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2012

Évaluation des risques écologiques : développements prioritaires et recherches concomitantes

Yves Perrodin

Résumés

Contrairement à l’évaluation des risques sanitaires, l’Évaluation des Risques Écologiques (ÉRÉ) en est encore à ses balbutiements sur le plan international. Le besoin de ce type d’outil d’aide à la décision est pourtant immense dans de nombreux domaines (étude d’impact des installations industrielles, gestion des sites pollués et des friches urbaines, conception des infrastructures de transports, gestion durable des aménagements urbains,...). Face à ces besoins, quelques pays ont travaillé au développement de premières approches. Dans ces pays, l’élaboration puis l’optimisation de ces dernières ont mobilisé de nombreux acteurs, agissant tant au sein des agences gouvernementales, qu’au sein du monde universitaire. Le présent article prospectif, après une synthèse des méthodologies d’ÉRÉ existantes sur le plan international, traite des travaux de recherche à lancer en priorité pour faire progresser chacune des étapes de l’ÉRÉ, à savoir « la formulation du problème », « l’évaluation des expositions des écosystèmes », « l’évaluation des effets sur les écosystèmes », ainsi que « l’évaluation des risques écologiques elle-même ».

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Notes de la rédaction

Pour réagir à ce texte, visitez le carnet de recherche de [VertigO] en cliquant ici : http://vertigo.hypotheses.org/1326

Texte intégral

Contexte et objectifs de l’ÉRÉ

1Contrairement à l’évaluation des risques sanitaires, désormais standardisée et pratiquée dans de nombreux pays (NRC, 1983 ; EC, 1995 ; MSSS, 2002 ; HSE, 2011 ; INVS, 2011), l’Évaluation des Risques Écologiques (ÉRÉ) en est encore à ses balbutiements sur le plan international. Le besoin de ce type d’outil d’aide à la décision est pourtant immense dans de nombreux domaines (étude d’impact des installations industrielles, gestion des sites pollués et des friches urbaines, construction et entretien des infrastructures de transports, gestion durable des aménagements urbains, etc.).

2Face à ces besoins, quelques pays ont travaillé au développement de méthodologies avant-gardistes. Dans ces pays, l’élaboration puis l’optimisation de ces dernières ont mobilisé de nombreux chercheurs agissant, tant au sein des agences gouvernementales, qu’au sein du monde universitaire. La plus connue et la plus ancienne de ces méthodologies est celle élaborée par l’US-EPA pour la gestion des sites industriels pollués (US EPA, 1998), ceci dans la foulée des travaux de Suter notamment (Suter, 1993). Cette méthodologie comprend 4 phases principales : (i) la formulation du problème (ii) la caractérisation de l’exposition (iii) la caractérisation des effets, et (iv) la caractérisation finale du risque.

  • 1  Rappel : le danger écotoxicologique est une propriété intrinsèque de la source de pollution alors (...)

3Depuis, celle-ci a été reprise et adaptée par de nombreux pays pour leurs sites pollués (NEPC, 1999 ; ME, 2003), mais aussi pour d’autres problématiques (CETMEF, 2001). Parallèlement, certains États ont développé leur propre approche de l’ÉRÉ pour une application aux sites contaminés (CEAEQ, 1998 ; Boekhold, 2008 ; EA, 2008) ou à d’autres domaines. Par ailleurs, on dispose à ce jour de procédures d’ÉRÉ pour un contexte bien particulier : la mise sur le marché des substances chimiques (ECB, 2003 ; Van Leeuwen and Vermeire, 2007). Très peu d’outils existent en revanche pour évaluer les risques écologiques présentés par des sources de polluants en mélanges (dépôts de déchets, sols pollués, effluents liquides urbains ou industriels, etc.). En effet, les procédures de caractérisation existantes portent essentiellement sur la caractérisation de l’écotoxicité intrinsèque des sources de pollution (effluents liquides ou gazeux, déchets, sédiments contaminés, etc.), et ne reflètent que très peu le risque qu’elles représentent dans un scénario spatio-temporel donné1. Il est donc nécessaire de développer des méthodologies permettant d’étudier a priori les risques écologiques présentés par ces sources de pollutions dans différents « scénarios d’intérêt ».

4Quelques méthodologies ont été élaborées, notamment en France, dans cet objectif au cours des dernières années. On peut citer ici la méthodologie de l’Ifremer pour « l’évaluation des risques liés aux sédiments marins » (IFREMER, 2001), celle du CETMEF pour « l’évaluation des risques liés à la mise en dépôt des sédiments de dragage » (Perrodin et al., 2006) et celle de l’Ademe pour « l’évaluation de l’écocompatibilité de scénarios de stockage ou de valorisation de déchets » (ADEME, 2002) qui peut être classée parmi les ÉRÉ. Les premières applications de ces méthodologies fournissent un premier retour d’expérience et mettent en évidence leurs atouts et leurs limites. Comme les autres, ces méthodologies devront maintenant être améliorées, en particulier grâce aux résultats des programmes de recherche récente ou en cours dans le domaine (Klaine et al., 1996 ; Solomon et al., 1996 ; Andersen et al., 1998 ; Babut et al., 2004 ; Han et al., 2006 ; Maltby, 2006 ; Boillot et al., 2007 ; Angerville, 2009 ; SEDIGEST, 2011).

Besoins de recherches dans le domaine des ÉRÉ

Besoins globaux

5Globalement, on peut classer les méthodologies d’ÉRÉ selon deux grands types : les études prospectives (études préalables à une nouvelle installation industrielle, un nouvel aménagement urbain, à un traitement d’une pollution existante pour en apprécier les bénéfices environnementaux, etc.), et les études rétrospectives (dans le but de comprendre les causes d’un effet constaté sur les écosystèmes d’un site, mais aussi de tirer profit des enseignements du passé pour mieux prévoir l’avenir). Les deux types d’approches sont complémentaires, chacune d’entre elles est adaptée à un contexte donné, et les besoins de recherches pour chacune ne se recoupent que partiellement. Dans la présente note, seule l’approche prospective est traitée.

6L’élaboration d’une méthodologie d’ÉRÉ prospective peut se faire selon deux approches :

  • l’approche dite « par substances », qui consiste à évaluer l’impact sur les écosystèmes de chacune des substances chimiques principales présentes dans la source de pollution du scénario étudié,

  • l’approche dite « par matrice », qui consiste à évaluer l’impact sur les écosystèmes de la « mixture globale » constituant la source de pollution du scénario étudié.

7Dans tous les cas, l’élaboration de la méthodologie nécessite de conduire au préalable un certain nombre de recherches. Celles préalables à l’approche « substances » sont essentiellement d’ordre mécanistique (mécanismes de comportement des polluants dans l’environnement entre la source et l’écosystème cible, biodisponibilité des substances, mécanismes d’interactions des substances entre elles (additivité, synergie, antagonisme), mécanismes de bioaccumulation dans les chaînes alimentaires). Celles relatives à l’approche « matrices » intègrent, en outre, des travaux sur la complémentarité et la représentativité des batteries de bio-essais à sélectionner pour un scénario donné, sur les conditions de mise en oeuvre de ces bio-essais sur les matrices polluées (solides ou liquides), ainsi que sur l’impact de ces conditions (ex : filtration ou non des colloïdes avant essai) sur l’évaluation.

8Ces travaux ont pour vocation d’améliorer les connaissances sur le fonctionnement des systèmes spatio-temporels complexes correspondants aux scénarios étudiés, systèmes comprenant un ou plusieurs écosystème(s) cible(s), correspondant eux-mêmes à des systèmes complexes, soumis à une perturbation donnée. Cette perturbation est d’ailleurs rarement simple (complexité de l’exposition) et peut nécessiter une adaptation des modalités de mise en œuvre, voire de la configuration même des outils classiques de l’écotoxicité. À titre d’exemple, il est rare d’observer sur le terrain des écosystèmes soumis à un niveau de concentration constant alors que les bio-essais sont le plus souvent réalisés, certes avec une gamme de concentrations, mais avec une concentration constante dans chaque flacon pendant toute la durée de l’expérimentation.

Besoins pour les différentes étapes de l’évaluation

Étape « Formulation du problème »

9Cette étape, située en amont des étapes de l’évaluation à proprement parlé, comprend notamment l’élaboration d’un modèle conceptuel visant à une représentation de l’écosystème récepteur et de son fonctionnement, mais aussi du scénario global dans lequel il s’inscrit (US EPA, 1998). Le modèle conceptuel global qui en résulte est donc un modèle de type spatio-temporel intégrant plusieurs modèles conceptuels écologiques. Présenté le plus souvent sous forme graphique, il illustre l’ensemble des relations existant entre les différentes entités du modèle (sources de pollution, milieux de transferts, récepteurs écologiques, etc.).

10Une des étapes les plus importantes de l’ÉRÉ, s’inscrivant à ce niveau, porte sur l’optimisation de l’agrégation d’un certain nombre de variables du scénario global, dont celles de l’écosystème récepteur (variables taxonomiques, fonctionnelles, basées sur la sensibilité aux polluants des organismes), ceci dans le but de simplifier le modèle conceptuel initial.

Étape « Évaluation des expositions »

11Très schématiquement l’évaluation des expositions nécessite d’une part, de déterminer les concentrations environnementales, suite à l’étude des transferts entre les) source de pollution et les écosystèmes cibles et d’autre part, sur la base de ces dernières, de caractériser l’exposition réelle des organismes.

Caractérisation des concentrations environnementales

12La caractérisation des concentrations environnementales résulte des différents phénomènes intervenant entre les sources de pollution et les écosystèmes cibles : dynamique de transfert des polluants dans les milieux poreux (identification et hiérarchisation des mécanismes prépondérants, couplages bio-physicochimiques, étude des transferts facilités), biodégradation, volatilisation, etc. Cette phase fait appel à de nombreux modèles existants ou en cours d’optimisation (Köhne et al., 2009).

13La préoccupation dans le cadre strict de l’évaluation des risques réside essentiellement dans l’optimisation de l’interfaçage entre les « sorties » de ces modèles et les « entrées » des modèles biologiques. Ceci est vrai, tant sur le plan théorique (enchaînement des modèles en cascade, compatibilité des échelles temporelles [temps caractéristiques respectifs des processus bio-physico-chimiques et écologiques] et spatiales [maillages]),que sur le plan pratique et expérimental.

Caractérisation de l’exposition des organismes

14Cette dernière est une des phases les plus complexes de l’évaluation des risques écologiques. Son amélioration future dépendra notamment de :

  • l’amélioration des modèles toxicocinétiques (évaluation de la dose interne du toxique sur la base des concentrations environnementales),

  • de l’amélioration des connaissances concernant la bioaccumulation dans les chaînes alimentaires,

  • et, et c’est souvent oublié, de l’avancée des connaissances dans le domaine de la caractérisation du comportement des organismes vis-à-vis d’une émission de polluants (fuite momentanée d’un pic de pollution passager par les organismes mobiles, par exemple).

15L’approche « matrice », comprenant la réalisation de bio-essais sur les matériaux pollués solides ou liquides, permet de s’affranchir en partie de ces difficultés, surtout si elle est réalisée dans des conditions d’expositions proches de la réalité (mésocosmes).

Étape « Évaluation des effets »

16Les difficultés à résoudre et les domaines de recherche pour cette étape concernent en particulier la prise en compte des effets combinés des substances, la définition des modèles d’extrapolation, la réalisation et l’interprétation des essais multi-espèces (microcosmes et mésocosmes) ainsi que l’évaluation de la bioaccumulation dans les chaînes alimentaires et de ses effets.

Effets combinés

17Les effets toxiques d’un mélange de polluants sur un organisme cible peuvent être de type additif, antagoniste ou synergique (Warne and Hawker, 1995). L’additivité des réponses se produit lorsque la somme des réponses de chaque substance est égale à la réponse toxique du mélange. On parle d’antagonisme lorsque l’écotoxicité du mélange conduit à une réponse toxique inférieure à la somme des toxicités observées par les substances prises individuellement (Otitoloju, 2002), et de synergie lorsque la combinaison des réponses d’un mélange est supérieure à la somme des réponses de chaque substance qui le compose (Lewis, 1992). Ces phénomènes doivent impérativement être pris en compte dans le cadre d’une évaluation des risques de type « substances ».

Modèles d’extrapolation

18Comme il n’est pas possible de tester expérimentalement tous les effets toxiques de toutes les substances, dans toutes les conditions possibles, et sur toutes les espèces existantes, l’évaluateur de risques est confronté, surtout dans le cas de l’approche « substances », à la nécessiter d’établir un modèle d’extrapolation basé sur la relation existant entre les « tests endpoints » (points finaux de mesure = valeurs numériques issues des bio-essais) et les « assessment endpoints » (points finaux d’évaluation = compartiments ou propriétés réelles des écosystèmes que l’on veut protéger). Ce point central de l’évaluation des risques a fait l’objet de nombreuses propositions sur le plan international (ECB, 2003) mais les solutions proposées restent très controversées et beaucoup reste à faire pour leur optimisation.

Bioaccumulation dans les chaînes trophiques

19Le transfert et la bioaccumulation des polluants dans les chaînes trophiques sont des phénomènes bien identifiés par la communauté scientifique et beaucoup de travaux et de modèles ont été consacrés à cette thématique (Chapman, 2000). Beaucoup reste toutefois à faire, notamment lorsque la source de pollution est un mélange, pour l’incorporation de ces phénomènes dans les méthodes d’ÉRÉ. Pour ce faire, comme bien souvent, on devrait tirer partie de l’expérience des évaluateurs de risques sanitaires qui ont traité ce sujet pour l’homme, situé au sommet de bien des chaînes trophiques.

Essais en microcosmes et mésocosmes

20Les essais en microcosmes et mésocosmes visent à évaluer l’impact des produits chimiques à des niveaux d’organisation biologique supérieurs. Les essais en mésocosmes réalisés le plus souvent en extérieur, et avec des dispositifs expérimentaux de taille plus importante, visent, en outre, à travailler dans des conditions plus proches du milieu naturel (Caquet et al., 2000). Les essais en microcosmes de laboratoire (Clément et Cadier, 1998), qui ne sont pas des écosystèmes en miniature mais des fragments d’écosystème conçus pour simuler des caractéristiques fonctionnelles particulières, constituent pour leur part un bon compromis, en termes de coût et de pertinence écotoxicologique, entre les tests monospécifiques et les mésocosmes. Ces différents essais peuvent être utilisés de deux manières dans le domaine de l’ÉRÉ :

  • - en les insérant dans les procédures d’ÉRÉ à la place, ou à la suite (approche en plusieurs étapes) des bio-essais classiques : cet usage reste toutefois très rare, notamment en raison de leur coût, de leur faible reproductibilité, et du faible nombre de laboratoires qui peuvent les réaliser

  • - en les utilisant dans le cadre des travaux de recherche préalables à l’élaboration d’une méthodologie d’ÉRÉ donnée, au cours des étapes de calibration et de validation du modèle écologique associé.

Étape « Caractérisation finale des risques »

21Sur le plan international, on recense plusieurs types d’approches pour caractériser les risques écologiques (US EPA, 1998 ; Perrodin et al., 2011). Les plus connues sont, d’une part, la formulation d’un « indice de risque », et d’autre part, l’estimation d’une probabilité d’apparition d’un effet. Les méthodes à « indice de risque » sont basées sur le calcul du quotient entre les concentrations d’exposition et les doses maximales admissibles, ce qui correspond à une évaluation semi-quantitative du risque. Dans les méthodes probabilistes, on considère les distributions statistiques des concentrations d’exposition et des concentrations sans effet pour fournir une estimation quantitative du risque. Le choix de ces approches dépend notamment de l’objectif initial de l’évaluation.

22Au niveau de cette étape finale, les besoins de recherche concernent essentiellement :

  •  la nécessité de calibrer, de tester la sensibilité puis de valider le modèle global d’évaluation des risques,

  •  la nécessité d’améliorer l’estimation de l’incertitude sur le résultat, qui s’avère toujours difficile, surtout avec l’approche par le quotient de risque.

Organisation des travaux de recherche

23Fondamentalement interdisciplinaires, les travaux effectués dans le domaine de l’ÉRÉ intègrent l’adaptation des protocoles habituellement mis en œuvre dans les différents champs disciplinaires concernés, en particulier dans le domaine de l’écotoxicologie, pour les rendre compatibles et optimiser les interfaces entre les différents modules de la méthodologie globale.

24Compte tenu de l’ampleur du travail à effectuer et des compétences à rassembler, ces travaux méthodologiques doivent impérativement être effectués avec une organisation adaptée et optimisée. Une des voies d’action est la réunion dans des programmes de recherche, portant sur des objets d’études (scénarios) d’intérêt, d’un « noyau dur » de chercheurs travaillant sur l’élaboration des méthodologies d’ÉRÉ, avec d’autres équipes plus disciplinaires et spécialistes d’un module de l’évaluation. Des échanges sont également souhaitables avec des chercheurs qui travaillent dans le domaine de l’évaluation des risques sanitaires, et qui partagent sur bien des points les mêmes problématiques.

25Au sein de ces programmes, la réussite de ces équipes résidera dans leur capacité à :

  • tirer des résultats des travaux de recherche récents, les éléments nécessaires à l’élaboration de chacun des modules des méthodologies d’évaluation de risques (EDR),

  • rassembler ces modules au sein de méthodologies d’EDR fiables et opérationnelles, et accompagner les résultats de ces dernières d’informations concernant l’incertitude de l’évaluation effectuée,

  • accompagner les résultats des évaluations de risques d’informations sur les mesures prioritaires à prendre pour améliorer les situations jugées non acceptables pour l’environnement,

  • identifier les « manques » en vue de la formulation de recommandations de travaux de recherche à réaliser.

26Au-delà de l’avancée des connaissances sur le fonctionnement des systèmes complexes, dont les écosystèmes anthropisés, ces travaux interdisciplinaires auront pour retombées opérationnelles l’élaboration de méthodologies intégrées pertinentes et adaptées pour les scénarios étudiés.

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Bibliographie

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Notes

1  Rappel : le danger écotoxicologique est une propriété intrinsèque de la source de pollution alors que le risque écotoxicologique est une propriété liée au scénario considéré dépendant à la fois du danger et de l’exposition des écosystèmes cibles à celui-ci.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Yves Perrodin, « Évaluation des risques écologiques : développements prioritaires et recherches concomitantes », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Débats et Perspectives, mis en ligne le 20 juin 2012, consulté le 25 août 2019. URL : http://journals.openedition.org/vertigo/12097 ; DOI : 10.4000/vertigo.12097

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Auteur

Yves Perrodin

Directeur de recherche (DR1), ENTPE, UMR CNRS 5023 LEHNA (Laboratoire d’Écologie des Hydro-systèmes Naturels et Anthropisés), équipe IPE (Impact des Polluants sur les Écosystèmes), 69518 Vaulx-en-Velin, Grand Lyon, France

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