Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur la caractérisation de l’exposition des organismes aquatiques à un produit pharmaceutique (PP) et sur l’étude des perturbations métaboliques associées. Un PP récemment inclus dans la liste de vigilance de la directive cadre sur l’eau européenne (2015/495/EC), le DCF, et un organisme du milieu marin, Mytilus galloprovincialis, ont été choisis comme modèles de travail. L’approche méthodologique développée est une combinaison de l’analyse ciblée et non-ciblée des métabolites endogènes et exogènes (l’endo- et le xéno-métabolome) présents chez l’organisme d’étude suite à une exposition au DCF. L’évaluation des effets du DCF chez la moule par approche ciblée a été conduite sur la base de son mode d’action connu chez l’Homme : la modulation de la synthèse des prostaglandines (PG). Les PGs sont impliquées dans diverses fonctions, telles que la reproduction et l’osmorégulation chez les organismes aquatiques, et d’autres voies métaboliques sont susceptibles d’être impactées. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence une sous-modulation de la synthèse de la PGE2 chez les moules exposées au DCF. Par ailleurs, peu d’informations sont disponibles concernant la métabolisation du DCF chez les invertébrés. Pour étudier la biotransformation et les effets du DCF chez la moule, l’application d’une approche non-ciblée nous semblait prometteuse. L’étude du xéno-métabolome m’a permis de mettre en évidence la formation de 13 métabolites, dont 3 de phase I et 10 de phase II. Parmi ces métabolites, 5 sont référencés pour la première fois dans la littérature. Par la suite, l’étude de l’endo-métabolome a permis de révéler la modulation de deux voies métaboliques : le métabolisme de la tyrosine et le métabolisme du tryptophane. Les catécholamines et la sérotonine ressortent comme particulièrement impactées dans ces deux voies métaboliques. Chez la moule, ces métabolites sont impliqués dans des fonctions biologiques importantes : l’osmorégulation et la reproduction et sont en accord avec les études menées chez d’autres organismes aquatiques. Le travail effectué a permis de mettre en évidence que l’application de l’approche métabolomique à des questions environnementales est pertinente et performante pour étudier la biotransformation et les effets non-documentés (différent du mécanisme d’action connu) d’un produit pharmaceutique chez des organismes non-cibles, sans hypothèse a priori. / This PhD thesis describes an investigation of the metabolomic approach performances to characterize the pharmaceuticals environmental exposure and effects in non target organisms. The studied pharmaceutical was diclofenac (DCF), a non-steroidal anti-inflammatory drug recently included in the first watch list of the European Water Framework Directive (2015/495/EC), and the model organism was the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis. The methodological approach combines target and non-targeted analysis of endogenous and exogenous metabolites in mussel, the endo- and the xeno-metabolome. DCF effects in mussel were investigated considering its known mode of action in human: the prostaglandins (PG) synthesis modulation. In aquatic organisms, PGs are involved in various biological functions, such as reproduction or osmoregulation. This targeted analysis allowed us to determine a PGE2 synthesis disruption with DCF exposure. Otherwise, little information is available about DCF biotransformation in invertebrates. To study DCF biotransformation in mussel, the application of a non-targeted approach seemed promising. This study allows the reveal 13 DCF metabolites formation of which 3 were phase I metabolites and 10 were phase II metabolites. Among them, 5 were described for the first time. Subsequently, the mussel’s endo-metabolome study showed the modulation of two pathways: the tyrosine and the tryptophan metabolism. Inside these pathways, the catecholamines and serotonin appeared as particularly impacted. In mussels, these compounds are involved in important biological functions: the osmoregulation and the reproduction. Such DCF effects are in accordance with those reported in other study conducted on aquatic organisms. The work conducted highlighted the relevance and pertinence of the metabolomic approach as a tool for environmental studies without a priori hypothesis, such as studying the biotransformation and unexpected effects of pharmaceuticals in non-target organisms.

L’émergence de nouveaux contaminants dans les eaux usées requiert le développement de nouvelles techniques. En effet, les traitements classiques des stations d’épuration des eaux usées laissent entrer dans les matrices environnementales de nombreux contaminants organiques de faibles concentrations tels que les produits pharmaceutiques. Nous avons donc étudié l’élimination d’une variété de pharmaceutiques, représentatifs de leur classe, ou bien présentant une forte occurrence, ou encore des composés récalcitrants. Parmi ces pharmaceutiques on retrouve des anti-inflammatoires non stéroïdiens (acétaminophène, naproxène, acide méfénamique, kétoprofène, indométacine, diclofénac), un stimulant (caféine) deux antibiotiques (ciprofloxacine et triméthoprime), un anticonvulsif et régulateur de l’humeur (carbamazépine), un anxiolytique (diazépam) et deux fibrates (fénofibrate et bézafibrate). Parmi les techniques novatrices permettant de réaliser ce type d’élimination on retrouve certaines enzymes oxydatives qui sont capables de transformer de nombreux contaminants organiques que l’on retrouve dans les eaux usées. L’utilisation de trois enzymes de ce type, la laccase, la versatile peroxydase et la glucose oxydase, dans différentes combinaisons, a permis d’obtenir une élimination satisfaisante de la plupart des pharmaceutiques auxquels nous nous sommes intéressés, avec une efficacité optimale pour la combinaison des trois enzymes. Partant de ce constat, une combinaison plus stable de ces trois enzymes a été produite par une technique de co-aggrégation permettant de les insolubiliser tout en les regroupant par réticulation. Ceci facilite la réutilisation de ces biocatalyseurs, et augmente leur stabilité, ce qu’une caractérisation du biocatalyseur a permis de vérifier. Le biocatalyseur a alors pu être testé pour le traitement d’un cocktail des produits pharmaceutiques précédemment énoncés et a permis de réaliser une élimination de plus de 60 % de la plupart des composés dans des conditions qui ont été optimisées. Testé dans des eaux résiduaires urbaines prélevées à l’affluent de la station d’épuration de Magog (Québec), le biocatalyseur a permis une élimination de l’ordre de 25 % pour des concentrations très faibles (ppb) en acétaminophène.

Les compartiments aquatiques sont pollués par des micropolluants d’origine anthropique, tels les produits pharmaceutiques. Ces pollutions sont principalement engendrées par le rejet continu des effluents des stations d’épuration les eaux naturelles. C’est pourquoi le premier objectif de ce travail fut de caractériser les capacités épuratoires des trois types de station d’épuration actuellement utilisées, les boues activées, les lagunages naturels et les filtres plantés. Les analyses des effluents ont démontré que l’épuration des produits pharmaceutiques dans ces stations est insuffisante. Il est donc nécessaire, notamment dans le cadre de le directive cadre sur l’eau, de penser à des traitements innovants et à bas coût. De part des propriétés d’adsorption significatives, les argiles naturelles comme les smectites sont des matériaux qui ont un potentiel en ce sens. Le second objectif de ce travail a donc été de mettre en interaction la smectite naturelle avec les produits pharmaceutiques dans différentes conditions expérimentales. En débutant par des conditions standards à concentrations dopées pour aboutir à des solutions naturelles. Les expérimentations ont également été menées sous différentes dynamiques pour vérifier l’adéquation du matériau choisi avec un usage en conditions industrielles. Les résultats démontrent que la smectite a une capacité d’adsorption significative sur une grande variété de produits pharmaceutiques et que cette capacité est meilleure dans des solutions complexes. Ceci permet de postuler que le matériau choisi peut représenter une solution à bas coût et efficace pour l’épuration des effluents des stations d’épuration. / The water compartments are contaminated by anthropic micropollutants, as pharmaceuticals. These pollutions are mainly due to the constant spillage of effluents in natural waters. That’s why the first objective of this study was to evaluate the removal capacity of three treatment chains, activated sludge, lagoon-based system and planted filter. The effluent analyses exhibited that the removal of pharmaceuticals in these sewage plants is insufficient. It is thus necessary to think about low cost and innovative purification solution especially framed by the water framework directive. Due to significant adsorptions properties, natural clay minerals as smectites have a potential in that way. The second objective of this work was thus to realize organo-mineral interactions between the smectite and pharmaceuticals in different experimental conditions. Beginning with standard conditions and boosted concentrations to finish with natural solutions. To verify the field use of the chosen material, differents dynamics were tested. Results demonstrated that the smectite has a significant sorption capacity on a wide variety of pharmaceuticals and that this capacity is enhanced in complex solutions. This permit to postulate, that the chosen material can represent an efficient low-cost solution for the purification of the effluents of sewage treatment plants.

Les produits pharmaceutiques (PPs), largement consommés par la population et continuellement rejetés dans l'environnement via les stations d'épuration des eaux usées (STEP) constituent une source de contamination du milieu aquatique. L'évaluation du risque environnemental de ces composés implique la quantification précise de leurs concentrations et l'estimation de leur toxicité vis-à-vis des espèces exposées. Notre étude portant sur une douzaine de composés pharmaceutiques représentatifs a été réalisée dans le Sud Est de la France. Après la mise au point d'une méthode de détection par LC-MS/MS, une campagne d'échantillonnage ciblée sur 7 stations d'épuration urbaines et les eaux naturelles dans lesquelles leurs effluents se déversent (rivières gardoises et lagune) a été effectuée afin d'évaluer le niveau de contamination par les PPs. La toxicité des PPs a été évaluée à l'aide de tests de bioluminescence et d'inhibition de croissance (Microtox, ToxScreen et Protoxkit). En parallèle, des expériences ont été effectuées afin d'évaluer le potentiel de la photolyse UV et de l'adsorption sur charbon actif pour éliminer ces composés. La campagne de mesure met en évidence la présence de PPs dans les effluents de STEP de la région Sud-Est à des concentrations comprises entre 10 et 1000 ng L-1 et atteignant quelques centaines de ng L-1 dans le milieu récepteur situé en aval. La comparaison des niveaux d'exposition aux valeurs de toxicité obtenues expérimentalement et complétées des données de la littérature suggère que seuls 3 composés pharmaceutiques (propranolol, ibuprofène et diclofénac) sont susceptibles d'induire un risque faible à l'échelle locale (rivières gardoises). Le traitement complémentaire des effluents de STEP par photolyse UV et adsorption sur charbon actif s'avère être efficace pour éliminer la majorité des 12 composés étudiés et peuvent être envisagé pour limiter la présence et l'impact des produits pharmaceutiques dans l'environnement.

Le couplage de la nanofiltration et de l'oxydation électrochimique est étudié pour le traitement tertiaire des eaux usées de l'hôpital après leur traitement par bioréacteur à membrane. L'efficacité de la nanofiltration est fortement influencée par le colmatage. Afin d'assurer des flux durables et des performances élevées lors de l'étape de nanofiltration, les mécanismes de colmatage sont étudiés. Les flux critique et limite sont déterminés et liés à l'effet combiné du colmatage colloïdal organique et du dépôt inorganique. L'impact de la couche de colmatage et de la présence de matières organiques dans la matrice sur la rétention des produits pharmaceutiques est également évalué. Le rétentat de la nanofiltration est ensuite traité par oxydation électrochimique sur une anode BDD. L'influence des conditions opératoires et la compétition lors de l'oxydation des constituants au sein du réacteur sont évaluées. Au lieu d'être rédhibitoire au bon fonctionnement du procédé, la présence des ions et des composés organiques dans le concentrat peut accélérer la dégradation des produits pharmaceutiques. En particulier, la formation de composés organohalogénés due à la présence de chlorure peut être contrôlée par le choix de conditions opératoires appropriées. Un modèle décrivant la dégradation des produits pharmaceutiques en fonction du temps d'électrooxydation est établi. Un des objectifs est d'accéder au meilleur compromis entre la minéralisation des produits pharmaceutiques et la consommation d'énergie. Après optimisation des conditions opératoires des 2 procédés, il est démontré que leur couplage est efficace pour l'élimination de produits pharmaceutiques et la diminution de la toxicité de l'effluent, permettant d'envisager son rejet dans l'environnement ou sa réutilisation. / The coupling of nanofiltration and electrochemical oxidation is studied for the tertiary treatment of hospital wastewater after membrane bioreactor treatment. The effectiveness of nanofiltration is greatly affected by membrane fouling. In order to ensure sustainable flux and high performances during nanofiltration step, fouling mechanisms are investigated. The critical flux and the limiting flux are determined and associated with the combined effect of the organic colloidal fouling and the scaling. Impact of the fouling layer and of the presence of organic matters in the matrix on pharmaceuticals rejection is also investigated. NF retentate is then treated by electrochemical oxidation on BDD anode. The influence of operating conditions and the competition between components oxidation in the reactor are studied. Rather than a hindering effect, the presence of ions and common organics in the concentrate can accelerate the degradation of pharmaceuticals. In particular, the formation of organohalogens due to the presence of chloride can be controlled thanks to the choice of appropriate operating conditions. A model for the degradation of pharmaceuticals over electrooxidation time is established. One objective is to access to the best compromise between mineralization of pharmaceuticals and energy consumption. After optimization of the operating conditions of both processes, their coupling is confirmed to be efficient for the elimination of pharmaceuticals and the reduction of the toxicity of the effluent, allowing to consider its release into the environment or its reuse.

Environ 10 millions de personnes, soit près d'un tiers de la population canadienne, utilise des eaux souterraines comme source d’eau potable, et plus de 80% de la population rurale canadienne dépend de l'approvisionnement en eau souterraine pour faire son approvisionnement en eau. Le Bilan de la qualité de l'eau potable au Québec 2005-2009, nous montre qu’environ 14% des habitants du Québec prend leur eau de puits individuelle. Dans la municipalité de Saint-François-Xavier-de-Brompton (SFXB) il n'y a pas de système collectif de production de l’eau potable. Pour cette raison, les quelque 2 500 habitants de cette municipalité s'approvisionnent en eau à partir de puits privés. La première étape de cette recherche (réalisée en 2013), vise à déterminer le portrait spatio-temporel de la qualité de l’eau potable dans cinq puits individuels à SFXB. Les campagnes d'échantillonnage ont été réalisées de la mi-mai jusqu’à la fin de novembre (22 en 2013 et 24 en 2014). Le suivi environnemental réalisé, testé l’eau potable sur soixante-dix produits pharmaceutiques et pesticides, cyanotoxines (microcystines MC-LR), métaux et metalloïdes en état de traces, nitrate et phosphore total. Pendant ce suivi environnemental, on a quantifié seize contaminants émergents CÉ (neuf produits pharmaceutiques, six pesticides et MC-LR), du cadmium, de l’arsenic, du fer, du manganèse et une quantité suffisante de nitrates et phosphore total pour garantir l’eutrophisation du Petit Lac Saint-François (PLSF) placé quelques mètres en aval de nos résidences riveraines. En 2014 la deuxième étape du projet a débuté, en élargissant la zone d’étude avec l’ajout de dix-huit municipalités du centre-sud de Québec, mais cette fois ci, en prenant des eaux potables traitées des municipalités petites à moyennes (médiane de 4000 habitants). Les campagnes d'échantillonnage ont été réalisées de mai jusqu’à la fin de novembre (8 en 2014 et 4 en 2015). Dans les dix-huit municipalités, onze molécules (6 produits pharmaceutiques, 4 pesticides et MC-LR) ont été quantifiées dans au moins un échantillon, y compris le cancérogène connu cyclophosphamide et le fongicide thiabendazole, dont la présence dans l'eau potable municipale traitée au Québec est signalée ici pour la première fois. Les concentrations maximales de produits pharmaceutiques quantifiés variaient de 48 à 1233 ng l-1 et de pesticides de 40 à 366 ng l-1.

La présence avérée de produits pharmaceutiques et de soin personnels (PPSP) dans le milieu aquatique est principalement due à leur élimination incomplète dans les stations d’épuration (STEP). Ces molécules sont susceptibles de générer des effets néfastes sur les organismes vivants du milieu naturel. Une évaluation préalable des risques qui peuvent être engendrés par les PPSP est nécessaire pour qu’ils puissent être gérés correctement et sûrement par les principaux acteurs du cycle de l’eau tels que les pouvoirs publics et les grandes entreprises de l’environnement, dont fait partie Veolia. La démarche d’évaluation des risques nécessite d’avoir accès à des données sur les processus de biodégradation des PPSP dans l’environnement. Actuellement, les données disponibles sont qualitatives ou semi-quantitatives en raison de l’absence d’outils de mesure quantitatifs adéquats. L’objectif de ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des outils pour quantifier spécifiquement les processus de biodégradation des PPSP in situ à des concentrations environnementales. Deux outils complémentaires ont été sélectionnés pour être évalués : le fractionnement énantiomérique, dans le but de quantifier la biodégradation des PPSP chiraux, et le fractionnement isotopique, limité à celui du chlore, dans le but de mesurer la biodégradation des PPSP chlorés. Pour évaluer ces outils, des analyses d’occurrence sur le terrain et des études cinétiques et mécanistiques en laboratoire ont été réalisées sur cinq molécules modèles : deux produits pharmaceutiques chiraux (un bêtabloquant, le métoprolol et un antidépresseur, la venlafaxine) et trois PPSP chlorés (deux biocides, le triclocarban et le triclosan, et un anti-inflammatoire non stéroïdien, le diclofénac). Nos travaux ont démontré que l’utilisation du fractionnement isotopique du chlore seul est peu adaptée à l’étude quantitative de la biodégradation des PPSP chlorés. Une approche isotopique multiéléments serait plus propice pour quantifier les processus de biodégradation. Par ailleurs, les expériences réalisées ont permis d’approfondir l’état des connaissances sur les voies et mécanismes de biodégradation des PPSP étudiés. La déchloration du triclosan dans les sédiments en aval des STEP a été mise en évidence pour la première fois. Concernant le triclocarban, cette réaction était déjà connue mais les mécanismes réactionnels de déchloration sous-jacents ont été élucidés en milieux aérobie et anaérobie. Les résultats obtenus sur l’outil énantiomérique sont très encourageants. Ils démontrent, à l’aide du métoprolol, l’existence d’une relation linéaire entre biodégradation et variations énantiomériques à la fois en conditions contrôlées et dans les STEP. Le fractionnement énantiomérique constitue donc un bon outil quantitatif de la biodégradation du métoprolol. Des études supplémentaires sont néanmoins nécessaires pour étendre ces résultats à d’autres molécules. D’autre part, l’analyse des concentrations et de la stéréochimie des produits de transformation du métoprolol a confirmé que ce composé se biodégrade stéréosélectivement en métoprolol acide et un mécanisme réactionnel a été proposé pour expliquer ces observations. Les cinétiques associées aux réactions de dégradation des PPSP étudiés doivent être mesurées in situ pour évaluer la capacité du milieu naturel à éliminer ces composés, d’où l’importance de rendre opérationnels les indicateurs quantitatifs étudiés au cours de la thèse. Croisées avec des données d’écotoxicité, les informations quantitatives sur la biodégradation peuvent aider les pouvoirs publics à cibler les PPSP qui nécessitent d’être régulés en priorité. Elles peuvent également aider les opérateurs privés à orienter leurs stratégies de réduction d’émission à la source et l’optimisation des procédés de traitement des eaux afin que ces derniers éliminent en priorité les micropolluants les plus à risque. / The widespread occurrence of pharmaceutical and personal care products (PPCP) in surface waters, due to their incomplete removal in wastewater treatment plants (WWTP), is of concern since these compounds may be harmful to living organisms. Environmental risks associated with the presence of PPCP in aquatic environment have to be evaluated in order to help the main actors involved in the water cycle such as public authorities and environmental companies, including Veolia, to manage them properly. Quantitative and qualitative assessment of in situ biodegradation of PPCP is a major need in the context of risk assessment. Quantitative information remains scarcely available due the lack of appropriate methods. The objective of this work was then to develop tools able to quantify specifically in situ biodegradation of PPCP at trace levels. Two different tools have been selected to be evaluated, namely enantiomeric fractionation dedicated to chiral compounds and isotopic fractionation limited to chlorine-isotope analysis dedicated to chlorinated PPCP. To evaluate these tools, environmental occurrence studies and in vitro mechanistic and kinetic studies were together performed using five probe compounds : two chiral PPCP (a beta-blocker, the metoprolol and an antidepressant, the venlafaxine) and three chlorinated PPCP (two biocides, the triclocarban and the triclosan, and a nonsteroidal anti-inflammatory drug, the diclofenac). These experiments demonstrated that chlorine isotope fractionation can hardly provide quantitative information on in situ biodegradation of chlorinated PPCP. Multi-dimensional isotopic fractionation might be better adapted to quantify biodegradation. Furthermore, through the experiments, new insights on biodegradation pathways and mechanisms of the studied compounds have also been gained. Dechlorination of triclosan within sediment has been evidenced for the first time. Concerning triclocarban, dechlorination of this compound in environment had already been reported in previous studies but aerobic and anaerobic dechlorination mechanisms have been elucidated in the present study. Results obtained on enantiomeric fractionation demonstrated that this tool is very promising. Experiments using metoprolol as probe compound showed existence of a linear relationship between enantiomeric enrichment and the extent of biodegradation both under controlled conditions and within WWTP. Enantiomeric enrichment might then constitute a good indicator of in situ biodegradation of metoprolol. Supplementary studies are needed to extrapolate these results to other micropollutants. In addition, stereoselective degradation of metoprolol in acid metoprolol within WWTP and under controlled conditions has been observed similarly to other studies and one degradation mechanism has been proposed to explain the reaction stereochemistry. In situ kinetics associated with degradation pathways of the studied PPSPs have to be measured to assess the ability of the environment to eliminate these compounds, hence the importance of making operational the quantitative indicators studied in this thesis. Crossed with ecotoxicity data, quantitative information on biodegradation can help public authorities to target PPCPs that need to be regulated first. They can also help private operators to direct their source reduction strategies and their water treatment process optimization so that they eliminate in priority the most risked micropollutants.

Le procédé de granulation en voie humide nécessite l'ajout d'un agent d’enrobage ou liant, typiquement composé d'agents tensioactifs, d'eau, de plastifiant et de charge hydrophobe. Cependant, dans les procédés de granulation en voie sèche, l'agent d’enrobage est ajouté sous la forme de fines particules solides. L’objectif de ce travail est double : d’une part, examiner le comportement des particules dans les systèmes secs et aqueux aux échelles microscopique et mésoscopique, et d’autre part, développer des méthodologies prédictives permettant de choisir le liant adéquat et formuler la bonne solution d’enrobage. Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisées l'hydroxypropyl-méthylcellulose (HPMC) et la cellulose d'éthyle (EC) comme agents d’enrobage, polyvinylpyrrolidone (PVP) et la cellulose microcristalline (MCC) généralement utilisés comme liants, l'acide stéarique (SA) qui est une charge hydrophobe, et le polyéthylène glycol (PEG) comme plastifiant. Tous ces matériaux sont largement utilisés dans les industries alimentaires et pharmaceutiques. La réussite d’une granulation dépend de l’affinité entre les particules primaires et le liant. Afin de prédire l'affinité liant-substrat en milieu sec et en milieu aqueux, nous avons comparé deux approches; la première est basée sur le travail de l'adhésion alors que la seconde s’appuie sur le concept de résistance à la traction idéale. L’équation de résistance à la traction idéale a été étendue aux systèmes ternaires dans le but de l’appliquer pour la granulation en milieu aqueux. Les approches développées ont été ensuite confrontées aux données expérimentales sur différent systèmes (composées de PVP, MCC, HPMC, SA, EC, PEG et l'eau). Nous avons ainsi trouvé que l’approche basée sur le travail d'adhésion semble donner de meilleures prédictions des affinités. Les deux approches prédisent que le HPMC est un bon liant pour le MCC. Les résultats indiquent également que le PEG a une bonne affinité avec le HPMC et le SA. Nous avons ensuite étudié la structure des agglomérats formés dans les formulations colloïdales utilisées dans les procédés d’enrobage. Pour ce faire, nous nous sommes appuyés sur des analyses expérimentales et des simulations mésoscopiques. Ces dernières reposent sur l’utilisation de la méthode de dynamique des particules dissipatives (DPD) dans laquelle les composés sont décrits comme un ensemble de billes souples (approche « coarse-grain ») interagissant selon le modèle de Flory-Huggins. Les interactions répulsives entre les billes ont été évaluées en utilisant le paramètre de solubilité (δ) calculé par simulation moléculaire tout-atome. Les résultats de simulation DPD ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus par plusieurs voies : cryogénique-MEB, analyse de distribution de taille de particule et par la technique DSC. Les résultats de la simulation DPD montrent que le polymère HPMC est un meilleur agent stabilisant pour le SA que le PVP et le MCC. En outre, HPMC est capable de recouvrir la particule de SA d'une couche épaisse et d’y pénétrer en profondeur, empêchant ainsi l’agglomération et la croissance des cristaux de SA. Néanmoins, HPMC est incapable de stabiliser les particules de SA lorsque celles-ci sont en quantités élevées (supérieurs à 10% (w/w)). Nous constatons également que le PEG se diffuse à l'intérieur des chaînes de HPMC entrainant l’extension de ce dernier, formant ainsi un polymère composite lisse. Les résultats expérimentaux montrent des tendances similaires; l’analyse de la distribution de taille de particule indique qu’en présence de HPMC, pour de faible pourcentages de SA (au-dessous de 10% (w/w)), la majorité des particules de SA sont inférieures à 1 μm de diamètre. Les images MEB révèlent que HPMC entoure les cristaux de SA avec un film texturé et ancre sur leur surface. / Wet granulation process requires the addition of a coating agent or binder, typically composed of surfactants, water, plasticizers and fillers. In dry granulation however, the coating agent is added to the system in the form of fine solid particles. Our goals are to investigate the particles behaviour and agglomeration mechanism in dry and aqueous systems at the micro and meso scales, and also, to develop predictive methodologies and theoretical tools of investigation allowing to choose the adequate binder and to formulate the right coating solution. In this study we chose materials widely used in food and pharmaceutical industries, including; coating agents such as Hydroxypropyl-methylcellulose (HPMC) and Ethyl cellulose (EC), binders such as Polyvinylpyrrolidone (PVP) and Microcrystalline cellulose (MCC), hydrophobic filler such as Stearic acid (SA) and plasticizer such as Polyethylene glycol (PEG). A successful granulation requires good affinity between host and guest particles. In this context, in the first part of this work, two approaches to predict the binder-substrate affinity in dry and in aqueous media were compared; one based on the work of adhesion and the other based on the ideal tensile strength. The concept of ideal tensile strength was extended to ternary systems and applied for granulation in aqueous media. The developed approaches were thereafter tested for various systems (composed of PVP, MCC, HPMC, SA, EC, PEG and water) and compared to experimental observations. Approaches yielded results in good agreement with the experimental observations, but the work of adhesion approach might give more accurate affinity predictions on the particles affinity than the ideal tensile strength approach. Both approaches predicted that HPMC is a good binder for MCC. Results also indicated that PEG has a good affinity with HPMC and SA. In a second part of our work, we used mesoscale simulations and experimental techniques to investigate the structure of agglomerates formed in aqueous colloidal formulations used in coating and granulation processes. For the simulations, dissipative particle dynamics (DPD) and a coarse-grained approach were used. In the DPD method, the compounds were described as a set of soft beads interacting according to the Flory-Huggins model. The repulsive interactions between the beads were evaluated using the solubility parameter (δ) as input, where, δ was calculated by all-atom molecular simulations. The mesoscale simulation results were compared to experimental results obtained by Cryogenic-SEM, particle size distribution analysis and DSC technique. According to the DPD simulations, HPMC polymer is a better stabilizing agent for SA than PVP and MCC. In addition, HPMC is able to cover the SA particle with a thick layer ant to adsorb in depth into its inner core, preventing SA agglomeration and crystal growth. But, for high amounts of SA (above 10% (w/w)), HPMC is unable to fully stabilize SA. We also found that PEG polymer diffuses inside HPMC chains thereby extending and softening the composite polymer. Experimental results presented similar trends; particle size distribution analysis showed that in the presence of HPMC, for low percentages of SA (below 10% (w/w)), the majority of SA particles are below 1 μm in diameter. SEM images revealed that HPMC surrounds SA crystals with a hatching textured film and anchors on their surface.

Les effets négatifs des produits pharmaceutiques (PPs) sur les écosystèmes aquatiques est une préoccupation de plus en plus sensible. Nous avons analysé les effets du 17α-éthinylestradiol (EE2), composant des pilules contraceptives, et de la fluoxétine (FLX), l'antidépresseur le plus vendu au monde, sur deux poissons. Le pejerrey (Odontesthes bonariensis) vit dans des lagunes qui sont des réservoirs d'eaux usées, où la présence d'EE2 est détectée. En utilisant l'expression des gènes cyp19a1b (aromatase cérébrale) et cyp19a1a (aromatase gonadique) comment marqueurs biologiques nous avons constaté que l'exposition à EE2 n'affectait pas l'expression du gène cyp19a1b. Cependant, augmente significativement l'expression du cyp19a1a, liée à la différenciation ovarienne, et diminue l'expression de hsd11b2, liée a la différenciation testiculaire, chez les larves et mâles juvéniles. Aussi, produit une déviation des ratios male/femelles en faveur des femelles chez les larves et l'apparition de caractéristiques typique du développement ovarien dans les testicules de mâles juvéniles. Chez le poisson zèbre (Danio rerio) nous avons évalué le rôle de la sérotonine (5-HT) comme modulateur de la prolifération; et l'effet de la FLX, inhibiteur sélectif de sa recapture. Tout d'abord, nous avons montré que les neurones sérotoninergiques de l'hypothalamus sont générés à partir de cellules gliales radiaires présente dans cette région. Ensuite, nous avons constaté une réduction significative du nombre de cellules en prolifération dans le noyau du recessus lateral (NRL) et posterior (NRP) de l'hypothalamus, après de l'inhibition de la synthèse de 5-HT ; et dans le NRL, après d'exposition a FLX. / Over the last 10-15 years risks of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the environment have acquired significant relevance. In the present work we studied the effects of 17α-ethinylestradiol (EE2), component of contraceptive pills, and fluoxetine (FLX), the world’s most widely prescribed antidepressant, in fishes. Pejerrey (Odontesthes bonariensis) a south American teleost fish that inhabit aquatic ecosystems where EE2 has been reported. Exposure to EE2 did not alter the expression of cyp19a1b (brain aromatase). In contrast, expression of cyp19a1a (gonadal aromatase), involved in ovarian differentiation, was up-regulated; while expression of hsd11b2, associated with testicular differentiation, was down-regulated in larvae or juvenile males. Also, EE2 was able to shift sex ratios toward the female in larvae and alter the gonadal morphology of testicles of juvenile males. In zebrafish, a model organism considered as a useful tool in EDs screening, we investigated the potential role of serotonin (5-HT) as modulators of brain cell proliferation; in particular, we also analyzed the effects of FLX, a selective 5-HT reuptake inhibitor. We showed that 5-HT neurons of the hypothalamus originate from proliferative radial glial cells presents in this area. Treatment 5-HT synthesis inhibitor and exposure to environmentally relevant concentrations of FLX caused a significant decrease in the number of proliferating cells in the hypothalamus, resulting in a further decline in the number of own 5-HT neurons. These results provide evidence for the detrimental effect in teleost fish induced by the exposure to two pharmaceuticals considered as endocrine disruptors.

Les objectifs de cette étude comparative de deux bassins versants en France et en Ukraine» sont de trois ordres : i) déterminer l’occurrence des micropolluants émergents (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface, ii) permettre leur évaluation qualitative et quantitative et enfin iii) estimer leur distribution en fonction du contexte socio-économique. Cette recherche porte sur l'analyse de l'origine, sur les propriétés physico-chimiques et sur le comportement des micropolluants (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface des rivières Jalle (Bordeaux, France) et Udy & Lopan (Kharkiv, Ukraine). Un suivi des métaux traces et des produits pharmaceutiques dans les eaux naturelles de surface dans différents contextes et conditions climatiques a été réalisé. La description et l'analyse des facteurs environnementaux et socio-économiques influençant l’hydrochimie locale en vue de conclure sur l’opportunité et l'intérêt des micropolluants émergents comme indicateurs anthropiques du contexte socio-économique et environnemental d‘un bassin versant ont été mis en œuvre. L’étude a combiné des techniques de prélèvements d’échantillons d’eau classiques et par capteurs passifs in situ. L’analyse semi quantitative des micropolluants émergents a porté sur les métaux traces (sonde DGT) et les produits pharmaceutiques (POCIS). L’usage de ces capteurs a permis d’évaluer les différentes formes d'éléments, les sources, les variations saisonnières et spatiales, l'accumulation et les risques environnementaux. A partir des données environnementales collectées, acquises, actualisées et validées il a été possible de modéliser la consommation régionale de médicaments dans le cas de (1) la région de Kharkiv, en Ukraine, sur les rivières Lopan et Udy du bassin Seversky Donets et (2) la région de Bordeaux, en France, sur la rivière Jalle, du bassin de la Garonne. Les sites ont été sélectionnés pour représenter une diversité tant du point de vue de l'état de pollution des eaux (nature et flux) que de celui du paysage socio-économique (contexte urbain, social et indicateurs économiques). Les résultats majeurs de cette étude sont : (i) méthodologique pour le développement et la validation de protocoles d’échantillonnage classique et passif (intérêt, limites, recommandations), ii) analytique quant à la mesure des éléments traces des eaux de surface naturelles dans des conditions extrêmes, iii) scientifique par l’obtention d’un jeu de données sur l’hydrochimie des éléments traces ( présence, accumulation, origine et variabilité spatiale et temporelle et iv) prospectif quant à l’usage des métaux traces et de produits pharmaceutiques comme traceurs anthropiques de l’état des eaux naturelles de surfaces et reflet du contexte socio-économique. La modélisation socio-économique (statistique) et environnementale (balance de masse) aide à comprendre l’évolution de la qualité des eaux de surface dans leur contexte régional et permet d’identifier certains contaminants comme des indicateurs des activités anthropiques d’un bassin versant et permet de définir une typologie. L’ensemble des résultats de la thèse sont présentés sous la forme d'articles publiés ou soumis dans des revues scientifiques internationales. / The PhD study focuses on the understanding of processes of the impact of environmental and socio-economic determinants on the occurrence, accumulation and distribution of trace metals and pharmaceuticals in urban watercourses. The research has been based on the analysis of the origin; physico-chemical properties and behavior of trace pollutants. The study was performed in two general steps: (i) monitoring of trace metals and pharmaceuticals in natural waters; (ii) description and analysis of environmental and socio-economic determinants that influence the water chemistry and (iii) evaluation of trace pollutants as environmental and socio-economic indicators. The monitoring of trace metals in natural water was proceed using the combination of passive and grab water sampling techniques, in order to evaluate various forms of elements, sources, seasonal and spatial variations, accumulation and environmental risks associated with the presence of contaminants in the study areas. The monitoring of pharmaceuticals was done using passive sensors to determine their capacity to register chemicals variation in time and adequation to use environmental data for the regional medicament consumption modeling. Monitoring data were also investigated in term of potential applications of trace metals and pharmaceuticals as environmental and socio-economic indicators. Two study sites were chosen: (1) the Kharkiv region in Ukraine where research was focused on the Lopan and Udy rivers of the Seversky Donets water basin and (2) the Bordeaux region in France where water monitoring was done in the Jalle River, Garonne water basin. Sites were mainly selected to represent the water pollution status in different socio-economic regions. General PhD results can be described as follows:1. The methodology for pilot and continuous monitoring of trace elements in the water with combination of traditional (grab) and innovative (passive) sampling procedures help to get data on trace elements presence, accumulation and sources, considering time variations.2. The analysis of trace metals and pharmaceuticals in two river basins of France and Ukraine and determination of environmental factors that impact on the occurrence, accumulation and distribution of these chemicals.3. The establishment of links between regional socio-economic issues and water quality data. The socio-economic and environmental modeling helps us to understand the water pollution process in regional context and give the opportunity to propose contaminants as tracers of anthropogenic activities and water quality assessment.Results of the PhD study are presented in the form of published or submitted peer-reviewed articles. / Диссертация «Экологические и социально-экономические факторы распространения металлов и фармацевтических веществ в природных водах: на примере рек Харькова, Украина и Бордо, Франция» на соискание степени Доктора Философии (Environmental Science) подготовлена в рамках договора о научном сотрудничестве и совместном руководстве между Университетом Бордо, Франция и Харьковской национальной академией городского хозяйства, Украина.Актуальность работы связана с сушествующими проблемами мониторинга природных вод, недостатком исследований микро-загрязнителей водотоков как во Франции, так и в Украине, существующим экологическим риском, который возникает при поступлении и накоплении металов и фармацевтических веществ в урбанизированных водотоках, а также возможностью использования химических веществ в качестве экологических и социально – экономических индикаторов. Целью диссертационной работы стало усовершенствование методов мониторинга микро-загрязнителей в природных водах и оценка возможности использования отдельных микро-загрязнителей в качестве экологических и социально-экономических показателей. Предметом исследования являются экологические и социально-экономические факторы, влияющие на распространение металлов и фармацевтических веществ в природных водах. Объектом исследования стали реки Уды и Лопань, Харьковская область, Украина и река Жаль, регион Бордо, Франция.Основные задачи: (1) провести мониторинг рек на различные формы металлов и фармацевтические вещества с применением стандартных и инновационных (пассивных) методов отбора проб; (2) опеределить экологические и социально- экономические факторы, которые влияют на распространение микрозагрязнителей в природных водах; (3) изучить возможность использования металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов антропогенного загрязнения природных вод.В результате проведенных исследований был: Впервые: (а) осуществлен мониторинг лабильных форм металлов в реках бассейна Северского Донца, в результате которого определены концентрации токсичных металлов в водотоках, источники и количество их поступления; (б) проведен мониторинг фармацевтических веществ в природных водах Украины, (в) определены концентрации и основные источники поступления фармацевтических препаратов и удельные показатели потребления различных медикаментов в Харьковском регионе; Усовершенствованы: (а) методика проведения мониторинга воды за счет применения стандартных и инновационных пассивных методов отбора проб воды в контрастных климатических и гидрологических условиях с целью исследования различных форм загрязнителей и их временных вариаций; (б) балансово-статистическая модель, которая позволяет использовать данные мониторинга природных вод для социально-экономической характеристики регионов – водопользователей; Предложены:(а) система определения геохимического фона рек на основании торий – нормализованных концентраций металлов в донных отложениях; (б) метод использование металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов поступления сточных вод для идентификации несанкционированных сбросов.Основу диссертационного исследования составили натурные данные полевых исследований рек Харькова и Бордо, которые были организованы и проведены с непосредственным участием автора в 2008 – 2011 гг. Большинство лабораторных анализов было лично проведено автором в сертифицированных лабораториях Университета Бордо и Университета Орлеан, Франция.Диссертация имеет теоретическое и практическое значение для дальнейшего развития мониторинга природных вод, а также повышения уровня экологической и социальной безопасности в регионах. По теме опубликовано 4 статьи в международных журналах с высоким ИМПАКТ фактором, а также 5 статей в изданиях, реглиментированных ВАК Украины и России.