L’introduction de composé d’origine anthropogénique (produits pharmaceutiques, et de soin personnel, retardateur de flammes, plastifiants, etc.) par les stations de traitement des eaux usées municipales ainsi que le devenir de ses composés dans l’environnement est une problématique d’intérêt mondial. L’élimination de ses contaminants d’intérêt émergent des eaux usées s’effectue au niveau des stations de traitement des eaux usées qui, pour la plupart, ne sont pas conçues pour réaliser cette tâche. En effet, celles-ci présentent des niveaux très variables d’efficacité de dégradation/transformation de la plupart des contaminants émergents ce qui laisse dans l’effluent de ces stations des concentrations habituellement inférieures à quelques microgrammes par litres d’au moins plusieurs centaines de contaminants. Quelques études ont démontrés que l’exposition chronique à ces concentrations environnementales de différents CIE donne lieu à des effets toxiques chez le méné à tête de boule (effondrement de la population) et le gammare (diminution de l’activité). Cependant, les méthodes classiques utilisées pour l’évaluation de la toxicité ne sont pas suffisamment sensibles pour déceler des effets sublétaux aux concentrations environnementales observées dans les milieux recevant ces rejets de station d’épuration. Bien entendu, il est impossible de concevoir un procédé unique capable d’éliminer la totalité des contaminants d’intérêt émergent (présents ou futurs) des eaux usées. Il est donc nécessaire de créer des approches capables de prioriser et de cibler les composés qui doivent être éliminés. Ce projet de recherche met de l’avant l’hypothèse qu’une étude métabolomique ciblé serait capable de répondre à cette problématique. L’approche utilisée vise à ajouter un ou plusieurs points de terminaison (fluctuation des métabolites) au test de toxicité aiguë des effluents déjà effectué sur la puce d’eau (Daphnia magna) en quantifiant des molécules essentielles à la survie de cette espèce (ecdystéroïdes et acides rétinoïques). Les daphnies sont des modèles idéaux pour ce type d’étude puisqu’il s’agit d’organismes essentiels du zooplancton dans le monde entier. L’espèce D. magna est retrouvée dans l’hémisphère nord dans les lacs, rivières et étangs temporaires, elle se reproduit rapidement, est facile à cultiver et se reproduit par parthénogénèse. La quantification des ecdystéroïdes et acides rétinoïques aux concentrations observées chez la puce d’eau (picogramme par individus) est typiquement atteinte par dosage radio-immunologique (radioimmunoassay). Cependant, ce type de méthode ne permet pas d’identifier spécifiquement l’analyte ciblé, mais plutôt la somme de toutes molécules produisant une réaction immunologique similaire à celui-ci appelée "équivalent immunologique" et les résultats obtenus dépendent de l’anticorps, de la préparation effectuée et du lot de l’anticorps utilisé. Ce manque de sélectivité et variabilité des données obtenues pose problème pour la comparaison inter-laboratoires de résultats et a donc forcé le développement d’une nouvelle méthode analytique. Le présent document décrit le développement et la validation d’une méthode de quantification par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse permettant d’atteindre des limites de quantification allant de 210 à 380 pg mL-1 pour trois ecdystéroïdes (20-hydroxyecdysone, ecdysone et ponasterone A) et de 5 ng mL-1 pour la somme des isomères de l’acide rétinoïque. La quantification de ces analytes aux faibles concentrations observées chez la puce d’eau a nécessité l’optimisation des paramètres instrumentaux, de la préparation d’échantillon et l’optimisation des conditions chromatographiques. Au final, la 20-hydroxyecdysone a pu être quantifiée à 19 ± 8 pg ind-1 pour les adultes (475 ± 200 pg mL-1, n=3) et à 3.6 ± 1.0 pg ind-1 pour les juvéniles (360 ± 10 pg mL-1, n=3), mais seulement détectée chez les néonates à 0.19 pg ind-1 (19 pg mL-1, n=3). L’ecdysone a également pu être détectée à 1.8 pg ind-1 chez les spécimens de taille adulte (180 pg mL-1, n=3). Le projet suivant vise à augmenter les connaissances sur l’effet de contaminants d’intérêt émergents sur l’environnement et sur le métabolisme de la puce d’eau D.magna ainsi que fournir une méthode potentiellement capable d’évaluer le risque d’exposition à des concentrations environnementales et permettre de prioriser les composés à être évaluer.

Les estrogènes et les bêtabloquants transitent quotidiennement par les réseaux d'assainissement et les stations d'épuration des eaux résiduaires urbaines. Une première partie de ce travail a consisté à développer des méthodes pour analyser ces micropolluants émergents dans les boues de station d'épuration et les matières en suspension. L'efficacité des traitements épuratoires a ensuite été évaluée vis-à-vis de l'élimination de ces molécules. En règle générale, les 5 estrogènes étudiés (estrone, 17α- et 17β-estradiol, estriol, 17α-éthinylestradiol) sont plutôt bien éliminés par les stations d'épuration avec des efficacités d'élimination généralement supérieures à 90%. Pour les 10bêtabloquants analysés (acébutolol, aténolol, bêtaxolol, bisoprolol, métoprolol, nadolol, oxprénolol,propranolol, sotalol et timolol), des comportements différents ont été observés. Alors que l'acébutololet le nadolol sont éliminés (abattements moyens supérieurs à 80%), d'autres molécules comme lesotalol et le propranolol ne sont que peu impactées par les traitements épuratoires (abattements moyens inférieurs à 20%). Pour les autres bêtabloquants étudiés, des abattements intermédiaires (entre 40 et 70%) sont observés. Excepté le propranolol, qui est le plus hydrophobe des bêtabloquants étudiés, les molécules ciblées dans cette étude s'adsorbent peu sur les matières en suspension (en moyenne 90% des molécules se trouvent dans la phase dissoute) et ne sont pas concentrées dans les boues ; les abattements mesurés correspondent donc, sauf pour le propranolol,à une biodégradation et pas à un transfert des micropolluants vers les boues. Les molécules résiduelles non éliminées par le traitement épuratoire rejoignent le milieu aquatique récepteur. Les rejets de station d'épuration représentent en effet une source de contamination pour les milieux aquatiques et l'impact de ces rejets est visible, notamment en termes d'augmentation des concentrations de micropolluants mesurées dans le milieu. Néanmoins, les faibles concentrations mesurées ne semblent pas individuellement représenter de risque environnemental majeur ; seul le propranolol a présenté sur 4 des 15 sites étudiés un quotient de risque supérieur à 1 ce qui indique un risque environnemental probable. Cependant, même si le risque associé à une molécule est faible,chaque molécule présente dans l'environnement contribue au potentiel toxique global des substances présentes dans l'environnement.

Les estrogènes et les bêtabloquants transitent quotidiennement par les réseaux d’assainissement et les stations d’épuration des eaux résiduaires urbaines. Une première partie de ce travail a consisté à développer des méthodes pour analyser ces micropolluants émergents dans les boues de station d’épuration et les matières en suspension. L’efficacité des traitements épuratoires a ensuite été évaluée vis-à-vis de l’élimination de ces molécules. En règle générale, les 5 estrogènes étudiés (estrone, 17α- et 17β-estradiol, estriol, 17α-éthinylestradiol) sont plutôt bien éliminés par les stations d’épuration avec des efficacités d’élimination généralement supérieures à 90%. Pour les 10bêtabloquants analysés (acébutolol, aténolol, bêtaxolol, bisoprolol, métoprolol, nadolol, oxprénolol,propranolol, sotalol et timolol), des comportements différents ont été observés. Alors que l’acébutololet le nadolol sont éliminés (abattements moyens supérieurs à 80%), d’autres molécules comme lesotalol et le propranolol ne sont que peu impactées par les traitements épuratoires (abattements moyens inférieurs à 20%). Pour les autres bêtabloquants étudiés, des abattements intermédiaires (entre 40 et 70%) sont observés. Excepté le propranolol, qui est le plus hydrophobe des bêtabloquants étudiés, les molécules ciblées dans cette étude s’adsorbent peu sur les matières en suspension (en moyenne 90% des molécules se trouvent dans la phase dissoute) et ne sont pas concentrées dans les boues ; les abattements mesurés correspondent donc, sauf pour le propranolol,à une biodégradation et pas à un transfert des micropolluants vers les boues. Les molécules résiduelles non éliminées par le traitement épuratoire rejoignent le milieu aquatique récepteur. Les rejets de station d’épuration représentent en effet une source de contamination pour les milieux aquatiques et l’impact de ces rejets est visible, notamment en termes d’augmentation des concentrations de micropolluants mesurées dans le milieu. Néanmoins, les faibles concentrations mesurées ne semblent pas individuellement représenter de risque environnemental majeur ; seul le propranolol a présenté sur 4 des 15 sites étudiés un quotient de risque supérieur à 1 ce qui indique un risque environnemental probable. Cependant, même si le risque associé à une molécule est faible,chaque molécule présente dans l’environnement contribue au potentiel toxique global des substances présentes dans l’environnement. / Estrogens and beta blockers are daily excreted by human beings and wastewater treatmentplants are recognised as the main pathway of these emerging micropollutants to the aquaticenvironment. This study aims at analyzing 5 estrogens (estrone, 17α- and 17β-estradiol, estriol, 17α-ethynylestradiol) and 10 beta blockers (acebutolol, atenolol, betaxolol, bisoprolol, metoprolol, nadolol, oxprenolol, propranolol, sotalol et timolol) in urban wastewater treatment plants and surface waters.First of all, methods were developed for the analysis of target molecules in sewage sludge and suspended particulate matters. Then, estrogens and beta blockers were studied in urban wastewater treatment plants. Generally, wastewater treatments are efficients to remove estrogens fromwastewater with mean removal rates above 90%. For beta blockers, acebutolol and nadolol areefficiently removed (mean removal rates of about 80%), while sotalol and propranolol are hardlyimpacted by wastewater treatment (mean removal rates below 20%). Other studied beta blockerspresent intermediate removal rates (between 40 and 70%). Except propranolol which is the lesshydrophilic molecule among the different studied beta blockers, target molecules are not adsorbed onsuspended particulate matters (mean proportion of 90% of the target molecules are present in the dissolved phase) and are not concentrated into sludge. So, calculated removal rates correspond,except for propranolol, to biodegradation and not to transfer into sludge. Residual molecules which are not removed by wastewater treatment reach the aquatic environment. The impact of wastewater treatment plants on the receiving rivers was studied showing a clear increase of target molecules concentrations near the wastewater treatment plants outfall. However, only propranolol presented an environmental risk ratio in the range or above 1 showing a possible environmental risk in 4 studied receiving waters out of 15. Never the less, even if no specific toxic effects are pointed out, each molecule contributes to the overall toxic potential of the substances present in the aquatic environment.

Le transfert et les effets de 3 éléments traces métalliques (ETMs : Cd, Pb et Zn) dans les réseaux trophiques terrestres ont été étudiés sur une zone de 40 km2 polluée par l'ancienne fonderie de Metaleurop Nord (France). Les objectifs étaient (i) d'identifier les principaux facteurs expliquant les concentrations en ETMs dans les sols et les animaux étudiés, de déterminer à quelles échelles spatiales ces facteurs interviennent et si le paysage module les contaminations; (ii) de mesurer les réponses des espèces étudiées à différents niveaux d'organisation biologique et de rechercher des liens entre réponses individuelles et/ou populationnelles. Des échantillonnages portant sur les sols d'habitats ligneux (milieux boisés favorables pour les espèces étudiées) et plusieurs espèces d'escargots et de micromammifères ont été menés durant 3 années consécutives à plusieurs saisons. L'analyse de la distribution spatiale de la contamination des sols montre que les variables expliquant les concentrations totales en ETMs dans les sols (distance à la source, fréquence du vent) agissent à des échelles spatiales relativement larges, alors que des facteurs locaux (caractéristiques des sols, notamment le pH) déterminent les concentrations extractibles au CaCl2 (considérées comme disponibles). Des méthodes géostatistiques d'interpolation spatiale, krigeage ordinaire et universel, ont permis de générer des cartes de contamination des sols sur l'ensemble de la zone d'étude et d'établir une évaluation du risque spatialisée pour les invertébrés et vertébrés des habitats ligneux (basée sur les Eco-SSLs de l'US EPA). Les relations entre les concentrations en ETMs des animaux et des sols ont été étudiées chez 2 espèces d'escargots (Cepaea sp et Oxychilus draparnaudi) et 2 espèces de micromammifères (Crocidure musette Crocidura russula et Campagnol roussâtre Myodes glareolus) sympatriques ayant des régimes alimentaires contrastés. Les concentrations internes augmentent avec la contamination des sols et sont toujours mieux expliquées par les concentrations totales qu'extractibles, sauf pour Cepaea sp. Le paysage influence les niveaux d'ETMs accumulées et leur augmentation le long du gradient de pollution. L'échelle spatiale à laquelle la corrélation entre les concentrations en ETMs dans les animaux et les sols est la meilleure varie entre espèces et entre paysages. Les facteurs physiologiques et écologiques, tels que le régime alimentaire mais aussi la préférence et l'exploitation d'habitat, modulent la bioaccumulation des ETMs. L'influence des caractéristiques du récepteur (sexe, âge, régime alimentaire...) sur l'accumulation et la séquestration des ETMs a été étudiée chez plusieurs micromammifères sympatriques (Mulot sylvestre Apodemus sylvaticus, Campagnol roussâtre, Musaraigne carrelet Sorex araneus et Musaraigne pygmée Sorex minutus). L'âge plus que le sexe, et l'espèce plus que le niveau trophique, influencent les niveaux d'ETMs et de métallothionéines (MTs) et leurs relations. Trois patrons de relations entre capacité d'accumulation des ETMs et production de MTs ont été identifiés. Des mesures de santé individuelle suggèrent que la sensibilité des récepteurs aux ETMs (musaraigne < campagnol < mulot) décroît quand leur capacité de production de MTs augmente. La mesure des MTs seule ne constitue pas un biomarqueur d'exposition pertinent, mais elle est nécessaire pour interpréter la probabilité d'occurrence d'effets délétères. La variabilité temporelle de l'accumulation des ETMs a été étudiée chez le Campagnol roussâtre, mettant en évidence des différences inter-annuelles et inter-saisonnières. Tandis que le Pb (foie et reins) montre des variations inter-saisonnières (printemps < automne), le Cd et le Zn ont des patrons différents entre organes, et des variations inter-annuelles sans effet saisonnier net. L'adaptation potentielle à la pollution métallique de 2 escargots autochtones du site d'étude, l'escargot petit-gris Cantareus aspersus et l'escargot des bois Cepaea nemoralis, a été examinée : des individus issus de 2 origines (parents exposés ou non aux ETMs) ont été exposés in situ en microcosmes dans une expérience de transplantation croisée. L'analyse de l'accumulation des ETMs (facteur de bioaccumulation, paramètres cinétiques) ne montrent pas d'adaptation. Cependant, les caractéristiques de la coquille suggèrent des processus d'acclimatation et d'adaptation à travers une modification du métabolisme du Ca. Ce travail montre que l'analyse de la réponse d'un organisme à la pollution doit s'appuyer sur la mesure de plusieurs paramètres (bioaccumulation, biomarqueur, indice de santé, population...), et que l'interprétation d'une mesure nécessite sa mise en perspective dans son contexte global en changeant de niveaux de perception (niveau d'organisation biologique, contextes temporel et spatial). Dans le cadre de l'évaluation du risque environnemental et de la biosurveillance, nos travaux soulignent la nécessité des suivis à long terme, et de la mise en place de procédures sur des étendues pertinentes par rapport aux processus écologiques qui participent aux réponses observées et tenant compte du paysage.