L'évaluation des risques environnementaux et sanitaires liés à la présence de résidus de médicaments dans l'environnement, représente un enjeu majeur en particulier au regard de la gestion du cycle des usages de l'eau. Les effluents des établissements de soins représentent une source non négligeable de pollution et justifient le développement de techniques spécifiques de mesures des émissions de résidus de médicaments dans leurs eaux usées. Dans le cadre de ces développements de méthode, l'échantillonnage représente une des difficultés majeures car la matrice brute des eaux en sortie des hôpitaux est très chargée en matières organiques, les débits sont extrêmement variables, les sites de prélèvement sont difficiles d'accès et il existe une forte variabilité des dispensations des traitements jour/nuit et semaine/week-ends. Les échantillonneurs intégratifs apparus récemment, offrent une alternative intéressante aux stratégies d'échantillonnage existantes, permettant d'effectuer un suivi moyenné sur de longues périodes d'observation associé à une simplicité d'usage et une réduction des coûts. Ce travail porte sur l'étude de l'applicabilité des échantillonneurs intégratifs POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) au dosage des résidus de médicaments dans les effluents hospitaliers. Ce dispositif a principalement été utilisé dans les eaux de surface et les effluents de STEP et son application dans les eaux usées reste rare. 6 molécules déjà identifiées comme représentatives des grandes familles de médicaments utilisés à l'hôpital (Aténolol, Prednisolone, Méthylprednisolone, Sulfaméthoxazole, Ofloxacine, Kétoprofène) ont été retenues.Les cinétiques d'adsorption des molécules sur les POCIS ont été suivies en laboratoire en condition de maitrise des paramètres les plus influents : température, vitesse de l'eau, charge en matière organique, colmatage...Ce calibrage a pour but de déterminer le coefficient d'échantillonnage Rs (L/j) spécifique à chaque molécule et nécessaire au calcul de la concentration dans le milieu d'exposition du POCIS. Nous avons observé une augmentation des Rs quand la vitesse de l'eau augmente ou quand la température augmente. Dans les eaux usées, la valeur de Rs est plus faible et la durée de la phase linéaire est réduite comparée à l'eau du robinet. Pour ce type d'application, la période d'exposition ne devra pas dépasser 4 à 5 jours en raison du colmatage des membranes et d'une teneur élevée en particules organiques dissoutes. Après calibrage dans l'eau du robinet et dans l'eau usée, les POCIS ont été exposés in situ dans un effluent hospitalier pour mesurer les concentrations en 6 molécules ciblées. Cinq ont pu être quantifiées et les concentrations calculées à partir des extraits des POCIS sont concordantes avec celles obtenues par prélèvement direct d'un échantillon moyenné d'eaux usées. Le facteur limitant réside dans les difficultés d'accès au site et la présence de solides dans le collecteur d'eaux usées. Ce travail ouvre des perspectives quant à l'application des POCIS pour les effluents hospitaliers et pourra à terme contribuer à l'acquisition de données pour une meilleure surveillance des rejets.

Cette recherche porte sur l’élimination des micropolluants pharmaceutiques des effluents hospitaliers par des procédés biologiques classiques (boue activée) et membranaire. Il est montré que les systèmes à membrane, externe ou immergée, permettent un meilleur traitement, ou une meilleure rétention, de plus de 50% des molécules pharmaceutiques mesurés. Afin d’améliorer l’efficacité des procédés membranaires, des supports bactériens ont été ajoutés dans le bassin biologique permettant de diminuer considérablement le colmatage. Il est montré qu’une des conséquences de la présence de ce garnissage est une diminution globale des EPS produits, donc du colmatage membranaire, et de la rétention des molécules pharmaceutiques,. Afin d’augmenter encore l’efficacité du procédé, du charbon actif en poudre ou en grain a été ajouté avant la filtration (CAP) ou en sortie de filtration (CAG), permettant une élimination quasi complète des molécules mesurées. La qualité des biomasses épuratrices a été suivie par microscopie confocale avec marquage fluorescent des exopolymères et de la viabilité cellulaire. Il est montré que les effluents hospitaliers modifient la structure des flocs et des biofilms, leur composition biochimique, avec une augmentation des concentrations en protéines extracellulaires, et la répartition des populations caractérisées par métagénomique. / This research investigates the removal of pharmaceutics present in hospital wastewaters by conventional activated sludge and MBR systems of treatment and under various operating conditions to elucidate the removal mechanism and increasing the efficiency of removal. In this study, laboratory scales was composed to four types of reactors used: Bach reactors, conventional activated sludge, submerged membrane bioreactor and extern membrane bioreactor and all these reactors were feed in reel hospital wastewaters. Different Technical studies and many experiments were affected to develop the MBR systems: the beginning was with biofilm supports media and the attached growth of biofilms in the reactor and the finish by using the powder activated carbon. En general, the reported results show high performance for the MBR with compared to CAS system in treating the basic organic pollutants. Presence the biofilm supports media was very important for high removal of pharmaceuticals compounds from the hospital wastewaters. The presence of the pharmaceutical compounds stimulated the mechanisms of survival higher production of EPS. Fouling potential seems to be linked more closely to polysaccharides than other EPS. In this study, for the first time, was employed the confocal microscopy for qualities and quantities analyses for the EPS in the biologic reactors. Microscopic observations were confirmed the chemical analyses of EPS compounds. In final experiment 21 pharmaceuticals were eliminated from the hospital effluents during the treatment in extern membrane (UF) with modified granular activated carbon. In addition to many biomolucles analyses which study the principals impact of hospital effluents on the microorganism’s especially the bacteria in using different, recent techniques. This study demonstrates by reel conditions the role the developed MBR systems in treating the hospital effluents and its impact direct on the environment.

L’évaluation des risques environnementaux et sanitaires liés à la présence de résidus de médicaments dans l’environnement, représente un enjeu majeur en particulier au regard de la gestion du cycle des usages de l’eau. Les effluents des établissements de soins représentent une source non négligeable de pollution et justifient le développement de techniques spécifiques de mesures des émissions de résidus de médicaments dans leurs eaux usées. Dans le cadre de ces développements de méthode, l'échantillonnage représente une des difficultés majeures car la matrice brute des eaux en sortie des hôpitaux est très chargée en matières organiques, les débits sont extrêmement variables, les sites de prélèvement sont difficiles d'accès et il existe une forte variabilité des dispensations des traitements jour/nuit et semaine/week-ends. Les échantillonneurs intégratifs apparus récemment, offrent une alternative intéressante aux stratégies d’échantillonnage existantes, permettant d'effectuer un suivi moyenné sur de longues périodes d'observation associé à une simplicité d'usage et une réduction des coûts. Ce travail porte sur l’étude de l’applicabilité des échantillonneurs intégratifs POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) au dosage des résidus de médicaments dans les effluents hospitaliers. Ce dispositif a principalement été utilisé dans les eaux de surface et les effluents de STEP et son application dans les eaux usées reste rare. 6 molécules déjà identifiées comme représentatives des grandes familles de médicaments utilisés à l'hôpital (Aténolol, Prednisolone, Méthylprednisolone, Sulfaméthoxazole, Ofloxacine, Kétoprofène) ont été retenues.Les cinétiques d’adsorption des molécules sur les POCIS ont été suivies en laboratoire en condition de maitrise des paramètres les plus influents : température, vitesse de l’eau, charge en matière organique, colmatage…Ce calibrage a pour but de déterminer le coefficient d’échantillonnage Rs (L/j) spécifique à chaque molécule et nécessaire au calcul de la concentration dans le milieu d’exposition du POCIS. Nous avons observé une augmentation des Rs quand la vitesse de l'eau augmente ou quand la température augmente. Dans les eaux usées, la valeur de Rs est plus faible et la durée de la phase linéaire est réduite comparée à l'eau du robinet. Pour ce type d'application, la période d'exposition ne devra pas dépasser 4 à 5 jours en raison du colmatage des membranes et d'une teneur élevée en particules organiques dissoutes. Après calibrage dans l’eau du robinet et dans l’eau usée, les POCIS ont été exposés in situ dans un effluent hospitalier pour mesurer les concentrations en 6 molécules ciblées. Cinq ont pu être quantifiées et les concentrations calculées à partir des extraits des POCIS sont concordantes avec celles obtenues par prélèvement direct d’un échantillon moyenné d’eaux usées. Le facteur limitant réside dans les difficultés d’accès au site et la présence de solides dans le collecteur d'eaux usées. Ce travail ouvre des perspectives quant à l'application des POCIS pour les effluents hospitaliers et pourra à terme contribuer à l'acquisition de données pour une meilleure surveillance des rejets. / The assessment of the environmental and public health risks due to pharmaceutical residues, is a main issue particularly in the light of water cycle management and water resources. Hospitals are supposed to be a main source of pollution and the assessment of their contribution to the overall pharmaceutical pollution is necessary. Monitoring the pharmaceutical loads in hospital sewage is a great challenge because of the difficulties which have to be overcome to obtain representative samples: high organic content and suspended solids, wastewater flow variations, difficult access to sampling sites, variations of pharmaceutical release throughout the day resulting from hospital activities. An interesting alternative way is to use passive samplers, which allow for the measurement of Time Weighted Average (TWA) concentrations, overcoming many shortcomings of the spot sampling techniques. The aim of this work is to evaluate the applicability of POCIS for the monitoring of pharmaceuticals in hospital wastewater. This tool is mainly used for surface water or WWTP effluent and its application for wastewater sampling remains scarce. This study was conducted on six compounds already selected as representative of some of the main class of pharmaceuticals used at the hospital (Atenolol, Prednisolone, Methylprednisolone, Sulfamethoxazole, Ofloxacin, Ketoprofen). POCIS were calibrated for the analytes of interest in tap water and wastewater in laboratory conditions close to relevant environmental conditions (temperature, flow velocity, fouling). Sampling rates (Rs) were determined and we observed a significant increase with flow velocity and temperature. Whatever the compound, the Rs value was lower in wastewater and the linear phase of uptake was shorter than in tap water. A five-day period was defined as the optimal duration for POCIS exposition in wastewater.POCIS were then deployed in a hospital sewage pipe during four days and the estimated water concentrations were close to those measured in twenty-four hour composite samples, carried out with an autosampler.This work gives encouraging results for the deployment of POCIS in wastewater that could be a useful tool for pharmaceutical pollution management.

Les hôpitaux génèrent des effluents riches en résidus pharmaceutiques (RP), fonctions de leurs activités de soins et de diagnostic. Certains de ces RP sont aujourd’hui retrouvés de manière ubiquitaire dans les écosystèmes aquatiques, en raison de leurs propriétés persistantes et/ou de leur émission continue. La variété de ces RP est telle qu’il est nécessaire de les hiérarchiser, en fonction des risques qu’ils représentent pour l’Environnement, à des fins d’étude et de gestion. Un de ces risques est le transfert des RP bioaccumulables (i.e. Kow élevé et faible biodégradabilité) dans les chaînes alimentaires, via les processus de bioconcentration, de bioaccumulation et de bioamplification. L’objectif principal de cette thèse est de caractériser expérimentalement la bioconcentration et la bioaccumulation de molécules identifiées comme prioritaires dans des travaux précédents. Le composé modèle que nous avons choisi est le tamoxifen, molécule utilisée contre le cancer du sein et déjà retrouvé dans l’Environnement. Les organismes étudiés, issus des trois niveaux trophiques de la chaine alimentaire modèle, sont Pseudokirchneriella subcapitata, Daphnia magna et Danio rerio. Pour mesurer la teneur de cette molécule dans les organismes, nous avons développé une méthode d’analyse reposant sur l’utilisation d’une molécule marquée par un isotope stable, le 15N tamoxifen.Nous avons mesuré des facteurs de bioconcentration (BCF) allant de 12800 chez D. magna à 85600 dans le foie de D. rerio en passant par 21500 chez P. subcapitata. Chez ces derniers, nous avons également évalué la part du régime alimentaire dans la bioaccumulation du tamoxifen. Nous avons observé que plus la concentration dans le milieu d’exposition est faible, plus le régime alimentaire contribue à la bioaccumulation. Ces travaux de thèse présentent de nombreuses perspectives que l’on peut regrouper autour de deux axes : connaissance de l’écotoxicité des RP et de l’écotoxicologie isotopique. / Hospitals generates effluents rich in pharmaceuticals compounds (PC), notably because of careand diagnostics activities. Some of these PCs are ubiquitous in aquatic ecosystems owing to itspersistent properties and/or because of continuous releasing in environment. The diversity of thesePCs is so strong that it is necessary to prioritize them, considering risks that PCs represents forthe Environment, in order to manage and study these compounds. One of these risks is the transferof bioaccumulatives PCs (i.e. PCs with high Kow and low biodegradability) along trophic webs,via bioconcentration, bioaccumulation and biomagnification processes. The main objective of thisthesis is to characterize bioconcentration and bioaccumulation of molecules identified as priorityin previous studies. The model compound choose in our work is the tamoxifen, a molecule usedin the treatment of breast cancer and already found in Environment. Organisms studied, typicalfrom three trophic levels of the model trophic chain, are Pseudokirchneriella subcapitata, Daphniamagna and Danio rerio. In order to measure content of tamoxifen in organisms, we developed aninnovative analytic method based on the use of stable isotopes labelled tamoxifen : 15N tamoxifen.We succeeded to measure bioconcentration factors (BCF) from 12800 in D. magna to 85600 in liverof D. rerio including BCF of 21500 in P. subcapitata. In this latter, we also assessed the contributionof dietary route to the total contamination of D. magna by tamoxifen. We observed that the morethe medium concentration was weak, the more the dietary route contribute to the contamination.These works shows numerous perspectives that we can gather inside two axes : ecotoxicity knowledgeof PCs an isotopic ecotoxicology.

En Europe, le nombre de cancers est en constante augmentation et explique l’augmentation des traitements. Les bases de ces traitements sont la chimiothérapie et la radiothérapie, seules ou en association. Les chimiothérapies sont effectuées à l’aide de médicaments anticancéreux qui ont des propriétés toxiques pour les cellules. Après administration des traitements aux patients, les médicaments sont excrétés et se concentrent dans les effluents hospitaliers et les réseaux d’égouts. Bien que beaucoup de ces composés soient éliminés dans les stations d’épuration, certains sont difficilement biodégradables et sont directement rejetées dans le milieu naturel où ils représentent un risque toxique pour la flore, la faune et l’Homme. Bien que les concentrations soient faibles (ng/L - μg/L), très peu de données sont disponibles sur leurs impacts écotoxicologiques. Leur présence dans l’environnement est d’autant plus préoccupante que les produits de métabolisation sont souvent plus toxiques que la substance d’origine. L’objectif de la thèse a été d’évaluer le risque (éco)toxicologique induit par de faibles doses de médicaments rejetés seuls ou en mélanges dans les effluents hospitaliers, urbains et dans l’environnement. De par leur utilisation courante dans les traitements anticancéreux, trois molécules ont été sélectionnées pour notre étude : la ciprofloxacine (antibiotique), le tamoxifène (perturbateur endocrinien), et le cyclophosphamide (anticancéreux). Des gammes de concentrations représentatives des effluents hospitaliers, station d’épuration et de l’environnement ont été testées à l’aide de bioessais appliqués à des organismes aquatiques (V. fischeri, P. subcapitata, L. minor) et de biomarqueurs appliqués à une levure (S. cerevisiae) et des cellules humaines hépatiques et mammaires. La viabilité cellulaire (test MTS) et la génotoxicité (cassures à l’ADN et adduit à l’ADN) ont été comparés aux tests standardisés Microtox ®, Algaltoxkit F™, ainsi que d’inhibition de croissance de Lemna minor. Le potentiel perturbateur endocrinien a été évalué en parallèle à l’aide du test YES/YAS. Cette batterie de tests a ensuite été appliquée a des effluents bruts (hospitaliers, station d’épuration) pour en évaluer le potentiel (géno)toxique. Des échantillons à proximité de l’hôpital de Gérone (Espagne) ont été prélevés en sortie de l’hôpital, en entrée et en sortie de station d’épuration, pendant trois mois consécutifs. Plusieurs effets de toxicité ont été observés sur les modèles d’étude, comme notamment l’apparition de phénomènes d’hormèses sur la viabilité des cellules hépatiques exposée au tamoxifène et à la ciprofloxacine, seuls ou en mélange. Le même schéma est observé pour les mélanges avec le test Microtox®. D’autre part, l’exposition respective des cellules hépatiques et mammaires aux médicaments n’entraîne pas de cassures de l’ADN et entraine l’apparition d’adduits seulement avec le tamoxifène, alors qu’on note une augmentation dose-dépendant des cassures et des adduits à l’ADN après exposition aux mélanges. De même, une réponse positive est observée avec le test Algaltox F™. Concernant les effluents, les effets dépendent à la fois du type d’organisme et du temps d’exposition. Les tests Microtox®, Algaltox F™ et le post-marquage des adduits à l’ADN sont apparus être les pertinents pour l’analyse. Les interactions observées entre les composés mettent en avant la nécessité d’évaluer les effets des contaminants à petites doses en mélanges, à plusieurs temps d’exposition et avec différents tests. L’application d’une telle batterie de tests à des échantillons environnementaux permet de qualifier les effluents et de suivre l’efficacité de moyens d’épuration. A terme, son application pourrait permettre de mieux appréhender les risques (éco)toxiques associés aux rejets de médicaments dans l’environnement et pouvant être à l’origine de cancer secondaire chez l’Homme. / In Europe, cancers rate is constantly raising, which explain the increase in treatments. They are usually chemotherapy and radiotherapy, alone or combine. Chemotherapy is done with anticancer drugs with toxic characteristics on cells. After administer the treatments to the patients, some of the drugs are excreted in significant proportion and released in hospital and communal effluents. Even though a lot of the compounds are either removed by adsorption or bio-degradation in waste water treatment plant (WWTP), some of their are not are directly released in the environment and represent a toxic risk for aquatic organisms and the Human health. Despite low concentrations (ng/L-μg/L), few data are available about the ecotoxicological impact. The importance of chemical compounds pollutants, especially anticancer drugs, are a real concern because the metabolites of the chemicals are even more toxic than the original substance. The aim of the thesis is to develop a battery based approach to evaluate the risks induct by low doses of drugs released independently or in mixture, in hospital waste water. Because of their common use in anticancer treatment procedures, three molecules have been chosen for our study: ciprofloxacin (antibiotic), tamoxifen (endocrine disruptor), cyclophosphamide (anticancer). Concentrations were range from hospital sewers and WWTP to the environment have been tested with a battery base approach using standardized bioassays applied on aquatic organisms (V fischeri, S. subcapitata, L. minor) and biomarker applied on yeast (S. cerevisia), hepatic and mammary human cell lines. Cell viability (test MTS) and genotoxicity (DNA breaks, DNA adducts) were compared with the standardized bioassays Microtox®, Algaltoxkit F™, and Lemna minor growth inhibition. In parallel, the endocrine disruptor activity was estimated the YES/YAS assay. The battery assay was then applied to evaluate the (geno)toxicity of raw effluents (hospital, wastewater-treatment plant). Samples from the hospital of Girona (Spain) were taken got out of it from the hospital, in entrance and got out of it from water-treatment plant, during three consecutive months. Several toxic effects have been observed during this work on aquatic organisms and both human cell lines. Results show especially hormetic effect on viability of hepatic cell line exposed to ciprofloxacin and tamoxifen alone or in mixture. Same results were observed the Microtox assays after mixtures exposures. On the other hand, the individually hepatic and mammary cell exposure to the drugs doesn’t induce DNA break, and induce DNA adduct only with the tamoxifen. Furthermore, we observe a dose-dependent increasing of the DNA break and adduct if the cells are exposed in mixture. Same results were observed with Algaltox F™. Concerning the effluents, effects depending on the kind of organisms and time exposure. The Microtox ®, Algaltox F ™ and the DNA adducts post-labelling appeared to be the most relevant for the analysis. The interactions observed between drugs pinpoint the necessity to assess the effect of contaminants in low doses mixtures, at many exposure times, and using different tools. The application of this battery with environmental raw samples is in use to rank outflows toxicity and follow the WWTP efficiency, which could lead to a better understanding of the human health risks.

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. / The objectives of this study was to study the presence, the fate and the treatment of some biocides in the wastewaters from a hospital. 3 biocidal substances specific to healthcare activities (i.e. didecylmethylammonium chloride (DDAC), chlorhexidine digluconate (CHD) and bis(aminopropryl)laurylamine (BAPLA)) were selected and 5 sampling campaigns were conducted throughout the entire Poitiers University Hospital sewage system. Under these conditions, a continuous biocide discharges over 24 h was shown, with higher quantities discharged during the day. This was pointing out the greater healthcare and facility cleaning activities taking place during this period. Concentrations of a few mg/L for DDAC and a few dozens of µg/L for CHD and BAPLA were detected. In terms of mass flows, the comparison of the quantities found in the discharges with the quantities used by the university hospital made it possible to specify the nature of the sources of emission as well as the uses and / or the practices most favorable to these discharges.In parallel, a laboratory study of the stability and fate of biocides in wastewater was conducted. A first estimate of the amounts adsorbed on suspended solids was obtained. Similarly, the degradation products likely to be generated during the release of biocides in the presence of a chlorine residual have been identified and the evolution of the ecotoxicity towards Vibrio fisheri has been evaluated.Finally, the proposal of an ozone based treatment at source was carried out to limit biocide discharges and a pilot study was conducted on the hospital wastewaters.