[R] Les animaux sentinelles
Le coup de grisou était autrefois la hantise des mineurs de charbon
: en effet, au-delà des effets destructeurs immédiats, l'explosion
de ce gaz riche en méthane générait d'importantes
quantités d'un gaz très toxique, le monoxyde de carbone, qui
s'infiltrait dans les galeries. Au siècle dernier, quand ils
redescendaient dans la mine, les mineurs emportaient avec eux un canari.
L'apparition de symptômes d'asphyxie chez cet oiseau, vingt fois plus
sensible que l'homme au monoxyde de carbone, les avertissait de la présence
dans les galeries de concentrations dangereuses du gaz. Cet exemple est
intéressant, car au-delà de la simple observation, il correspond
à une prévision du risque grâce à la mise en place
d'un système organisé. Le canari n'est plus beaucoup utilisé
de nos jours, mais d'autres systèmes d'animaux sentinelles ont
été mis en place et fonctionnent.
Historiquement, un des premiers dispositifs a été le Mussel Watch destiné à évaluer la qualité de l'eau de mer. Les concentrations de polluants sont très faibles dans ce milieu, donc difficiles à mesurer avec précision ; par contre, il est possible d'analyser les polluants dans les organismes aquatiques, où ils se bio-accumulent à des concentrations quelquefois très élevées. Autre avantage par rapport à l'eau, les processus de bio-accumulation et de dépuration de l'organisme prennent un certain temps, ce qui élimine l'influence des variations instantanées et permet un suivi sur de longues périodes. Le Mussel Watch a débuté aux Etats-Unis vers 1965 sous le contrôle de l'Environmental Protection Agency (EPA) ; ce programme est actuellement pris en charge par la National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA). Les mollusques sont collectés systématiquement pendant l'hiver sur environ 200 sites, puis stockés en dessous de 110°C ; la taille et le poids des animaux sont mesurés, ainsi que les concentrations en plusieurs polluants rémanents (métaux lourds, molécules organochlorées), et plus récemment divers paramètres biochimiques. L'espèce utilisée varie selon la localisation géographique ; la Moule bleue commune et la moule de Californie sur l'Atlantique nord et la côte du Pacifique jusqu'à l'Alaska, l'Huître américaine dans le Golfe du Mexique et l'Atlantique sud et la Moule commune sur l'Atlantique nord. Le Mussel Watch est maintenant utilisé à grande échelle par de nombreux pays pour dresser une cartographie de la pollution marine et suivre son évolution. Aux Pays-Bas, le Mussel Watch est basé sur une quinzaine de sites ; dans chacun, une centaine de moules sont immergées pendant 6 semaines, puis récoltées, congelées et transportées au laboratoire pour des mesures chimiques et biologiques. En France, le Réseau national d'observation (RNO) de l'IFREMER est basé sur 110 stations, dans lesquelles des moules sont récoltées en février, mai, août et septembre.
Deux types d'informations sont recherchés à partir des dispositifs
d'animaux sentinelles : la présence de polluants dans les tissus,
qui renseigne sur la qualité du milieu et la biodisponibilité
des molécules pour les animaux, et la présence de signes de
toxicité (maladies ou dysfonctionnements organiques) qui renseigne
sur le danger d'être exposé à ce milieu.
La dose interne (concentration du polluant dans les tissus de l'animal)
a été le premier paramètre recherché et souvent
le seul - ; par comparaison avec les concentrations environnementales, elle
permet d'estimer la biodisponibilité et les capacités de
bioconcentration des polluants. Dans le programme de Mussel Watch hollandais,
les analyses portent sur les principaux métaux (Zn, Hg, Cd, Cu, Pb,
Cr et Ni), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (15 composés
différents) les polychorobiphényles (14 congénères
différents) et l'hexachlorobenzène. Dans le RNO français,
on mesure également des métaux lourds, des hydrocarbures
aromatiques polycycliques et des composés organochlorés. Chez
les vertébrés, de nombreux travaux ont montré la
contamination de la faune terrestre par des produits rémanents comme
les métaux lourds et les molécules organochlorées. A
titre d'exemple, on a établi les relations qui existaient entre les
teneurs en plomb dans le sol et dans les tissus du Mulot (Apodemus sylvaticus)
; dans un autre travail, les capacités de bioconcentration du zinc
ont été mesurées chez différentes espèces
de petits mammifères (Musaraigne, Campagnol, Mulot) qui ont
été ensuite classées selon leur capacité à
détecter la contamination métallique du sol. Un suivi
systématique, analogue au Mussel Watch, a été beaucoup
plus rarement entrepris avec les espèces terrestres.
Un programme d'animaux sentinelles incorpore aussi le suivi de
paramètres physiologiques. Par exemple, le Mussel Watch
hollandais, basé sur des mollusques encagés, mesure le nombre
d'individus morts, la taille des individus, le poids, le pourcentage de
matière sèche et de graisses et la teneur globale en matière
organique.
L'autopsie des animaux peut révéler des lésions organiques
comme des nécroses ou des tumeurs ; d'autres lésions organiques
plus discrètes seront mises en évidence par des examens
histologiques (microscopie optique ou électronique) des différents
organes. Par exemple, la présence d'aberrations chromosomiques ou
la formation de micronoyaux sera l'indice d'une toxicité
génétique. En 1983, une équipe américaine a
montré que des effets sur la reproduction peuvent être
détectés chez les animaux sentinelles ; des Campagnols
(Microtus pennsylvanicus) collectés sur le site de Love Canal
l'un des plus pollués des Etats-Unis - présentaient une
différence significative du nombre d'embryons résorbés
par rapport aux individus collectés dans des zones témoins
; le poids des testicules et la taille des vésicules séminales
étaient également plus faibles chez les mâles provenant
de la zone contaminée.
Des études de séquences comportementales sont envisageables,
par exemple des enregistrements de l'activité locomotrice ou le
relevé de la période d'activité des animaux peuvent
servir à révéler des pathologies latentes.
Des critères écologiques, comme les fluctuations
démographiques, peuvent aussi faire partie intégrante d'un
système d'animaux sentinelles ; on rejoint ici la notion d'espèce
bio-indicatrice évoquée au début de cet article.
La dernière catégorie d'indicateurs est constituée par
les diverses altérations moléculaires et cellulaires,
générées par le polluant et qui sont à l'origine
des effets toxiques ultimes. Elles constituent un élément central
dans l'évolution de la toxicité et on y trouvera des indicateurs
(biomarqueurs) présentant un intérêt tout particulier
comme indicateurs de risque.
Un biomarqueur est (1) "an xenobiotically
induced variation in cellular or biochemical components or processes, structure
or functions that is mesurable in a biological system or sample" (National
Academy of Sciences, National Research Council, USA, 1989).
En fonction de ce qu'ils indiquent, les biomarqueurs sont classés
en trois catégories principales, les biomarqueurs d'exposition qui
indiquent la présence dans l'organisme d'un ou plusieurs polluants,
les biomarqueurs d'effet qui renseignent sur les risques d'effets toxiques
à long terme (par exemple le développement de cancers) et les
biomarqueurs de sensibilité individuelle qui indiquent l'existence
d'une sensibilité différente à certains toxiques dans
une partie de la population.
De très nombreux paramètres biologiques, biochimiques et
immunologiques, liés plus ou moins directement au mode d'action des
polluants ou à la genèse des maladies, peuvent servir de base
pour développer et valider des biomarqueurs. Les tests usuels de biochimie
clinique (formule sanguine, hématocrite, teneurs plasmatiques en divers
constituants, activités enzymatiques, etc.) peuvent donner des
informations utiles sur l'état de santé de l'organisme. L'exemple
classique est le taux de cholestérol sanguin : un taux élevé
révèle un dysfonctionnement de l'organisme, indicateur d'un
risque plus élevé de maladies cardio-vasculaires dans
l'avenir.
La recherche de biomarqueurs chez l'homme impose des examens non invasifs,
c'est-à-dire ne causant pas de dommage ou de gêne à
l'individu. Cette limitation est moins absolue chez les animaux
sentinelles.
L'inhibition ou l'induction de systèmes enzymatiques sont
fréquemment utilisées. Les cholinestérases sanguines
en sont un bon exemple ; ces enzymes sont très fortement inhibées
par les insecticides organophosphorés ou carbamates, avant même
l'apparition de symptômes visibles de neurotoxicité ; cette
inhibition peut être mesurée par une méthode
colorimétrique facile et rapide, à partir d'une simple prise
de sang. Cette méthode est très largement employée pour
surveiller les travailleurs de l'industrie phytosanitaire et les applicateurs
de pesticides. On l'a beaucoup utilisée aussi pour évaluer
l'exposition des poissons et des oiseaux aux traitements insecticides.
On connaît d'autres marqueurs enzymatiques spécifiques de
l'exposition à des métaux, par exemple l'activité
aminolévulinate déshydratase (ALAD) qui est fortement inhibée
par le plomb ou l'induction de la métallothionéine.
D'autres systèmes enzymatiques, comme les cytochromes P-450 du foie,
sont utilisés à la fois comme biomarqueurs d'exposition et
biomarqueurs d'effet. Les cytochromes P-450 sont une famille d'isozymes qui
métabolisent par oxydation la plupart des molécules organiques
et jouent ainsi un rôle fondamental dans leur élimination. Certains
isozymes sont induits par une grande variété de polluants
industriels (hydrocarbures aromatiques polycycliques et molécules
organochlorées telles que les polychlorobiphényles et les dioxines)
; cette induction est facilement mise en évidence par un accroissement
d'activités enzymatiques comme l'activité EROD
(éthoxyrésorufine O-déséthylase). L'activité
EROD des poissons est maintenant systématiquement utilisée
dans la surveillance du milieu aquatique comme un indicateur de la qualité
de l'eau ; on l'a étudiée chez d'autres espèces comme
la moule pour les mêmes fins. Les variations d'activité EROD
sont aussi des indicateurs de risques toxicologiques pour l'animal, mais
la discussion sur ce point dépasserait le cadre de cet article.
Malgré leur intérêt, les cytochromes P-450 sont peu
utilisés comme biomarqueurs chez l'homme, car les techniques de mesure
de l'activité enzymatique suppposent la préparation
d'homogénats de foie à partir de biopsies hépatiques,
pratique beaucoup trop invasive pour être d'usage courant.
La molécule de xénobiotique - ou un de ses métabolites
- peut se fixer très solidement, par une liaison covalente, à
des macromolécules cellulaires comme l'ADN ou l'hémoglobine
; ces adduits peuvent servir de biomarqueurs. Les adduits à
l'ADN ont particulièrement retenu l'attention, car à moins
d'être réparés par l'organisme, ces lésions de
l'ADN sont des événements précurseurs de cancers.
La pollution environnementale est considérée par l'opinion
publique comme responsable d'une dégradation insidieuse de la santé.
Des processus pathogènes à long terme comme le vieillissement
cellulaire, le développement de cancers, l'abaissement des défenses
immunitaires, des troubles de la reproduction ou du développement
réduiraient l'espérance de vie d'une génération
ou compromettraient les chances de la génération suivante.
Le rôle de l'écotoxicologie est de mettre en lumière
l'incidence de la contamination prolongée par des doses faibles de
polluants dans la genèse de ces effets. Dans ce contexte, le biomarqueur
est destiné à être un signal d'alerte ("early warning
system".), précoce et sensible, du risque de développement
d'effets à long terme ; on comprend tout l'intérêt de
tels indicateurs pour déceler des maladies chez l'homme ou des signes
d'altérations organiques ou fonctionnelles dans des animaux sentinelles
avant que des dommages irréversibles soient arrivés à
l'individu ou à l'écosystème.
La recherche de biomarqueurs est un secteur en plein développement
de l'épidémiologie humaine : l'EPA a fixé comme
priorité la recherche de biomarqueurs d'exposition à des produits
chimiques considérés comme présentant un risque
élevé (benzène, trichloréthylène, acrylamide,
styrène, nicotine, plomb) ou à des classes de produits tels
que les polychlorobiphényles et les dioxines ; en terme d'effets,
ce sont des biomarqueurs de cancer, de neurotoxicité,
d'immunotoxicité, de toxicité pulmonaire et des biomarqueurs
des troubles de la reproduction et du développement qui seront les
objectifs prioritaires de la recherche.
Les biomarqueurs ont donc un intérêt potentiel considérable
pour prédire les effets de la pollution environnementale chez l'homme,
espèce à très haut risque. D'autres espèces animales
à risque, les poissons ou les espèces placées au sommet
des chaînes alimentaires, comme les rapaces, les oiseaux piscivores,
les petits mammifères carnassiers, devraient bénéficier
aussi des avancées dans le domaine humain. Parallèlement, les
biomarqueurs seront recherchés aussi dans les populations d'animaux
sentinelles, avec l'avantage, déjà mentionné, que les
examens biochimiques et les explorations fonctionelles peuvent être
beaucoup plus poussés que chez l'homme.
Tous les éléments de la démarche opérationnelle à suivre se trouvent en germe dans la définition initiale ; choix d'un dispositif expérimental d'exposition aux polluants environnementaux, sélection d'espèces animales sentinelles, sélection de paramètres biologiques pertinents (biomarqueurs), analyse des données, évaluation du risque pour les espèces sentinelles et enfin évaluation du risque pour les autres espèces, notamment l'homme.
Dans un système d'animal sentinelle au sens strict, les données
sont obtenues sur une population animale qui vit, dans des conditions naturelles,
sur le site pollué ou à son voisinage immédiat. Les
variantes expérimentales portent sur le traitement des animaux, qui
peuvent être sacrifiés immédiatement, ramenés
au laboratoire pour une courte période ou encore relâchés
immédiatement après des prélèvements de tissus
ou la mesure de paramètres morphologiques, biochimiques ou autres.
Ce sont par nature des études épidémiologiques, a
priori très différentes des études expérimentales
classiques dans lesquelles l'animal de laboratoire est exposé à
un seul produit pur dans des conditions très contrôlées,
mais entre ces deux extrêmes, en jouant sur le caractère plus
ou moins "sauvage". de l'espèce animale et le caractère plus
ou moins "purs" du produit, on peut mettre en place d'autres schémas
expérimentaux permettant d'exposer un animal aux polluants :- les
animaux sont exposés in situ ; les animaux, espèces
sauvages ou souches de laboratoire, sont transportés sur le site pour
une durée plus ou moins longue. Cette approche est intéressante
pour des espèces aquatiques (mollusques ou poissons encagés
et immergés dans des zones polluées), mais a été
peu utilisée pour des espèces terrestres ; on peut l'envisager
pour des rongeurs, pendant de courtes durées, ou pour des animaux
d'élevage ;
- les animaux sont exposés en laboratoire aux produits présents
sur le site, par exemple, on rajoute à l'eau d'un aquarium de l'eau
provenant d'effluents d'usines ; les effets toxiques seront observés
sur des poissons ou des daphnies ; on fait ingérer à des rats
de laboratoire des petites quantités de matériaux bruts, comme
de la terre provenant d'un sol pollué, des cendres d'incinérateurs,
des lixiviats de décharges ou encore des extraits organiques de ces
matériaux. L'intérêt est d'obtenir une évaluation
globale de la biodisponibilité et de la toxicité des
matériaux, c'est-à-dire qui tienne compte de tous les produits
toxiques présents et de leurs multiples interactions.
On peut trouver des animaux sentinelles dans plusieurs groupes zoologiques. Les invertébrés terrestres (vers de terre, insectes, etc.) et aquatiques (coquillages, crustacés, insectes) sont en général abondants et faciles à récolter. La mesure des concentrations de polluants présentes dans leurs tissus peut apporter des informations intéressantes sur le degré de contamination du milieu et les possibilités de bioconcentration et de bioaccumulation ultérieures. Les reptiles et les amphibiens, moins fréquents, plus difficiles à collecter, ont été peu utilisés. Les oiseaux, comme les poissons, sont considérés comme des espèces à risque, victimes des effets nocifs de la pollution environnementale, mais certaines espèces d'oiseaux pourraient servir d'animaux sentinelles, comme les Goélands, très nombreux autour des sites de décharge. Les Pigeons sont présents en abondance dans les grandes villes ; ils ont été utilisés au Japon pour surveiller la pollution par le plomb. Les animaux domestiques (Chien, Chat, animaux d'élevage) sont de bonnes sources de renseignements sur le degré de pollution des milieux qu'ils fréquentent. Les petits mammifères sont en général abondants, avec des déplacements limités. Ils sont plus proches de l'homme sur le plan évolutif que les invertébrés ou les oiseaux et sont de bons candidats pour la surveillance des écosystèmes terrestres.
Une "bonne". espèce d'animal sentinelle doit remplir plusieurs conditions
:
- possibilité de capture relativement facile : des
échantillons des populations locales doivent pouvoir être
capturés assez rapidement et en quantité suffisante. Un facteur
particulièrement difficile à apprécier est la
représentativité de l'échantillon par rapport à
la population concernée ;
- densité de population suffisante, permettant des
prélèvements qui ne modifient pas la structure ou l'importance
numérique des populations ;
- aire de dispersion connue : le degré de résolution
géographique demandé peut justifier le choix d'une espèce
ou d'une autre. Les bivalves ont l'avantage d'être des espèces
résidentes ; des campagnols avec une aire de dispersion de quelques
dizaines de mètres sont utilisables pour des zones polluées
de faible importance, tandis que des espèces comme des lapins ou des
lièvres peuvent se justifier pour des aires beaucoup plus étendues
;
- animaux de taille suffisante, permettant de pratiquer facilement
des mesures de concentrations de polluants ou des examens biologiques ou
biochimiques ;
- voies d'exposition connues : elles sont déterminées
par l'habitat et les préférences nutritionnelles de l'espèce.
Dans les milieux terrestres, les rongeurs herbivores sont exposés
autrement que les espèces omnivores, ainsi le Campagnol terrestre
consomme les racines et les parties vertes des végétaux, alors
que d'autres espèces consomment des graines ; les musaraignes se
nourrissent d'invertébrés.
- possibilité de disposer d'animaux témoins : c'est
un élément fondamental du dispositif, mais c'est aussi le plus
difficile à définir, car les animaux témoins doivent
être non pollués, ou du moins présenter un niveau de
pollution suffisamment bas pour être considéré comme
acceptable. Les espèces communes, répandues sur tout le territoire
et pouvant être collectées dans beaucoup d'endroits, sont les
plus intéressantes de ce point de vue ; elles facilitent aussi le
suivi à long terme et la confrontation de données provenant
de différentes zones géographiques. Pour échapper à
l'obligation de délimiter des zones témoins, on peut disposer
d'animaux témoins de la même espèce, maintenus au laboratoire
dans des conditions semi-naturelles ;.
- existence d'autres études sur la même espèce :
à l'exception du Mussel Watch, les données bibliographiques
dans ce domaine ne sont pas encore très abondantes ; la majorité
provient de travaux réalisés en Amérique du Nord sur
des espèces qui n'existent pas toujours en Europe.
L'opinion publique a pris récemment conscience de la quantité incroyable de déchets rejetés chaque jour dans la nature. Le cas des décharges est exemplaire à cet égard : établies depuis des dizaines d'années dans l'anarchie la plus complète, sources de gaz nauséabonds, elles sont la face visible et de plus en plus insupportable de la pollution des sols. Les usines en fonctionnement, les lieux de stockage et de manipulations de produits chimiques sont une source importante de pollution. Il faut y ajouter beaucoup de sites industriels maintenant à l'abandon après avoir été le siège d'activités fortement polluantes telles que des mines ou des entreprises sidérurgiques ou chimiques. Leur réhabilitation en terrain de construction ou en zones de loisirs est souvent souhaitée. La pression est particulièrement forte sur les terrains libérés par les usines en périphérie des grandes villes et qu'on ne devrait pas livrer à d'autres activités humaines sans avoir une idée précise de leur degré de pollution. Les terres agricoles elles-mêmes, en plus de la pollution par les pesticides et les engrais, n'échappent pas à la pollution par les déchets ; les boues de station d'épuration peuvent fertiliser les sols, mais ce n'est que récemment qu'on s'est préoccupé du devenir et du transfert dans les végétaux des polluants qu'elles contiennent et des risques pour le consommateur.
Des systèmes d'animaux sentinelles peuvent contribuer à
l'évaluation des risques, et parmi les espèces potentiellement
utilisables, le Surmulot (Rattus norvegicus) est une espèce de choix
pour évaluer le risque pour l'homme :
- il est présent en abondance sur tout le territoire et prolifère
sur les décharges, spécialement en zones suburbaines ;
- son régime alimentaire (omnivore) et son habitat (terriers) favorisent
une forte exposition aux polluants présents sur le site ;
- il existe des populations dans des conditions semi-naturelles, qui pourraient
faire office de populations témoins et pourraient même servir
de supports à des recherches expérimentales ;
- les différentes souches de rats de laboratoire se sont
développées à partir du surmulot : cette proximité
génétique permet d'utiliser l'énorme quantité
des méthodologies disponibles et des résultats acquis dans
le domaine de la toxicologie expérimentale.
Les animaux sentinelles ont de multiples applications dans l'évaluation toxicologique des milieux pollués. L'étude d'une ou de plusieurs populations d'animaux sentinelles vivant dans des zones polluées peut servir à l'évaluation ponctuelle de la pollution du site ; degré de contamination, biodisponibilité des polluants présents pour les animaux et effets toxiques qui peuvent en résulter. On peut envisager aussi un suivi à long terme pour établir des niveaux de référence pour des sites polluées et des sites témoins; c'est aussi la possibilité de fournir des systèmes d'alerte pour la détection des risques toxiques ; enfin, c'est un moyen d'évaluer l'efficacité de mesures de décontamination des sites.
Les animaux sentinelles ne se substituent pas aux tests toxicologiques
classiques, ni aux études épidémiologiques humaines,
ni aux études démographiques des populations animales, ils
sont un complément. Par rapport aux tests toxicologiques, l'avantage
évident est d'assurer une exposition des animaux aux polluants dans
des conditions naturelles, à des doses réalistes. Un deuxième
avantage, les animaux vivant moins longtemps que l'homme, on peut envisager
de considérer des effets toxiques sur tout le cycle de vie ou sur
plusieurs générations. En cas d'extrapolation à l'homme,
nous avons déjà souligné l'intérêt de ne
pas être astreint aux considérations éthiques qui limitent
les recherches en épidémiologie humaine : l'animal peut être
sacrifié pour des recherches approfondies. Un dernier avantage, dans
le cas d'animaux vivant sur le site, est d'assurer l'exposition d'une population,
composée d'individus d'âge et de sexe différents, et
pas seulement d'individus sélectionnés.
Les limitations sont de deux ordres. En premier lieu, il se pose pour les
animaux sentinelles le même inconvénient que pour tous les
modèles animaux, la difficulté d'extrapoler à l'homme.
Deuxième limitation, les animaux collectés dans la nature
présentent une variabilité beaucoup plus grande que les souches
sélectionnées d'animaux de laboratoire. Dans les études
de longue durée, comme le suivi d'un site sur une ou plusieurs
années, il est indispensable de contrôler les fluctuations
physiologiques dues à des variations saisonnières (par exemple,
les cycles annuels de reproduction et les variations de température
de l'eau pour les espèces aquatiques) ; dans les études
ponctuelles, on tente souvent de s'affranchir de cette variabilité
en choisissant une zone témoin avec le maximum de caractéristiques
communes avec la zone polluée.
Note
(1) une variante, dépendant
d'un facteur xénobiotique, de constituants, processus, structures
ou fonctions cellulaires ou biochimiques, que l'on peut mesurer sur un
système biologique ou sur un
échantillon.[VU]
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