The presence of human pharmaceuticals in the aquatic environment is now becoming a well-established fact. The identified problems associated with their presence include the fact that these compounds are biologically active, some of them are toxic in nature, and a number of compounds have potential to foster and maintain drug resistant microorganisms. They are discharged into the aquatic environment from a variety of sources, but mainly by the excretion of incompletely metabolized pharmaceuticals by individuals into the wastewater. This situation makes finding a source-control strategy difficult. However, healthcare facility (hospitals and long-term-care homes) effluents are suspected to have relatively higher concentrations of these compounds, as such facilities use pharmaceuticals in large amounts for diagnostic, cure and research purposes. It is expected that controlling discharges from these facilities may provide a cost-effective solution to reduce the pharmaceutical loads entering the aquatic environment.

The presence of human pharmaceuticals in the aquatic environment is now becoming a well-established fact. The identified problems associated with their presence include the fact that these compounds are biologically active, some of them are toxic in nature, and a number of compounds have potential to foster and maintain drug resistant microorganisms. They are discharged into the aquatic environment from a variety of sources, but mainly by the excretion of incompletely metabolized pharmaceuticals by individuals into the wastewater. This situation makes finding a source-control strategy difficult. However, healthcare facility (hospitals and long-term-care homes) effluents are suspected to have relatively higher concentrations of these compounds, as such facilities use pharmaceuticals in large amounts for diagnostic, cure and research purposes. It is expected that controlling discharges from these facilities may provide a cost-effective solution to reduce the pharmaceutical loads entering the aquatic environment.

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.