# Risques et impacts écotoxicologiques des substances pharmaceutiques dans les milieux aquatiques

Chloé Bonnineau, Joan Artigas, Benoît J.D. Ferrari

► To cite this version:

Chloé Bonnineau, Joan Artigas, Benoît J.D. Ferrari. Risques et impacts écotoxicologiques des substances pharmaceutiques dans les milieux aquatiques. Journée Science et Société "PharmaAQUA" – Contamination des milieux aquatiques par les substances pharmaceutiques: Impacts sur l'environnement et risques sur la santé, Mar 2022, Sevrier, France. hal-03793190

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Submitted on 30 Sep 2022

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# Risques et impacts écotoxicologiques des substances pharmaceutiques dans les milieux aquatiques

Résultats clés de projets de recherche récents et perspectives
en écotoxicologie microbienne

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INRAE
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Projet ANTIBIOTOX
ANR-17-CE34-0003

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RÉPUBLIQUE
FRANÇAISE

Libertés
Égalités
Fronteraces

agence
du Jeau
RHÔNE MÉDITERRANÉE
CÔRSE
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# Les communautés microbiennes aquatiques

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© J. Ylia 2010

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© G. Maisonneuve

Champignons

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Cyanobactéries

© Irstea - M. Coste

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© Irstea - M. Coste

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© Irstea - A. Dutarre

Algues vertes

Bactéries

Diatomées

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# Les communautés microbiennes aquatiques

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Dégradation de la matière organique

Dégradation des contaminants

Production primaire

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# Utilisation des communautés microbiennes aquatiques en écotoxicologie

**Outils de diagnostic**
Les capacités d'adaptation microbienne reflètent leurs conditions d'exposition

Contaminants

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**Indicateurs d'effets à différentes échelles biologiques :**
molécule, individu, population, communauté, écosystème

**Rôle dans le devenir des contaminants**
* Biodégradation
* Bioaccumulation
* Sequestration

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition
## Approche PICT – tolérance fonctionnelle

* PICT : Pollution Induced Community Tolerance

* Principe : utiliser les **capacités d'adaptation des communautés microbiennes in situ** pour **identifier les contaminants présents** en quantité/durée suffisante pour modifier spécifiquement la structure et la fonction des communautés microbiennes

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition
## Approche PICT – tolérance fonctionnelle

* PICT : Pollution Induced Community Tolerance

* Principe : utiliser les **capacités d'adaptation des communautés microbiennes in situ** pour **identifier les contaminants présents** en quantité/durée suffisante pour modifier spécifiquement la structure et la fonction des communautés microbiennes

Communauté microbienne

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition
## Approche PICT – tolérance fonctionnelle

* PICT : Pollution Induced Community Tolerance

* Principe : utiliser les **capacités d'adaptation des communautés microbiennes in situ** pour **identifier les contaminants présents** en quantité/durée suffisante pour modifier spécifiquement la structure et la fonction des communautés microbiennes

Communauté microbienne

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Communauté microbienne

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**Disparition** des espèces sensibles
**Prolifération** des espèces tolérantes
=> communauté plus tolérante au contaminant auquel elle a été exposée

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition
## Approche PICT – tolérance fonctionnelle

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition
## Approche PICT – tolérance fonctionnelle

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### Prélèvement

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### LABO
Tests de toxicité aigue à un pharmaceutique

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### Analyses des données et interprétation

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EC50 : concentration à partir de laquelle la réponse biologique est inhibée à 50%

Une EC50 plus élevée indique une plus grande tolérance au contaminant testé suggérant une adaptation de la communauté microbienne à ce contaminant suite à une exposition chronique

PICT : Pollution Induced Community Tolerance, Blanck et al. 1988.
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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

* Quelle relation peut-on établir entre **exposition in situ** aux pharmaceutiques et développement de la **tolérance microbienne** ?

Antibiotools, PNREST Anses, 2017/3 ABR/22

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* 4 **sites** avec des niveaux d'exposition contrastés aux produits pharmaceutiques

* 8 **campagnes** sur 2 ans

* Quantification de produits pharmaceutiques dans l'eau (POCIS), les biofilms, les sédiments

* Mesure de **tolérance** à différents antibiotiques

PharmaTOX, Agence de l'eau RM&C

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Zone viticole du Beaujolais

Ardières

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Zone urbaine Affluent du lac du Bourget

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Tillet

* 6 **sites** avec des niveaux d'exposition contrastés aux produits pharmaceutiques

* 2 **campagnes** sur 1 ans

* Quantification de produits pharmaceutiques dans l'eau (POCIS) & les sédiments

* Mesure de **tolérance** à différents résidus pharmaceutiques

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## Antibiotools

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Lac Léman

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Rovorée

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STEP

Rivière Arve

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Amont

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Aval

CE50 (mg/L ou mg/kg sediment sec)

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## Antibiotools

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Lac Léman

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Rovorée

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STEP

Rivière Arve

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Amont

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Aval

CE50 (mg/L ou mg/kg sediment sec)

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## Antibiotools

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Lac Léman

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Rovorée

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STEP

Rivière Arve

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Amont

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Aval

CE50 (mg/L ou mg/kg sediment sec)

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## Antibiotools

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Lac Léman

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Rovorée

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STEP

Rivière Arve

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Amont

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Aval

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* Pas de corrélations significatives entre [antibiotiques] & tolérance fonctionnelle
<figure><img src="image_81.png" /></figure>

# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## PharmaTOX

### Ardières

● Chatillon

● Montmay

● Pizay

### Zone viticole du Beaujolais

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### Zone urbaine Affluent du lac du Bourget

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### Tillet

● Amont

● Buse

● Port

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

## PharmaTOX

### Ardières

● Chatillon

● Montmay

● Pizay

### Zone viticole du Beaujolais

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### Zone urbaine
Affluent du lac
du Bourget

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### Tillet

● Amont

● Buse

● Port

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# Les communautés microbiennes aquatiques comme outil de diagnostic de l'exposition

* Pas de **corrélations** significatives entre **CE50** à une molécule pharmaceutique et **concentration de cette molécule** dans l'environnement

* Nécessité d'**expérimentations** en milieu contrôlé pour mieux **comprendre** les spécificités des **mécanismes d'acquisition de tolérance** microbienne : concentrations et durée d'exposition, facteurs confondants...

* Phénomène de **co-tolérance** avec d'autres produits pharmaceutiques ayant le même mode d'action => explorer les corrélations entre seuils de tolérance à un pharmaceutique et somme des pharmaceutiques ayant le même mode d'action

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

<figure><img src="image_100.png" /></figure>
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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques
## Antibotox, ANR

* Déterminer si la présence de sulfonamides : sulfamethoxazole (SMX) et sulfamethazine (SMZ) dans les cours d'eau est susceptible d'affecter la structure et la fonction des communautés microbiennes aquatiques

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<figure><img src="image_103.png" /></figure>
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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

## FEUILLES

Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

## DIATOMEES

### PERIPHYTON

Diversité

Mortalité

Formes tératogènes

### SMX

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### SMZ

## SEDIMENTS

Beta-glucosidase

Phosphatase

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

## FEUILLES

Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

## DIATOMEES

### PERIPHYTON

Diversité

Mortalité

Formes tératogènes

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## SEDIMENTS

Beta-glucosidase

Phosphatase

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

## FEUILLES

Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

FEUILLES

Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

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Les sulfonamides testés (5 µg/L) n'ont pas eu d'effet sur les taux de décomposition des feuilles d'aulne, même en présence du périphyton (source de C labile)

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

FEUILLES

Bacterial biomass (mg C g DM⁻¹)

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Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

SMX

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SMZ

<figure><img src="image_121.png" /></figure>
<figure><img src="image_122.png" /></figure>

# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

DIATOMEES

PERIPHYTON

Diversité

Mortalité

Formes tératogènes

FEUILLES

Biomasse bactérienne

Beta-glucosidase

Décomposition MO

<figure><img src="image_123.png" /></figure>

SEDIMENTS

►Beta-glucosidase

►Phosphatase

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# Les effet des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

<figure><img src="image_126.png" /><figcaption>## Dissipation du SMZ et SMX par les communautés microbiennes des feuilles</figcaption></figure>

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Le SMZ est dissipé à hauteur de **30-50% après 14 jours d'exposition** aux feuilles et feuilles+periphyton. **Biotransformation** potentiellement confirmée par la détection du métabolite 2-amino-4,6-dimethylpyrimidine (ADMP).

Faible dissipation du SMX, pas de détection de métabolites.

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<figure><img src="image_129.png" /></figure>

# Les effets des pharmaceutiques sur la structure et les fonctions des communautés microbiennes aquatiques

Les études d'impact des sulfonamides sur les différentes communautés microbiennes benthiques montrent:

* Un **impact avéré** du **sulfamethoxazole** et de la **sulfamethazine** sur la structure des communautés phototrophes du ** périphyton** et sur les activités enzymatiques des communautés hétérotrophes du **sédiment** et des **feuilles**;

* L'**absence d'effet** des sulfonamides sur la fonction écologique de **décomposition** des litières de feuilles;

* La capacité de **transformation**, voire dégradation, de la sulfaméthazine par les communautés microbiennes des feuilles.

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# Conclusions & perspectives

<figure><img src="image_132.png" /></figure>

<figure><img src="image_133.png" /></figure>
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# Conclusions & perspectives

## Contaminants

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### Outils de diagnostic

* Approche PICT

* Validation expérimentale nécessaire pour mieux faire le lien avec l'exposition

<figure><img src="image_136.png" /></figure>
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# Conclusions & perspectives

## Contaminants

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### Outils de diagnostic

#### Approche PICT

* Validation expérimentale nécessaire pour mieux faire le lien avec l'exposition

### Indicateurs d'effets à différentes échelles biologiques

* Les approches expérimentales montrent que même à faibles concentrations les produits pharmaceutiques affectent la structure et les fonctions des communautés microbiennes

* A une plus grande échelle spatiale : quel impact sur les processus écosystémiques (production primaire, décomposition de la matière organique...) auxquels contribuent ces communautés ?

<figure><img src="image_139.png" /></figure>
<figure><img src="image_140.png" /></figure>

# Conclusions & perspectives

## Contaminants

<figure><img src="image_141.png" /></figure>

### Outils de diagnostic

#### Approche PICT

* Validation expérimentale nécessaire pour mieux faire le lien avec l'exposition

### Indicateurs d'effets à différentes échelles biologiques

* Les approches expérimentales montrent que même à faibles concentrations les produits pharmaceutiques affectent la structure et les fonctions des communautés microbiennes

* A une plus grande échelle spatiale : quel impact sur les processus écosystémiques (production primaire, décomposition de la matière organique...) auxquels contribuent ces communautés ?

### Rôle dans le devenir des contaminants

#### Étude des mécanismes de bioaccumulation et de biodégradation par les microorganismes aquatiques:

* Approche communautaire

* Implications sur les cycles biogéochimiques

* Candidats pour la bioremédiation

<figure><img src="image_142.png" /></figure>
# Conclusions & perspectives

<figure><img src="image_143.png" /></figure>

## Contaminants

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

### Outils de diagnostic

Approche PICT

* Validation expérimentale nécessaire pour mieux faire le lien avec l'exposition

### Indicateurs d'effets à différentes échelles biologiques

* Les approches expérimentales montrent que même à faibles concentrations les produits pharmaceutiques affectent la structure et les fonctions des communautés microbiennes

* A une plus grande échelle spatiale : quel impact sur les processus écosystémiques (production primaire, décomposition de la matière organique...) auxquels contribuent ces communautés ?

### Rôle dans le devenir des contaminants

Étude des mécanismes de bioaccumulation et de biodégradation par les microorganismes aquatiques:

* Approche communautaire

* Implications sur les cycles biogéochimiques

* Candidats pour la bioremédiation

### Quels impacts sur la chaîne trophique ?

* Qualité nutritionnelle de la ressource microbienne ?

* Bioaccumulation et biomagnification des pharmaceutiques

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<figure><img src="image_147.png" /></figure>
<figure><img src="image_148.png" /></figure>

# Conclusions & perspectives

<figure><img src="image_149.png" /></figure>

Contaminants

## Outils de diagnostic

Approche PICT

* Validation expérimentale nécessaire pour mieux faire le lien avec l'exposition

## Indicateurs d'effets à différentes échelles biologiques

* Les approches expérimentales montrent que même à faibles concentrations les produits pharmaceutiques affectent la structure et les fonctions des communautés microbiennes

* A une plus grande échelle spatiale : quel impact sur les processus écosystémiques (production primaire, décomposition de la matière organique...) auxquels contribuent ces communautés ?

<figure><img src="image_150.png" /></figure>

## Rôle dans le devenir des contaminants

Étude des mécanismes de bioaccumulation et de biodégradation par les microorganismes aquatiques:

* Approche communautaire

* Implications sur les cycles biogéochimiques

* Candidats pour la bioremédiation

## Quels impacts sur la chaîne trophique ?

* Qualité nutritionnelle de la ressource microbienne ?

* Bioaccumulation et biomagnification des pharmaceutiques

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Projet ANTIBIOTOX

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