vignette|Bloom de cyanobactéries. Après un changement de conditions climatiques (forte pression atmosphérique, arrêt du vent…), il peut s'ensuivre une « surflottabilité » de ces micro-organismes qui forment alors une « écume de surface » pouvant être emportée par le vent vers le bord (rivages abrités, baies calmes) où ils meurent en libérant leurs toxines. Les cyanotoxines sont des métabolites secondaires synthétisés par les cyanobactéries.
Elles peuvent être classées selon leur structure chimique en trois classes : peptides cycliques, alcaloïdes et lipopolysaccharides, ces dernières étant communes non seulement à toutes les cyanobactéries mais aussi aux bactéries gram négatives en général. On y trouve aussi des acides aminés non protéinogènes isolés comme la β-N-Méthylamino-L-alanine.
Il est aussi possible de les différencier selon leurs mécanismes de toxicité : hépatotoxines, neurotoxines et World Health Organisation (WHO), Toxic cyanobacteria in Water : A guide to their public health consequences, monitoring and management, edition, 1999..
Peptides cycliques et hépatotoxines
Alcaloïdes et neurotoxines
Dermatotoxines et lipopolysaccharides (LPS)
Les dermatotoxines ne sont connues qu'en milieu saléAgence française de sécurité sanitaire de l’environnement et du travail (AFSSET), Évaluation des risques liés à la présence de cyanobactéries et de leurs toxines dans les eaux destinées à l’alimentation, à la baignade l’eau de baignade et aux autres activités récréatives, juillet 2006.J. Dahlmann, W. R. Budakowski, B. Luckas, Liquid chromatography-electronspray ionisation mass spectrometry based method for the simultaneous determination of algal and cyanobacterial toxins in phytoplankton from marine waters and lakes by tentative structural elucidation of microcystins, Journal of Chromatography A 994: 45-574, 2003., alors que les LPS sont des composantes de la paroi cellulaire de toutes les cyanobactéries.
Toxicologie Plusieurs voies d’exposition sont possibles pour entrer en contact avec les cyanotoxines. Les voies principales sont l'ingestion d’eau contaminée et le contact primaire avec cette même eau. L'inhalation des toxines sous forme d’aérosols et la consommation d’organisme, qui aurait bio-accumulé une toxine, sont deux autres sources d’exposition plausiblesMinistère de la santé et des services sociaux et Santé Canada, Risque à la santé publique découlant de la présence de cyanobactéries et de mycrocystines dans trois bassins versants du Sud-ouest québécois tributaires du fleuve Saint-Laurent, décembre 2001.
Des études toxicologiques ont déterminé des effets aigus, chroniques, cancérogènes et tératogènes pour différentes cyanotoxines sur plusieurs organismes (majoritairement les souris), et selon plusieurs voies d’exposition.
Le tableau suivant présente des valeurs de DL50 chez la souris, obtenues par injection intra-péritonéaleC. Svrcek, D.W. Smith, Cyanobacteria toxins and the current state of knowledge on water treatment options: a review, J. Environ. Eng. Sci. 3: 155-184, 2004..
+ Valeurs de toxicité aiguë de cyanotoxines Cyanotoxine DL50 (ug/kg) Microcystine-LR 50 Microcystine-LA 50 Microcystine-YR 70 Microcystine-RR 600 (D-Asp3) microcystine-LR 50 à 300 (D-Asp3) microcystine-RR 250 (Dha7) microcystine-LR 250 (6Z-Adda) microcystine-LR > 1200 Nodularine 50 Cylindrospermopsine (pure) 2000 Anatoxine-a et homoanatoxine-a 200 à 250 Anatoxine-a(S) 20 Saxitoxine 10
À titre de comparaison, la toxicité aigüe par gavage chez la souris est située de masse corporel pour la microcystine-LR, les nodularines, les cylindrospermopsines et pour l’anatoxine-a. La saxitoxine (STX) présente des valeurs typiquement plus basses, soit près de chez la souris.
Le tableau suivant présente des valeurs de toxicité subchronique chez la souris où la DSENO est la « dose sans effet nocif observé ».
+ Valeurs de toxicité aiguë de cyanotoxines Cyanotoxine DSENO (ug/kg jour) Microcystine-LR 40 (souris, gavage, 13 semaines) Cylindrospermopsine 30 (souris, gavage, 11 semaines) anatoxine-a 98 (souris, gavage, 28 jours)
Les tests de toxicité pour une même cyanotoxine sont difficiles à mettre en perspective car ils ne sont pas tous effectués dans les mêmes conditions (méthodes de mise en contact, organismes testés, extraits purs vs extraits algaux). Dans le dernier cas, il pourrait y avoir des effets de synergie et/ou d’antagonisme entre l’organisme étudié et tous les métabolites d’origine algale, contrairement à la seule présence de cyanotoxines. Il faut donc être prudent dans l’interprétation des résultatsAgence française de sécurité sanitaire de l’environnement et du travail (AFSSET), Évaluation des risques liés à la présence de cyanobactéries et de leurs toxines dans les eaux destinées à l’alimentation, à la baignade l’eau de baignade et aux autres activités récréatives, juillet 2006..
Normes Les normes qui découlent des études toxicologiques sont appliquées à l’eau potable et aux activités qui comportent un contact avec l’eau. Selon le cas, elles distinguent les concentrations seuil par type de cyanotoxines ou de cyanobactéries au-delà desquelles on doit prendre des précautions et/ou des actions pour remédier à la situation. Les valeurs appliquées aux cyanotoxines prennent en compte les « cyanotoxines totales », c’est-à-dire celles qui sont sous la forme libre (dissoutes dans l’eau) et celles qui sont situées à l’intérieur des cellules. Elles sont exprimées en µg/L. Le tableau suivant présente les normes actuellement en vigueur et celles qui sont proposées dans divers paysSyndicat français des entreprises de services et d’assainissement (SPDE), Cyanobactéries : les traitements, conférence introductive, journée cyanobactérie 6 juin 2005..
+ Concentrations maximales tolérables de différentes cyanotoxines dans l’eau potable Cyanotoxine Pays/organisation Valeurs (ug/L) Microcystines France 1,0 Microcystines Canada 1,5 Microcystines OMS 1,0 Microcystines Brésil 1,0 Microcystines Australie 1,3* Microcystines Nouvelle-Zélande 1,0 et 0,1** Nodularines# Nouvelle-Zélande 1,0 Anatoxine-a# Nouvelle-Zélande 3,0 Anatoxine-a(S)# Nouvelle-Zélande 1,0 Cylindrospermopsine# Australie 1,0 Cylindrospermopsine# Nouvelle-Zélande 3,0 Saxitoxines# Brésil 3,0 Saxitoxines# Australie 3,0**% Saxitoxines# Nouvelle-Zélande 1,0 # Valeurs proposées ou recommandées Valeur qui prend en compte la toxicité de l’ensemble des microcystines Valeur qui prend en compte l’effet de promotion tumorale Valeur en µg STX-équivalent/L
Les valeurs utilisées au niveau de la concentration maximale tolérable de cyanobactéries sont exprimées en cellules/mL. Les normes en vigueur à propos de la concentration maximale tolérable dans l’eau de consommation et dans l’eau contaminée utilisée pour des fins récréatives, et avec laquelle il se produit des contacts primaires, sont de et respectivement. Comme en moyenne une cellule contient 0,2 pigogramme de toxines, une valeur de correspond à de toxine totale et la valeur de correspond à de toxine totale. Ces valeurs (cellules/mL) sont des moyennes et sont valables seulement si toutes les cyanobactéries contenues dans le volume d’eau sont productrices de cyanotoxines.
Analyses des cyanotoxines Les méthodes d’analyses peuvent être départagées en méthodes de criblage qui sont généralement très sensibles mais peu sélectives et en méthodes de confirmation qui sont très sélectives et présentent une sensibilité appréciable.
Parmi les méthodes de criblage, on retrouve les bio-essais sur divers organismes, la méthode immunologique ELISA (Enzyme linked immuno sorbent assay) et différentes méthodes enzymatiques utilisant les propriétés biochimiques des cyanotoxines.
Les méthodes de confirmation sont principalement des variantes de la chromatographie liquide haute performance couplée avec différentes méthodes de détection dont la plus performante est la spectrométrie de masse, qui elle-même présente une pluralité de types d’analyseurs.
Préparation des échantillons Un obstacle important aux méthodes d’analyse est la préparation de l’échantillon. En effet, mis à part pour les bio-essais où la préparation ne requiert que la lyse des cellules de façon à extraire les toxines intracellulaires, il est souvent nécessaire de se débarrasser de plusieurs substances pouvant créer des interférences et/ou de pré-concentrer les molécules d’intérêt.
Lyse et extraction Les cyanotoxines sont dissoutes dans la matrice liquide ou bien sont piégées à l’intérieur des cellules. Il est utile, voire nécessaire, de départager les échantillons en fonction de la matrice qui contient les toxines. Par filtration et centrifugation, on peut séparer les fractions solides, c'est-à-dire les cellules de cyanobactéries, de la matrice aqueuse constituant la fraction liquide.
Différentes techniques de lyses de la fraction solide sont utilisées comme le gel-dégel, la lyophilisation et la sonication (aussi nommée l’ultrasonication)L. A. Lawton, C. Edwards, Review: Purification of microcystins, Journal of Cromatography A 912: 191-209, 2001.. D’autres protocoles utilisent une procédure de lyse/extraction simultanée, comme l’extraction dans un solvant en ébullition et l’utilisation d’un micro-onde, qui permet d’effectuer une extraction de type SoxhletJ. S. Metcalf, G. A. Codd, Microwave oven and boiling waterbath extraction of hepatotoxins from cyanobacterial cells, FEMS Microbiology Letters 184: 241-246 (2000).. L’utilisation d’une extraction liquide pressurisée à température élevée est aussi utiliséeR. Aranda-Rodriguez, A. Tillmanns, F. M. Benoit, F. R. Pick, J. Harvie, L. Solenaia, Pressurized liquid extraction of toxins from cyanobacterial cells, Environmental toxicology, 20 (3), 390-396, Jun 2005..
Aucun solvant n’est universel pour l’extraction de l’ensemble des cyanotoxines, car leurs structures moléculaires ont un caractère hydrophobe ou polaire variable. De plus, le pH de la solution d’extraction est un paramètre qui est pour l’instant peu compris mais qui influe très probablement la solubilité des composés vu les groupements ionisables présents dans la majorité des cas.
Le tableau suivant présente les solvants les plus utilisés pour extraire les grandes classes de cyanotoxines. Hormis pour les microcystines, les autres solvants ne sont pas validés et font l'objet de proposition. Les conditions d’extraction des microcystines s’appliquent vraisemblablement aux nodularines qui sont des analogues structuraux des microcystines.
+ Solvant d’extraction et grandes classes de cyanotoxines Cyanotoxine Solvant Microcystines Eau : méthanol (entre 50 et 75 %) Anatoxines Eau légèrement acidifiée ou eau : méthanol Cylindrospermopsines Méthanol 25 % ou solution acide acétique 5 % (pH=3) Saxitoxines Eau : méthanol**
Purification et préconcentration Un problème inhérent à l’extraction, est la coextraction d’interférant générant un échantillon qui devient rapidement complexe. De plus, les fractions liquides, généralement aqueuses, ont une concentration très faible en cyanotoxines dissoutes. Il faut donc purifier les molécules d’intérêt avant de les quantifier ou les concentrer de façon à dépasser les limites de quantification de l’appareil d’analyse.