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Écotoxicologie du paysage

Le domaine de l’écotoxicologie du paysage est pluridisciplinaire. Il est dérivé de l’écotoxicologie et l’écologie du paysage. Le premier sujet vise à expliquer comment les substances toxiques influencent un écosystème. Quant à elle, l’écologie du paysage décrit une une science qui veut comprendre et décrire les interactions entre les organismes vivants et avec leur environnement à une échelle assez grande pour prendre en compte l’hétérogénéité de larges systèmes biologiques, normalement plus grand qu’un kilomètre carré (Golley 1995). Cette dernière permet d’observer des changements au niveau de la structure et des fonctions d’un paysage donné et d’obtenir de nouvelles informations sur l’organisation spatiale d’un écosystème à l’étude (Forman and (Godron 1986). Ce champs d'étude se traduit donc par des recherches à grande échelle des effets de la dispersion de produits potentiellement toxiques sur des écosystèmes hétérogènes à différents niveaux (John Cairns Jr).

Histoire

Ce concept est relativement récent et la nécessité d’en faire un sujet de recherche a été énoncée par John Cairns Jr et B. R. Niederlehner en 1996 dans l’article : Developing a field of landscape ecotoxicology. Cette discipline d’étude a vu le jour pour mieux expliquer comment certaines substances peuvent affecter un paysage via les différents flux présents entre les écosystèmes et elle repose sur l’évaluation des risques environnementaux potentiels. Elle repose sur deux domaines scientifiques : l’écologie du paysage et l’écotoxicologie. Le premier vise à répondre à la tendance qui veut que les recherches au niveau des écosystèmes ciblent leurs actions sur un ensemble trop petit temporellement et spatialement pour expliquer et détecter tous les processus présents dans ce milieu, la solution sera donc de passer au niveau du paysage. L’écologie du paysage est centrée sur l’étude des fonctions, des structures et des altérations de ceux-ci 1,7. Tandis que l’écotoxicologie vise à expliquer au niveau des écosystèmes l’effet des substances toxiques. Ultimement, cette discipline a pour but de fournir des informations supplémentaires pour la prise de décision pour la gestion de différentes aires à l’étude (John Cairns Jr).

Dans les débuts de cette discipline, le repérage des milieux perturbés se faisant par l’identification de caractéristiques qui sont documentées comme présente dans des systèmes hautement altérés (John Cairns Jr). Un bon exemple de milieu très perturbé la région autour d’une fonderie qui change rapidement en structure et composition après l’établissement de celle-ci (Jordan 1975, Beyer and Storm 1995). De façon plus actuelle, l’amélioration des capacités de calculs, le déclassement des satellites militaires, l’amélioration de la finesse des capteurs et l’utilisation des systèmes d’informations géographiques couplés avec des modèles prédictifs a permis au repérage des milieux perturbés de se faire à plus grande échelle et sur de plus grandes surfaces (Handbook).

Définition du domaine de recherche

L’aspect du paysage a une grande importance dans cette discipline, car les caractéristiques de celui-ci influent grandement la répartition des substances toxiques dans celui-ci. La façon que le paysage est structuré influe sur la résilience du milieu, les particularités topographiques ont un rôle important à jouer dans la distribution des subsistances dans le milieu et finalement, certains facteurs reliés au paysage, comme la capacité tampon du système, ont aussi leur importance.

La répartition des différentes perturbations est affectée par les multiples caractéristiques physiques du terrain 21. Plus précisément, il s’agit des divers facteurs qui peuvent influencer la répartition des perturbateurs, de l’énergie et des matériaux dans l’environnement. Quelques exemples seraient : l’élévation, la pente, les facteurs climatiques, la présence de cours d’eau.

Les stress chimiques varient en termes d’intensité, de récurrence, de surface affectée et de persistance. Un stresseur avec une forte intensité et une récurrence unique comme l’accident de Tchernobyl est très différent de l’épandage régional annuel des fertilisants et pesticides dans les champs. Il est donc très important d’identifier le ou les stresseurs chimiques qui altèrent leur fonctionnement. Cette tâche n’est pas toujours facile, car certains écosystèmes sont touchés par plusieurs polluants, dans certains il s’agit d’une exposition diffuse, certains contaminants affectent le paysage de façon variable au cours du temps.

La caractérisation du milieu à l’échelle du paysage permet d’observer comment un polluant qui se repend rapidement affecte les milieux hétérogènes présents. Elle rend aussi possible de comprendre comment un impact à petite échelle peut devenir, par addition avec d’autres impacts, peut affecter un environnement encore plus grand 15,16. La vision plus englobante qu’est celle du paysage prend aussi en compte le fait qu’une substance toxique présente dans un écosystème peut aussi en affecter une autre entité dans l’écosystème de façon indirecte. De ce fait, l’observation temporelle et spatiale de la dispersion du polluant. Le premier aspect a une grande importance, car elle permet d’observer au fil du temps comment un stresseur affecte un milieu. Ainsi, après plusieurs expositions, un stresseur qui n’a pas eu d’impact initialement pourrait en avoir 24. De cette façon, il est possible de mettre en relation, à l’échelle du paysage, le nombre d’écosystèmes perturbés qu’une espèce donnée occupe et qu’elle peut habiter et ainsi prédire si une recolonisation du milieu par les populations est possible après la perturbation.

La capacité de contenir la propagation d’un stresseur chimique fait aussi partit des mesures qui peuvent informer sur l’intégrité du paysage. En effet, les différents écosystèmes retiennent et détoxifient différentes substances à différents rythmes 96. La structure spatiale et la santé des écosystèmes sont donc très importantes dans ce domaine 29.

L’écotoxicologie du paysage est un sujet qui pourrait avoir une grande importance durant le 21^e siècle, puisqu’avec les différentes modifications de régime qui accompagnent les changements climatiques, comme les patrons météorologiques, la hausse du niveau des mers et le réchauffement de la température globale, la composition faunique et floristique sera elle aussi altérée 25,26. Pour toutes ces raisons, ce domaine est un outil important pour faire des prédictions par rapport à la mobilité des polluants à grande échelle.

Indicateurs

Indice de couverture du paysage et d’hétérogénéité

Comme discuté précédemment, l’amélioration des technologies de télédétection a une grande utilité pour le décèlement des zones potentiellement affectées. Elles ont d’ailleurs l’avantage de renseigner sur une échelle spatiale et temporelle sans actions directes sur le terrain ce qui est un fort avantage économique et permet une détection plus systématique des problèmes de relative envergure qui sont décelables avec cette méthode. C’est par l’utilisation des indices d’hétérogénéité et de couverture du paysage qu’il est possible d’inférer de telles conclusions. Ces perturbations peuvent être imputables à des stress chimiques dans l’environnement, mais aussi de perturbations naturelles ou de modification du paysage par l’homme. Il est donc important d’utiliser aussi d’autres indices pour certifier que la structure du paysage a été modifiée dus à un stress d’origine chimique. C’est pourquoi les données de télédétection sont utilisées pour identifier les zones nécessitant une investigation, car le travail de terrain est essentiel pour détecter les subtils changements de compositions des espèces ou de concentrations de produits toxiques 51–53.

Indices structurels du paysage

L’aspect structurel du paysage réfère principalement à la structure, la composition et la diversité des espèces. Plus précisément, en regardant à grande échelle, il est possible de détecter la présence de stress écotoxicologique en observant le déclin, la croissance de la population ou des caractéristiques du cycle de vie de certaines espèces 72. Ce type d’indicateur catégorise également ces dernières par leur niveau trophique, leur sensibilité au stress chimique et par le type d’habitat utilisé. La santé régionale d’une région peut être vérifiée par certains groupes taxonomiques qui sont définis comme indicateurs, car ils ont une grande aire de répartition, sont sensibles au stress et ont des fonctions importantes pour l’écosystème. Il est aussi possible de constater le tout par l’élargissement de la répartition d’espèces dites résistantes.

Indices fonctionnels du paysage

Les indices fonctionnels les plus utilisés sont le rythme de recyclage des nutriments, la perte de nutriment, le taux de respiration des communautés et le taux de production par rapport à la biomasse totale 41. Par contre, lorsque ses mesures sont désuètes lors qu’elles sont agglomérées au niveau du paysage, car il y a une grande variation sur ces valeurs dans les différents écosystèmes. La productivité primaire peut, elle être comparé sur la par rapport à des valeurs connues pour des systèmes précis, ce qui fait que cette valeur peut se révéler utile 6. Il est même possible l’observer via la télédétection. En effet, la présence de produit toxique diminue la productivité et l’augmentation de nutriments disponible l’augmente.

Le débat à savoir lequel des indices structurels ou fonctionnels sont le plus utile et sensible comme indicateur de stress est encore débattu, mais l’usage des deux types est la meilleure approche. Les deux types d’indices sont d’autre part en interrelation. En effet, la plupart des écosystèmes sont tolérants à des changements au niveau de leur structure due à la redondance fonctionnelle qui y est présente. C’est après un certain point de perturbation que leurs fonctions seront altérés1, 88, 92.

L’importance des modèles de prédiction

L’écotoxicologie du paysage est une discipline scientifique qui vise la prédiction de la répartition et l’effet du relâchement d’un polluant à plus grande échelle que celle des écosystèmes, et ce en approfondissant les connaissances sur les phénomènes d’expositions à des stresseurs chimiques au niveau du paysage. Pour faire de telles prédictions quatre méthodes peuvent être utilisées : faire des tests de toxicité, généralisés à partir de système similaire qui ont été perturbés par un polluant, faire de la surveillance biologique (biomonitoring) dans le site affecté ou d’utiliser des modèles de prédictions.

C’est la combinaison des quatre méthodes énoncée précédemment qui donne les meilleurs résultats. Premièrement, c’est avec des expérimentations sur des milieux endommagés par des substances néfastes, par des tests de toxicité ou par des relevés terrain, qu’il est possible d’affirmer que la situation peut avoir de grands impacts. Un lien causal entre une substance chimique et une altération biologique ne peut être réalisé que par une étude de toxicité, ces tests ont donc une grande utilité. La surveillance biologique permet de mettre en place des modèles prédictifs. C’est une fois avec ses modèles calibrés, qui s’appuient sur un grand nombre de données, qu’il est possible de prédire l’effet d’une substance sur un écosystème donné, mais surtout extrapoler sur des échelles spatiales et temporelles qui n’est pas possible de tester.

Problématiques

Ce champ scientifique est plein de promesses, mais il implique aussi de grands défis. Sachant qu’une science dont il est issu est la toxicologie ; a recherche sur les effets négatifs d’un medium sur des systèmes ou sur des organismes vivants. Elle fait donc la relation entre deux échelles de grandeur différente ; le moléculaire vers le vivant, notamment les organismes multicellulaires. Faire un lien causal entre ces deux sujets au niveau d’une seule espèce est déjà établi et de nombreuses études l’appuient. Par contre, le fait d’inférer cette toxicité à un écosystème ou pire à un paysage demande des recherches plus approfondies de toutes les relations qui y sont présentes. Les études sur l’écotoxicologie du paysage se font encore rares, surtout que ce domaine scientifique date des années 90 11. Des investigations traditionnelles en écotoxicologie sur des microcosmes ou des mesocosmes existent déjà, mais il n’est pas encore possible de les extrapoler à l’échelle du paysage avec certitude Handbook. Malgré cela, des études hautement informatives ont été faites au niveau des écosystèmes 38–40, mais elles sont difficilement repliables et très dispendieuses. Effectivement les méthodes de type ascendante (« bottom-up ») sont très utiles dans le cadre d’évaluation des risques. Toutefois, elles ont leurs limites. Après les cinquante ans de développement du domaine de l’écotoxicologie, il est clair que cet outil seul est désuet et il doit être utilisé avec d’autres afin de répondre à un plus grand nombre de questions.

Les interactions complexes entre les espèces dans les écosystèmes peuvent aussi rendre la tâche de cette science plus difficile. Le polluant peut dans un système être détecté chez plusieurs de ses habitants 11,31. Pourtant il n’a pas les effets ou pas tous les mêmes chez toutes les espèces qui sont en contact avec lui. De plus, il peut aussi se déplacer via la mouvance des animaux et par les relations trophiques. Les interactions entre les composantes des écosystèmes peuvent engendrer un effet sur des niveaux plus haut ou plus bas que l’espèce étudiée. Pour bien illustrer ces interactions, on peut penser à une espèce dont sa population décline dû à une substance toxique présente dans son aire de répartition en concentration suffisamment élevée pour l’affecter. S’il s’agit d’une proie, le déclin de sa population peut diminuer les populations qui s’en nourrissent, soit par leur propre intoxication à ce même produit ou à par la diminution d’une de leur source alimentaire. Le prochain niveau du réseau trophique pourra lui aussi être affecté de la sorte et plus on monte en échelons, plus la substance pourrait s’accumuler en grande quantité dans le corps de l’organisme, c’est ce qui est nommé la bioaccumulation.

De plus, il faut prendre en compte que la majorité des écosystèmes de la Terre ont déjà été perturbés et le sont toujours, et ce à un niveau suffisent pour qu’il soit difficile de déterminer quel polluant spécifique agit sur l’écosystème ou s’il s’agit d’une interaction entre plusieurs de ceux-ci 30,33. Ainsi un organisme peut être moins résilient à d’autres substances toxiques quand il est affecté par une première. Certaines substances peuvent également avoir un effet synergique lorsque combinées.

L’échelle du paysage en est une très large, tel que mentionné précédemment, inférer des réponses qui se produisent à aussi petite échelle que les interactions moléculaires sur une aussi grande surface apporte son lot de difficultés. En effet, il devient difficile de séparer la réaction à un polluant d’un changement dû à un processus stochastique, qui est l’évolution d’une variable aléatoire dans le temps 15,30. La distinction entre un effet anthropique ou aléatoire est donc plus ardue à définir avec certitude. Il faut donc pouvoir comparer avec, un système contrôle, soit avec un large éventail de données sur un système, le tout sur une longue période pour éliminer la variation naturelle de l’environnement et établir de quel genre de perturbation il s’agit 15.

Avenues d’avenir

De nombreux problèmes font obstacle au développement de ce domaine. Il serait intéressant d’adresser des pistes de solutions pour quatre de ceux-ci. La première concerne le fait que beaucoup d’efforts sont concentrés à savoir quelles espèces sont affectées par un polluant, tandis qu’il serait plus important de concentrer les efforts sur les fonctions écologiques et les caractéristiques fonctionnelles qui sont affectées par ce polluant. Ce qui revient à avoir une approche descendante (« top-down ») au lieu d’une ascendante (« bottom-up »).

Au lieu de définir quelles substances devraient être prises en compte dans les études de risques environnementaux, il serait plus intéressant de prendre en compte l’effet de la combinaison des stresseurs déjà présents dans l’environnement dans le calcul de la dose acceptable d’un polluant dans un écosystème.

Il serait désirable de se demander comment utiliser les données des recherches sur le sujet de la dose-réponse effectué des écosystèmes naturels pourrait servir afin de prédire certaines réponses au lieu de se demander comment l’effet de certaines substances toxiques peut être utilisé pour faire de la prédiction quand il y a peu d’études empiriques sur la sujet de la dose-réponse.

Une dernière approche serait de regarder la sensibilité à des polluants des communautés ou des fonctions des écosystèmes au lieu de concentrer nos efforts sur les espèces ou les groupes taxonomiques qui seraient sensibles. Une approche plus englobante est nécessaire pour pouvoir des résultats qui s’applique à une échelle aussi grande que le paysage Mikhail A