Il est maintenant avéré que les contaminants présents dans les milieux aquatiques peuvent être toxiques à l’état de traces voire d’ultra traces. Il est donc important de développer des méthodes d’analyse performantes et sensibles pouvant atteindre ces niveaux de concentration. Dans cette optique, les techniques chromatographiques couplées à la spectrométrie de masse (GC-MS et LC-MS/MS) sont généralement utilisées pour l’analyse des polluants organiques. Les composés présents dans les milieux aquatiques possèdent des propriétés physico-chimiques très variées, d’apolaires à très polaires. Ainsi, développer une analyse simultanée pour toutes ces molécules représente un challenge analytique. Dans ce travail de thèse, plusieurs étapes du processus analytique ont été évaluées : la préparation de l’échantillon par extraction sur phase solide (SPE), la séparation par chromatographie et la détection par spectrométrie de masse. Une liste de composés modèles couramment retrouvés dans les milieux aquatiques a été établie pour conduire ces essais. Les méthodes d’extraction en phase solide hors ligne et en ligne ont été développées dans une optique d’analyse multirésidus à un niveau de traces. Les méthodes chromatographiques, gazeuse et liquide, couplées à la spectrométrie de masse ont été étudiées pour favoriser une analyse exhaustive et sensible. La dernière partie a consisté à appliquer les méthodes développées pour une approche d’analyse non ciblée. / It is now widely recognized that contaminants present in aquatic environments can be toxic at traces or even ultra-traces level. Therefore, it is important to develop efficient and sensitive analytical methods to reach these levels of concentration. In that respect, chromatographic techniques coupled to mass spectrometry (GC-MS and LC-MS / MS) are commonly used for the analysis of organic pollutants. The substances encountered in aquatic environments display a large range of physico-chemical properties, from apolar to very polar. Thus, developing a simultaneous analysis for all these molecules represents an analytical challenge. In this pHD work, several steps of the analytical process have been investigated: sample preparation by solid phase extraction (SPE), chromatographic separation and the detection by mass spectrometry. A list of model compounds commonly determined in aquatic environments was established to conduct the tests. Solid phase extraction methods, offline and online, were developed in a multiresidue analysis aim at traces level. Chromatographic methods, gaseous and liquid, coupled to mass spectrometry were studied to obtain an exhaustive and sensitive analysis. The last part consisted to apply the developed methods for a non-targeted analysis approach.

L’utilisation intensive de certains pesticides et leur relative persistance vont de pair avec la présence de résidus dans l’eau de surface et l’eau potable mais aussi dans les produits agricoles disponibles pour les consommateurs, y compris les denrées alimentaires. À l’heure actuelle, les effets des pesticides sur la vie aquatique et d’autres organismes non ciblés sont relativement bien connus, et la possibilité des effets sur l’être humain fait débat. Des normes de qualité ont été proposées pour l’eau, que ce soit des critères pour l’eau potable ou des critères de protection de la vie aquatique pour l’eau de surface. Des limites maximales de résidus (MRL) de pesticides ont également été établies pour certains produits, notamment les fruits et légumes. Un des défis pour les chercheurs est la mise en œuvre de nouvelles méthodes analytiques sensibles et robustes pour la quantification ultra-trace de ces composés, afin de déterminer si les différents échantillons sont conformes aux directives ou aux MRL. L’analyse des pesticides modérément polaires dans des matrices complexes repose tout d’abord sur la méthode d’extraction. Plusieurs options sont disponibles, telles que l’extraction liquide-liquide ou en phase solide (SPE, Solid Phase Extraction) pour les matrices aqueuses, ou encore dSPE de type QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) pour les matrices solides. Actuellement, la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem représente un choix pertinent pour les analyses ultra-traces, mais sa mise en œuvre peut présenter certains défis. Dans ce contexte, les principaux objectifs de ce travail de recherche sont les suivants : i) proposer des méthodes analytiques rapides, sensibles et robustes pour déterminer des pesticides multi-classes aux niveaux d’exposition que l’on retrouve dans différentes matrices comme l’eau potable, les denrées alimentaires et l’urine comme matrice biologique, et ii) évaluer le lien entre les sources de contamination des divers pesticides et leur mobilité afin de documenter la distribution spatiale et temporelle dans l’eau de surface et l’eau potable au Québec. Pour les échantillons aqueux, une méthode SPE en ligne entièrement automatisée couplée à la chromatographie liquide haute performance et spectrométrie de masse en tandem a été développée. La méthode proposée est rapide (8 min par échantillon) avec des limites de détection comprises entre 0.1 et 5 ng L-1 pour les pesticides de la famille des néonicotinoïdes et l’atrazine. Pour les produits alimentaires tels que les fruits et légumes, l’optimisation d’une méthode de type QuEChERS a été réalisée. La méthode permet d’atteindre des niveaux de détection entre 0.05 ng g-1 et 2 ng g-1 pour une gamme de 22 pesticides couvrant 7 classes différentes, incluant les organophosphorés, les carbamates, les néonicotinoïdes et les triazines, entre autres. La robustesse des diverses méthodes a été démontrée par des expériences de contrôle qualité inter- et intra-journaliers afin de garantir l’exactitude, la précision et l’absence d'effets matriciels pour de longues séquences d’analyse. Les méthodes validées ont été appliquées à des échantillons réels, y compris des échantillons d’eau du robinet couvrant 52 villes de la province du Québec (Canada), 68 échantillons d’eau de surface (fleuve Saint-Laurent et tributaires), et 133 échantillons de laitue, pomme, raisin et tomates achetés sur les marchés locaux. Les résultats indiquent une forte occurrence de l’atrazine, la thiaméthoxame, la clothianidine et l’imidaclopride dans les échantillons d’eau et les quatre produits alimentaires. / The extensive use of certain pesticides and their relative persistence go on par with the presence of residue levels in surface water and drinking water, but also in agricultural products available to consumers (including foodstuffs). There are potential effects on aquatic life and non-target organisms, and the possibility of effects in humans remains a topical issue. Quality standards have been proposed for water, including criteria for drinking water and criteria for the protection of aquatic life (surface water). Maximum residue limits (MRLs) for pesticides have also been established for foodstuff, including fruits and vegetables. One of the challenges for researchers is the implementation of sensitive and robust analytical methods for the ultra-trace quantification of these compounds, with a view to determining whether the samples are compliant with guidelines or MRLs. The analysis of moderately polar pesticides in complex matrices relies notably on the extraction method. Diverse options are available, including liquid-liquid or solid phase extraction (SPE) for aqueous samples, and dSPE approaches such as QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) for solid samples. Liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry is usually selected for separation and detection at the ultra-trace level, but there are some pitfalls. In this context, the main objectives of the present research were as follows: i) to propose fast and robust analytical methods to determine multi-class pesticides at different exposure routes including drinking water and food, and ii) to evaluate the link between the contamination sources of various pesticides and their mobility to document their distribution in surface water and tap water in Quebec. For water samples, a fully automated on-line SPE method coupled to ultra-highperformance liquid chromatography tandem mass spectrometry was developed. The proposed method is rapid (8 min per sample) with detection limits between 0.1 and 5 ng L- 1 for neonicotinoids and atrazine. For food products (fruits and vegetables), a QuEChERS method was investigated. The optimized procedure shows limits of detection between 0.05 ng g-1 and 2 ng g-1 for a total of 22 pesticides encompassing 7 different classes, including organophosphorus compounds, carbamates, neonicotinoids and triazines, among others. The robustness of the various methods has been demonstrated by inter-day and intra-day iv quality control experiments to ensure suitable accuracy, precision, and the absence of matrix effects in long LC-MS batch sequences. The validated methods were applied to real samples, including tap water samples from 52 municipalities in the province of Quebec (Canada), 68 surface water samples from the St. Lawrence River and its main tributaries, and 133 fruits and vegetables samples (lettuce samples, apples, grapes and tomatoes) purchased from local markets. The results indicate a high occurrence of atrazine, thiamethoxam, clothianidin, and imidacloprid in the water samples and the four food products.

Les dernières décennies ont été marquées par une augmentation du nombre des cas de cancers, ce qui a subséquemment conduit à une augmentation dans la consommation des agents de chimiothérapie. La toxicité et le caractère cancérogène de ces molécules justifient l’intérêt crucial porté à leur égard. Quelques études ont fait l’objet de détection et de quantification des agents de chimiothérapie dans des matrices environnementales. Dans ce projet, une méthode utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) précédée d’une extraction sur phase solide (SPE) automatisée ou en ligne a été développée pour la détection et la quantification d’un groupe de six agents de chimiothérapie. Parmi ceux-ci figurent les plus utilisés au Québec (gemcitabine, méthotrexate, cyclophosphamide, ifosfamide, irinotécan, épirubicine) et présentant des propriétés physico-chimiques et des structures chimiques différentes. La méthode développée a été validée dans une matrice réelle représentant l’affluent d’une station d’épuration dans la région de Montréal. Deux des six composés cytotoxiques étudiés en l’occurrence (cyclophosphamide et méthotrexate) ont été détectés dans huit échantillons sur les neuf qui ont été recensés, essentiellement au niveau de l’affluent et l’effluent de quelques stations d’épuration de la région de Montréal. Les résultats des analyses effectuées sur les échantillons réels ont montré qu’il n’y avait pas de différence significative dans la concentration entre l’affluent et l’effluent, et donc que les systèmes d’épuration semblent inefficaces pour la dégradation de ces molécules. / The last few decades have been marked by an increase in the number of cancer cases, which subsequently led to an increase in the consumption of chemotherapeutic agents. The toxicity and the carcinogenicity of these molecules justify the increased interest. Few studies have been conducted to detect and quantify chemotherapeutic agents in environmental matrices. In this project, a method using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) preceded by an online solid-phase extraction (SPE) has been developed for the detection and quantification of a group of six chemotherapeutic agents, which are among the most commonly used in Quebec (gemcitabine, methotrexate, cyclophosphamide, ifosfamide, irinotecan, epirubicin) and having different physico-chemical properties and different chemical structures. The developed method was validated in a real water matrix representing the influent of a sewage treatment plant in the Montreal area. Two of the six studied cytotoxic agents (cyclophosphamide and methotrexate) were detected in eight samples of the nine taken mainly at the influent and effluent of some treatment plants in the Montreal area. The results of the analysis of real samples showed that there was no significant difference in concentration between the influent and effluent. This also demonstrates the inadequacy of the current wastewater treatment approaches to remove those compounds.

Les dernières décennies ont été marquées par une augmentation du nombre des cas de cancers, ce qui a subséquemment conduit à une augmentation dans la consommation des agents de chimiothérapie. La toxicité et le caractère cancérogène de ces molécules justifient l’intérêt crucial porté à leur égard. Quelques études ont fait l’objet de détection et de quantification des agents de chimiothérapie dans des matrices environnementales. Dans ce projet, une méthode utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) précédée d’une extraction sur phase solide (SPE) automatisée ou en ligne a été développée pour la détection et la quantification d’un groupe de six agents de chimiothérapie. Parmi ceux-ci figurent les plus utilisés au Québec (gemcitabine, méthotrexate, cyclophosphamide, ifosfamide, irinotécan, épirubicine) et présentant des propriétés physico-chimiques et des structures chimiques différentes. La méthode développée a été validée dans une matrice réelle représentant l’affluent d’une station d’épuration dans la région de Montréal. Deux des six composés cytotoxiques étudiés en l’occurrence (cyclophosphamide et méthotrexate) ont été détectés dans huit échantillons sur les neuf qui ont été recensés, essentiellement au niveau de l’affluent et l’effluent de quelques stations d’épuration de la région de Montréal. Les résultats des analyses effectuées sur les échantillons réels ont montré qu’il n’y avait pas de différence significative dans la concentration entre l’affluent et l’effluent, et donc que les systèmes d’épuration semblent inefficaces pour la dégradation de ces molécules. / The last few decades have been marked by an increase in the number of cancer cases, which subsequently led to an increase in the consumption of chemotherapeutic agents. The toxicity and the carcinogenicity of these molecules justify the increased interest. Few studies have been conducted to detect and quantify chemotherapeutic agents in environmental matrices. In this project, a method using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) preceded by an online solid-phase extraction (SPE) has been developed for the detection and quantification of a group of six chemotherapeutic agents, which are among the most commonly used in Quebec (gemcitabine, methotrexate, cyclophosphamide, ifosfamide, irinotecan, epirubicin) and having different physico-chemical properties and different chemical structures. The developed method was validated in a real water matrix representing the influent of a sewage treatment plant in the Montreal area. Two of the six studied cytotoxic agents (cyclophosphamide and methotrexate) were detected in eight samples of the nine taken mainly at the influent and effluent of some treatment plants in the Montreal area. The results of the analysis of real samples showed that there was no significant difference in concentration between the influent and effluent. This also demonstrates the inadequacy of the current wastewater treatment approaches to remove those compounds.

La consommation des composés pharmaceutiques est en constante croissance à travers le monde et leur utilisation peut entraîner une accumulation dans l’environnement d’où leur désignation à titre de contaminants émergents. De nombreux groupes de recherche se penchent donc sur les questions de leurs effets sur des organismes vivants, sur la santé de certains écosystèmes ou encore sur l’efficacité de différents types de traitement des eaux usées. Or, peu de données sont disponibles quant aux concentrations présentes dans différentes matrices telles que les eaux usées ou l’eau de surface dans lesquelles elles sont déversées ou encore l’impact que peuvent avoir les hôpitaux sur l’occurrence des composés pharmaceutiques. La recherche dans ce domaine peut s’avérer un outil clé dans l’établissement de normes et de limites pour différents contaminants puisque celles-ci sont encore marginales dans la plupart des pays du monde, surtout au niveau des médicaments. Dans le cadre de cette thèse, différentes méthodes analytiques ont été développées pour faire l’analyse de classes ciblées de médicaments par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse afin de quantifier ceux-ci dans diverses matrices environnementales. Un des objectifs du présent ouvrage est donc de détailler les travaux de développement et de validation de méthodes analytiques robustes. Une première méthode d’extraction en phase solide en ligne avec la chromatographie liquide ultra-haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (SPE en ligne UPLC-MS/MS) a été développée afin de faire l’analyse de huit différentes classes de composés pharmaceutiques susceptibles d’être retrouvés dans les eaux usées. Afin de déterminer la distribution et l’adsorption des composés ciblés sur la phase solide de différentes matrices, une méthode d’extraction et de purification a également été optimisée de telle sorte que les extraits de matière particulaire et de sédiments soient compatibles avec cette méthode analytique. Ces méthodes ont été appliquées sur de nombreuses eaux usées d’hôpitaux et d’usine de traitement des eaux au Québec (Canada). Les produits de chimiothérapies présentent un défi analytique supplémentaire puisqu’ils sont polaires comparativement à la plupart des autres classes de composés pharmaceutiques. Il y a donc peu d’études sur la présence et le comportement de ces contaminants bien que ceux-ci présentent un risque écotoxicologique potentiellement important. Un deuxième objectif de cette thèse a donc été de comparer différentes alternatives pour la préconcentration et la séparation chromatographique, notamment la chromatographie à interaction hydrophile (HILIC). Celle-ci a mené à la validation de deux méthodes analytiques dont la sensibilité est de l’ordre des ng/L pour ces composés dans des eaux usées brutes. Ces méthodes de SPE en ligne UPLC-MS/MS ont été appliquées à de nombreux échantillons d’effluents d’hôpitaux ainsi qu’à des usines de traitement des eaux usées au Québec (Canada). D’autre part, la méthode SPE en ligne UPLC-MS/MS pour l’analyse des multiples classes de composés pharmaceutiques a été validée pour l’eau de surface enfin d’atteindre un dernier objectif de cet ouvrage qui consiste à évaluer différentes sources de contamination de cette matrice à proximité de zones densément peuplées. Durant de larges campagnes d’échantillonnage sur le fleuve Saint-Laurent, échelonnées sur une période de cinq ans et ayant couvert une zone géographique de près de 700 km entre le Lac Ontario et l’estuaire, plus de 400 échantillons ont été prélevés et analysés. Parmi ceux-ci figurent des échantillons provenant de 56 rivières tributaires au fleuve prélevés afin de déterminer l’impact de celles-ci en termes de pollution en composés pharmaceutiques et de les comparer avec des points de rejet d’eau usée de villes telles que Montréal ou Québec. Enfin, ces mêmes méthodes ont été appliquées lors de projets en collaboration avec des chercheurs se penchant sur les effets écotoxicologiques des composés pharmaceutiques sur des organismes aquatiques dans des matrices d’eau de surface ainsi que pour de développement de technologies alternatives pour le traitement des eaux usées. / A constant increase in pharmaceutical compounds worldwide can accentuate problems related to these pollutants of emerging concern in environmental matrices. Therefore, many researchers are studying their effects on living organisms, the health of impacted ecosystems, and the efficiency of different types of wastewater treatment systems. However, there is a lack of available data on the occurrence and concentrations of pharmaceuticals in different matrices, such as wastewaters or receiving surface waters, and the relative importance of hospital effluents on the load of these contaminants. Research in this field can be a key tool on different drugs since only a few countries have implemented norms and guidance, especially for medications. As part of this thesis, different analytical methods have been developed for the analysis of selected drugs, and liquid chromatography coupled with mass spectrometry was used to quantify multi-class pharmaceuticals occurring in various environmental matrices. One objective of this manuscript is to develop and validate robust analytical methods. A first extraction method on-line with liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (on-line SPE UPLC-MS/MS) was developed to analyze eight different pharmaceutical classes susceptible to be found in wastewaters. With the aim of evaluating the partitioning and adsorption of target compounds onto a solid phase, an extraction and purification method was optimized to ensure that particulate matter and sediment extracts were compatible with the analytical method. These optimized methods were then applied to several hospital effluents and wastewater treatment plants samples in the province of Quebec (Canada). Chemotherapy agents present an additional analytical challenge since these drugs are relatively polar compared with most of other pharmaceutical classes. This explains the low number of publications relating to their occurrence and behaviour even though they present a high ecotoxicological hazard. A second objective of this thesis was to compare different potential alternatives for enrichment and chromatographic separation of these pollutants, notably the use of hydrophilic interaction chromatography (HILIC). This work led to the validation of two analytical methods for which the sensitivity reached ng/L levels for these compounds in raw sewage. These methods were successfully applied to samples from numerous hospital effluents and wastewater treatment plants from the province of Quebec (Canada). Also, a multi-class pharmaceutical method was validated for surface water in order to achieve the last objective of this thesis which consisted in the determination of the different contamination sources of this matrix near densely populated areas. During major sampling campaigns on the Saint-Lawrence River, spanning over five years and covering a geographical area of approx. 700 km between Lake Ontario and the estuary, a total of more than 400 samples were collected and analyzed. Among those, 56 different rivers tributary to the Saint-Lawrence were sampled to establish the impact they may have on pharmaceutical pollution. Data were compared with wastewater rejection points from cities, such as Montreal and Quebec. Finally, these methods were applied in the context of collaboration projects with researchers focusing on measuring ecotoxicological effects of pharmaceutical compounds on living organisms in surface water matrices and on the development of alternative wastewater treatment technologies.