Ecotoxicologie

L'équipe Ecotox regroupe différentes disciplines relevant des sciences de l'environnement : pédologie, physico-chimie, écologie microbienne, biogéochimie, biologie et écologie. Avant de rejoindre ECOSYS en 2015, elle avait été créée en 2006 en tant qu’unité de recherche nommée Pessac pour «Physicochimie et écotoxicologie des sols contaminés d’agrosystèmes» en fusionnant l’unité Science du sol de Versailles (département EA Environnement et Agronomie de INRAE) avec l'équipe «Xénobiotiques et Environnement» de l'unité "Phytopharmacie et Médiateurs Chimiques" (département SPE Santé des Plantes et Environnement de INRAE). L’équipe gouverne les plateaux techniques d’ECOSYS en chimie analytique inorganique et l’élevage de la faune terrestre en biologie, l’expérimentation à long terme «42 parcelles» située à Versailles depuis 1936 (Fig. 17), et héberge également la plate-forme Biochem-Env à usage externe (projet ANAEE-France) (Annexe 2). Les activités de recherche de l’équipe Ecotox font partie des plans directeurs des départements AgroEcoSystem et SPE. Son enjeu est triple : évaluer la toxicité des contaminants pour les organismes vivants du sol, évaluer et prévenir les risques de contaminants pour l’environnement, et évaluer la durabilité des écosystèmes du sol pour maintenir leurs fonctions sous les pressions anthropiques.

Les études se concentrent sur les sols des agro-écosystèmes en tenant compte des apports de contaminants provenant de la gestion des sols ou des activités humaines environnantes. En effet, les impacts des activités anthropiques à court ou à long terme modifient la composition et les propriétés des sols, donc la dynamique et la localisation des contaminants et l'exposition des organismes.

Le contexte de nos études est principalement les contaminations diffuses organiques et / ou minérales où la teneur totale en contaminants dans les sols agricoles est souvent à faible dose, ce qui correspond à des effets sublétaux pour les organismes, mais ils sont généralement répartis de manière chronique ou récurrente sur les sols.

Cela implique de prendre en compte la présence de mélanges de contaminants mais également d'expositions multiples pour les organismes. Les organismes étudiés jouent un rôle dans les fonctions du sol qui contribuent aux services écosystémiques, particulièrement les microorganismes du sol, les annélides, les oligochètes et les carabidés. L’échelle spatiale de nos études couvre les constituants du sol et leur organisation résultant de processus pédogénétiques et / ou d’actes humains (ce que l’on peut appeler les traits pédologiques), à l’échelle du profil du sol, de la parcelle et du paysage. Selon les questions scientifiques ou les problèmes socio-environnementaux à traiter, les contaminants sont des pesticides ou des résidus d'antibiotiques et / ou des oligo-éléments. Dans la continuité du projet Pessac avant ECOSYS (2008-2015), les travaux de l'équipe Ecotox jusqu'en 2018 visaient à établir un lien entre le devenir des contaminants présents dans le sol et leurs effets sur les organismes vivant dans le sol et leurs modifications en utilisant le concept de biodisponibilité pour lier les approches chimiques aux approches biologiques (figure 18). Les résultats sont utilisés pour discuter et valider les indicateurs d'écotoxicité des sols.

Comparée aux approches classiques et normatives de l’écotoxicologie, notre approche était différente et reposait sur des points de vue novateurs, à savoir: i) travailler avec des réseaux de sites expérimentaux présentant un gradient de contamination in situ plutôt que de substrats dopants ; ii) exploiter la variabilité naturelle de panels de sol pluôt que de travailler avec des substrats artificiels ; iii) utiliser un mélange de contaminants plutôt qu'un seul contaminant ; iv) étudier les résultats sur la base de la biodisponibilité plutôt que sur la teneur totale en contaminants du sol; v) développer des tests utilisant des paramètres biologiques en relation avec les voies d'exposition aux contaminants et des doses environnementales réalistes pertinentes plutôt que des doses élevées ; vi) intégrer les différents niveaux d'organisation biologique en utilisant une combinaison d'organismes représentatifs du sol au lieu d'utiliser un modèle biologique unique et normalisé ; vii) considérer les organismes du sol non seulement comme des cibles de la contamination, mais également comme des acteurs jouant un rôle dans le devenir de la contamination pour lutter contre les interactions ; et enfin viii) aller au-delà des approches taxonomiques en développant des approches basées sur les caractéristiques afin d’atteindre des résultats fonctionnels.

Nos questions de recherche portaient soit sur la compréhension des processus, soit sur l’intégration des processus, et étaient réparties en deux axes : la dynamique des interactions entre contaminants et organismes du sol et la contribution de l’écotoxicologie à l’évaluation multicritères des fonctions du sol. Cependant, ces deux axes de recherche n’établissaient pas de manière concrète les structures d’animation, l’animation au sein de l’équipe ayant travaillé par projet, mais ils regroupaient l’ensemble des questions abordées au cours des cinq dernières années relatives à 2 composantes de l'évaluation des risques: 1) l'évaluation de l'exposition des organismes, et 2) l'évaluation des effets des contaminants sur les organismes et leurs fonctions. Les études ont été réalisées en complément et en synergie avec les travaux développés par l'équipe Sol concernant le devenir des contaminants et faisaient partie de l'axe transversal ECOSYS «Régulation de la qualité du compartiment environnemental».

➢          Les études sur l'évaluation de l'exposition concernaient la ligne de recherche RL 1 dans le but d'alimenter la ligne de recherche 2 et visaient principalement à améliorer la connaissance du déterminisme biophysico-chimique du devenir des contaminants dans les sols et à confronter  la théorie aux observations. Nous avons établi un lien entre la présence de contaminants dans les sols et leurs effets sur les organismes du sol en recherchant les meilleurs indicateurs d'exposition ou d'effets, ce qui a également nécessité l'identification des facteurs de confusion influant sur ces indicateurs. La question abordée concernant la biodisponibilité comprenait la quantification de la bioaccumulation des contaminants dans les organismes du sol afin d’établir une relation avec leur disponibilité. Plusieurs manières de prendre en compte les stocks de contaminants biodisponibles, et pas seulement leur contenu total, ont également été explorées pour quantifier l'exposition. Cela impliquait de prendre en compte la spéciation chimique des oligo-éléments et la transformation des produits organiques en métabolites par photo-activation ou réactions biochimiques.

➢          Les études sur l'évaluation des effets des contaminants sur les organismes et leurs fonctions portaient à la fois sur des approches expérimentales visant à mieux comprendre les mécanismes ou les processus et sur des approches de modélisation permettant de prévoir l'effet des contaminants à différentes échelles biologiques, de l'infrarouge à l'individu, en passant par la population ou la communauté. Ces travaux concernaient plus particulièrement la ligne de recherche 2 basée sur les résultats de la ligne de recherche 1. Les principaux problèmes abordés concernaient l’évaluation des différences de sensibilité aux contaminants entre organismes du sol au sein de communautés, caractérisant le dysfonctionnement du sol en présence de contaminants, identifier les mécanismes contribuant à la résilience des sols contaminés (acquisition de tolérance, redondance fonctionnelle, ou recolonisation…), et enfin évaluer l'impact de la structure du paysage sur l'exposition des organismes du sol non ciblés aux contaminants.

Dans ce qui suit, nous passons en revue les principaux résultats liés à nos projets de recherche, avec les mots-clés décrivant les recherches menées au cours des cinq dernières années: écotoxicologie, sol, devenir, interactions, biodisponibilité, exposition, indicateurs, caractéristiques pédologiques, organismes édaphiques. , pesticides, oligo-éléments métalliques, antibiotiques.

• RL1. Évaluation de l'exposition

• RL2. Effets des contaminants

Conclusions

Deux évolutions majeures de nos approches peuvent être soulignées au cours de la période écoulée : l’introduction d’une plus grande écologie en écotoxicologie et la volonté d’intégrer plusieurs niveaux de complexité afin de mieux comprendre la relation entre le devenir des contaminants et leurs effets sur les fonctions du sol. Le recrutement récent d'une jeune chercheuse (Colette Bertrand) avec le nouvel objectif de se focaliser sur l'écotoxicologie du paysage est le fruit d'une réflexion approfondie avec les autres équipes d'ECOSYS afin d'intégrer cette complexité à différentes échelles : biologique, temps et espace. Si l'expérimentation fait toujours partie des compétences de l'équipe Ecotox, la modélisation est un moyen en cours d'investissement et nécessitera encore des efforts de recrutement pour approfondir les collaborations sur nos modèles biologiques. L’équipe a également investi dans l'achat de modèles biologiques, qui prennent du temps et nécessitent des compétences spécifiques précieuses pour rester pérennes. L'hébergement de la plateforme Biochem-Env, développée ces dernières années et dédiée à la caractérisation biochimique de l'environnement, peut être l'occasion de développer des indicateurs spécifiques adaptés à nos questions.

Statégie scientifique et projet

Le projet de l'équipe Ecotoxicologie se veut réaliste tout en étant ambitieux, en prenant en compte les faits suivants :

1) Les précédentes recherches quinquennales nous ont permis d’avancer sur de nombreuses questions en écotoxicologie tout en introduisant de nouvelles perspectives de questionnement. L’équipe est maintenant prête à proposer de nouvelles clés pour répondre aux questions scientifiques liées à l’écotoxicologie et à proposer dans la continuité un plan pour aller plus loin dans notre projet précédent.

2) Mais nous aurons à faire face à plusieurs départs en mobilité de chercheurs et de techniciens, actuels ou en préparation. Cela perturbera la synergie escomptée des compétences initialement envisagées lors de la création de l’unité Pessac en 2006 et qui a été efficace au sein de l’équipe Ecotox ces dernières années. En effet, l’intention était de regrouper les compétences de pédologues, de chimistes, de biochimistes, de microbiologistes, d’écologistes et d’écotoxicologues afin de s'intéresser aux problèmes écotoxicologiques des sols. Les départs successifs ou programmés nous obligent toutefois à redéfinir nos questions en tenant compte de la perte potentielle de compétences, à moins que celles-ci soient renouvelées.

3) En ce qui concerne le projet Saclay, le contexte pourrait toutefois être favorable à un renouvellement de nos questions scientifiques. En effet, au-delà d’un déplacement physique, le projet scientifique associé nous conduit vers une dynamique de communautés scientifiques où l’écotoxicologie a une place à prendre. En outre, la prochaine fusion de l'INRA-IRSTEA nous apportera également une communauté bien structurée en écotoxicologie aquatique qui justifie encore plus de conserver une belle construction en écotoxicologie des sols.

En gardant cela à l'esprit, nous avons cherché à développer une approche systémique des effets des contaminants sur l'environnement en suivant notre approche précédente consistant à étudier les effets du devenir sur la relation (Fig. 28). Nous proposons d'aller plus loin vers des fonctions conduites par les organismes du sol et les effets à long terme (introduisant les notions de tolérance d'adaptation et de résilience), et de prendre en compte les éléments extérieurs comme les plantes, le climat et les caractéristiques du paysage pour compléter notre projet précédent.

Deux axes de recherche ont été identifiés pour structurer nos questions: 1) le sol en tant que régulateur de l'exposition aux contaminants dans les agro-écosystèmes et 2) de l'écotoxicologie à l'agro-écotoxicologie ; à partir desquels nous avons trié quatre projets phares correspondant à nos projets engagés à court terme :

1) La quantification de l'exposition pour intégrer la somme des expositions environnementales au cours de la vie d'un organisme, notion qui nous permet d'aborder la relation entre environnement et santé,

2) Une meilleure connaissance des effets de cocktails de contaminants afin d'accroître notre capacité à prévoir l'écotoxicité dans des conditions proches de la réalité lorsque les sols sont multicontaminés. Si une méthodologie permettant de traiter les effets cocktail est disponible, certaines lacunes dans les connaissances, telles que les schémas de co-exposition, doivent être comblées, en particulier dans l'environnement du sol.

3) L'importance des interactions entre organismes pour mieux comprendre les impacts des contaminants sur les fonctions du sol.

4) L'évaluation de la capacité de l'écosystème à la résilience et à maintenir ses fonctions en étudiant le processus d'atténuation, d'adaptation ou de redondance.

Ces quatre thèmes concernent les échelles biologiques de l'individu (ou infra-individuel) aux populations ou aux communautés. Le contexte des questions de recherche est le changement global (y compris les changements d’utilisation des sols et de changement climatique) et couvre différentes échelles spatiales d’études, allant des échelles locales à celles du paysage.

Le défi scientifique de notre axe de recherche 1 «Le sol en tant que régulateur de l'exposition aux contaminants dans les agro-écosystèmes» et les thèmes structurants 1 et 2 correspondants visent à comprendre et à modéliser les influences complexes de la matrice de sol sur l'exposition sur les organismes. Nous avons l'intention de nous intéresser spécifiquement au problème du rôle ambivalent de la matière organique, qu'elle soit naturelle ou apportée. En effet, la matière organique est à la fois un ligand contre les contaminants et une source de nourriture pour les organismes, jouant ainsi le rôle de "poison et antidote". Pour traiter les effets de mélanges de contaminants, nous devons i) évaluer si et comment l'exposition combinée se produit dans des conditions réelles, ainsi que ii) définir des indicateurs écotoxicologiques appropriés pour rendre compte des effets combinés lorsque divers contaminants ont des modes d'action différents et iii) explorer la possibilité d'intégrer les pools de contaminants biodisponibles ou les différents modes d'exposition dans la modélisation prédictive des effets du mélange. L'un des principaux résultats consiste à préciser si les connaissances sur des contaminants individuels peuvent être suffisamment utiles pour prédire les impacts sur les organismes du sol ou sur les fonctions du sol lorsqu'ils sont mélangés avec d'autres contaminants, par le biais d'études in situ, ex situ ou in silico. Les approches utilisées impliqueront le couplage d'expériences ex situ avec la modélisation et l'utilisation de bio-essais «centrés sur l'organisme» imitant les fonctions écologiques du sol. La typologie in silico et la modélisation prédictive constitueront des défis pour renforcer les collaborations avec les toxicologues et les modélisateurs. Les projets en cours nous permettant d'aller plus loin dans ces recherches sont AFES, BIOMENC, DYNAMIQUES, GRACE, MAGIC, CONNEXION.

Le défi scientifique de l'axe de recherche 2 «de l'écotoxicologie à l'agro-écotoxicologie» et des thèmes structurants correspondants 3 et 4 visent à répondre aux questions sur les impacts à long terme des contaminants sur les organismes et leurs fonctions, avec le défi méthodologique d'évaluer les conséquences à doses sublétales et en intégrant la notion de résilience dans de telles études. Nous visons à nous concentrer sur le choix des indicateurs. En effet, nous sommes confrontés à un changement de paradigme, passant de «l'effet toxique à évaluer» habituel aux conclusions de «marqueur de processus adaptatifs». Cela impliquera l'intégration de proxy aux échelles individuelles pour prédire les effets au niveau de la population. Cela inclura également les processus de hiérarchisation impliqués dans les réponses de la communauté sur le long terme, entre redondance fonctionnelle, recolonisation des zones ou adaptation. Une approche consistera à rechercher des indicateurs pris en compte dans les perturbations des interactions entre organismes édaphiques. Cela nous permettra également de traiter les conséquences d'une perte de biodiversité sur la résilience des écosystèmes aux autres stress, en particulier ceux liés aux changements climatiques, et ainsi de traiter des approches multi-stress. Enfin, l’intégration spatiale des processus a pour objectif de nous aider à comprendre l’influence des caractéristiques du paysage sur le devenir et l’impact des contaminants sur les organismes non ciblés, mais également sur les éléments du paysage pouvant être utilisés pour améliorer la résilience aux contaminants de l’organisme à la communauté . Les projets en cours nous permettant d'aller plus loin dans ces recherches sont DYNAMIQUES, GRACE, MAGIC, PING, projet de recherche de Colette Bertrand nouvellement recrutée, CONNEXION, ADSORB.

De plus, nos discussions et réflexions concrètes vont appliquer nos approches écotoxicologiques aux questions relatives au continuum sol-eau-sédiments. L'un des objectifs est d'évaluer si un seuil de sol que nous pouvons définir est capable de protéger efficacement les qualités de l'eau et des sédiments, mais plusieurs questions particulièrement autour de la santé dans le contexte du déplacement de Saclay, peuvent être relatives au continuum sol-eau-sédiment. Le projet en cours  est le dernier projet Life ADSORB.

Contribution de l'écotoxicologie aux thèmes structurants d'ECOSYS (en jaune) en interaction avec les équipes Sol et / ou Eco & Phy