Centre interinstitutionnel

de recherche en écotoxicologie

C  I  R  É

Laboratoire des bioessais algaux

La connaissance des effets toxiques de mélanges de métaux et de pesticides est essentielle pour développer et utiliser efficacement les bioessais algaux.
Lorsque plusieurs métaux et pesticides s’introduisent dans le système cellulaire, ils peuvent produire différents effets sur son fonctionnement.
Dans l’évaluation du risque de toxicité, il faut prendre en considération que l’effet de chaque métal ou pesticide sur le système cellulaire des algues peut être modifié d’une façon très importante dans un mélange de différents métaux et pesticides en raison d’un effet additif, synergique ou antagoniste (Shehata et al., 1999).
Dépendamment de leurs modes d’action, de leurs cibles moléculaires et de leurs concentrations, les mécanismes moléculaires de l’interaction des métaux et des pesticides dans un mélange peuvent manifester une augmentation ou une réduction des effets toxiques au niveau de l’absorption, de la distribution dans le système cellulaire et de la fixation des contaminants aux récepteurs moléculaires (Bertrand et Poirier, 2005; Giardi et al., 2005).
Les concentrations individuelles des métaux et des pesticides peuvent être faibles dans un système aquatique contaminé, mais en mélange ils peuvent avoir un impact négatif à long terme sur la biomasse aquatique.
En utilisant les bioessais ultrasensibles et des outils analytiques, nous sommes capables d’évaluer la présence du risque de la toxicité sans tenir compte de l’aspect évolutif de l’écosystème.

La fluorescence variable de la chlorophylle a émise par les algues représente le biomarqueur le plus sensible et fiable envers les effets toxiques des métaux et des pesticides.
Les métaux et les pesticides induisent un stress environnemental en altérant le processus de la photosynthèse et, par conséquent, ils ralentissent la croissance de la biomasse algale. L’inhibition des réactions photochimiques et biochimiques associées au processus de la photosynthèse peut affecter l’état physiologique des plantes (Dewez et al., 2001).
L’altération de l’activité photosynthétique (photochimique) est bien reconnue comme un excellent biomarqueur des effets toxiques des métaux et des pesticides (Geoffroy et al., 2003; Dewez et al., 2005).
La fluorescence variable de la Chlorophylle a, dépendante des réactions photochimiques de la photosynthèse, permet la détermination de différents paramètres qui sont utiles pour comprendre les mécanismes de toxicité.
Plusieurs espèces d’algues vertes ont démontré différentes sensibilités sur les effets toxiques des métaux et des pesticides indiqués par l’analyse du taux de croissance et de l’émission de fluorescence comme paramètres de toxicité (Popovic et al., 2003).

Les bioessais algaux sont basés sur la détermination du risque de toxicité de combinaisons de plusieurs métaux et de pesticides. Plusieurs paramètres basés sur la fluorescence de la chlorophylle a sont utilisés comme biomarqueurs sensibles et fiables de la toxicité des polluants. Cet unique laboratoire (à notre connaissance au Canada) est constitué de trois unités :
  1. Des chambres de croissance pour les algues et leur exposition aux polluants.
  2. Une collection nombreuse d’espèces d’algues sensibles aux différents polluants.
  3. Un ensemble de systèmes de mesure composé de quatre fluorimètres à la fine pointe de la technologie : Les fluorimètres PEA («Plant efficiency Analyzer»), PAM («Pulse Amplitude Modulated»), DUAL-PAM et MAXI-Imaging PAM; et du système polarographique pour la détermination de la production d’oxygène.

Dans notre laboratoire, l’étude du comportement des biomarqueurs photosynthétiques est évaluée à partir de la cinétique de fluorescence en relation avec les effets toxiques d’une combinaison de métaux et de pesticides.
Des espèces d’algues sensibles aux métaux et aux pesticides sont exposées à des combinaisons de différentes concentrations de ces polluants.
Le changement de plusieurs paramètres photosynthétiques de fluorescence est examiné pour identifier ceux qui sont les plus sensibles lorsque la concentration en polluants est similaire à celle rencontrée dans les milieux aquatiques contaminés par l’activité agricole, minière et industrielle.
Les bioessais de toxicité sont effectués en série sur microplaque pour procurer rapidement une détection sensible des effets des polluants sur plusieurs échantillons d’algues. La relation entre le changement des valeurs des paramètres photosynthétiques et la concentration et le temps d’exposition des polluants sont analysés pour obtenir la réponse la plus sensible lorsque les algues sont exposées aux plus basses concentrations pendant la plus courte exposition.

Importance pour le C.I.R.É.

La pollution de l’eau est le résultat d’un mélange de contaminants et l’évaluation du risque écotoxicologique que ces mélanges représentent est d’une extrême complexité.
Les normes de rejets ne devraient plus uniquement tenir compte de la composition chimique des échantillons analysés, mais aussi des réponses biologiques obtenues au cours de bioessais standard.
Dans son approche pour le développement d’une méthodologie de dépistage en écotoxicologie, les ministères de l’Environnement (Canada et Québec) s’intéressent au  développement d’outils bioanalytiques pratiques, rapides et sensibles représentant un faible coût d’utilisation (les tests actuellement utilisés se déroulent sur des périodes de 48 et 72 heures).
L’approche que nous utilisons répond à ces attentes grâce à nos méthodes d’une grande sensibilité et un temps de réponse court pour différents polluants qui affectent directement ou indirectement l’activité photosynthétique.
Notre analyse bioanalytique de la fluorescence spécifique à l’action de ces polluants s’intègre dans un diagnostic de la qualité des milieux aquatiques.
Nos résultats représentent une base importante pour réaliser un protocole de détermination rapide et sensible de la qualité de l’eau permettant la surveillance de la pollution des métaux lourds et des herbicides.

Importance dans la formation d’un haut niveau d’expertise (Maîtrise, Doctorat et Postdoctorat) dans le domaine fondamental et applicable

Présentement au laboratoire sont employés plusieurs étudiants gradués : David Dewez (Ph.D.), Nadia Ait Ali (Ph.D.), Olivier Didur (Ph.D.), François Perreault (M.Sc) et Amirou Diallo (Postdoc).
Responsable et Directeur de ce laboratoire : Radovan Popovic, professeur titulaire au Département de chimie à l’UQAM et actuel Directeur du TOXEN.

Références

Bertrand, M., Poirier, I. Photosynthetica 43: 345-353, 2005.
Dewez, D., Eullaffroy, P., Popovic, R.. Dans: Produits Phytosanitaires: analyse, résidus, métabolites, écotoxicologie, modes d’action, transfert… M. Couderchet, P. Eullaffroy et G. Vernet (Eds), Presses Universitaires de Reims, Ville de Reims, France, pp.133-140, 2001.
Dewez, D., Geoffroy, L., Vernet, G., Popovic, R. Aquat. Toxicol. 74: 150-159, 2005.
Geoffroy, L., Dewez, D., Vernet, G., Popovic, R.. Arch. Environ. Con. Tox. 45 (4): 439-455, 2003.
Giardi, M.T., Guzzella, L., Euzet, P., Rouillon, R., Esposito, D. Environ. Sci. Technol. 39 : 5378-5384, 2005.
Popovic, R., Dewez, D., Juneau, P. Dans: Practical Applications of Chlorophyll Fluorescence in Plant Biology. J. R. DeEll et P. Toivonen (Eds), Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts, USA, pp. 151-184, 2003.
Shehata, S.A., Lasheen, M.R., Kobbia, I.A., Ali, G.H. Water, Air, and Soil Pollution 110: 119-135, 1999.