L’écotoxicologie aquatique - comparaison entre les micropolluants organiques et les métaux : constats actuels et défis pour l’avenir Aquatic ecotoxicology - comparison between organic micropollutants and metals: current situation and future perspectives

Résumé

Nous explorons dans cette synthèse les forces et les faiblesses de l’écotoxicologie, en nous limitant aux milieux aquatiques. Notre approche consiste à comparer et contraster le comportement des contaminants organiques et inorganiques (métalliques) et à identifier quelques défis pour l’avenir. La prise en charge des contaminants organiques de synthèse se produit le plus souvent par simple diffusion passive au travers d’une membrane cellulaire. Vu la nature lipidique des membranes biologiques, le coefficient de partage octanol-eau (Kow) du contaminant s’avère souvent un bon prédicteur de sa tendance à se bioaccumuler. Par contre, les métaux présents dans le milieu aquatique se trouvent surtout sous des formes hydrophiles et hydratées qui ne peuvent traverser les membranes biologiques par simple diffusion. Leur prise en charge fait alors appel à un transport facilité qui implique des transporteurs protéiques ou canaux transmembranaires. Le coefficient de partage octanol-eau de ces espèces métalliques se révèle inutile comme prédicteur de leur bioaccumulation. Les approches et les modèles prédictifs diffèrent donc grandement entre contaminants métalliques et organiques.

Pour les métaux, deux types de modèles sont couramment employés : des modèles d’équilibre (ex. : le « Modèle du Ligand Biotique » ou BLM) et des modèles cinétiques d’accumulation et d’élimination. Dans les deux cas, les paramètres biologiques des modèles sont considérés comme des « constantes » qui ne sont affectées, ni par la qualité de l’eau ambiante (ex. : pH, dureté), ni par une pré-exposition au métal. Or, il y a maintenant dans la littérature scientifique de plus en plus d’indices que les propriétés clés de la surface épithéliale des organismes aquatiques, qui contrôlent l’accumulation et la toxicité des métaux, ne sont pas constantes, ce qui compromet l’application des modèles dans des cas réels d’exposition chronique sur le terrain. Contrairement aux métaux, l’essentiel du comportement environnemental des composés organiques de synthèse est lié à leur capacité de résister à divers mécanismes de dégradation et à leur biodisponibilité pour les organismes aquatiques. Le modèle de la « fugacité » permet de prédire la distribution de composés organiques entre divers compartiments pour un système considéré à l’équilibre mais de nombreuses contraintes chimiques et biologiques interfèrent avec l’utilisation de ce type de modèle. Les cas des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des organométaux sont utilisés pour illustrer ces contraintes.

Parmi les tout nouveaux défis de l’écotoxicologie, nous abordons brièvement le développement de la génomique fonctionnelle et de l’approche écosystémique ainsi que la toute nouvelle problématique environnementale posée par les nanoparticules industrielles. L’avenir de l’écotoxicologie aquatique passe nécessairement par : (1) l’obtention de données de terrain et de laboratoire d’excellente qualité; (2) une compréhension approfondie des mécanismes de toxicité aux niveaux moléculaire et cellulaire; (3) le développement de modèles théoriques et empiriques qui intègrent mieux la réalité physiologique et écologique; (4) le développement d’indicateurs écosystémiques capables de fournir une image globale de la qualité d’un environnement aquatique, quelle que soit sa complexité inhérente.

Mots clés:

• écotoxicologie,
• écosystèmes aquatiques,
• métaux traces,
• composés organiques et organométalliques,
• modèle de l’ion libre,
• approche PBT (persistance-bioaccumulation-toxicité),
• modèle BLM,
• modèle de la fugacité,
• nanoparticules

Abstract

In this review we consider the current state of the field of ecotoxicology, with an emphasis on aquatic environments, and explore its strengths and weaknesses. We compare and contrast the environmental behaviour of organic and inorganic contaminants, and identify a number of challenges for the future development of the field. The uptake of synthetic organic contaminants normally occurs by simple passive diffusion across a cell membrane. Given the lipidic and thus hydrophobic nature of biological membranes, the octanol-water partitioning coefficient of an organic contaminant (Kow) is often a good predictor of its tendency to bioaccumulate. In contrast, metals present in the aquatic environment are generally present in hydrated and hydrophilic forms, which cannot cross biological membranes by simple diffusion. Thus their uptake normally occurs by facilitated transport involving membrane carriers or channels. The octanol-water partitioning coefficients of these metallic species thus have no bearing on the relative facility with which they can cross biological membranes. It follows that the modeling approaches will differ greatly between organic and inorganic (metallic) contaminants.

For metals, two types of models are currently popular: equilibrium models (e.g., the “Biotic Ligand Model” or BLM) and kinetic models of metal uptake and elimination. In both cases, the biological parameters of the models are considered as “constants”, which are unaffected by the ambient water quality (e.g., pH; hardness) or by prior exposure to the metal. However, recent research suggests that the key epithelial properties of aquatic organisms that govern metal accumulation and toxicity are not constant, thus compromising the application of the models to real-world cases of chronic exposure to metals. In the case of organic contaminants, ecotoxicological concerns tend to focus on their capacity to resist various degradation mechanisms and on their bioavailability. Fugacity models can be used to predict the distribution of organic molecules among various environmental compartments for systems at equilibrium, but many chemical and biological constraints limit the application of such models. Case studies with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and organometallic species are presented to illustrate these constraints.

Finally, among new frontiers and opportunities for ecotoxicology, we briefly consider the development of toxicogenomics, the need to consider the effects of contaminants on trophic interactions in a truly ecosystemic approach, and the challenge posed by nanoparticles of industrial origin. The future of ecotoxicology will necessarily involve: (1) the collection of high quality data in the laboratory and in the field; (2) an improved understanding of the mechanisms of toxicity at the molecular and cellular levels; (3) the development of theoretical and empirical models that better integrate physiological and ecological reality; and (4) the development of ecosystem indicators that can be used to evaluate the quality of aquatic environments, despite their inherent complexity.

Keywords:

• ecotoxicology,
• aquatic ecosystems,
• trace metals,
• organic and organometallic compounds,
• free ion model,
• PBT (persistence-bioaccumulation-toxicity) approach,
• BLM model,
• fugacity model,
• nanoparticles