Les perturbateurs endocriniens dans l'eau : un enjeu environnemental et sanitaire

Le système endocrinien se compose de glandes endocrines qui synthétisent et libèrent dans l’organisme des hormones. Il constitue un des deux grands systèmes de communication de l’organisme, l'autre étant le système nerveux. Son rôle est essentiel pour la réalisation et l’équilibre de certaines grandes fonctions physiologiques. Les hormones sont véhiculées par le sang jusqu’à des cellules cibles et agissent en tant que messagers chimiques, régulant de nombreuses fonctions comme la croissance, le développement, la reproduction, l'utilisation des aliments dans l’organisme, la pression artérielle, les taux de glycémie et l’équilibre des fluides. Les perturbateurs endocriniens sont des substances capables de dérégler l'action de ces hormones.

Qu’est-ce qu’un perturbateur endocrinien

Une définition précise a été proposée par la Commission européenne : un perturbateur endocrinien est « une substance ou un mélange exogène (produit à l’extérieur de l’organisme) altérant les fonctions du système endocrinien et induisant donc des effets nocifs sur la santé d’un organisme intact, de ses descendants ou sous-populations » (Commission Européenne, 1996). Les substances à action endocrine peuvent avoir une action directe agoniste, tel un ligand qui se fixe sur les mêmes récep-

teurs cellulaires qu’une substance de référence et qui produit, au moins en partie, les mêmes effets. Ainsi, dans le cas d’une forte affinité entre le ligand et le récepteur, les effets d’une hormone endogène (hormone produite par l’organisme) seront imités. Les perturbateurs endocriniens peuvent également avoir une action directe antagoniste, une substance exogène antagoniste étant définie comme un ligand qui se fixe sur les mêmes récepteurs cellulaires qu’une substance de référence et qui bloque toute action biologique de la cellule. Les perturbateurs endocriniens peuvent également agir de façon indirecte sur la concentration en hormones, par exemple en déséquilibrant la production d’hormones par l’inhibition ou la stimulation d’importantes réactions de catalyse enzymatique.

Tableau 1 : Différentes classes de substances à action endocrine (Birkett et Lester, 2003)

Classification

Le nombre de substances susceptibles d’être perturbatrices endocriniennes n’est pas exhaustif. Les classes qui apparaissent dans le tableau 1 sont cependant les plus importantes, celles dont on a déjà observé la présence dans l’environnement aquatique et qui sont susceptibles d’entrer en interaction avec des organismes non cibles.

Toxicité

Le cas le plus représentatif d’exposition à faible ou très faible dose est celui des effluents de station d’épuration, qui peuvent dans certains cas constituer une véritable mixture de substances dont la plupart sont connues pour posséder des propriétés de perturbation endocrinienne. Le déclenchement de la production de vitellogénine (protéine des œufs) chez des poissons mâles exposés à ces effluents est un des meilleurs exemples de perturbation endocrinienne de faible intensité chez les animaux. La vitellogénine est naturellement produite chez les poissons femelles sous le contrôle d’œstrogènes sécrétés par les ovaires. Une étude dont les résultats ont été publiés par Purdom (1994) a mesuré la concentration en vitellogénine chez des truites arc-en-ciel exposées durant 3 semaines aux effluents de station d’épuration en Angleterre, avec pour objectif l’identification de cette anomalie mais également des substances responsables. Les résultats montrent une forte augmentation en vitellogénine chez les mâles puisque la concentration qui était de 33 pg/mL

Tableau 2 : Sources de perturbateurs endocriniens dans les eaux environnementales (Birkett et Lester, 2003)

Esters de l’acide phtalique (PAE) ; Bisphénol A (BPA) ; Hydrocarbures polyaromatiques (HAP) ; Biphényles polychlorés (PCB) ; Éthers diphényles polybromés (PBDE) ; Alkylphénols (AP) ; Alkylphénols polyéthoxylates (APE) ; Tétrabromobisphénol A (TBBA) ; Tributylétain (TBT) ; Dibenzodioxines polychlorées (PCDD) et Dibenzofuranes polychlorés (PCDF).

de plasma après une semaine d’exposition, atteignait 192 pg/mL après deux semaines puis 373 pg/mL à la fin des trois semaines d'expérience. La présence de xénoestrogènes dans l'effluent de station d'épuration est donc indiscutable. En parallèle, cette même équipe a montré qu'une truite arc-en-ciel mâle plongée dans de l'eau ayant une concentration en 17-α-éthinylœstradiol de 25 ng/L durant six jours présentait une hausse de la concentration en vitellogénine de 0,001 µg/mL jusqu'à 1000 µg/mL. Cette étude témoigne du rôle majeur de la 17-α-éthinylœstradiol dans l’activité œstrogénique des effluents de station d'épuration. D'autres expériences menées avec des truites adultes mâles exposées au nonylphénol, métabolite du nonylphénol éthoxylate utilisé comme agent de surface dans la production de détergents, ont montré une formation anormale de vitellogénine ainsi qu'une inhibition des testicules. On peut aussi citer les études qui montrent les dérèglements sexuels observés chez les rats suite à une exposition à certains phtalates. Enfin, le tributylétain (TBT) utilisé dans les peintures antiagrégation biologique sur les coques de navires a induit des changements de sexe chez des gastéropodes marins, observés sur les côtes de Grande-Bretagne ou dans le Pacifique à des concentrations de l’ordre du ng/L. Ces produits à base d'étain se retrouvent aussi dans certains coquillages consommés par les hommes (malformation des coquilles d'huître).

Concernant l'exposition à plus forte dose, on peut citer le cas d’un déversement accidentel de pesticides organochlorés dans les lacs en Floride (dicofol, DDT, DDE, …) qui a induit des effets biologiques perceptibles chez les alligators avec en particulier une diminution de la taille du pénis, et des malformations des testicules. Ces alligators présentaient un taux très faible de testostérone et la présence d’œstrogènes en plus grande proportion. Des observations similaires ont été réalisées sur les tortues de ces lacs. Chez les mammifères, de nombreuses expériences menées sur des hamsters, des souris ou des rats démontrent que ces polluants peuvent induire une malformation des testicules, des modifications du cycle de reproduction ou une baisse de la fertilité.

Chez l'homme, les observations ont permis de mettre en évidence qu'une exposition fœtale ou périnatale aux perturbateurs endocriniens peut entraîner une différentiation sexuelle et des malformations urogénitales suivies d'une diminution des capacités de reproduction à l'âge adulte. Parallèlement plusieurs symptômes, regroupés sous le terme de Syndrome de Dysgénésie Testiculaire, témoignent d'une altération des fonctions du système reproducteur chez l'homme depuis une vingtaine d'années comme des malformations génitales, une baisse de qualité du sperme et une augmentation des cancers des testicules et de la prostate. Chez la femme, des études épidémiologiques mettent en avant une tendance à la puberté précoce, des irrégularités menstruelles, une fertilité altérée, des enfants prématurés, les cancers du sein et des organes génitaux en augmentation. L'origine de ces troubles du système de reproduction n'est pas clairement établie à ce jour mais il est possible que ces symptômes soient les conséquences d'une exposition aux perturbateurs endocriniens. Ainsi, bien que l'hypothèse d'un lien entre les perturbateurs endocriniens et les anomalies liées au système reproducteur ne soit pas appuyée par un nombre suffisant de recherches, leur effet avéré sur la faune suffit à leur donner un grand intérêt en termes de santé et d'environnement.

Origine et devenir des perturbateurs endocriniens en milieu aqueux

La plupart des perturbateurs endocriniens possèdent une certaine ubiquité et peuvent être trouvés dans tous les milieux (eaux, sols, air). En ce qui concerne les polluants présents dans l'eau de rivière, les principales sources sont les effluents de station d'épuration, les eaux usées industrielles, les effluents de ferme et les lixiviats de décharge. Par ailleurs, les eaux de ruissellement contribuent à la pollution diffuse par lessivage des sols.

Sources spécifiques concernant les perturbateurs endocriniens

Le tableau 2 résume les sources de perturbateurs endocriniens entrant dans les cours d'eau, souvent identifiés suite à des observations sur la faune du milieu récepteur.

Les perturbateurs endocriniens dans les eaux résiduaires

Les stations d'épuration reçoivent un large spectre de substances qui ne sont pas totalement éliminées tout au long de la filière des procédés de traitement. À leur sortie, un mélange complexe de molécules, incluant les métabolites issus du traitement, est finalement rejeté dans le milieu récepteur. Seules certaines classes de perturbateurs endocriniens sont présentes. On y retrouve principalement les polluants naturels tels que les hormones et les phytoestrogènes ainsi que les produits chimiques d’usage domestique et industriel. Dans ce contexte, les effluents de station d'épuration sont considérés comme une source majeure de pollution œstrog…

génique pouvant jouer un rôle significatif dans la contamination de l'environnement (Cargouët et al., 2004). Les composés les plus souvent mis en cause en station d’épuration sont les stéroïdes naturels et de synthèse et les alkylphénols (Bruchet et Janex-Habibi, 2004).

La figure 1 présente les substances à action endocrine présentes dans les eaux résiduaires d'une station d’épuration allemande proche d’un site industriel ainsi que les niveaux de concentration correspondants. Notons qu'à l'entrée des usines de traitement d'eau potable, les mêmes molécules sont présentes à de plus faibles concentrations (dilution, dégradation dans le milieu naturel ou encore adsorption sur les sédiments). Elles sont parfois accompagnées de produits de dégradation dont on ignore généralement la toxicité.

Les substances nommées ci-dessus sont les plus courantes et sont présentes dans la majorité des eaux résiduaires des pays industrialisés. On retrouve 3 grandes classes de perturbateurs endocriniens qui sont les hormones naturelles et synthétiques (essentiellement des œstrogènes), les phénols (alkylphénols et bisphénol A) et les phtalates.

Les hormones sont excrétées via les urines ou les fèces. La plupart sont rapidement transformées et dégradées dans les stations d’épuration. Cependant, certaines hormones naturelles et synthétiques de type œstrogènes telles que l’œstrone, le 17-α-œstradiol et le 17-α-éthinylestradiol subsistent encore dans les effluents. Suite à des tests in vitro effectués sur un grand nombre de perturbateurs endocriniens, elles se sont avérées être les substances considérées comme les plus actives parmi tous les perturbateurs endocriniens (actives à faibles concentrations, c’est-à-dire de l’ordre de quelques ng/l).

Les alkylphénols polyéthoxylates font partie des agents de surface produits en très grande quantité et couramment utilisés dans l’industrie, l'agriculture et dans les activités domestiques (détergents). Par conséquent les alkylphénols polyéthoxylates et leurs dérivés peuvent être retrouvés dans l’environnement à un niveau de concentration supérieur à celui des hormones (μg/l). Leur œstrogénicité, plus faible que les hormones, a été montrée sur les poissons.

Le bisphénol A, fabriqué en grande quantité, est utilisé à plus de 90 % pour la production de polycarbonate, de résines époxydes, de résines polyester-styrène insaturées et de retardateurs de flamme. On le retrouve dans les plastifiants, les peintures, le papier ou encore les antioxydants. Le bisphénol A atteint l'environnement par pertes durant sa fabrication et par relargage des produits finis. De la même façon que les alkylphénols, le bisphénol A est un perturbateur endocrinien plus faible que les hormones.

Les phtalates sont produits à très grande échelle, principalement dans la fabrication de matières plastiques. Ils entrent dans le milieu récepteur par des pertes durant leur fabrication, par relargage des produits finis et durant leur élimination. Certains d’entre eux, et/ou leurs métabolites, sont suspectés d’être des agents cancérogènes et des perturbateurs endocriniens. Ainsi le di-n-butylphtalate, le butylbenzyl phtalate et le di-2-éthylhexyl phtalate sont les trois grands représentants de cette classe de polluants.

La réglementation

Aujourd’hui, aucune réglementation spécifique relative aux perturbateurs endocriniens n’existe en France. Un Programme National de Recherche sur les perturbateurs endocriniens (PNRPE) a été lancé en juin 2004 par le ministère de l’Environnement dont l’un des objectifs majeurs est d’établir des outils pour la réglementation. Au niveau européen des objectifs ont également été définis en 2004 par la Commission Européenne : établir une liste prioritaire de substances afin d’évaluer leur rôle dans la perturbation endocrinienne, estimer les voies d’exposition et les effets des substances de la liste prioritaire et mettre en place des programmes de recherche sur la présence de perturbateurs endocriniens dans l’eau potable, identifier les perturbateurs endocriniens, évaluer leur toxicité et lancer un important dispositif de recherche et développement ; à plus long terme il s’agit d’instaurer une législation et une régulation vis-à-vis des perturbateurs endocriniens. À ce jour, une liste prioritaire de pas moins de 553 substances a été établie avec l’objectif d’évaluer leur potentiel œstrogénique.

Méthodes d’analyse

Plusieurs méthodes sont actuellement utilisées pour détecter des perturbateurs endocriniens dans l’eau. Des tests in vitro et in vivo sont disponibles et permettent d’évaluer l’activité œstrogénique de l’échantillon. Cependant, lorsqu’il s’agit d’identifier et de quantifier précisément une substance dans une matrice donnée, les analyses chimiques sont plus adaptées. Plusieurs techniques sont disponibles actuellement pour l’analyse des perturbateurs endocriniens dans les eaux résiduaires et/ou les eaux de surface.

Parmi toutes ces techniques analytiques, la chromatographie en phase gazeuse (GC) et la chromatographie en phase liquide (LC) couplées à la spectrométrie de masse simple (MS) ou en tandem (MS/MS) sont aujourd’hui les moyens les plus adaptés pour l’analyse des perturbateurs endocriniens. Les limites de détection déjà atteintes en témoignent mais quelques composés s’avèrent encore plus compliqués à analyser, notamment les alkylphénols pour lesquels de meilleures performances sont attendues.

Tableau 3 : Techniques d’analyse utilisées pour la quantification des différentes classes de perturbateurs endocriniens dans l’environnement aquatique

GC : chromatographie en phase gazeuse ; LC : chromatographie en phase liquide ; MS : spectrométrie de masse ; ESI : électrospray ionisation ; IC : chromatographie ionique ; DAD : détection à barrette de diodes ; APCI : ionisation chimique à pression atmosphérique ; UV : ultraviolet ; HR : haute résolution ; n.p. : non précisé ; LD : limite de détection.

Aujourd’hui, le couplage chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LC/MS) présente d’énormes avantages : il permet notamment d’analyser des composés non volatils et à haut poids moléculaires, des composés polaires et des composés thermiquement instables qui ne pourraient pas être analysés en GC/MS ou seulement après une phase préalable de dérivation chimique. Les progrès techniques réalisés, notamment dans la conception des interfaces d’ionisation (les plus courantes étant les sources ESI et APCI), ont ainsi largement contribué à l’expansion de la LC/MS ces dix dernières années.

Plusieurs types de spectromètres de masse existent ; on citera notamment, dans l’ordre croissant de sélectivité et de pouvoir de résolution, le spectromètre de masse quadripolaire, le spectromètre de masse à temps de vol (TOF : Time Of Flight) et le spectromètre de masse haute résolution à secteur magnétique. En outre, la combinaison des analyseurs de type quadripolaire (MSq/MSq) est devenue courante, augmentant ainsi la sélectivité des analyses et la réduction des interférences causées par l’échantillon.

L’hybridation des techniques (exemple : q-TOF) laisse présager des performances analytiques jamais atteintes pour l’investigation de matrices complexes comme les eaux résiduaires. Les analyseurs hybrides offrent notamment la possibilité de limiter les phases préparatoires fastidieuses et parfois pénalisantes de purification et préconcentration de la matrice. Toutefois, la mise en œuvre de ces technologies demeure à ce jour financièrement inabordable dans les laboratoires d’analyses environnementales de routine, confrontés désormais à un véritable challenge analytique.

Conclusion

La présence de composés perturbateurs endocriniens dans l’environnement aquatique est une réalité : ils proviennent des rejets de l’activité industrielle, des rejets de l’activité humaine mais également de l’activité agricole. Dans ce contexte, les stations d’épuration apparaissent comme des lieux de passage inévitables pour les perturbateurs endocriniens. Les nombreux exemples témoignant de l’impact de ces substances sur la vie aquatique posent la question de l’efficacité des traitements d’une filière classique. Il paraît donc nécessaire de comprendre le comportement des perturbateurs endocriniens au sein d’une station d’épuration afin d’améliorer les procédés de traitement et ainsi de limiter leur action sur des organismes non cibles.

Ces mêmes composés risquent de se retrouver à l’entrée des usines de traitement d’eau potable. Il convient donc de vérifier si les étapes de traitements installées permettent d’éviter que l’homme soit exposé aux perturbateurs endocriniens via l’eau de consommation. Parallèlement, le développement de méthodes analytiques adaptées et fiables, au sein des laboratoires d’analyses environnementales, pour identifier et doser ce qu’il conviendrait désormais d’appeler « nano-polluants » est primordial. Cela constitue en effet une première étape indispensable pour l’observation du comportement de tels polluants en épuration des eaux, qui doit permettre de confirmer leur rejet dans l’environnement et aussi d’approcher les mécanismes régissant leur élimination.

Remerciements : cet article fait suite aux travaux de thèse réalisés et publiés par Christophe Stavrakakis sous la direction du Professeur Pierre Le Cloirec (ENSCR Rennes) en collaboration avec Ronan Colin (IDAC – Nantes).