L'objectif principal de ce travail de thèse concerne l'étude de l' élimination de la DCO et de la nitrification dans une nouveau lit bactérien Multi-Section ( MSB ) . Après une caractérisation de l’hydrodynamique et du transfert d’oxygène de ce lit bactérien, les expériences biologiques menées sous des conditions opératoires contrastées (fortes et faibles charges organiques eteaux usées contenant ou pas des matières particulairs) ont été menées. En parallèle, des simulations avec le logiciel Biowin® ont été réalisées. Les principaux résultats sont résumés en suivant :- La rétention de liquide statique est majoritaire par rapport à la rétention dynamique que ce soit en présence ou en absence de biofilm. Le biofilm joue le rôle d’une "éponge" permettant un maintien de l’humidité du lit même à faible débit. Les expériences de DTS ont montré que le biofilm accroit le temps de séjour du liquide et conduit à une diminution de l’épaisseur du film liquide permettant ainsi de promouvoir le transfert de l'oxygène.- Le réacteur MSB montre une élimination efficace de la DCO (> 95 % ) et de la nitrification ( > 60 % de l’azote entrant), mais une accumulation de DCO particulaire a lieu dans le filtre ce qui conduira à un colmatage à terme. La nitrification cohabite avecl’élimination de la DCO même dans la première section et pour une charge organique élevée ce qui implique une bonne capacité d’oxygénation du MSB par l’aération naturelle.- Un modèle dynamique de MSB a été utilisé implémenté sur le simulateur - BioWin , afin d'obtenir la répartition des biomasses au sein du réacteur et d'évaluer le processus limitant dans chaque section. Le modèle partiellement calibré peut aider à estimer les besoins minimum d'oxygène pour la nitrification et peut rendre compte de la compétition entre la croissance hétérotrophe et la nitrification. / The main objective of this PhD work focused on the study of the COD removal and nitrification in a new designed Multi-Section Bioreactor (MSB). Hydrodynamic characterization of the reactor, biological experiments under contrasted conditions and simulations by Biowin® software were carried out:- Firstly, it was found that static liquid retention is the predominant part both without and with the presence of biofilm. Biofilm acts like a "sponge". RTD experiments showed that biofilm can promote liquid residence time, decrease the liquid film andpromote the oxygen transfer consequently.- Secondly, the MSB operated at contrasted organic loading rate (OLRs) and nitrogen loading rate (NLRs) showed that COD can be effectively removed (removal efficiency > 95%) and nitrification (> 60% of the N removal) occurred in this biofilter.Nitrification is efficient even in the first section implying no drastic oxygen limitation though only natural aeration is occurring.- Thirdly, a TF dynamic model has been used from a simulator - BioWin, in order to get more insights on the biomass distribution in the pilot and to assess the limiting process in each section of the bioreactor. Calibration of the model can help us to estimate theminimum oxygen requirement for nitrification for each zone inside the pilot and it can well represent the competition between heterotrophic growth and nitrification.

L'électrocoagulation (EC) est une méthode électrochimique non spécifique couramment utilisée pour le traitement de l'eau et des eaux usées. Dans ce travail, l’EC est d'abord étudiée comme une technique classique de traitement des eaux usées dédiée à l'élimination des protéines de lactosérum de l'eau pour laquelle les mécanismes d'élimination sont expliqués et un modèle est développé. Ensuite, l'utilisation de l’EC est étendue à la séparation et à la purification d’acides gras volatils issus de la fermentation acidogénique. Dans cette deuxième étude, les effets des paramètres opératoires sur l'efficacité et le coût de l’EC sont discutés. En outre, l’EC est utilisée pour la récolte de deux espèces de microalgues de leur milieu de culture. En ce qui concerne la récolte de Chlamydomonas reinhardtii, la méthodologie de la surface de réponse est utilisée et deux modèles permettant de prédire respectivement l'efficacité de la récupération et le coût opératoire sont développés. La récolte d’une autre espèce de microalgues, Chlorella vulgaris, est étudiée en utilisant l’EC respectivement en mode discontinu et continu. En mode discontinu, les effets des principaux paramètres de fonctionnement sur l'efficacité du processus sont expliqués et les mécanismes de récupération sont discutés. Dans l'étude en mode continu, la méthodologie de la surface de réponse est utilisée et un modèle permettant de prédire l’efficacité de récupération des microalgues est développé. Enfin, la comparaison des performances de l'EC en mode continu avec et sans échange de polarité aux performances de l'EC en mode discontinu est effectuée. / Electrocoagulation (EC) is a non-specific electrochemical method usually used for water and wastewater treatment. In this work, EC is firstly investigated as a conventional wastewater treatment technique for the removal of whey proteins from water, where the mechanisms of removal are explained and a model on whey proteins elimination is developed. Then, EC use is extended for the separation and purification of volatile fatty acids issued from acidogenic fermentation. In this second study, the effects of operating parameters on EC efficiency and cost are discussed. Moreover, EC is used for the harvesting of two microalgae species from their culture medium. In the study that concerns recovering Chlamydomonas reinhardtii, response surface methodology (RSM) is employed and two models for predicting recovery efficiency and operating cost are developed. The harvesting of the other microalgae species Chlorella vulgaris is studied using EC in the batch and continuous modes. In the batch mode, the effects of the main operating parameters on the process effectiveness are explained along with discussing the mechanisms of recovery. In the continuous mode study, response surface methodology (RSM) is applied and a model for predicting microalgae recovery is developed. Finally, comparison of EC performance in continuous mode with and without polarity exchange (PE) to EC performance in batch mode is carried out.

Le bassin versant de l’Escaut (20 000 km²) est caractérisé par forte densité de population (plus de 500 habitants par km2) et une activité agro-pastorale intensive. Les rivières de ce bassin sont sévèrement affectées par les rejets d’eaux usées domestiques, les effluents d’élevage et les eaux de ruissellement des sols agricoles. Le but de cette étude est :(i) d’évaluer la qualité microbiologique de ces rivières ;(ii) d'identifier et de quantifier les différentes sources de contamination fécale à l’échelle du bassin de l’Escaut; (iii) d’étudier les processus qui contrôlent le devenir des bactéries fécales en rivière; (iv) de développer des modèles numériques sur la base des travaux expérimentaux permettant de prédire la concentration des bactéries indicatrices dans les rivières du bassin de l’Escaut.<p>L’évaluation de la qualité microbiologique des principales rivières du bassin est basée sur le dénombrement de deux indicateurs de contamination fécale (Escherichia coli et entérocoques intestinaux). Les abondances des deux indicateurs dans les principales rivières du bassin indiquent très clairement que les eaux et les sédiments de ces rivières sont fortement contaminés par des micro-organismes entériques. Les sources prédominantes de la pollution fécale de ces rivières sont les rejets des effluents des stations d’épuration. Les niveaux de contamination les plus élevés sont observés dans la Senne en aval de Bruxelles et s’expliquent par le faible débit de la Senne comparé aux débits des effluents des deux stations d’épuration de Bruxelles. Les niveaux de contamination atteignent leur maxima à l’aval de Bruxelles par temps de pluie en raison des surverses de réseaux unitaires.<p>Les connaissances acquises sur les apports des bactéries indicatrices par les sources ponctuelles et les sources diffuses et sur le devenir des bactéries indicatrices ont permis de développer un module décrivant la dynamique des E. coli dans les rivières. Ce module est original par le fait de considérer trois compartiments de bactéries fécales (libres, attachées aux particules dans la colonne d’eau et présentes dans les sédiments) qui sont affectés différemment par les processus de transport et de disparition. Ce module a été couplé à deux modèles décrivant l’hydrodynamique respectivement de l’ensemble des rivières du bassin (SENEQUE-EC) et de la partie fluviale de l’Escaut sous l’influence de la marée et son estuaire (SLIM-EC2). Ces deux modèles permettent de décrire la distribution temporelle et spatiale des E. coli dans les eaux de surfaces et de prévoir les modifications de la qualité microbiologique des eaux suite à des changements de gestion des eaux usées. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’objectif de ce travail est d’une part (i) étudier le comportement de la biomasse notamment la production d’EPS en présence des composés pharmaceutiques (un agent anticancéreux et cinq antibiotiques); et d’autre part, (ii) étudier les EPS dans le contexte de décantation des boues en présence d’agents fongiques et en situations réelles dans des stations d’épuration. L’étude en présence de l’agent anticancéreux a été réalisée dans des bioréacteurs à membranes. La présence de l’agent anticancéreux a induit l’augmentation de la production d’EPS agissant comme un mécanisme de protection microbienne qui était à l’origine du colmatage des membranes. L’effet de cinq antibiotiques a été évalué en réacteur batch. La famille des macrolides a montré un effet plus important sur l’activité microbienne avec une augmentation significative de la production d’EPS associée à un mécanisme de protection. La décantation des boues en présence des cultures fongiques a été conduite en réacteur pilote. Une amélioration spectaculaire de la décantation a été liée à une meilleure cohésion au sein des flocs imputable en grand partie à l’augmentation de la production d’EPS. Enfin, le diagnostic du procédé de traitement des eaux a été établi sur trois stations d’épuration des papeteries grâce à une double approche d’une part l’analyse physico-chimique des boues et d’autre part, l’exploitation statistique d’analyse en composantes principales (ACP) des paramètres technologiques enregistrées dans chaque station. Nous avons tenté d’exprimer sous forme de régressions linéaires ou polynomiales de deuxième degré, la décantation en fonction d’une quantité réduite des paramètres mesurés / The objective of this work is firstly, i) to study the microbial behaviour of the biomass especially the production of the EPS in the presence of pharmaceutical compounds (an anticancer product and five antibiotics); and secondly, ii) to study EPS in the context of the sludge settling in wastewater treatment plants. The study in the presence of the anticancer product was done in membrane bioreactors. The presence of the anticancer product provoked the production of the EPS as the protection mechanism which is at the origin of the membrane fouling.The effect of five antibiotics was evaluated in batch reactors. The family of macrolides showed the most important effect on the microbial activity with a significant increase of the EPS production which was associated with a protection mechanism.Sludge settling in the presence of fungi was carried out in a pilot reactor. The spectacularly improvement of the sludge settleability was related with a better cohesion inside of the flocs attributed to an increase of the EPS production.Finally, the diagnosis of different wastewater treatment processes was established in three paper mill wastewater treatment plants thanks to the double approach used here, the physico-chemical analysis of the sludge and the statistical analysis by principal components analysis of the different parameters recorded in each plant. We tried to describe the parameter related to the settling behaviour by linear or polynomial regressions of second degree in function of a reduced number of the measured parameters

En santé publique, de nouveaux programmes de surveillance et de gestion sont à proposer notamment pour les masses d'eaux fortement affectées par l'urbanisation et les rejets urbains par temps de pluie. Les niveaux, les réservoirs et les sources de contamination microbiologique des milieux aquatiques doivent être évalués et identifiés, et leur incidence sur la dissémination des bactéries pathogènes et les risques d'exposition des populations humaines comprises. Parmi les agents pathogènes retrouvés dans les milieux hydriques, Pseudomonas aeruginosa représentent une préoccupation sanitaire majeure. A partir de deux sites expérimentaux, les objectifs de ce travail de thèse furent de définir la contribution des rejets d'eaux usées sur la prévalence de P. aeruginosa dans les cours d'eau récepteurs et d'étudier l'écologie des formes introduites dont ces habitats incluant leur dynamique spatiotemporelle. Les sédiments, les biofilms de surface (périphyton) et les végétaux aquatiques submergés, permettraient leur survie voire la multiplication de certains génotypes de Pseudomonas aeruginosa. La répartition des indicateurs de contaminations fécales et de la bactérie pathogène Aeromonas caviae ont également été étudiée. Il a été mis en évidence que les forces hydrauliques, le morpho-dynamisme de la rivière et les variations saisonnières étaient des facteurs structurants de la répartition des contaminants microbiens analysés. La dangerosité des souches isolées a été évaluée et montré que toutes les souches avaient un potentiel de virulence élevée. Ceci s'est confirmé par la détection de clones épidémiques majeurs au sein de la collection dont des souches apparentées aux clones PA14 ou C. Les capacités métaboliques de ces souches ont été étudiées dont leur antibio-résistance / In Public Health, new monitoring and management programs are needed, especially for the aquatic environments strongly affected by urbanization and urban wet weather discharges. The levels, reservoirs and sources of microbiological contamination of the aquatic environment should be assessed and identified, and their impact on the spread of pathogenic bacteria and the risk of exposure of human populations understood. Among the pathogens found in water environments, Pseudomonas aeruginosa is of major health concern. From two experimental sites, the objectives of this work were to define the contribution of wastewater discharges on the prevalence of P. aeruginosa in receiving watercourses and study the ecology of the introduced forms, including their spatiotemporal dynamic and preferential habitats. Sediments, surface biofilms (periphyton) and the submerged aquatic vegetations appeared to favour the survival or growth of some genotypes of Pseudomonas aeruginosa. The distribution of fecal indicator bacteria and of Aeromonas caviae were also studied. It was highlighted that hydraulic forces, the morpho-dynamics of the river and the seasonal vaiations were determinant factors in the distribution of the analyzed microbial contaminants. The health hazard of the clones found in these systems was estimated through indirect molecular approaches. It was shown that all Pseudomonas aeruginosa strains had a high virulence potential and that some were related to the PA14 and C clones which are spread worldwide and pathogenic

La transition des activités humaines vers des modèles de développement durable pourrait contribuer à mieux s’adapter aux enjeux mondiaux interconnectés comme les changements climatiques, l’insécurité alimentaire, la santé globale, et l’épuisement des ressources. Cette thèse représente l’un des premiers travaux de recherche visant à combiner l’utilisation des saules à croissance rapide (Salix sp.) pour la phytoremédiation avec leur potentiel pour les bioraffineries. La métabolomique non-ciblée utilisée avec des saules dans deux études complémentaires a permis d’acquérir à la fois des connaissances appliquées sur la valorisation des composés extractibles et une compréhension fondamentale des mécanismes de tolérance au sel. Des saules matures, utilisés pour traiter des eaux usées, ont été évalués à travers un processus de transformation allant de la biomasse brute aux rendements finaux (bioéthanol, lignines, composés bioactifs). L’irrigation avec des eaux usées a triplé les rendements en biomasse, avec une augmentation significative du glucane au détriment d’une réduction des extractibles. Ces variations suggèrent l’allocation des ressources pour soutenir la croissance plutôt que les molécules de défense. Un prétraitement par liquide ionique a fractionné la biomasse, une méthode compatible avec des biomasses contaminées et permettant d’obtenir des composantes séparées de grande qualité. La saccharification enzymatique a livré les rendements en bioéthanol tandis qu’un contre-solvant a précipité la lignine brute, avec une efficacité similaire aux saules témoins. Malgré une teneur réduite en extractibles, l’irrigation par les eaux usées a enrichi le profil phytochimique en flavonoïdes et lignans, potentiellement associés aux perturbations causées par l’inondation et la salinité, et ayant de possibles propriétés antimicrobiennes et antioxydantes. En intégrant deux approches vertes, cette étude démontre une augmentation significative des rendements annuels de bioproduits par unité de surface cultivée, renforçant la viabilité économique et la durabilité environnementale de chacune des deux approches prises individuellement. Une seconde étude s’intéresse plus profondément aux mécanismes de tolérance d’un saule face à deux sels abondants, le NaCl et le Na2SO4, la salinisation étant généralement associée à l’utilisation d’eaux usées et fréquente sur de nombreuses terres marginales. Malgré une conductance stomatique réduite, Salix miyabeana a maintenu sa capacité photosynthétique et sa production de biomasse, même à des niveaux élevés de sel. Les cations et anions salins sont gérés différemment par la plante, qui restreint largement l’absorption du Na+ aux racines, alors que le Cl- et le SO42- sont transportés jusque dans les feuilles. Les analyses révèlent une tolérance résultant à la fois de la plasticité des métabolites constitutifs et des métabolites spécialisés associés aux organes. Les réponses nuancées en fonction des organes et des ions indiquent des adaptations spécifiques dans l’allocation du carbone, la production d’antioxydants ou le métabolisme du soufre par exemple. Seulement 3% des métabolites constituaient une réponse généralisée aux deux types de sels, incluant une réduction de saccharides et un enrichissement de composés phénoliques simples, comparativement aux 28% impliqués au total. Le NaCl induit une réduction du métabolisme énergétique à l’échelle de toute la plante, potentiellement combinée au renforcement racinaire par l’augmentation de précurseurs de la lignine et d’antioxydants. À niveaux équivalents d’électroconductivité et de sodium, Na2SO4 induit une perturbation métabolique plus limitée. Même à concentration double de Na2SO4, l’activité métabolique se caractérise par un enrichissement préférentiel, probablement facilité par l’assimilation de l’excès de SO42- en composés organiques plutôt que leur séquestration. Notre étude des ajustements métaboliques complexes des saules, une espèce non-modèle mais d’importance biologique, environnementale et économique, a contribué à approfondir notre compréhension de leur résilience face aux stress abiotiques, informant ainsi les approches de gestion de l'eau et des terres ainsi que les pratiques de production durables. / Transitioning towards sustainable models that harmoniously integrate human activities within natural cycles could address interconnected global challenges such as climate change, social and economic inequalities, food insecurity, global health, and resource depletion. Phytoremediation, leveraging plant-microorganism interactions to mitigate soil and water pollution, offers a potentially efficient and environment-friendly solution, while also being economically viable and socially acceptable. This thesis represents one of the initial efforts to integrate the application of fast-growing willows (Salix sp.) for phytoremediation, capitalizing on their stress tolerance, with its potential for widerange biorefineries, harnessing their high biomass productivity as a renewable resource for bioenergy and bio-based products. Two complementary studies employed untargeted metabolomics to acquire both applied knowledge on the extensive valorization potential of extractable phytochemicals, and fundamental understanding of their salt stress tolerance mechanisms. Mature field-grown willows used for phytofiltration of primary municipal wastewater effluent were comprehensively characterized to assess their biorefinery potential through a complete process, from raw biomass to final bioethanol, lignin, and extractives yields. Wastewater irrigation tripled biomass yield and structural biochemical compound quantification revealed a significant increase in constitutive glucan along with a significant decrease in extractives, suggesting resource investment into growth over specialized defensive compounds. Ionic liquid pretreatment enabled biomass fractionation, chosen for its versatility in recovering multiple highquality streams and its suitability for contaminated biomass. Subsequently, enzymatic saccharification determined the final bioethanol yields, while counter-solvent precipitation recovered crude lignins. Despite a generalized reduction of extractives, wastewater irrigation enriched the extractable phytochemical profile with flavonoids and lignans, potentially associated with flooding, salinity, antimicrobial and antioxidant activities. Wastewater irrigated willows maintained quality and conversion potential, enhancing the annual valorization yields per growing surface, and strengthening the economic viability and environmental sustainability. These results demonstrated mutual benefits of integrating wastewater treatment and biorefineries. A subsequent study investigated Salix miyabeana tolerance and metabolic response to two environmentally abundant salts, NaCl and Na2SO4, considering salinity as a potential consequence of wastewater irrigation. Despite reduced stomatal conductance, willows maintained photosynthetic capacity and biomass productivity even under high soil salinity levels, demonstrating their salt tolerance. Elemental analysis revealed differential fate of salt ions, restricted Na+ absorption in roots, while Cl- and SO4 2- accumulated in aerial parts. Untargeted metabolomics exposed willow’s efficient metabolic plasticity in response to salts, modulating both constitutive and organ-specialized metabolites. Differential organ- and anion-specific responses indicated nuanced adaptation mechanisms, involving adjustments in carbon allocation, antioxidant production, and sulfur metabolism. Only 3% of metabolites constituted a generalized salt stress response, including reduced saccharides alongside enriched simple phenolics, as compared to 28% involved in overall salt response. NaCl triggered plant-wide energy metabolism reduction, potentially coupled with reinforced root structure through increased lignin precursors and antioxidant compounds. At similar soil EC and sodium concentration, Na2SO4 caused lower metabolic disruption, and as Na2SO4 concentration increased, willow was able to support the metabolic enrichment instead of depletion, likely associated with the ability to integrate SO4 2- in sulfur metabolism instead of passive sequestration. Our investigation into the complex metabolic adjustments of willows, a non-model species but of biological, environmental and economic importance, contributed to deepen our understanding of its resilience towards abiotic stresses, further informing effective water and land management approaches as well as sustainable production practices.

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.

Dans les filtres plantés de roseaux à écoulement vertical, la percolation des eaux usées à travers le milieu filtrant entraine la rétention physique des matières en suspension à la surface des filtres, et leur accumulation conduit à la formation d’une couche de boue principalement sur le premier étage des filtres. Longtemps considérée comme un facteur de risque de colmatage, cette couche de surface est aussi un compartiment majeur de la performance du système. Dans l’objectif de mieux connaitre la nature et l’évolution des dépôts qui la constituent, des échantillons issus de 14 stations en fonctionnement ont été prélevés pour analyser notamment la nature de leur matière organique particulaire et son évolution. Les résultats ont montré que les dépôts de stations de plus de trois ans de fonctionnement tendent vers un état similaire, caractérisé par la présence de composés organiques stables et complexes et par une plus faible réactivité de la matière organique particulaire. Les dépôts provenant de stations de moins d’un an de fonctionnement présentent une signature particulière, caractérisée par une matière organique réactive et peu mature. En complément de cette évolution en surface du filtre, la matière organique particulaire des eaux usées entrantes peut également subir des modifications au sein du process d’un filtre planté de roseaux. La présence d’un lit bactérien comme traitement additionnel participe à l’hydrolyse et à la transformation de la matière organique particulaire par des processus de minéralisation et d’humification. L’ajout de chlorure ferrique favorise l’agrégation de la matière. Enfin, des polluants organiques et métalliques d’intérêt ont fait l’objet d’une première quantification dans ces dépôts afin d’estimer leur rétention pour mieux appréhender les risques potentiels en cas de dysfonctionnement ou d’épandage. L’étude du comportement à la lixiviation en fonction du pH a permis de mettre en évidence que la libération de certains éléments traces est liée à celle de la matière organique. / The percolation of unsettled wastewater in French Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCWs) causes the formation of a sludge layer at the surface of the first stage filter due to the retention of sludge deposits. Although the growth of this layer over the years of operation is a potential source of clogging risks, it also largely contributes in the performance of the system, depending on its properties. In order to better understand these phenomena, surface sludge deposits samples taken from 14 VFCW sewage treatment plants were collected and analyzed. Results showed that the structure and composition of the sludge deposits from treatment plants with more than three years of operation time were remarkably similar, characterized by the presence of stable and complex organic compounds and a low reactivity and biodegradability of the particulate organic matter. Deposits from treatment plants with less than one year of operation time were composed of more reactive and less mature organic matter. The particulate organic matter of the inflow wastewater was also shown to undergo modifications within the treatment chain of the vertical flow constructed wetland. The implementation of a biological trickling filter as an additional treatment prior to the filter stages was found to induce the transformation of soluble and particulate organic matter through mineralization and hydrolysis, and to contribute to humification probably by the detachment of biofilm fragments. The injection of ferric chloride used to precipitate phosphates was found to promote aggregation within the sludge deposits. Finally, the role of the sludge layer in the retention of a selection of organic and metallic pollutants in VFCW systems has been evaluated by analyzing sludge deposits samples. Detergents were found at higher concentrations than PCPP. The potential release of the sorbed contaminants was studied using leaching tests as a function of pH. Results showed that the release of some trace metals (mostly copper) was governed by the leaching behavior of organic matter.

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants. / Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter.

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.