UPThèses

Le chlore, désinfectant largement employé dans le traitement de l’eau potable et des eaux de piscines (sous forme de chloroisocyanurates), est un oxydant puissant vis-à-vis des molécules organiques. Cependant, il peut également réagir avec les composés inorganiques présents dans l’eau traitée, notamment les ions bromure et l’azote ammoniacal, pour former du brome et des chloramines. L’objectif de ce travail a été d’évaluer l’impact des constituants inorganiques de l’eau sur la chloration de deux molécules rentrant dans la composition de la majorité des produits de soins corporels : la 3-benzophénone (BP3) et le methylparabène (MP). Ces composés sont de plus en plus retrouvés dans les eaux naturelles et les eaux de piscine. Une étude d’identification des sous-produits susceptibles de se former au cours de la chloration et de la bromation des eaux, a été réalisée par CLHP/UV/SM/SM. Parallèlement, un suivi de la toxicité a été effectué. Quel que soit le pH, les deux molécules sont dégradées relativement rapidement par le chlore et le brome, contre une réactivité restreinte pour la monochloramine à pH 8,5, laissant conclure un effet promoteur pour Br- et inhibiteur pour NH3 sur la dégradation des molécules organiques au cours de la chloration. Au cours de ce travail, les constantes cinétiques du chlore, du brome et de la monochloramine sur BP3 et MP ont été déterminées. Pour finir, et à partir des constantes cinétiques calculées, une modélisation a été réalisée sur Copasi®, afin d’estimer la cinétique de dégradation de BP3 et MP par le chlore et les chloroisocyanurates en présence de différentes concentrations de Br- et NH4+/NH3.

La présence dans les eaux de composés pharmaceutiques constitue de nos jours une préoccupation croissante. Une grande variété de composés pharmaceutiques a récemment été mise en évidence dans les eaux de surface. La chloration, l'ozonation et l'oxydation radicalaire sont fréquemment employés au cours de la filière de traitement des eaux pour leurs propriétés désinfectante et oxydante. Toutefois, des sous-produits d'oxydation peuvent être rémanents. Dans ce contexte, il est important de connaître la réactivité de ces procédés oxydants sur ces composés. Pour cela, l'étude de l'effet du chlore, de l'ozone et des radicaux HO• sur trois composés pharmaceutiques couramment utilisés (le métronidazole, le paracétamol et la lévofloxacine) a été menée. Dans un premier temps, une étude cinétique a été menée à 20°C qui a conduit à la détermination de constantes cinétiques. Pour chaque composé, une dégradation plus ou moins rapide a été observée suivant le procédé d'oxydation employé. Afin de prévoir le devenir des composés pharmaceutiques au niveau des étapes d'oxydation, une modélisation de la dégradation de chacun des composés pharmaceutiques (pour différentes concentrations en oxydant, temps de contact et qualités de l'eau) a été estimée. Dans un second temps, de nombreux sous-produits ont été identifiés par LC/MS et LC/MS/MS et des mécanismes réactionnels ont été proposés. Enfin, un suivi de la toxicité (suivi de l'inhibition de la luminescence de Vibrio fisheri) a été entrepris et comparé avec l'évolution des sous-produits d'oxydation. Une augmentation de la toxicité a été observée pour les premiers taux de traitement pour chaque oxydant et composé pharmaceutique testés.

Cette thèse a pour objet de contribuer au développement du procédé de dépollution des eaux usées industrielles par ozonation catalytique hétérogène mettant en oeuvre un catalyseur poudre breveté, déposé sur des mousses de différents matériaux. Pour cela, une molécule modèle réfractaire, l'acide succinique a été ozonée en présence de catalyseur dans un réacteur lors d'expériences au cours desquelles plusieurs paramètres d'importance pour l'efficacité du procédé ont été modifiés (localisation du catalyseur, configuration du réacteur, introduction d'ozone...). Dans un premier temps la cinétique réactionnelle a été déterminée en faisant varier les concentrations initiales en acide succinique et en catalyseur. Par la suite, l'influence de la localisation du catalyseur supporté au sein du système réactionnel et du mode d'introduction de l'ozone gaz a été étudiée. La variation du temps de séjour de la solution par variation d'une part du débit d'entrée et d'autre part du volume de solution dans le système a permis (i) la confirmation de la loi cinétique et (ii) la détermination d'un volume limite à partir duquel l'efficacité de la réaction est affectée. Les résultats obtenus ont aboutis à la proposition d'un mécanisme d'ozonation catalytique hétérogène en plusieurs étapes et à la définition de paramètres de dimensionnement en vue d'une application industrielle.

Grâce aux récents progrès en terme d'instrumentation analytique, la protéomique, en tant que science qui étudie le protéome d'un organisme ou d'un milieu, a connu un véritable tournant et a permis d'étendre le champ des connaissances sur le fonctionnement du vivant dans son ensemble (structure, fonction, métabolisme, dynamisme). Néanmoins, l'étude des protéomes représente un challenge pour de nombreux biologistes, chimistes et biochimistes, en raison notamment de la complexité des échantillons étudiés. De nombreux protocoles analytiques ont d'ores et déjà été développés. Cependant, dans leur ensemble, ces stratégies sont relativement longues et multi-étapes et le plus souvent ciblées sur une protéine donnée. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de simplifier les protocoles expérimentaux existants afin de limiter les pertes en protéines et ainsi amplifier leurs signaux au cours d'une analyse « Bottom-up » par LC-HRMS (analyse « hors gel »). Chaque étape du processus a été décortiquée et optimisée. Dans un premier temps, les paramètres UPLC-HRMS/MS ont été optimisés afin d'améliorer la détection et la quantification des protéines présentes à des concentrations très variables dans les milieux étudiés. Ensuite, une approche de purification simplifiée qui repose sur une seule et unique étape de lavage et solubilisation des protéines a été mise au point. La démonstration de son efficacité « chimique » et « biologique » a ensuite été réalisée via une étude mécanistique au cours de laquelle les changements de conformation des protéines ont été étudiés à chacune des étapes de purification proposées. Enfin, certains paramètres influençant l'extraction des protéines à partir de ces mêmes matrices ont été étudiés afin de proposer à terme un protocole d'extraction à la carte compatible avec une analyse directe par LC-HRMS/MS.

Le procédé de coagulation-floculation est une étape cruciale dans les filières de production d’eau potable. Les sels métalliques sont utilisés comme réactifs pour éliminer les particules en suspension, les colloïdes et la Matière Organique Dissoute (MOD) contenus dans les eaux de surface. Cependant, ils génèrent d’importantes quantités de boues difficilement valorisables. Bien que leurs propriétés floculantes soient reconnues depuis longtemps, les polymères bio-sourcés, comme le chitosan (CS), ne peuvent pas être considérés comme des alternatives viables en replacement de ces sels métalliques. Du fait de leur faible réactivité vis-à-vis des MOD et de l'apport en carbone organique dissous dans les eaux traitées provenant des polymères non réactifs, ils peuvent entrainer des dysfonctionnements dans les procédés situés en aval (colmatage des filtres, formation de sous-produits de désinfection). Dans ce manuscrit, l’association du chitosan avec des particules d’argile (Montmorillonite-MMT) a été étudiée afin de combiner les propriétés floculantes du biopolymère avec les capacités de sorption de l’argile pour former des flocs lestés et ainsi minimiser le relargage de CS dans les eaux traitées. Lors de l’optimisation de la préparation des hybrides CS-MMT dans l’objectif d’éliminer un composé modèle une relation structure-réactivité des hybrides a été démontrée. Le procédé de séchage, lors de la préparation des matériaux, s’est avéré être un paramètre-clé dans la stabilisation des hybrides sensibles à la minéralisation des eaux modèles et naturelles. L’application des hybrides optimisés pour le traitement de deux eaux de rivières (Vienne, Clain) a mis en évidence des différences de réactivité et de sélectivité entre les divers hybrides, FeCl3, CS et MMT. Les hybrides séchés ont ainsi présenté une meilleure élimination des composés de faibles poids moléculaires et peu hydrophobes tandis que les sels métalliques sont plus performants vis-à-vis des composés aromatiques, hydrophobes et de poids moléculaires élevés. Ces hybrides relarguant peu de chitosan résiduel dans les eaux traitées, leur performance peut être améliorée par une augmentation des doses de traitement.

Alors que des progrès ont été réalisés en termes de surveillance et de régulation de nombreux contaminants organiques dans le milieu aquatique, la présence et les risques associés à leurs produits de dégradation suscitent désormais beaucoup d’interrogations. Notamment, peu d'intérêt a été porté aux résidus de médicaments, bien que leur présence et leurs effets néfastes sur les organismes non-ciblés soient avérés. Ce travail apporte des éléments de réponse quant à la contamination de rivières par des produits de dégradation de médicaments (carbamazépine et diclofénac), ainsi qu’une première évaluation des risques environnementaux associés. L’étude de biofilms épilithiques a montré que la contamination n’est pas entièrement régie par les propriétés physico-chimiques des composés ou les régimes hydrologiques des cours d’eau. Par ailleurs, la géographie ainsi que les physico-chimies respectives peuvent expliquer certaines des différences observées entre les rivières étudiées (la Vienne et le Clain). De plus, les rejets de stations de traitement des eaux usées (STEU) jouent un rôle important dans l’enrichissement du milieu en certains composés. La comparaison avec les échantillonneurs passifs intégratifs (POCIS) a révélé la complémentarité ainsi que l’importance des deux types d’échantillonnage (biofilms, POCIS) pour une surveillance plus globale de la qualité du milieu. Ce travail a aussi démontré que des produits de dégradation de médicaments sont présents dans tous les compartiments du milieu aquatique étudiés (i.e. eaux, sédiments, biofilms, Corbicula fluminea), avec des concentrations et des distributions variables qui dépendent de la nature du compartiment, du cours d’eau où l’échantillonnage a été effectué ainsi que de la localisation du site d’échantillonnage par rapport à des zones de rejets (ville ou STEU). Une approche écotoxicologique par QSAR a mis en évidence que le diclofénac et ses produits de dégradation sont plus toxiques que la carbamazépine et ses produits de dégradation pour trois espèces types, représentant les algues vertes, les invertébrés et les poissons. Une évaluation des risques environnementaux (quotient de risque) a montré que l'hydroxydiclofénac, la 2-[(2-chlorophényl)-amine]-benzaldéhyde et la dibenzazépine présentent un risque plus élevé que les autres composés étudiés pour les différents organismes aquatiques. De plus, le risque associé à un mélange de diclofénac et de ses produits de dégradation associés s’avère supérieur à celui des composés considérés individuellement.

Ce sujet entre dans le cadre de l'étude d'un procédé d'oxydation avancé innovant dans le domaine de la dépollution des eaux, à savoir l'ionisation par faisceau d'électrons. Le radical hydroxyle (•OH) et l'électron hydraté (e−aq) sont les deux espèces majoritaires issues de l'ionisation de solutions aqueuses par un faisceau d'électrons d'intense énergie. Il a été démontré que la génération des radicaux supplémentaires tels que le radical sulfate (SO4•−) et le radical hydroxyle par les réactions radicalaires entre l'ion persulfate, le peroxyde d'hydrogène et l'électron hydraté respectivement, améliore l'efficacité de ce procédé pour la dégradation de polluants organiques en solution aqueuse. Dans le présent travail, la dégradation et la minéralisation de benzènesulfonate et naphthalènesulfonate de sodium, et d'acide gallique ont été obtenues par irradiation par faisceau d'électrons seul et couplé avec un oxydant (S2O8−−, H2O2). En absence d'oxydant une dose absorbée de 1,5 kGy a été suffisante pour l'élimination totale de ces composés. La présence d'oxydant permet généralement de réduire les doses d'irradiation nécessaires. Par ailleurs, l'augmentation de la concentration en oxydant ou de la dose appliquée a un effet bénéfique vis-à-vis de l'élimination du carbone organique. Cependant, le couplage S2O8−−/faisceau d'électrons est plus adapté que le couplage H2O2/faisceau d'électrons même en présence de constituants inorganiques. Les résultats obtenus soulignent l'importance du rôle du dioxygène dissous lors de l'étape de la minéralisation en vue de favoriser la formation des radicaux organiques (ROO•). Pour chaque une des molécules étudiées, des sous-produits d'oxydation...

La diffusion des micropolluants et plus particulièrement de la diffusion par les rejets de stations d’épuration (STEP) est une problématique récurrente depuis de plusieurs années dans la nécessité de protéger les milieux aquatiques du point de vu de la qualité chimique et écotoxique. Le développement de la spectrométrie de masse haute résolution et de l’accès aux bases de données a permis l’essor de l’analyse non ciblée appliquée aux matrices environnementales dont les eaux de STEP et les eaux de surfaces. Les objectifs de ce travail de thèse ont été de développer une méthode d’analyse non ciblée, de l’appliquer sur des eaux de stations d’épuration afin de les caractériser et d’étudier l’impact du traitement des eaux usées et du rejet des eaux traitées dans la rivière Clain. Des signaux pertinents et traceurs du rejet de STEP ont également été recherchés par l’utilisation d’analyses différentielles. Deux méthodes se basant sur les logiciels Mzmine 2 (avec R 3.5.1 et Excel en complément) et Compound Discoverer ont été développées. À la suite de ces développements, le logiciel Compound Discoverer a été conservé pour le reste des travaux de thèse. L’usage de trois réplicas a montré une réduction du nombre de faux positifs. L’effet matrice a également été évaluée de même que l’utilisation de l’extraction sur phase solide qui s’est avérée globalement positive. L’application de l’analyse non ciblée sur des entrées et sortie de STEP a montré une diminution du nombre de signaux détectés en sortie, principalement des signaux plutôt apolaires et/ou de taille importante mais a montré aussi l’apparition de nouveaux signaux. À partir de l’analyse différentielle, 375 signaux pertinents stables ou augmentant en sortie ont été sélectionnés et l’annotation d’une partie d’entre eux a été effectuée. L’étude de l’impact du rejet des eaux traitées a mis en lumière l’apport de nouveaux signaux dans le Clain. Malgré une baisse des valeurs des aires en aval immédiat, il n’a pas été observé de retour à l’état initial en amont. Une sélection de 305 signaux pertinents a été effectuée donc un faible nombre sont communs avec la liste réalisée à partir des échantillons de STEP, témoignant à la fois de l’intérêt de la méthode mais également de la difficulté de déterminer des traceurs apparentés réellement aux rejets de STEP. Des analyses de suspects ont également été réalisées en complément de l’analyse non ciblée.

L’objectif de ce travail a été d’étudier la présence, le devenir et le traitement de biocides dans les rejets d’un établissement hospitalier. Pour cela, 3 substances biocides, représentatives d’une activité de soins (i.e. didécylmethylammonium (DDAC), digluconate de chlorhexidine (CHD) et bis(aminopropryl)laurylamine (BAPLA)) ont été ciblées et 5 campagnes de prélèvements réalisées sur l’ensemble du réseau de collecte des eaux usées du CHU de Poitiers ont été menées. Dans ces conditions, une émission continue de biocides sur 24 h, avec des quantités rejetées en journée plus importantes du fait de la plus forte activité de soins et de nettoyage durant cette période a été montrée. Des concentrations de l’ordre de quelques mg/L pour le DDAC et de quelques dizaines de µg/L pour le CHD et le BAPLA ont été observées. En termes de flux massiques, la comparaison des quantités retrouvées dans les rejets aux quantités utilisées par le CHU a permis de préciser la nature des sources d’émission ainsi que les usages et/ou les pratiques les plus propices à ces rejets. Parallèlement, une étude laboratoire de la stabilité et du devenir des biocides dans les eaux résiduaires a été menée. Une première estimation des quantités adsorbées sur les matières en suspension a été obtenue. De même, les produits de dégradation susceptibles d’être générés lors du rejet de biocides en présence d’un résiduel de chlore ont été identifiés et l’évolution de l’écotoxicité vis-à-vis de Vibrio fisheri a été évaluée. Enfin, la possibilité d’un traitement à la source utilisant l’ozone pour limiter les rejets de biocides a été envisagée et une étude pilote sur le terrain a été menée.