Ecotoxicologie: mathématiques au sauvetage de l'environnement
Urrutiko Hezkuntzarako Unibertsitate Nazionaleko irakasle-tutorea (UNED), Bergarako ikastetxe elkartuan; Kantabriako Unibertsitatea
Simulazioan eta eredu matematikoen aplikazioetan aditua
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Action humaine et pollution
La connaissance de tout le parcours de nos déchets et leur incidence sur les populations humaines est normalement impossible en raison des facteurs impliqués et de notre incapacité à les gérer. Cependant, certains êtres vivants peuvent contribuer à ce que leur survie nécessite des conditions spécifiques dans l'environnement, dans lequel leur présence ou absence dans un écosystème est un indicateur de leur qualité. Ils sont appelés indicateurs biologiques ou bioindicateurs. Pour étudier la nocivité de certains composés, ceux-ci peuvent entrer en contact avec des populations isolées de bioindicateurs. Les informations ainsi obtenues peuvent contribuer à améliorer la gestion des déchets de notre industrie, ainsi qu'à réduire son impact environnemental.
L'arrivée quotidienne de polluants dans les milieux aquatiques est immense, tant dans les grands déversements (pollution ponctuelle) que par des fuites et des déversements continus mineurs et imprécis (pollution diffuse). Ces derniers, bien qu'ils ne soient pas aussi spectaculaires, sont aussi nocifs que les autres et sont plus difficiles à contrôler. Une révision continue de la liste des composants potentiellement dangereux et des doses minimales d'impact environnemental possible est effectuée. Chaque année, des milliers de nouveaux produits (pesticides, poisons d'herbe, composés chimiques à usage industriel, etc.) sont commercialisés. ). Dans le même temps, les preuves scientifiques d'affection à l'environnement sont de plus en plus abondantes en quantités inférieures aux minima légalement reconnus, ainsi que celles qui jusqu'alors n'étaient pas considérées comme nuisibles.
Un autre exemple sont les composés chimiques de crèmes solaires et d'autres produits cosmétiques récemment trouvés dans les rivières. Ces substances passent dans les rivières à travers les eaux usées (la plupart des filtres actuels ne les freinent pas) et sont des perturbateurs endocriniens, c'est-à-dire affectent le système endocrinien des êtres vivants, qui modifient leur développement, reproduction ou survie, affectant ainsi la biodiversité de l'écosystème.
En définitive, l'étude d'impact environnemental des composés chimiques utilisés par l'homme rend indispensable la recherche et les contrôles permanents. La méthode la plus connue est l'analyse physico-chimique, qui consiste à prélever des échantillons d'eau et à analyser les variables d'eau (pH, température, dureté, etc.). après plusieurs procédures, ainsi que l'existence de composés chimiques sélectionnés pour leur dangerosité (il est donc important de consulter périodiquement la liste de ces composés dangereux). C'est une ressource indispensable qui nous offre une "photo" de l'état de l'eau au moment de l'échantillonnage.
Cependant, comme indiqué, il peut arriver que certaines substances nocives présentes dans l'eau ne soient pas encore incluses dans les listes de contrôle ou qu'il n'y ait pas d'analyse chimique pour ces substances. Il est également possible que le déversement se produise quelques semaines avant l'échantillonnage, car il ne resterait pas de traces dans l'eau, mais il y aurait un grand impact sur les populations d'organismes particulièrement sensibles à ce composé. Les analyses physico-chimiques indiquent la situation à un moment donné, ce qui est compensé par le suivi de l'état biologique des eaux. On analyse la présence et la population des êtres vivants sélectionnés pour leur sensibilité à la pollution. Ce sont les bioindicateurs mentionnés ci-dessus. Parmi ces bioindicateurs se trouvent des algues, des poissons et des arthropodes. Par exemple, les macroinvertébrés benthiques ou benthiques (larves de moustiques, petits crustacés, mollusques...) constituent un groupe d'intérêt particulier: leur taille facilite l'échantillonnage, ils passent une grande partie de leur cycle de vie en sédiments (lieu habituel d'accumulation des déchets), ils occupent une place fondamentale dans la chaîne trophique et leur survie est très appropriée pour étudier les changements postérieurs aux rejets. La sensibilité à la pollution n'est pas la même pour toutes les espèces ou pour tous les composés. Par conséquent, la prédominance d'une espèce ou d'une autre, ainsi que la diversité des espèces trouvées, aident à identifier l'origine de la pollution.
Un exemple proche est: L'Agence Basque de l'Eau a établi un réseau de suivi de l'état des masses d'eau superficielles de la CAPV par des contrôles périodiques dans les stations d'échantillonnage sélectionnées dans toute la Communauté. Des études physico-chimiques, biologiques et écologiques sont réalisées, car la comparaison de tous ces aspects permet d'obtenir une image réelle de l'état de nos eaux. Une des stations d'échantillonnage se trouve dans le ruisseau Iñurritza de Zarautz. En 2010, l'état physico-chimique de cette petite rivière a été qualifié de « bon » car bien que des phénols, des fluorures, de l'ammonium et du cuivre aient été découverts, leurs quantités ne dépassaient pas la norme de qualité. Mais l'étude biologique, entre autres, a trouvé des lacunes dans les populations des macroinvertébrés ; des variations saisonnières ont également été observées, ainsi que la faible présence d'espèces plus sensibles et la prédominance du moustique de Chironomus riparius. Après l'analyse de toutes ces conditions, on a observé la présence d'un manque d'oxygène et de pollution organique d'origine inconnue. Ce résultat avec les altérations de l'état hydromorphologique (végétation de rivage, débit d'eau, etc.) a été la raison de la qualification de “État écologique déficient”, malgré la bonne situation physico-chimique.
Mesure de nocivité des toxiques
Comme nous l'avons dit jusqu'à présent, comment mesurer l'effet des toxiques à différents endroits pour éviter les problèmes mentionnés ? Suivant les instructions des guides éditées par le Conseil de l'Europe, l'Organisation de coopération et de croissance économique (OECD) et des organismes officiels similaires, des essais en laboratoire sont effectués à différentes doses et la réponse d'organismes bioindicateurs tels que la mortalité, la croissance, la reproduction et la bioaccumulation est collectée.
En plus d'obtenir les données nécessaires pour établir les limites légalement autorisées, ces essais aident à comprendre l'influence de la substance dans l'organisme à travers des paramètres d'absorption, de distribution, de métabolisme et d'élimination, comme cela est fait dans les études pharmacologiques menées depuis des décennies dans l'industrie pharmaceutique lorsque la recherche d'un nouveau composant actif.
Examinons la situation: l'énorme nombre de substances nocives en constante augmentation et qui doivent être mesurées dans la course contre la montre, la vaste liste d'indicateurs biologiques - dont certains ne comprennent pas encore complètement la physiologie - et de nombreux scénarios: rejets ponctuels, chroniques, mélanges de composés qui peuvent influencer synergiquement... Pour analyser toutes ces combinaisons dans un ordre, nous devons recourir aux mathématiques.
L'une des meilleures contributions de ces dernières années a été l'utilisation de modèles mathématiques et de simulation informatique appliqués à l'étude des écosystèmes. Les modèles mathématiques d'écotoxicologie n'ont pas besoin de grandes quantités de données, tant sur le terrain que sur le laboratoire, pour trouver des formules mathématiques indiquant l'influence du toxique sur un ou plusieurs organismes. Cela aide à connaître à l'avance les effets d'un certain produit sur un écosystème donné et, dans certains cas, à prendre des décisions appropriées, et pas seulement à prendre des décisions qui aident à établir des limites légales. Supposons, par exemple, que le déversement dans une rivière implique le choix d'un produit de neutralisation ou une procédure de nettoyage. Un modèle approprié simulerait toutes les options et nous aiderait à choisir la procédure avec le moins d'impact environnemental. La simulation permet également d'analyser des situations imaginaires. Plus d'une fois, on retrouve des résultats inattendus qui ouvrent la porte à de nouvelles approches et approches non envisagées initialement.
Modèles et Simulation en Ecotoxicologie
En échotoxicologie, la statistique est le point de départ de l'approche des modèles mathématiques. Pour cela, il est nécessaire de prendre des données expérimentales, de créer l'expression mathématique qui sera ce modèle mathématique et de rechercher des paramètres adaptés aux données. Trouver cette expression mathématique, à savoir une fonction mathématique appropriée qui explique le modèle, est l'étape la plus difficile dans ce processus. Il commence souvent avec la distribution exponentielle normale et est progressivement modifié pour obtenir un ajustement optimal des données. Par exemple, en changeant la distribution exponentielle simple, nous pouvons arriver à la distribution de Weibull (en réaffirmant l'exposant lui-même avec un paramètre), ou à la distribution de Gonperas (avec un autre exposant dans l'exposant), entre autres. Parfois, la nature des données obtenues est si particulière qu'obtenir leur distribution peut être une tâche très difficile. Dans ces cas, les tests sont effectués avec les combinaisons des distributions susmentionnées ou d'autres. Souvent, des divisions indépendantes de l'exponentiel sont également utilisées. Si pour la première fois une combinaison ou une fonction est proposée pour un problème particulier, si le résultat est réussi, l'expression finira par prendre le nom de votre découvreur.
Les paramètres de réglage de la distribution sélectionnée sont généralement liés à des variables connues. Par exemple, l'EC50, la dose ou la concentration nécessaire pour que l'effet objet de l'étude se produise dans 50% de la population. En d'autres occasions, il est plus difficile de donner un sens biologique à tous les paramètres du modèle.
Pour surmonter ces difficultés il y a une autre voie de modélisation qui recueille la physiologie et le métabolisme des organismes étudiés. Par conséquent, les modèles suivants sont connus comme des « modèles toxicologiques basés sur la physiologie » (PBTK en anglais : Phisiology Based ToxikoKinetic models). Il s'agit donc d'une technique plus sophistiquée qui s'applique dans les cas suivants: l'être est divisé en compartiments, parfois un, parfois plus d'un, et on étudie comment le toxique passe par ces compartiments, obtenant les taux de métabolisme, absorption, distribution et élimination mentionnés ci-dessus. Chez les mammifères ou les poissons, la physiologie est plus connue, mais cette technique devient un véritable défi lorsque nous essayons de l'appliquer à certains invertébrés. Il est paradoxal que les données réduites de ces animaux rendent le modèle nécessaire.
Une autre façon de poser les modèles est de les relier aux effets qui produisent la structure moléculaire des toxiques pour pouvoir les extrapoler à d'autres toxiques de structure moléculaire similaire. Ces structures sont des modèles de "relation quantitative structure d'activités" (en anglais, QSAR: Quantitative Structure Activity Relationship). La relation est obtenue en gérant de grandes quantités de données, initialement par régression statistique et, actuellement, avec l'aide de l'informatique, en utilisant des réseaux neuronaux artificiels.
Par conséquent, si vous évaluez le modèle avec une quantité limitée de données, c'est-à-dire si vous montrez qu'il sert à exprimer ou à prédire d'autres données expérimentales, la prochaine étape sera de réaliser des simulations. Autrement dit, nous pouvons modifier certains paramètres du modèle pour voir l'influence de cette variation sur d'autres paramètres. Ou analyser l'évolution de tous les paramètres au fil du temps pour comprendre l'effet à long terme du toxique sur l'organisme sélectionné.
Conclusions
Bien que l'activité humaine implique souvent la dégradation des écosystèmes, nous disposons actuellement de ressources mathématiques efficaces pour étudier cet effet. L'identification des indicateurs biologiques des différents écosystèmes, ainsi que leur description au niveau fonctionnel et organique, peuvent être indispensables pour freiner la détérioration de l'environnement. Si nous pouvons comprendre les effets sur les bioindicateurs en utilisant des modèles mathématiques concrets, nous pouvons concevoir des stratégies appropriées pour éviter ou traiter des toxiques qui permettent un développement durable de l'activité humaine.
Bibliographie Bibliographie
Zu idazle
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