3 à 0,5 par an.
• Transformation massive des forêts en champs et
  pâturages.
• Début de lutilisation du charbon.
• Début de lïndustrialisation et lurbanisation
  massive

27
2. Historique de la pollution Stade industriel
( 100 ans B.P.-présent)

• Population 1000 à 5500 millions, taux de
  croissance 0,8-1,9 /an.
• Utilisation de lénergie fossile
  non-renouvelable.
• Prévision de 8 milliards pour 2020
• Lhomme devient une force géophysiologique
  (Vladimir Vernasky) capable de façonner la
  surface du globe et dinfluer sur les mécanismes
  régulateurs de la biosphère.
• Entre 1850 et 1990 la consommation globale
  dénergie augmente de 13 fois.

28
2. Historique de la pollution Stade
post-industriel

• Trois scénarios de fertilité
• Dédoublement à tous les 51 ans
• Dici 10 ans, un milliard de plus
• 10 milliards en 2100
• 2 fois plus en 100 ans

2150 10 billions
2050 8.9 billions
2025 7.8 billions
Scénario 2.1 enfants
Source U.N., World Population Prospects, The
1998 Revision
29
2. Historique de la pollution Population et
disponibilité des ressources renouvelables
Source Postel, S. carrying capacity Earths
bottom line. Sate of the World, 1994
30
2. Historique de la pollution Distribution de la
population mondiale par région, 1800-2050
Plus forts taux de croissance
Source U.N., World Population Prospects, The
1998 Revision
31
2. Historique de la pollution Répartition de la
population mondiale et de lénergie produite et
consommée, 1995
Amérique du nord Europe de louest
Russie Europe centrale
Afrique, Asie, Océanie Moyen-Orient Amérique
latine
Source Haub, C. et D. Cornelius, 2000 World
Population Data Sheet, PRB
32
2. Historique de la pollution Développement
durable

• Le développement qui répond aux besoins du
  présent sans compromettre la capacité des
  générations futures de répondre aux leurs
  (commission Brundtland, 1987).
• Améliorer les conditions dexistence des
  communautés, tout en restant dans les limites de
  la capacité de support des écosystèmes
  (programme des Nations Unies pour
  lenvironnement).

33
2. Historique de la pollution Mise en place du
développement durable

• Principe de précaution (principe 15 du sommet de
  Rio, 1992)
• nouvelle appréhension du progrès technique toute
  nouvelle technologie nest pas forcément associée
  au bienfait social
• Ouverture au débat public
• existence de conférences de consensus
• Écologie industrielle
• volonté systématique de produire moins de déchets
• mise en place dune économie de fonctionnalité
  découpler les flux financiers des flux de matière
  et dénergie (pose un autre rapport aux produits,
  celui de lusage et non de la possession)
• écosystèmes industriels associations
  complémentaires dindustries dans lesquelles les
  flux de matière et dénergie circuleraient dans
  des cycles bouclés, recyclage des matiéraux

34
2. Historique de la pollution Tendance globale
de lutilisation dénergie, par sources
Sources non polluantes Plus haut taux de
croissance
Source Worldwatch News Brief (98-6)
(Données de 1990 à 1996)
35
3. Principales sources de pollution Les
combustibles fossiles
Depuis 1950 x 4 Charbon années 50-60 Pétrole
gt 1970 Gaz naturel gt 1980
1950
1970
1980
1990
2000
1960
Figure 1. Utilisation mondiale des principales
ressources énergétiques (Brown et al., 1996
Vital Signs 1996 ).
36
3. Principales sources de pollution Cas du
charbon

• Le charbon relâche 29 plus de C/unité dénergie
  que le pétrole et 80 plus de C que le gaz
  naturel.
• Il compte pour 43 des émissions annuelles
  globales de C, soit ? 2,7 milliards de tonnes.
• Le charbon est le combustible fossile le plus
  abondant, avec des réserves estimées à 1000 ans
• Fumée de charbon pollution particulaire, et SO2.
• En dépit de la baisse générale de lutilisation
  des combustibles fossiles à travers le monde, les
  É.U. et le Danemark dépendent du charbon,
  respectivement à 53 et 74, pour leurs
  productions délectricité, comme cest le cas des
  pays dEurope de lest.

37
3. Principales sources de pollution Consommation
mondiale du charbon, entre 1950 et 1998 (million
de tonnes)
Chine
É.U.
Inde
Reste du monde
38
3. Principales sources de pollution Consommation
mondiale du pétrole entre 1976 et 2001
Millions de barils/j
25
Asie, Pacifique
Afrique
M.Orient
Ex URSS
25
Europe
25
Amérique du Nord
Source BP Amoco
39
Risque écotoxicologique Prise en feu dun puits
de pétrole Émissions énormes de C, S et poussières
Source Photo satellite/ESA
40
3. Principales sources de pollution Cas de
lénergie nucléaire
41
3. Principales sources de pollution Consommation
mondiale dénergie nucléaire entre 1976 et 2001
Million de tonnes équiv. pétrole
Reste du monde
Forte augmentation depuis 1976 Distribution
dans 4 continents
Asie-Pacifique
Ex URSS
Europe
Am. du Nord
Source BP Amoco
42
3. Principales sources de pollution Pour ou
contre le nucléaire évolution de lopinion
publique américaine
NON
OUI
daprès Laws, Aquatic Pollution (2000)
43
3. Principales sources de pollution Lindustrie
chimique

• Composés organiques de synthèse certains sont
  toxiques pour lhumain et autres espèces animales
  à des concentrations de lordre du ppb de
  nombreux produits chimiques sont persistants dans
  lenvironnement pour des décennies (ex BPC)
  certains sont à la fois toxiques et persistants.
• Chaque année lindustrie chimique produit plus de
  100 millions de tonnes de composés organiques de
  synthèse, représentant plus de 70000 produits
  différents dont 1000 composés nouveaux ajoutés
  (Postel, 1987).

44
3. Principales sources de pollution Lindustrie
chimique
Certains composés de synthèse nont pas besoin
dêtre toxiques pour poser des problèmes
environnementaux les CFCs (chlorofluorocarbones)
persistants et volatiles, utilisés comme
propulseurs aérosols provoquent le délabrement de
lozone (O3) stratosphérique.
Source ESA
45
3. Principales sources de pollution
Lagriculture
Récoltes mondiales de grains, entre 1950-1996
Source Brown et al., 1996 Vital Signs 1996
46
3. Principales sources de pollution
Agglomérations les plus importantes en 1950,
2000, 2015

• En 2000, 47 de la population mondiale vit dans
  des centres urbains
• En 2030, 60 de la pop. mondiale vivra dans des
  villes.
• Les grands centres urbains sont des sources
  importantes de polluants atmosphériques.

Source U.N., World Urbanization Prospects, The
1999 Revision
47
3. Principales sources de pollution Croissance
des grands centres urbains entre 1950 et 2015
Source U.N., World Urbanization Prospects, The
1999 Revision