Th.--Méd.--Paris, 1887-1888. / Paris, 1887-1888. Tome 14.

Th.--Méd.--Paris, 1906-1907. / Paris, 1906-1907, t. 13, n ° 249.

Depuis une vingtaine d’années, des campagnes de mesures de la qualité de l’air intérieur des piscines couvertes ont révélé la présence de composés toxiques, notamment de chloroforme (cancérigène probable pour l’homme) à des concentrations très supérieures à la valeur toxicologique de référence recommandée par l’Anses. Ainsi, la garantie de la santé des baigneurs nécessite de pouvoir détecter facilement le dépassement de cette valeur limite.Pour pallier à l’absence d’appareil répondant à ce besoin, l’objectif de cette thèse est donc d’élaborer un capteur colorimétrique, fait d’une matrice nanoporeuse dopée en molécules-sondes capables de réagir de façon sélective et sensible avec le chloroforme pour former un produit coloré.La réaction de Fujiwara a été sélectionnée pour notre capteur et son optimisation a permis de dégager les conditions optimales qui devront être reproduites dans les pores de la matrice sol-gel pour assurer un fonctionnement optimal du capteur. En raison des contraintes imposées par la réaction de Fujiwara, un nouveau type de matrices mixtes silice-zircone a été développé pour héberger cette réaction en phase gaz.La maîtrise fine de la différence de réactivité entre les précurseurs de silice (peu réactifs) et les précurseurs de zircone (très réactifs) nous a permis de moduler à la fois l’homogénéité, l’absorbance et la porosité de ces matrices de façon à obtenir des matrices présentant les caractéristiques requises de transparence, porosité, tenue mécanique, absorbance et compatibilité avec la réaction colorimétrique choisie.Le dopage de cette matrice avec les réactifs de Fujiwara finalement été réalisé avec succès et la fonctionnalité du capteur a été démontrée. / During the last twenty year, indoor swimming-pool air quality measurement campaigns confirmed the presence of toxic compounds such as chloroform (carcinogenic) at higher level than those advised by French authorities. Hence, the ability to easily perform direct detection of chloroform at concentration above the advised threshold is crucial to ensure the safety of swimmers.At the moment, no devices seems to meet such a need. This PhD work aims at preparing a colorimetric sensor suited to this application, thanks to a nanoporous material incorporating probe-molecules to specifically react with chloroform and yield a coloured product.The optimization of the Fujiwara colorimetric reaction was carried out and the best mode to be used within the nanopores in the gas phase was identified. A new type of silica-zirconia materials had to be specifically developed to resist to the harsh chemical conditions of the Fujiwara reaction.Fine-tuning of the differential reactivity of silica (slow) and zirconia (fast) precursors led to a good control of the homogeneity, absorbance and porosity of the materials which was absolutely essential to meet the specifications of transparency, porosity, mechanical stability, absorbance and ability to host the Fujiwara reaction.Such materials were successfully doped with Fujiwara reagents, and the functional material obtained was validated as a chloroform sensor.

L’évaluation de l’exposition aux composés organiques volatils (COV) recourt couramment à l’analyse des métabolites urinaires en assumant qu’aucune interaction ne survient entre les composés. Or, des études antérieures ont démontré qu’une inhibition de type compétitive survient entre le toluène (TOL), l’éthylbenzène (EBZ) et le m-xylène (XYL). Le chloroforme, qui est également un solvant métabolisé par le CYP2E1, se retrouve souvent en présence des autres COV dans les échantillons de biosurveillance. La présente étude visait donc à évaluer si le chloroforme (CHL) peut lui aussi interagir avec ces COV et évaluer ces interactions au niveau de l’excrétion des biomarqueurs urinaires associés, soit l’o-crésol, l’acide mandélique et l’acide m-méthylhippurique pour TOL, EBZ et XYL respectivement. Afin d’obtenir des données humaines, cinq volontaires ont été exposés par inhalation à différentes combinaisons de COV (seuls et mélanges binaires ou quaternaires) où la concentration de chacun des composés était égale à 1/4 ou 1/8 de la valeur limite d’exposition (VLE) pour une durée de 6h. Des échantillons d’air exhalé, de sang et d’urine ont été récoltés. Ces données ont ensuite été comparées aux modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PCBP) existants afin de les ajuster pour l’excrétion urinaire. Certaines différences ont été observées entre les expositions aux solvants seuls et les coexpositions, mais celles-ci semblent majoritairement attribuables aux remplacements de participants à travers les différentes expositions. Les valeurs de Vmax pour EBZ et CHL ont été optimisées afin de mieux prédire les niveaux sanguins de ces COV. À l’exception du modèle pour EBZ, tous les paramètres pour l’excrétion urinaire ont été obtenus à partir de la littérature. Les modèles adaptés dans cette étude ont permis de simuler adéquatement les données expérimentales. / Evaluation of volatile organic compounds (VOC) exposure commonly resorts to urinary metabolite analyses, assuming that no interaction occur between coexposed chemicals. However, previous studies have reported competitive inhibition between toluene (TOL), ethylbenzene (EBZ) and m-xylene (XYL). Chloroform, which is also metabolized by CYP2E1, is also often found in human biomonitoring samples along with the mentioned VOCs. The goal of the present study was to evaluate if chloroform (CHL) can interact with previous VOC and to evaluate those interactions at the urinary biomarker excretion level for corresponding metabolites, namely o-cresol, mandelic acid and m-methylhippuric acid for TOL, EBZ and XYL respectively. To obtain human data, five male volunteers were exposed by inhalation to different VOC combinations (single and binary or quaternary mixtures) where concentration of each chemical was equal to 1/4 or 1/8 of the threshold limit value (TLV) for 6h. Exhaled air blood and urine samples were collected. These data were then compared with existing physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model predictions for adjustment for urinary excretion. Some differences were observed between single and mixed exposures but they may be mainly related to volunteer replacements throughout experiments. Vmax values for EBZ and CHL were optimized to better fit blood data. Except for EBZ model, all urinary excretion parameters were taken from the literature. Models adapted in the present study adequately simulated experimental data.

Le chlore est largement utilisé pour ses propriétés bactéricides dans les piscines. Dans les eaux de piscine, le chlore réagit avec les matières azotées et carbonées générées par l’activité humaine (sueur, salive, urine, peau) pour former divers composés toxiques tels que la monochloramine (NH2Cl), la dichloramine (NHCl2), le trichlorure d'azote (NCl3), le chloroforme (CHCl3), etc… qui se retrouvent dans l’atmosphère. La détection et la quantification de ces composés volatils à des teneurs ppb (partie par milliard) est un réel besoin afin de contrôler la qualité de l’air des piscines. Cependant il n’existe pas à ce jour des appareils à la fois sensibles et peu coûteux.L’objectif de ce travail de thèse est d’élaborer des capteurs chimiques colorimétriques, sensibles, sélectifs et peu coûteux de la monochloramine, du trichlorure d’azote et du chloroforme. Dans ce but, nous avons mis au point des capteurs chimiques réalisés à partir de matrices nanoporeuses de silicate dopée des réactifs. Ainsi le capteur de NCl3 dopé de NaI et d’amylose permet de mesurer de faibles teneurs de NCl3 (5 ppb à 180 ppb) dans les atmosphères humides (50-80% HR) des piscines. Grâce au changement rapide de couleur, de transparent à rose-violet, visible à l’œil nu, le capteur de NCl3 permet de surveiller la qualité de l’air dans les piscines. Le capteur sélectif de NH2Cl est basé sur la réaction de Berthelot. La matrice de silicate nanoporeuse dopée de nitroprussiate de sodium et de phénol en milieu alcalin, initialement transparente, devient bleue lors d’une exposition à NH2Cl gazeux. Ce capteur permet de détecter NH2Cl dans la gamme de 60 à 250 ppb dans une atmosphère très humide (≈ 80%). Utilisé pour la sonder la qualité des eaux de piscine, il permet de mesurer NH2Cl dans l’eau avec une limite de détection de 0,1 µmol•L-1. Une étude préliminaire de la détection de CHCl3 a également été entreprise pour déterminer les molécules-sonde aptes à réagir avec le chloroforme en formant des produits colorés. Les réactifs de la réaction de Fujiwara ont été sélectionnés. L’étude de la réactivité de la 2,2’-bipyridine en solution en présence d’une base forte a permis de mettre en évidence la formation simultanée de deux composés colorés, dont la formation dépend de la nature de l’environnement réactionnel. / In swimming-pools, chlorine is used as a disinfectant to minimize the risk to users from microbial contaminants. In water, chlorine reacts with nitrogen compounds generated by human activity like saliva, sweat, urine and skin, leading to the formation of toxic compounds, such as monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2), nitrogen trichloride (NCl3), chloroform (CHCl3), etc… The detection and the quantification of these volatile compounds at ppb level (part per billion) is an important and significant challenge to be able to monitor the air quality in swimming pool. Or, there is currently no commercially available and low-cost system which can instantaneously measure at ppb concentrations.The aim of this research is to develop a cheap, sensitive and selective chemical and colorimetric sensors of monochloramine, nitrogen trichloride and chloroform. For this purpose, we developed chemical sensors based on the use of nanoporous silicate matrices doped with probe-molecules. The NCl3 sensor doped with NaI and amylose can detect NCl3 at ppb level (5 ppb – 180 ppb) in humid atmospheres (from 50% to 80% relative humidity) at ambient pool temperatures. Due to the fast change of color, visible with naked eyes, these sensors can be used to detect peaks of pollution and to monitor the air quality of indoor pools. The NH2Cl selective sensor is based on the Berthelot reaction. The nanoporous silicate matrices doped with sodium nitroprusside and phenol in an alkaline medium, turn from transparent to blue upon exposure to gaseous NH2Cl. This sensor can detect NH2Cl in the range from 60 to 250 ppb in a very humid atmosphere (≈ 80%). Used to probe the quality of pool water, this sensor can detect NH2Cl in water with a detection limit of 0,1 µmol•L-1. A preliminary study of the CHCl3 detection was also conducted to identify probe-molecules capable of reacting with chloroform to form colored products. The reagents of the Fujiwara reaction were selected. The study of the 2,2’-bipyridine reactivity in solution in the presence of a strong base allowed highlighting the simultaneous formation of two colored compounds, whose formation depends on the nature of the reaction environment.

Ce travail a été consacré à l'étude des sous-produits de désinfection formés lors de la chloration des eaux de piscine publiques. En effet, parallèlement à son action désinfectante, le chlore réagit sur les composés organiques et minéraux introduits dans l'eau des bassins par les baigneurs (urine, sueur, ...) pour former des sous-produits indésirables (chloramines et composés organohalogénés).Des analyses d'urée, principal composé précurseur de chloramines inorganiques, ont été effectuées dans une cinquantaine d'eaux de piscine. Les concentrations mesurées ont été comprises entre 0,14 et 3,67 mg/L (valeur moyenne : 1,08 mg/L ; écart-type : 0,70 mg/L). L'étude de la réactivité du chlore sur l'urée (cinétique et consommation de chlore) effectuée sous différentes conditions expérimentales a mis en évidence une très grande stabilité de l'urée en présence de chlore libre dans les eaux de piscines.Les analyses de sous-produits de chloration ont démontré que l'hydrate de chloral représente l'un des sous-produits de chloration majoritaire avec les acides dichloroacétique et trichloroacétique. Cette étude a aussi permis de déterminer la constante cinétique d'hydrolyse de l'hydrate de chloral dans l'eau, l'influence du pH et de la température sur la vitesse d'hydrolyse, ainsi que les potentiels de formation d'hydrate de chloral à partir de quelques constituants de l'urine.La dernière partie de ce travail a porté sur l'étude de la réactivité de l'ozone sur le chlore et sur des sous-produits de chloration ainsi que sur l'étude de l'incidence d'une préozonation des eaux de piscines (en absence et en présence de chlore libre) sur la formation des sous-produits organohalogénés lors d'une post-chloration. / The aim of this work was to study of the formation of disinfection by-products during the chlorination of public swimming pools water. In parallel to its disinfecting action, chlorine reacts with organic and inorganic compounds introduced into the swimming pool water by bathers (urine, sweat, ...) to form undesirable by-products (chloramines and organohalogenated matters).A statistical study of the presence of urea, the major component of urine and sweat, and the main precursor compound of inorganic chloramines, in public swimming poolwater has been made. Measured concentrations were between 0.14 and 3.67 mg/L (mean value: 1.08 mg/L, s.d: 0.70 mg/L). The study of the reactivity of chlorine with urea (kinetic and chlorine consumption) made under different experimental conditions, showed a very high stability of urea in the presence of free chlorine in the pools water.Analysis of chlorination by-products showed that chloral hydrate, with the dichloro and the trichloroacetic acids, is one of the major chlorination by-products found. This study also determined the kinetic rate constant of hydrolysis of chloral hydrate in water, the influence of the pH and the temperature on the rate of hydrolysis and the potential of chloral hydrate formation from some constituents of the urine.The last part of this work was focused on the study of the reactivity of ozone on chlorine and some disinfection by-products, as well as the study of the impact of preozonation of swimming pools water (in absence and presence of free chlorine) on the formation of organohalogenated by-products during a post-chlorination.