15.4 : Toxicologie environnementale
- Page ID
- 167690
La toxicologie environnementale est l'étude scientifique des propriétés des toxines, des produits chimiques qui peuvent endommager les organismes vivants et des effets sur la santé associés à leur exposition (tableau\(\PageIndex{a}\)). Le domaine implique également la gestion de ces toxines et la protection des humains et des écosystèmes contre celles-ci. Les toxicologues sont des scientifiques qui étudient les propriétés des toxines, et ces propriétés dommageables sont appelées toxicité. En d'autres termes, les toxicologues évaluent les risques chimiques.
| Rang 2019 | Nom de la substance |
|---|---|
| 1 | Arsenic |
| 2 | Le plomb |
| 3 | Mercure |
| 4 | chlorure de vinyle |
| 5 | Polychlorobiphényles (PCB) |
| 6 | Benzène |
| 7 | Cadmium |
| 8 | Benzo [a] pyrène |
| 9 | Hydrocarbures aromatiques polycycliques |
| 10 |
Benzo [b] fluoranthène |
| 11 | Chloroforme |
| 12 |
Aroclor 1260 |
| 13 | p, p'-DDT |
| 14 | Aroclor 1254 |
| 15 | Dibenz [a, h] anthracène |
Tableau modifié à partir de l'ATSDR/CDC (domaine public).
Quelles sont les formes que prennent les produits chimiques ?
Les substances chimiques peuvent prendre différentes formes. Ils peuvent se présenter sous forme de solides, de liquides, de poussières, de vapeurs, de gaz, de fibres, de brouillards et de fumées (figure\(\PageIndex{a}\)). La forme sous laquelle se trouve une substance a beaucoup à voir avec la façon dont elle pénètre dans votre corps et les dommages qu'elle peut causer. Un produit chimique peut également changer de forme. Par exemple, les solvants liquides peuvent s'évaporer et dégager des vapeurs que vous pouvez inhaler. Parfois, les produits chimiques se présentent sous une forme qui ne peut être ni vue ni sentie, de sorte qu'ils ne peuvent pas être facilement détectés.
Voies d'exposition aux produits chimiques
Pour provoquer des problèmes de santé, des produits chimiques doivent pénétrer dans votre corps. Une fois que les produits chimiques sont entrés dans votre corps, certains peuvent se déplacer dans votre circulation sanguine et atteindre des organes « cibles » internes, tels que les poumons, le foie, les reins ou le système nerveux. Il existe trois principales voies d'exposition, ou moyens par lesquels un produit chimique peut pénétrer dans votre corps (figure\(\PageIndex{b}\)).
La première voie est l'inhalation, qui résulte de l'inhalation de gaz chimiques, de brouillards ou de poussières présents dans l'air. Comme les sacs d'air situés dans les poumons sont une structure d'échange de gaz constituée d'une seule couche de cellules minces, les substances inhalées peuvent rapidement passer des sacs d'air aux capillaires et pénétrer dans la circulation sanguine. Les toxines inhalées peuvent également causer des dommages locaux à la bouche, aux voies respiratoires et aux poumons.
La deuxième voie est l'ingestion, c'est-à-dire la déglutition lorsque des produits chimiques se sont répandus ou se sont déposés sur les aliments, les boissons, les cigarettes, la barbe ou les mains. Les toxines peuvent alors endommager localement le tube digestif et peuvent être absorbées, le plus souvent par les intestins, dans la circulation sanguine.
La troisième voie est le contact avec la peau ou les yeux. Lorsque les produits chimiques entrent directement en contact avec la peau ou pénètrent dans les yeux, ils peuvent provoquer des dommages localisés ou être absorbés par la peau dans la circulation sanguine. Comme la peau est constituée de nombreuses couches cellulaires renforcées par des composés protecteurs, il est plus difficile pour les toxines de pénétrer dans l'organisme par la peau que par inhalation et ingestion. Cependant, les toxines peuvent facilement pénétrer par la peau endommagée et certaines substances peuvent être absorbées par une peau intacte. Comme les yeux sont riches en sang, les toxines peuvent facilement pénétrer dans la circulation sanguine par contact visuel.
Quels facteurs influent sur la sécurité d'un produit chimique ?
Pourquoi certains produits chimiques sont-ils plus nocifs que d'autres ? De nombreux facteurs sont pris en compte lors de l'évaluation de la sécurité d'un produit chimique, notamment son activité, sa persistance, sa solubilité, sa bioaccumulation et sa bioamplification. La puissance fait référence à la quantité d'un produit chimique nécessaire pour causer des dommages. Plus une toxine est puissante, plus la concentration nécessaire pour causer des dommages est faible. La persistance fait référence au temps qu'une substance met à se décomposer. Les produits chimiques persistants sont plus préoccupants parce qu'ils restent dans l'environnement (ou même dans les organismes) pendant de longues périodes. La solubilité indique si le produit chimique se dissout dans certains solvants, tels que l'eau ou les matières grasses. En général, les toxines liposolubles (liposolubles) sont plus dangereuses car elles peuvent s'accumuler dans les tissus adipeux (voir ci-dessous), alors que les toxines hydrosolubles peuvent être éliminées plus facilement de l'organisme. De plus, les toxines liposolubles sont plus facilement absorbées par l'organisme.
Bioaccumulation
La bioaccumulation est l'accumulation de substances chimiques dans les tissus d'un organisme au cours de sa vie. Alors que les toxines bioaccumulées sont généralement liposolubles, comme le DDT et les PCB, les toxines hydrosolubles, telles que les formes inorganiques de métaux lourds, peuvent également se bioaccumuler. Par exemple, le plomb s'accumule dans les dents et les os, et le mercure peut s'accumuler dans les reins et le cerveau.
Bioamplification
La bioamplification est la concentration croissante de toxines dans les organismes à chaque niveau trophique successif. Lorsque des organismes contenant des toxines bioaccumulées sont consommés, les toxines sont transférées à leurs prédateurs (figure\(\PageIndex{d}\)). La bioamplification explique pourquoi certaines espèces de poissons situées en haut de la chaîne alimentaire contiennent de fortes concentrations de mercure et de cadmium, un autre métal lourd.
Outre sa persistance, sa liposolubilité et sa bioaccumulation élevées, la bioamplification explique pourquoi l'insecticide dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT), désormais interdit, a causé tant de dégâts. Les producteurs ont absorbé le DDT et l'ont transmis aux consommateurs successifs à des taux de plus en plus élevés. Par exemple, la pulvérisation d'un marais pour contrôler les moustiques provoquera l'accumulation de traces de DDT dans les cellules des organismes aquatiques microscopiques, le plancton, du marais. En se nourrissant du plancton, les filtreurs, comme les palourdes et certains poissons, récoltent du DDT ainsi que de la nourriture. (Des concentrations de DDT 10 fois supérieures à celles du plancton ont été mesurées chez les palourdes.) Le processus de concentration se poursuit tout au long de la chaîne alimentaire, d'un niveau trophique à l'autre. Les goélands, qui se nourrissent de palourdes, peuvent accumuler 40 fois ou plus de DDT que leurs proies. Cela représente une augmentation de 400 fois de la concentration tout au long de cette chaîne alimentaire courte. En fin de compte, les principaux prédateurs au sommet de la chaîne alimentaire, tels que les pygargues à tête blanche, les pélicans, les fauçons et les balbuzards pêcheurs, se sont nourris de poissons contaminés, atteignant des niveaux dangereux de DDT.
Les biphényles polychlorés (PCB) sont une autre substance qui se bioamplifie. La National Atmospheric and Oceanic Administration (NOAA) a étudié la bioamplification des PCB dans la baie de Saginaw du lac Huron des Grands Lacs d'Amérique du Nord (figure\(\PageIndex{d}\)). Les concentrations de PCB provenant des producteurs de l'écosystème (phytoplancton) ont augmenté tout au long des différents niveaux trophiques des espèces de poissons. Le principal prédateur, le doré jaune, contenait plus de quatre fois plus de PCB que le phytoplancton. De plus, des recherches ont révélé que les oiseaux qui mangent ces poissons peuvent présenter des niveaux de PCB au moins dix fois supérieurs à ceux trouvés dans les poissons de lac. Cet écosystème aquatique offrait une occasion idéale d'étudier la bioamplification, car les PCB sont généralement présents à de faibles concentrations dans cet environnement, mais les prédateurs de pointe accumulaient de très fortes concentrations de cette toxine.
Polluants organiques persistants (POP)
Les polluants organiques persistants (POP) sont un groupe de produits chimiques organiques qui présentent des risques pour la santé humaine et les écosystèmes. Les exemples incluent le pesticide dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT) et les produits chimiques industriels, les polychlorobiphényles (PCB) et les substances perfluoroalkyles et polyfluoroalkyles (PFAS). Le contaminant contenu dans l'agent Orange (2,3,7,8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine ; TCDD) est un autre POP (voir La méthode scientifique). Les polluants organiques persistants présentent les trois caractéristiques suivantes :
- Persistants : Les POP sont des substances chimiques qui restent longtemps dans l'environnement. Certains peuvent résister à la dégradation pendant des années, voire des décennies, tandis que d'autres peuvent potentiellement se décomposer en d'autres substances toxiques.
- Bioaccumulables : Les POP peuvent s'accumuler chez les animaux et les humains, généralement dans les tissus adipeux et en grande partie à partir des aliments qu'ils consomment. Au fur et à mesure que ces composés remontent la chaîne alimentaire, ils se concentrent à des niveaux qui peuvent être des milliers de fois supérieurs aux limites acceptables.
- Toxique : Les POP peuvent avoir un large éventail d'effets sur la santé des humains, de la faune et des poissons. Ils ont été associés à des effets sur le système nerveux, à des problèmes de reproduction et de développement, à la suppression du système immunitaire, au cancer et à des troubles endocriniens. La production et l'utilisation délibérées de la plupart des POP ont été interdites dans le monde entier, certaines dérogations étant accordées pour des raisons de santé humaine (par exemple, le DDT pour la lutte contre le paludisme) et/ou dans des cas très spécifiques où des produits chimiques de remplacement n'ont pas été identifiés. Cependant, la production non intentionnelle et/ou l'utilisation actuelle de certains POP continuent de susciter des préoccupations au niveau mondial. Même si la plupart des POP n'ont pas été fabriqués ou utilisés depuis des décennies, ils continuent d'être présents dans l'environnement et donc potentiellement nocifs. Les mêmes propriétés qui les rendaient si efficaces à l'origine, notamment leur stabilité, les rendent difficiles à éliminer de l'environnement.
La relation entre l'exposition à des contaminants environnementaux tels que les POP et la santé humaine est complexe. Il est de plus en plus évident que ces produits chimiques persistants, bioaccumulables et toxiques (PBT) sont nocifs à long terme pour la santé humaine et l'environnement. Il est toutefois difficile d'établir un lien direct entre l'exposition à ces produits chimiques et les effets sur la santé, d'autant plus que les humains sont exposés quotidiennement à de nombreux contaminants environnementaux différents par l'air qu'ils respirent, l'eau qu'ils boivent et les aliments qu'ils mangent. De nombreuses études établissent un lien entre les POP et un certain nombre d'effets nocifs chez l'homme. Il s'agit notamment des effets sur le système nerveux, des problèmes liés à la reproduction et au développement, du cancer et des impacts génétiques. En outre, le public est de plus en plus préoccupé par les contaminants environnementaux qui imitent les hormones présentes dans le corps humain (perturbateurs endocriniens).
Par le biais de processus atmosphériques, ils se déposent sur le sol ou dans les écosystèmes aquatiques où ils s'accumulent et peuvent causer des dommages. À partir de ces écosystèmes, ils s'évaporent et pénètrent à nouveau dans l'atmosphère, se déplaçant généralement de températures plus chaudes vers des régions plus froides. Ils se condensent hors de l'atmosphère chaque fois que la température baisse, pour finalement atteindre les concentrations les plus élevées dans les pays circumpolaires. Grâce à ces processus, les POP peuvent se déplacer sur des milliers de kilomètres de leur source d'émission initiale au cours d'un cycle qui peut durer des décennies.
Comme les humains, les animaux sont exposés aux POP présents dans l'environnement par l'air, l'eau et les aliments. Les POP peuvent rester dans les sédiments pendant des années, où les créatures des fonds marins les consomment et qui sont ensuite mangés par de plus gros poissons. Comme les concentrations dans les tissus peuvent se bioamplifier à chaque niveau de la chaîne alimentaire, les principaux prédateurs, notamment les baleines, les phoques, les ours polaires, les oiseaux de proie, le thon, l'espadon et l'achigan, peuvent avoir des concentrations de POP un million de fois supérieures à celles de l'eau elle-même. Une fois que les POP sont rejetés dans l'environnement, ils peuvent être transportés dans une région spécifique et à travers les frontières internationales pour se transférer dans l'air, l'eau et le sol.
Bien qu'ils soient généralement interdits ou restreints (figure\(\PageIndex{e}\)), les POP pénètrent dans et dans l'environnement tous les jours par le biais d'un cycle de transport aérien à longue distance et de dépôt appelé « effet sauterelle ». » Les processus « sauterelles » commencent par le rejet de POP dans l'environnement. Lorsque les POP pénètrent dans l'atmosphère, ils peuvent être transportés par les courants du vent, parfois sur de longues distances.
Quels sont les effets des toxines sur la santé ?
L'effet d'une toxine est déterminé par de nombreux facteurs. Tout d'abord, la même toxine et la même concentration peuvent affecter les individus différemment en fonction de l'âge, de l'état de santé général, de la génétique, du sexe et d'autres facteurs. Par exemple, les jeunes enfants sont particulièrement sensibles aux métaux lourds et au bisphénol A (BPA). De plus, comme de nombreuses toxines sont traitées par le foie et que la fonction hépatique diminue avec l'âge, les personnes âgées sont plus sensibles à certaines toxines. De même, une personne en bonne santé est susceptible de mieux résister aux toxines d'exposition qu'une personne confrontée à d'autres problèmes de santé. En ce qui concerne la génétique, certaines personnes peuvent avoir des versions de gènes qui les rendent plus sensibles ou plus résistantes à certaines toxines. Outre les facteurs individuels, la durée de l'exposition, la présence d'autres toxines et la concentration (dose) ont tous un impact sur la toxicité
Effets aigus et effets chroniques
Un effet aigu d'une toxine se produit rapidement après une exposition à une grande quantité de cette substance. L'effet chronique d'un contaminant résulte de l'exposition à de petites quantités d'une substance pendant une longue période. Dans ce cas, l'effet peut ne pas être immédiatement évident. Les effets chroniques sont difficiles à mesurer, car ils peuvent ne pas se manifester avant des années. L'exposition à long terme au tabagisme, l'exposition à de faibles doses de rayonnement et une consommation modérée d'alcool sont toutes considérées comme produisant des effets chroniques.
Interactions toxicologiques
L'exposition simultanée à plusieurs produits chimiques peut entraîner divers effets ou interactions chimiques (figure\(\PageIndex{f}\)). Elles peuvent s'appliquer à tous les produits chimiques qui affectent l'organisme, y compris les médicaments et les toxines (dans ce dernier cas, on parle d'interactions toxicologiques). Si l'effet des deux produits chimiques combinés est la somme de leurs effets individuels, l'interaction chimique est appelée effet additif. Supposons que le médicament A et le médicament B aient le même effet sur le corps (par exemple, chacun augmente la fréquence cardiaque de cinq battements par minute). Un effet additif se produirait si la prise des deux médicaments en même temps augmentait la fréquence cardiaque de 10 battements par minute. Par exemple, le toluène et le xylène, que l'on trouve tous deux dans les solvants et les peintures, ont un effet additif. Chacune provoque une irritation des yeux, du nez et de la gorge, des étourdissements, des maux de tête et de la confusion Une étude a révélé que leurs effets combinés sur la mémoire, les fonctions cognitives et la coordination étaient à peu près égaux à la somme de leurs effets individuels.
En revanche, si la prise simultanée des deux médicaments A et B augmentait la fréquence cardiaque de moins de 10 battements par minute (moins que leur somme), leur interaction serait considérée comme un effet antagoniste, indiquant qu'ils interfèrent entre eux. Par exemple, l'éthanol (présent dans les boissons alcoolisées) et le méthanol (alcool de bois) ont tous deux des effets toxiques, mais le méthanol est plus immédiatement nocif. Lorsque le méthanol est ingéré, l'organisme le convertit en composés dangereux qui ne peuvent pas être facilement éliminés du corps. L'éthanol peut être utilisé pour traiter l'empoisonnement au méthanol car il bloque les enzymes qui facilitent ces réactions, ce qui permet à l'organisme d'éliminer le méthanol.
Si l'association des médicaments A et B augmentait la fréquence cardiaque de plus de 10 battements par minute, leur interaction aurait un effet synergique, c'est-à-dire que leur effet combiné était supérieur à la somme de leurs effets individuels. Par exemple, le tabagisme combiné à l'exposition à l'amiante a un effet synergique en provoquant le cancer du poumon.
La courbe dose-réponse
Depuis des siècles, les scientifiques savent que presque toutes les substances sont toxiques en quantité suffisante. Il est donc courant chez les toxicologues de dire que « c'est la dose qui fait le poison ». En fait, une dose (quantité) trop élevée d'un médicament par ailleurs utile peut avoir des effets négatifs sur la santé, voire la mort. De même, de petites quantités de sélénium sont nécessaires au bon fonctionnement des organismes vivants, mais de grandes quantités peuvent provoquer le cancer.
L'effet d'un certain produit chimique sur un individu dépend de la dose du produit chimique. Cette relation est souvent illustrée par une courbe dose-réponse, qui montre la relation entre la dose et la réponse de l'individu. Les doses létales pour les humains ont été déterminées pour de nombreuses substances à partir des informations recueillies à partir de dossiers d'homicides, d'empoisonnements accidentels, d'essais sur des animaux et d'expériences sur des cultures cellulaires. Une dose létale pour 50 % d'une population d'animaux d'essai est appelée dose létale -50 %, ou DL 50 (tableau\(\PageIndex{b}\)). La détermination de la DL 50 est requise pour les nouveaux produits chimiques de synthèse afin de donner une mesure de leur toxicité. Étant donné qu'un seul test LD 50 conventionnel peut tuer jusqu'à 100 animaux, les États-Unis et d'autres membres de l'Organisation de coopération et de développement économiques ont convenu en décembre 2000 d'éliminer progressivement le test LD 50 au profit d'alternatives qui réduisent considérablement (ou (voire éliminer) la mort des animaux d'essai.
(mg/kg)
Une dose qui provoque une réponse significative de 50 % de la population, qu'elle soit thérapeutique ou nocive (perte de cheveux, retard de développement, etc.), est appelée dose efficace -50 %, ou ED 50 (figure\(\PageIndex{h}\)). Certaines toxines ont une dose seuil en dessous de laquelle il n'y a aucun effet apparent sur la population exposée, appelée dose sans effet nocif observé (NOAEL ; figure\(\PageIndex{i}\)). La dose la plus faible à laquelle un effet négatif est apparent est appelée dose minimale avec effet nocif observé (LOAEL). Entre la NOAEL et la LOAEL, il peut y avoir un effet perceptible mais inoffensif.
Effets sur la santé humaine, l'environnement et l'économie de l'utilisation de pesticides dans la production de pommes de terre en Équateur
Le Centre international de la pomme de terre (CIP) a mené un projet d'intervention de recherche interdisciplinaire et interinstitutionnel portant sur les impacts des pesticides sur la production agricole, la santé humaine et l'environnement à Carchi, en Équateur. Carchi est la zone de culture de pommes de terre la plus importante de l'Équateur, où les petits agriculteurs dominent la production. Ils utilisent d'énormes quantités de pesticides pour lutter contre le charançon andin de la pomme de terre et le mildiou. Pratiquement tous les agriculteurs appliquent des pesticides très dangereux (classés par l'Organisation mondiale de la santé dans la classe Ib) à l'aide de pulvérisateurs à dos à pompe manuelle (figure\(\PageIndex{g}\)). La DL 50 pour les pesticides de classe Ib est de 5 à 50 ou de 20 à 200 mg/kg pour l'ingestion orale sous forme solide ou liquide, respectivement. Pour l'exposition cutanée (peau), la DL 50 est de 10 à 100 ou 40 à 400 mg/kg pour les solides et les liquides, respectivement. La LD 50 pesticides de classe III, qui ne sont considérés que légèrement dangereux, est au moins 10 fois supérieure à celle des pesticides de classe Ib.
L'étude a révélé que les problèmes de santé causés par les pesticides sont graves et touchent un pourcentage élevé de la population rurale. Malgré l'existence de solutions technologiques et politiques, les politiques gouvernementales continuent de promouvoir l'utilisation des pesticides. Les conclusions de l'étude concordaient avec celles de l'industrie des pesticides, selon lesquelles « toute entreprise qui n'est pas en mesure de garantir l'utilisation sûre de pesticides hautement toxiques devrait les retirer du marché et qu'il est presque impossible de parvenir à une utilisation sûre de pesticides hautement toxiques par les petits agriculteurs des pays en développement ».
Source : Yanggen et coll. 2003.
Principe de précaution
La détermination d'une dose sûre à partir d'une courbe dose-réponse fait appel au principe de précaution, qui, en termes simples, incarne la phrase « Mieux vaut prévenir que guérir ». Les mesures qui suivent le principe de précaution laissent une marge de manœuvre pour garantir la sécurité au cas où l'on constaterait ultérieurement qu'une toxine ou un médicament a un effet négatif à une dose plus faible que celle initialement détectée. La posologie sûre est souvent fixée à 1 % voire à 0,1 % de la NOAEL.
Le principe de précaution est parfois appliqué à d'autres composantes de la toxicologie environnementale. Par exemple, dans l'Union européenne (UE), les fabricants doivent démontrer la sécurité de leur produit avant qu'il ne soit vendu. Bien que cela soit également exigé aux États-Unis pour les produits chimiques qui n'ont jamais été utilisés auparavant, il n'existe aucune règle de ce type pour les produits existants. Il incombe plutôt à l'Agence de protection de l'environnement de démontrer que les produits déjà sur le marché ne sont pas sûrs avant de les interdire. En résumé, le principe de précaution est appliqué à la réglementation des toxines potentielles présentes dans les produits en UE et aux États-Unis ; toutefois, l'UE applique le principe de précaution de manière plus générale. L'UE fait preuve de prudence, en interdisant potentiellement des produits chimiques inoffensifs jusqu'à ce que leur innocuité soit prouvée, mais les États-Unis risquent d'être exposés à des toxines potentielles avant que leur innocuité ne soit déterminée.
Attribution
Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :
- Polluants organiques persistants : du jardin aux frontières. 2004. Banque mondiale. (sous licence CC-BY)
- Biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)
- Bioamplification, insecticides et test DL50 de Biology par John W. Kimball (sous licence CC-BY)