Post on 11-Sep-2018
Matthieu DUSSAUZE
Journée technique du Cedre
13 novembre 2014
Contribution à l’étude de mélange pétrole - dispersants sur une espèce tempérée le bar Dicentrarchus labrax :
application à une espèce d’eau froide.
Karine Pichavant-Rafini, Michaël Theron, Philippe Lemaire, Lionel Camus et Stéphane Le Floch
2004
Introduction
Principales zones de consommation et de production du pétrole
2
447 292
441
485
381
533
1186
1037
307
124
771
1091
251
186
• Pollutions aux hydrocarbures en mer
• Rejet chronique
• Rejet accidentel : Marée noire
• Coût environnemental
• Toxicité
• Zone impactée
Introduction
4
Introduction
Confinement et récupération
Dispersion chimique In situ burning
Réponses opérationnelles à une marée noire
5
Introduction
• Application du dispersant
• Diffusion des solvants et libération des surfactants
• Surfactants à l’interface pétrole - eau
• Formation de micelles
6
Utilisation de la dispersion chimique
Fractionner et transférer la nappe de pétrole de la surface vers la colonne d’eau
Introduction
• Prévenir l’échouement
• Diluer
• Accélérer la biodégradation
• Limiter l’impact biologique
• Conditions météorologiques
Avantages
• Zone offshore
• Fenêtre d’action limitée
• Pétrole non retiré
• Ajout d’une substance chimique
• Augmentation concentration en
pétrole dans la colonne d’eau
Limites
7
?
Introduction
• Le dispersant augmente-t-il la toxicité du pétrole ?
• Les différents dispersants ont-il la même toxicité ?
• Qu’en est-il des effets biologiques à court ou à long terme ?
• Les nouvelles zones exploration/production ?
• Ecosystème arctique
• Milieu profond (DeepWater Horizon)
8
Introduction
Impact d’un mélange
pétrole – dispersant
Etudes en toxicité aigüe
9
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Introduction
Impact d’un mélange
pétrole – dispersant
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Etudes en toxicité aigüe
• Préférence des autorités et de l’industrie
• Tests normalisés et reproductibles
• Temps
• Urgence opérationnelle
10
Introduction
Impact d’un mélange
pétrole – dispersant
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Etudes en toxicité aigüe
Détermination des effets sub-létaux
• Préférence des autorités et de l’industrie
• Tests normalisés et reproductibles
• Temps
• Urgence opérationnelle
• Travailler à des concentrations réalistes
• Etudier différents niveaux d’intégration
• Etudier une fonction
• Du court au long terme
11
Introduction
Impact d’un mélange
pétrole - dispersant
Aide à la décision urgence opérationnelle
Etudes en toxicité aigüe
Détermination des effets sub-létaux
12
Introduction
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
13
Introduction
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Fraction soluble Dispersion mécanique Dispersion chimique
• A quel type d’exposition un organisme est-il soumis pendant une marée noire ?
14
Introduction
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Dispersion mécanique Dispersion chimique Fraction soluble
• A quel type d’exposition un organisme est-il soumis pendant une marée noire ?
15
Introduction
Comment évaluer ces impacts environnementaux ?
Dispersion chimique
Dispersion mécanique
Contrôle
Dispersant seul
Pétrole :
Brut Arabian Light (BAL)
Dispersants :
Finasol OSR 52
Corexit 9500
INIPOL IP 90
DASIC Slickgone NS
Pétrole utilisé en écotoxicologie
Espèces modèles des écosystèmes tempéré et
arctique
Dispersants enregistrés dans le plus grand nombre de pays
Espèces : Bar
Dicentrarchus labrax
Morue polaire Boreogadus saida
16
Introduction
Effets sub-létaux
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
17
Croissance
Immunité Défenses
anti-oxydantes
Muscle
cardiaque
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
18
19
Toxicité aigüe
• Dispersant augmente toxicité à court terme
• Effet synergique du mélange pétrole - dispersant ?
• Augmentation des concentrations en hydrocarbures ?
• Deux types d’analyse de mortalité :
• Concentrations nominales Kaplan Meier
• Concentrations mesurées Concentrations létales
Bac d’exposition
Circulation de l’eau
Agitateur magnétique
Robinet pour prélèvement
d’eau
Grille de protection
Colonne centrale Arrivée d’air
Barreau aimanté
20
Toxicité aigüe - Exposition
Protocole expérimental
21
Toxicité aigüe - Exposition
16 bars par bac (1,0 ± 0,2g)
échantillonnage (T0, T24, T48, T72, T96)
Mesure des concentrations en hydrocarbures
Comptage et prélèvement des poissons morts
22
Toxicité aigüe - Résultats
Analyse de survie (Kaplan Meier)
Time( h)
0 20 40 60 80 100
Surv
ival
pro
babi
lity
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Concentration nominale de 500mg/L
DC-C
DC-D
DC-F
. . . . . DC-I
DM
a
c
b
b
b
Variations physico-chimiques des mélanges pétrole – dispersant ?
23
Toxicité aigüe - Résultats
DC-C DC-D DC-F DC-I DM
médiane 17,9 ± 0,0a,b 42,3 ± 0,3c 25,0 ± 0,2a,c 14,0 ± 0,0b non
déterminé
Taille des gouttes
Pas de corrélation entre taille des gouttes et variations de mortalité observées
• Concentrations nominales : Dispersion chimique augmente la toxicité du pétrole
• Concentrations mesurées : Pas de différence entre Dispersion mécanique et Dispersions chimiques à 96h
Pas d’effets synergiques du pétrole et du dispersant sur la toxicité
Différences de toxicité sont dues aux concentrations en hydrocarbures
25
Toxicité aigüe - Conclusion
Effets sub-létaux
Bar (Dicentrarchus labrax)
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
26
27
Effets sub-létaux
• Expositions aux hydrocarbures Peu de mortalité directe
• Effets sub-létaux :
• Réduction/Perte de capacités adaptatives
• Diminution des probabilités de survie
• Etude à différents niveaux d’intégration
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Energétique mitochondriale
Pollution
Subcellulaire
Organisme Population
Ecosystème
Moléculaire
Cellulaire
Tissulaire
Organe
28
Effets sub-létaux
Circulation de l’eau
Bac d’exposition
Arrivée d’air
Pompe
Entonnoir
29
Effets sub-létaux - Exposition
• Etude sur des juvéniles et des individus matures
• 48h d’exposition en condition statique
• 4 conditions expérimentales
– Contrôle (C)
– Dispersant seul (D)
– Dispersion chimique du pétrole (DC)
– Dispersion mécanique du pétrole (DM)
30
Effets sub-létaux - Exposition
Biomarqueur d’exposition
• D’après littérature:
• Activité EROD dans le foie
Induction du cytochrome P450
• Fluorescence fixe de la bile
Voie d’excrétion majoritaire des HAPs biotransformés
• Résultats: 2 groupes distincts
• C et D: pas de réponses aux biomarqueurs d’exposition
• DC et DM: réponses importantes aux biomarqueurs d’exposition
31
Effets sub-létaux - Exposition
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
32
• Indicateurs de l’état de santé
• Croissance
• Renouvellement de la population
• Immunité
• Ligne de défense de l’organisme
• Bibliographie Impact des hydrocarbures sur la croissance et l’immunité
33
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
34
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Croissance
Challenge immunologique
14 jours (T14) 28 jours (T28) 48h (T0)
Exposition
0h
Mesure
biométrique
Mesure
biométrique
Mesure
biométrique
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
TC
S (
g.j
-1)
C D DC DM
Croissance
• Taux de croissance spécifique (TCS)
35
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Croissance
• Taux de conversion alimentaire (TCA) • Prise alimentaire (PA)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
C Ds DC DM
36
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
TCA de T0 à T14
TCA de T14 à T28
PA de T0 à T14
PA de T14 à T28
37
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Concentration lysozymale Activité du complément
Croissance
Challenge immunologique
42
jours 48h
Exposition
0h
Prélèvement plasma
Exposition au virus
ab
bc c
a
0
1
2
3
4
5
C D DC DM
Co
nce
ntr
atio
n ly
sosy
mal
e
pla
smat
iqu
e (
mg/
l)
Immunité
• Concentration en lysozyme plasmatique
38
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Immunité
• Activité hémolytique du complément de la voie alterne dans le plasma
39
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Dussauze et al (4)
a
ab
c
bc
0
5
10
15
20
AC
H5
0 (
un
ité
/ml)
C D DC DM
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42
Jours après contamination
Mo
rtal
ité (
%)
C
Contrôle sans virus
D
DC
DM
Immunité
• Challenge immunologique
40
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
• Pas d’effet à moyen terme
• Croissance
Si contraintes supplémentaires ?
• Immunité
Phénomène de compensation
41
Effets sub-létaux – Paramètres intégrateurs
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
42
43
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
O2- H2O2 H2O + O2
H2O
GSH
CAT
GP
X
SOD
HAPs Métabolite HAPs CYP 450
Production de ROS
Défenses anti-oxydantes
• Branchie
46
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
ab ab
a
b
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
C Ds DC DM
U/m
g d
e p
roté
ine
s to
tale
s
GPX
ab
ab
a
b
0
5
10
15
20
25
30
C Ds DC DMU
/mg
de
pro
téin
es
tota
les
SOD
C D DC DM C D DC DM
Défenses anti-oxydantes
• Foie
47
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
a a
ab
b
0
20
40
60
80
µm
ole
/g d
e p
roté
ine
s to
tale
s
Glutathion total
C D DC DM
a
a
b b
0
2
4
6
8
10
12
14
C Ds DC DMU
/mg
de
pro
téin
es
tota
les
SOD
C D DC DM
Défenses anti-oxydantes
• Intestin
48
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
a
ab bc
c
0
10
20
30
40
50
60
C D CD MD
(µ
mo
l/g
de
pro
téin
es
tota
les)
C DM DC D
Glutathion total a
b
b b
0
10
20
30
40
50
60
70
C Ds DC DMU
/mg
de
pro
téin
es
tota
les
SOD
C D DC DM
Défenses anti-oxydantes
• Cerveau
49
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
a
b b b
0
2
4
6
8
10
12
C Ds DC DMU
/mg
de
pro
téin
es
tota
les
SOD
C D DC DM
ab
a a
b
0
5
10
15
20
C D CD MD
U/m
g o
f to
tal p
rote
in
GPX
D C DM DC
Conclusion
50
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
C
D DC DM
Branchies
SOD = = =
GPX = = =
GSH = = =
Foie
SOD =
GPX = = =
GSH = =
Intestin
SOD
GPX = = =
GSH =
Cerveau
SOD
GPX = = =
GSH = = =
Conclusion
51
Effets sub-létaux – Fonction tissulaire
C DC
D DC DM DM
Branchies
SOD = = =
GPX = = =
GSH = = = =
Foie
SOD = =
GPX = = = =
GSH = = =
Intestin
SOD =
GPX = = = =
GSH = =
Cerveau
SOD =
GPX = = =
GSH = = = =
Pas d’effet synergique du mélange pétrole - dispersant
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
52
53
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
• Rôle central (physiologie et métabolisme)
• Indicateur sensible et pertinent
• Précédentes études Hydrocarbures ont un impact sur le cœur
Fonctionnalité du cœur
• Contractilité de lambeau de cœur:
• Force de contraction
• Vitesse de contraction
• Vitesse de relaxation
54
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Fo
rce d
e C
on
tracti
on
(m
N.m
m-2
)
Fréquence de stimulation (Hz)
#
* #
* #
* #
*
#
*
#
* #
*
#
*
(*) C est différent de DC (#) C est différent de DM
C D DC DM
Contractilité cardiaque
• Force de contraction
55
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
Même tendance pour les vitesses de contraction et de relaxation
• Pétrole réduit la force de contraction ainsi que la vitesse de contraction et de relaxation
• Dispersant n’augmente pas les effets du pétrole
Pas d’effet synergique du mélange pétrole - dispersant
• Problème d’apport en ATP ?
Etude de la mitochondrie
Contractilité cardiaque
56
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
57
Energétique de la cellule cardiaque
58
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
• Mitochondries indispensables au métabolisme énergétique intracellulaire
• Technique des fibres perméabilisées :
• Travailler sur des mitochondries in situ
• Préserver interactions entre les compartiments cellulaires
Succinate
+
Pyruvate-Malate
+
Ascorbate-TMPD
+
Oligomycine
-
Energétique tissulaire
59
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
a
a
a
b b
b
b
a
ab
ab ab
a
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
Pyruvate/Malate Succinate Ascorbate-TMPD
Co
nso
mm
atio
n d
’oxy
gèn
e
(µ
mo
lO2
.L-1
.min
-1.m
g-1)
C
D
DC
DM
Energétique tissulaire
• Consommation d’O2 de fibres cardiaques perméabilisées
60
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
Altération de la fonction mitochondriale
Energétique tissulaire
• Fuite de proton
61
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Fuit
e d
e p
roto
n (
Rat
io)
C D DC DM
a
b
a a
Altération de la fonction mitochondriale
Conclusion
62
Effets sub-létaux – Fonction cardio-vasculaire
C
D DC DM
Fonctionnalité =
Mitochondrie =
Hypothèse problème d’apport en ATP est rejetée
Diminution des capacités métaboliques
Problème d’homéostasie calcique ? Altérations des activités Ca2+ATPase ?
Bar (Dicentrarchus labrax)
Paramètres intégrateurs
Fonction tissulaire
Pression Toxicité aigüe
Morue polaire (Boreogadus saida)
Energétique mitochondriale
63
• Ouverture de nouvelles voies maritimes
• Exploration/Production
• Risques augmentent
• Morue polaire Boreogadus saida
64
Application à une espèce polaire
Energétique tissulaire
• Consommation d’O2 de fibres cardiaques perméabilisées
65
Application à une espèce polaire
a
a
ab
ab
bc
ab
c
b
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
pyruvate/malate succinate ascorbate/TMPD
Oxy
gen
e C
on
sum
pti
on
(µ
mo
l O2
..m
in-1
.mg
of
dry
tis
sue
-1)
C
on
som
mat
ion
d’O
2
(µm
ol O
2.m
in-1
.mg
de
tis
su s
ec-1
)
Succinate Ascorbate - TMPD Pyruvate/malate
C
D
DC
DM
Altération de la fonction mitochondriale
Energétique tissulaire
• Fuite de proton
66
Application à une espèce polaire
0
0,25
0,5
0,75
1
C D DC DM
Fuit
e d
e p
roto
n (
rati
o)
67
C
D DC DM
Bar =
Morue polaire =
• Variation interspécifique • Diminution des capacités métaboliques pour les deux espèces :
• Mitochondries moins functionelles et/ou en nombre réduit? • Attaque radicalaire plus importante?
Comparaison espèces tempérées/espèces arctiques
Pourquoi cette variation interspécifique ?
• Adaptation au froid des membranes mitochondriales?
Augmentation de l’indice d’insaturation des membranes mitochondriales.
Insaturations sont des cibles préférentielles des attaques radicalaires.
• Modification des propriétés physico-chimiques du pétrole?
68
Comparaison espèces tempérées/espèces arctiques
69
Comparaison espèces tempérées/espèces arctiques
Dicentrarchus labrax
Ecosystème tempéré
Boreogadus saida
Svensen.R
Ecosystème arctique
Besoin de poursuivre des études en milieu polaire
• Ecosystèmes distincts Réponses différentes
Variation interspécifique
• Détermination de potentiels impacts environnementaux du pétrole
dispersé
Pas judicieux d’extrapoler les résultats d’une espèce arctique en se basant sur une espèce tempérée
• Différences de toxicité sont dues aux concentrations en hydrocarbures
• Dispersant n’aggrave pas les effets du pétrole
Pas d’effet synergique du pétrole et du dispersant
70
Conclusions générales
Pollution
Subcellulaire
Organisme Population
Ecosystème
Moléculaire Cellulaire
Tissulaire
Organe
71
Conclusions générales
Croissance
Fonction
cardiaque
Bar / Morue polaire
Immunité
Si contraintes physico-chimiques supplémentaires ?
Matthieu DUSSAUZE
Journée technique du Cedre
13 novembre 2014
Contribution à l’étude de mélange pétrole - dispersants sur une espèce tempérée le bar Dicentrarchus labrax :
application à une espèce d’eau froide.
Karine Pichavant-Rafini, Michaël Theron, Philippe Lemaire, Lionel Camus et Stéphane Le Floch