Η μελέτη της τάσης να παραμένουν αναλλοίωτες και της επίδρασης των φαρμακευτικών ουσιών στο περιβάλλον παρουσιάζει τα τελευταία έτη αυξανόμενο ενδιαφέρον. Οι φαρμακευτικές ουσίες που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο καθώς και οι μεταβολίτες τους, καταλήγουν στις μονάδες βιολογικού καθαρισμού μέσω των λυμάτων των μονάδων παραγωγής τους, των νοσοκομείων, καθώς και των αστικών λυμάτων. Η πιθανή κατάληξη των ουσιών αυτών, εφόσον τα λύματα τυγχάνουν βιολογικής επεξεργασίας, όπως συμβαίνει άλλωστε με όλες τις ξενοβιοτικές ουσίες, μπορεί να εμπίπτει σε μια από τις ακόλουθες περιπτώσεις: • Οι φαρμακευτικές ουσίες ή μεταβολίτες τους βιοαποδομούνται. • Οι φαρμακευτικές ουσίες ή οι μεταβολίτες τους είναι ανθεκτικές ενώσεις στη βιοπαδόμηση και ανάλογα με την υδροφοβικότητά τους, προσροφούνται στην ιλύ ή παραμένουν στην υδατική φάση. Οι ουσίες που δεν προσροφούνται στην ιλύ διέρχονται ανέπαφες μέσα από τις μονάδες βιολογικού καθαρισμού και καταλήγουν στα υδάτινα συστήματα. • Οι φαρμακευτικές ουσίες στην περίπτωση που παραμένουν προσροφημένες στην ιλύ, εάν η ιλύς χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό, μπορούν να διασκορπιστούν στους αγρούς κατά την εφαρμογή της ιλύος και να ρυπαίνουν το έδαφος. Οι ουσίες δε που εμφανίζουν κινητικότητα μπορεί να καταλήξουν στα υπόγεια νερά ή στα επιφανειακά ύδατα. Οι λοιπές δεσμεύονται στο έδαφος. Τα περισσότερα φάρμακα σχεδιάζονται να είναι ανθεκτικά ώστε, αφ’ ενός μεν να διατηρούν τη χημική τους ακεραιότητα προκειμένου να επιτελέσουν το θεραπευτικό τους σκοπό, αφ’ ετέρου δε να έχουν βιολογική δράση. Με δεδομένη την ανθεκτικότητά τους, η συνεχής εκπομπή τους στο περιβάλλον έχει ως αποτέλεσμα την παρουσία τους για σημαντικό χρονικό διάστημα, προξενώντας πιθανότατα σοβαρές αρνητικές επιπτώσεις τόσο στα υδάτινα όσο και εδαφικά οικοσυστήματα. Η άμεση ή έμμεση επαναχρησιμοποίηση των υδάτων έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση των ανθεκτικών αυτών ουσιών σε μεγαλύτερες ακόμη συγκεντρώσεις. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται έξι φαρμακευτικές ουσίες (προπρανολόλη, διχλωφενακικό νάτριο, σουλφαμεθοξαζόλη, χλωφιβρικό οξύ, καρμπαμαζεπίνη, οφλοξακίνη), οι οποίες έχουν βρεθεί στις εκροές των μονάδων βιολογικού καθαρισμού (Γαλλία, Ελλάδα, Ιταλία, Σουηδία κ.α.) σε συγκεντρώσεις της τάξεως των μικρογραμμαρίων ανά λίτρο. Ερευνήθηκε η τύχη τους σε όλες τις πιθανές διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσουν μετά την διάθεσή τους στο αποχετευτικό σύστημα: σύστημα ενεργού ιλύος, θάλασσα, νερό πηγής και έδαφος. Μελετήθηκε δηλαδή η βιοαποδοσιμότητα τους κατά την διεργασία της ενεργού ιλύος και κατά την παρουσία τους σε υδάτινους αποδέκτες. Επίσης, εξετάστηκε η ικανότητά προσρόφησής τους και η κινητικότητα τους σε δύο διαφορετικούς τύπους εδάφους καθώς επίσης και στην αερόβια και αναερόβια ιλύ. Οι φαρμακευτικές ουσίες, με εξαίρεση την σουλφαμεθοξαζόλη, βρέθηκαν να είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές στα υδάτινα συστήματα κατά την επεξεργασία τους με διεργασία ενεργού ιλύος. Η αποδόμηση της σουλφαμεθοξαζόλης επιτεύχθηκε κάτω από αερόβιες συνθήκες με τη βοήθεια μιας μεικτής εγκλιματισμένης καλλιέργειας μικροοργανισμών, η οποία και αποτελούσε πηγή άνθρακα ή/και πηγή αζώτου. Κάτι τέτοιο συμβαίνει όταν υπάρχει έλλειψη εναλλακτικής πηγής άνθρακα ή αζώτου. Όσον αφορά στην προσρόφηση των ουσιών στο έδαφος και στην ιλύ, οι συντελεστές προσρόφησης που προσδιορίστηκαν ποικίλουν ανάλογα με τη φύση της ουσίας και του στερεού υλικού (υποστρώματος). Η οφλοξακίνη ήταν ισχυρά προσροφούμενο (με εξαίρεση την περίπτωση της αναερόβιας λάσπης), ενώ το χλωφιβρικό οξύ βρέθηκε ότι είναι το ασθενέστερα προσροφούμενο και ότι εμφανίζει ιδιαίτερη κινητικότητα. Επίσης, η προσρόφηση των ουσιών αποδείχτηκε ότι εξαρτάται σημαντικά από το pH του συστήματος και από την ιοντική ισχύ. Τέλος, η τύχη των φαρμακευτικών ουσιών στο έδαφος προσδιορίστηκε με τη βοήθεια λυσιμέτρων. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν: α) ο ρυθμός φόρτισης των φαρμακευτικών ουσιών β) υδραυλική φόρτιση και γ) η επίδραση της «βροχής». Σημαντικές διαφορές παρατηρήθηκαν στην κινητικότητα των έξι φαρμακευτικών ουσιών, που σχετίζονταν με την ικανότητα προσρόφησης/εκρόφησης των ουσιών, την ποσότητα της ουσίας που εφαρμοζόταν, τη ροή και την ένταση των γεγονότων της «βροχής». / The study of the effect of pharmaceutical substances, as well as their persistence in the environment, has received an increasing interest in the recent years. Pharmaceutical substances used by humans, as well as their metabolites, enter the Sewage Treatment Plants (STP’s) through discharges from production facilities, hospitals and private household effluents. The most likely fate of these substances, provided that the sewages undergo (like all xenobiotic substances) biological treatment, may be one of the following: • The pharmaceutical substances or their metabolites are mineralized by microorganisms to carbon dioxide and water. • The pharmaceutical substances or their metabolites are more or less persistent in the STP, which implies that depending on their lipophilicity, the substances will be partly retained in the sludge or they will remain dissolved in the aquatic phase. The substances that will neither be retained, nor degraded in the STP, easily reach the aquatic systems. • The pharmaceutical substances, in case they are adsorbed on the sludge, if the sludge is used as a soil amendment, may be dispersed on agricultural land. The substances that are mobile in the soil may reach the ground water or leach to a nearby stream. The rest will be retained by soil. Most drugs are designed to be resistant and to maintain their chemical structure, as well as their biological activity, so that they can perform their therapeutic task. All of these factors, together with their continuous discharge, cause them to remain in the environment for significantly extended times, with adverse effects on the aquatic and terrestrial ecosystems. Direct or indirect water reuse leads to accumulation of pharmaceuticals to concentrations much higher than those of the original discharge. In the present work six pharmaceutical substances (propranolol, diclofenac, sulfamethoxazole, clofibric acid, carbamazepine, ofloxacin), which have been found in the effluents of STP’s (France, Greece, Italy, Sweden) in concentrations of the order of micrograms per litter, were examined. Their fate, in all the likely paths that can follow during their disposal in the drainage, such as the process of activated sludge, seawater, fresh water and soil, was studied. The biodegradation of the aforementioned substances was studied during the process of activated sludge as well as when discharged in aquatic (sea and brackish water) receivers. The adsorption capacity and the mobility in two different types of soil, and in the aerobic and anaerobic sludge of the subject substances was investigated. The subject pharmaceutical substances with the sole exception of sulfamethoxazole, were found to be particularly persistent both in the aquatic systems and during their treatment with activated sludge. The biodegradation of sulfamethoxazole was achieved under aerobic conditions in which the substance served both as carbon and nitrogen source for the enriched consortium (i.e. whenever there was a shortage of a carbon or a nitrogen source). As far as the adsorption of the subject substances on soil and on sludge is concerned, the distribution coefficients measured varied depending on the nature of substance and solid material. Ofloxacin was particularly strongly adsorbed (except for the case of using anaerobic biomass for the solid matrix), while clofibric acid was found to be weakly adsorbed. The adsorption of subject substances proved to depend considerably on the pH of system and on the ionic strength. Finally, the fate of pharmaceuticals in soil was also assessed using lysimeter studies. Important parameters investigated included: the pharmaceutical loading rate and the hydraulic loading rate for adsorption and the rate and duration of a “rain” event for desorption. Significant differences in the mobility of the six pharmaceuticals were found and they were correlated with the adsorption/desorption properties of the compounds, the amount of drug applied, the intensity of the “rain” events and the type of the soil.

Ce travail est consacré à l’étude d’un procédé d’oxydation avancée (POA) basé sur la génération de radicaux sulfates (SO4•-) pour l’élimination de substances pharmaceutiques dans le cadre du traitement d’effluents urbains. Quatre substances pharmaceutiques azotées (carbamazépine, diclofénac, sulfaméthoxazole et ciprofloxacine) appartenant à des familles thérapeutiques différentes ont été choisies en tant que contaminants modèles. L’évaluation de la performance cinétique des procédés basés sur la génération de HO• (H2O2/Fe(II) et UV-C/H2O2) et de SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- et UV-C/HSO5-) a été conduite dans des effluents de stations d'épuration traités biologiquement. La comparaison des procédés non photochimiques et photochimiques a été conduite dans les mêmes conditions optimales et montre que les procédés générant des SO4•- sont moins inhibés par la matrice environnementale que les procédés produisant HO•. La réaction de transfert électronique est mise en évidence par l’identification de produits de transformation des contaminants d’étude par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse à haute résolution. Le début d’oxydation démarre par un transfert d’un électron sur les groupements azotés générant ainsi un radical cation qui réagit avec l’eau ou l’O2. La dégradation du sulfaméthoxazole est le cas le plus évident grâce à sa fonction amine primaire (aniline) qui se transforme en fonction nitro. On peut par conséquent envisager des nouvelles stratégies de traitement des eaux usées urbaines par la génération de SO4•-. / This work is devoted to the study of an alternative advanced oxidation process (AOP) generating sulfate radical (SO4•-) for the removal of pharmaceuticals in municipal wastewater effluents. Four nitrogen containing pharmaceuticals (carbamazepine, diclofenac, sulfamethoxazole and ciprofloxacin) belonging to different therapeutic classes were chosen as model contaminants. The evaluation of the kinetic performance of processes based on the generation of HO• (H2O2/Fe(II) and UV-C/H2O2 ) and SO4•- (HSO5-/Co2+, UV-C/S2O82- and UV-C/HSO5- ) was conducted in biologically treated effluent. Comparison of photochemical and non- photochemical processes performed under the same optimal conditions showed that the processes generating SO4•- are less inhibited by the environmental matrix than processes producing HO•. This electron transfer reaction is demonstrated by the identification of transformation products using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometer. Oxidation of parent compounds starts by an electron transfer reaction on the nitrogen groups thereby generating a cation radical which further reacts with water or O2. The sulfamethoxazole degradation pathway gives more insights into this mechanism due to the primary amine moiety (aniline) which is converted into nitro function. This treatment system can be regarded as a new strategy for the treatment of urban wastewater contaminated by pharmaceutical residues through the generation of SO4•-.

Les principaux points de dispersion des composés pharmaceutiques dans l’environnement sont les stations d’épuration des eaux usées. A partir de l’analyse de la base de données constituée au cours de ce travail, les quantités de ces composés trouvées dans ces installations peuvent être directement liées à celles de médicaments consommés. La situation, quant à leur élimination de la phase liquide, est contrastée. Ainsi certaines hormones sont éliminées avec des rendements importants mais d’autres ne le sont pas du tout. Les produits radio-contrastants à base d’halogènes et notamment d’iode, soupçonnés d’être cancérogènes, sont majoritairement non biodégradables. Les effets d’antibiotiques sur les boues activées ont été plus particulièrement étudiés du fait de leur consommation, de leur présence dans les milieux aquatiques et de leur action spécifique sur les bactéries. Des expériences permettant d’évaluer la toxicité de ces principes actifs ont été conduites sur des boues activées en réacteur discontinu, avec un suivi de la morphologie des flocs par analyse d’images de microscopie optique. Il a été ainsi observé que, selon la concentration utilisée, l’érythromycine et la tylosine, macrolides largement utilisés respectivement en médecine humaine et vétérinaire, inhibent l’élimination de la pollution organique et dégradent l’ensemble de la biomasse. Ces antibiotiques ont également un effet néfaste sur le métabolisme de l’azote, qu’il s’agisse de l’ammonification, de la nitritation et de la nitratation / The main sources of dispersion of pharmaceutical substances in environment are wastewater treatment plants. Based on the analysis of the database built during this project, the amounts of pharmaceutical substances found in plants can be directly related to the amount consumed. Regarding their elimination from the liquid phase, the situation is very disparate. The elimination yield of hormones can be null or very large. Halogen-based X-ray contrast media (or AOX) are mainly non biodegradable. The effects of antibiotics on activated sludge have been especially investigated due to their consumption, presence in aquatic environment and specific action on bacteria. Batch tests have been performed to evaluate the toxicity of these active pharmaceutical ingredients on activated sludge. Sludge morphology was monitored by analysis of light microscopy images. Depending upon the applied dose, erythromycin and tylosin, two macrolides widely used for human and animal health care, inhibit the elimination of organic pollution and damage biomass. These antibiotics have a deleterious effect on ammonification, nitritation and nitratation