Le suivi règlementaire des sous-produits de la désinfection (SPD) dans l’eau potable fournit généralement aux opérateurs des usines de production d’eau potable un portrait partiel de la performance du traitement en termes de SPD, étant donné la basse fréquence d’échantillonnage exigée. Une rétroaction plus fréquente sur les concentrations de SPD permettrait une optimisation des paramètres d’opération susceptible d’influencer l’enlèvement des précurseurs de SPD et la désinfection. Il importe alors d’avoir une méthode de suivi simple, rapide, et à fréquence élevée, voire en continu, des concentrations de SPD dans l’eau potable. L’absorbance UV différentielle (ΔA) est une méthode d’estimation des concentrations de SPD à coût faible, pouvant être effectuée rapidement et fréquemment, qui consiste à utiliser la différence entre une mesure de l’absorbance UV avant la chloration et une mesure de l’absorbance UV après la chloration pour prédire les concentrations de SPD. L’objectif de cette thèse est de développer une stratégie de suivi en continu de la formation des SPD par l’absorbance UV différentielle en usine afin de permettre une opération préventive et adaptative lors du traitement de l’eau. Cet objectif est divisé en deux sous-objectifs: comprendre pourquoi les relations SPD-ΔA ne sont pas universelles et identifier les stratégies favorisant leur généralisation et leur application à l’échelle réelle, et développer une stratégie d’opération adaptative et préventive du procédé de coagulation-floculation, utilisant comme rétroaction l’absorbance UV-visible, afin de réduire les concentrations de SPD à l’usine et en réseau. À cette fin, un premier essai a été fait afin de vérifier la possibilité d’établir des relations SPD-ΔA valide à l’échelle réelle. Ensuite, une stratégie de coagulation à l’échelle réelle utilisant l’absorbance UV à 254 nm des eaux brutes et décantées a été testée. En parallèle, une série de jar-tests et d’essais de chloration faits sur 8 eaux brutes différentes a permis de construire une base de données sur la coagulation de la matière organique et des précurseurs des SPD, permettant de comparer les résultats obtenus en laboratoire à ceux obtenus à l’échelle réelle. Cette même base de données a aussi servi à établir des relations SPD-ΔA plus largement applicables et à formuler des recommandations sur l’approche à adopter pour généraliser et utiliser ces relations. Les résultats des essais à l’échelle réelle montrent qu’il est possible d’établir des relations SPD-ΔA autant pour des sous-produits règlementés (trihalométhanes (THM) et acides haloacétiques (AHA)) que pour des sous-produits émergents (haloacétonitriles (HAN), halocétone (HK), et chloropicrine (CPK)) en utilisant l’absorbance UV différentielle à une seule longueur d’onde (272 nm), mais que ces relations varient dans le temps en fonction des paramètres physico-chimiques de l’eau brute et des paramètres d’opération des procédés. L’absorbance UV avant chloration demeure malgré tout un bon indicateur de la concentration de précurseurs de SPD. Ainsi, une stratégie de coagulation basée sur une dose stœchiométrique d’alun par rapport à l’absorbance UV à 254nm de l’eau brute (dose d’alun/UV254 de l’eau brute) a été développée à l’échelle réelle. Les résultats de l’essai de la stratégie à l’échelle réelle et des jar-tests concordent et confirment que l’utilisation d’une dose stœchiométrique d’alun définie permet de maximiser l’enlèvement de l’absorbance UV et des précurseurs dans une situation de qualité de l’eau variable quotidiennement et saisonnièrement. L’utilisation de l’absorbance UV différentielle à plusieurs longueurs d’onde, en plus de l’utilisation de l’absorbance avant chloration, permet d’améliorer les prédictions des relations empiriques SPD-ΔA et de généraliser leur application. En effet, les résultats des jar-tests et des essais de chloration ont montré que ces relations sont applicables à des eaux chlorées ayant des caractéristiques physico-chimiques variées. Spécifiquement, les concentrations de THM semblent mieux prédites en utilisant l’absorbance avant chloration à 270 nm, ΔA à 270 nm et ΔA à 425 nm, l’acide dichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 250nm, ΔA à 250 nm et ΔA à 425 nm, et l’acide trichloroacétique en utilisant l’absorbance avant chloration à 255 nm, ΔA à 255nm et ΔA à 425 nm. L’utilisation de l’absorbance différentielle à plusieurs longueurs d’onde devra être expérimentée à l’échelle réelle dans des recherches futures, entre autres en utilisant des sondes de mesure de l’absorbance en continu. / Regulatory sampling of drinking water for the control of disinfection by-products (DBPs) gives a partial depiction of the performance of a drinking water system in terms of DBPs, given the usually low sampling frequency required. A more frequent feedback on DBP concentrations would allow optimisation of the operation of the treatment processes responsible for the removal of DBP precursors. It is therefore important to develop a simple, rapid and high frequency or even continuous monitoring method for DBPs. Differential UV absorbance (ΔA) is a method, consisting of the use of the difference between the absorbance of a sample before chlorination and after chlorination to predict DBP concentrations that can provide such a feedback rapidly and frequently. The main goal of this thesis is to develop a continuous DBP monitoring strategy using differential UV absorbance in order to achieve a preventive and adaptive operation of water treatment processes. This goal is divided into two sub-objectives : to understand why DBP-ΔA relationships are not universal and to identify ways to generalize their application in full-scale water treatment facilities, and to develop a preventive and adaptive operation strategy of the coagulation-flocculation process, using UV absorbance as a feedback, in order to reduce DBP concentrations at the plant and in the distribution network. To reach these goals, atrial was made to assess the possibility of establishing DBP-ΔA relationships at a full-scale treatment plant. Then, a coagulation strategy using UV absorbance at 254 nm of the raw and settled waters was tested to assess its capacity to reduce DBP concentrations. At the same time, jar-tests and chlorination experiments were conducted on 8 different water sources to build a database on the coagulation of DBP precursors. These results were compared with the full-scale coagulation strategy. The database was also used to establish DBP-ΔA relationships applicable to waters with a wide range of physicochemical characteristics and to formulate recommendations on the approach to take to generalize and use these relationships. The results of the full-scale trials show that it is possible to establish DBP-ΔA relationships for both regulated (trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAAs)) and unregulated (haloacetonitriles (HANs), haloketones (HKs) and chloropicrin (CPK)) DBPs using differential UV absorbance at one wavelength (272 nm), but that these relationships vary with the raw water physicochemical characteristics and with the operation parameters of the treatment process. Nonetheless, UV absorbance before chlorination remains a good surrogate of the concentration of DBP precursors. A coagulation strategy based on a stoichiometric alum dose related to UV absorbance at 254 nm (alum/UV254) was therefore developed at full-scale. Results from the full-scale trials and the jar-tests are coherent and confirm that using a stable stoichiometric dose maximises the removal of UV absorbance and DBP precursors despite daily and seasonal variations of raw water quality and natural organic matter content. The use of differential UV absorbance at multiple wavelength made it possible to improve the predictive capacity of empirical DBP-ΔA relationships and to generalize their application. Indeed, results from the jar-tests and chlorination experiments showed that these relationships are applicable to chlorinated waters with very different physicochemical characteristics. Specifically, THM concentrations seem to be better predicted using pre-chlorination absorbance at 270nm, ΔA at 270nm and ΔA at 425nm, dichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 250nm, ΔA at 250nm and ΔA at 425nm, and trichloroacetic acid using pre-chlorination absorbance at 255nm, ΔA at 255nm and ΔA at 425nm. The use of differential absorbance at multiple wavelengths, especially using online absorbance probes, should be tried in a full-scale water treatment facility in future research.

La présence dans les eaux de composés pharmaceutiques constitue de nos jours une préoccupation croissante. Une grande variété de composés pharmaceutiques a récemment été mise en évidence dans les eaux de surface. La chloration, l'ozonation et l'oxydation radicalaire sont fréquemment employés au cours de la filière de traitement des eaux pour leurs propriétés désinfectante et oxydante. Toutefois, des sous-produits d'oxydation peuvent être rémanents. Dans ce contexte, il est important de connaître la réactivité de ces procédés oxydants sur ces composés. Pour cela, l'étude de l'effet du chlore, de l'ozone et des radicaux HO• sur trois composés pharmaceutiques couramment utilisés (le métronidazole, le paracétamol et la lévofloxacine) a été menée. Dans un premier temps, une étude cinétique a été menée à 20°C qui a conduit à la détermination de constantes cinétiques. Pour chaque composé, une dégradation plus ou moins rapide a été observée suivant le procédé d'oxydation employé. Afin de prévoir le devenir des composés pharmaceutiques au niveau des étapes d'oxydation, une modélisation de la dégradation de chacun des composés pharmaceutiques (pour différentes concentrations en oxydant, temps de contact et qualités de l'eau) a été estimée. Dans un second temps, de nombreux sous-produits ont été identifiés par LC/MS et LC/MS/MS et des mécanismesréactionnels ont été proposés. Enfin, un suivi de la toxicité (suivi de l'inhibition de la luminescence de Vibrio fisheri) a été entrepris et comparé avec l'évolution des sous-produits d'oxydation. Une augmentation de la toxicité a été observée pour les premiers taux de traitement pour chaque oxydant et composé pharmaceutique testés. / Recently, the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment has been reported as an emerging environmental issue. Actually, numerous pharmaceuticals have been detected in surface waters. Chlorination, ozonation and oxidation by hydroxyl radicals are widely used in water treatment due to their disinfectant and oxidation properties. However, these oxidationprocesses can induce refractory transformation products. In this context, the objective of this work was to study the fate of three commonly used pharmaceuticals (metronidazole, paracetamol and levofloxacin) during oxidation with chlorine, ozone and hydroxyl radicals. First, a kinetic study was conducted at pH 7.2 and 20°C and rate constants were determined. For each pharmaceutical, different rates of degradation were observed depending on oxidation process. To better assess pharmaceutical removal under water treatment conditions, an estimation of pharmaceutical removal under several oxidation conditions (i.e.oxidant concentrations, contact time, water quality) was undertaken. In a second part, numerous transformation products were identified by LC/MS and LC/MS/MS and reactional pathways were suggested. Finally, monitoring of the toxicity (luminescence inhibition of Vibrio fisheri) were performed and compared to the formation of by-products. An increase in toxicity was observed for each oxidation process and pharmaceutical tested for the smallest oxidant doses.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Forty percent of North American pulping mills are exploiting the versatile kraft process to convert wood chips into high-quality pulp. Regrettably, it generates important amounts of chemically reduced sulfur compounds (TRS) of low molecular mass (H2S, CH3SH, (CH3)2S, (CH3)2S2) responsible for stinking odors. Although effective, current abatement technologies are employed to eradicate the TRS predicament without incentives for sulfur valorization. Hence, the current project investigates a prospective abatement approach that would convert TRS into recoverable sulfur species. It took origin from the Lo-Cat process which uses chelated iron(III) solutions to convert H2S into colloidal sulfur. An investigation was initiated to establish the fundamentals (reaction kinetics, mechanisms, thermodynamic properties) about the H2Saq oxidation reaction with iron(III) chelates and assess if this concept could be further applied to other TRS species. The experimental workload was carried out with the iron rrara-l,2-diaminocyclohexanetetraacetic acid (iron-cdta) chelate in alkaline solutions where H2S absorption (H2Saq - ^ HS~ +H+ ; pK° =7.1) is promoted. Kinetic studies in anoxic solutions revealed that accumulation of polysulfide ions (S2n ; n = 2-9) gained from the oligomerization of HS" with iron(HI)-cdta complexes accelerate the HS' conversion rate. Polysulfides eventually transform into colloidal sulfur (a-Sg). The kinetics is also strongly dependant of the Fe3+cdta4 " + H2O ^ Fe3+OH~cdta4 ~ + H+ (pK° = 9.7; 298 K) complex formation reaction which is influenced by ionic composition and temperature. The Fe3+cdta4 " species is about 10 times more reactive than Fe3+OH~cdta4 " toward the polysulfide ensemble. Accordingly, superior HS' uptake could be achieved in the 8-9 pH range where Fe3+cdta4 " and HS" species are prevailing. Dissolved oxygen was shown to disturb the polysulfide formation cycle by generating thiosulfate precursors restricting the accumulation of polysulfides that would otherwise improve the HS" conversion rates. This effect is yet conflicting with the strong re-oxidation potential of oxygen toward iron(II)-cdta keeping iron(III)-cdta concentrations constantly elevated. The following reaction settings were assessed to improve HS" conversions, and thus possibly the H2Sg absorption rates: mildly alkaline pH, high ionic strength, moderate dissolved oxygen concentrations and presence of dispersed colloidal sulfur leading to the formation of polysulfides. / Quarante pour cent des fabriques nord-américaines de pâte utilisent le procédé kraft afin de convertir la fibre de bois en pâte de haute qualité. Ceci engendre toutefois d'énormes quantités de composés de soufre réduit (SRT) de basse masse moléculaire (H2S, CH3SH, (CH3)2S, (01^3)282) qui sont responsables d'odeurs nauséabondes. Les techniques courantes d'abattement des SRT se focalisent exclusivement à éliminer le problème sans valoriser le soufre. Or, une approche qui convertirait les SRT en espèces récupérables serait une option valable dans le contexte papetier actuel. L'étude prend origine du procédé Lo-Cat qui utilise des solutions de chélate de fer(III) pour convertir le sulfure d'hydrogène (H2S) en soufre colloïdal. Certains principes fondamentaux (cinétique réactionnelle, mécanisme, propriétés thermodynamiques) concernant l'oxydation de l^Saq en présence d'un chélate de fer(III) ont donc été établies afin d'évaluer l'applicabilité du présent concept pour le quatuor SRT en entier. Les travaux ont été réalisés avec l'acide trans di(aminediacétique)-l,2 cyclohexane (fer(III)-cdta) en milieu alcalin où l'espèce HS* prédomine sur H2Saq(H2Saq - ^ HS~ +H+ ; pK° = 7.1). L'étude cinétique en milieu anoxique a permis de démontrer que les polysulfures (S^ ; n = 2-9) formés par oligomerisation de HS" avec l'aide du complexe fer(III)-cdta accélèrent la conversion de HS". La cinétique de conversion de HS" dépend également de la réaction de complexation suivante: Fe3+cdta4 " + H2O ^ Fe3+OH~cdta4 ~ + H+ (pK° = 9.7; 298 K). En effet, l'espèce Fe +cdta " est environ 10 fois plus réactive envers les polysulfures que son analogue (Fe3+OH"cdta4 "). Par conséquent, de grands taux de conversion ont été obtenus à un pH de 8-9 où les espèces Fe3+cdta4 " et HS' prévalent. L'oxygène moléculaire quant à lui perturbe le cycle de formation des polysulfures qui autrement auraient amélioré le taux de conversion de HS" par leur effet auto-catalytique. Ceci vient toutefois en contradiction avec le grand potentiel de l'oxygène pour la ré-oxydation du produit fer(H)-cdta en fer(HI)-cdta. Finalement, les conditions opératoires suivantes ont permis d'obtenir de hauts taux de conversion de HS": pH légèrement alcalin, haute force ionique, légère concentration d'oxygène dissous et la présence de soufre colloïdal permettant la formation de polysulfures ( S8 + HS~ $± S2 g' + H+ ).

L’exposition à certains sous-produits de la chloration peut avoir un effet sur le développe-ment foetal. Une étude cas-témoins populationnelle a été menée chez 1 430 femmes résidant dans la région de Québec afin d’évaluer l'association entre une exposition à des sous-produits émergents, particulièrement aux haloacétaldéhydes et aux haloacétonitriles, durant le troi-sième trimestre de grossesse, et le retard de croissance intra-utérine. L’interaction statistique entre ces sous-produits et ceux faisant l’objet d’un suivi règlementaire (trihalométhanes (THM) et acides haloacétiques (AHA) a également été évaluée. Les facteurs de risque du re-tard de croissance et l'exposition multiroute individuelle ont été pris en compte dans nos ana-lyses qui visaient à comparer le quatrième quartile d’exposition aux trois premiers quartiles combinés. Aucune association n'a été observée entre l’exposition aux haloacétaldéhydes, ou aux haloacétonitriles, et l’issue étudiée. En revanche, une interaction négative a été observée entre l’hydrate de chloral et les composés règlementés (THM et AHA). / Exposure to some chlorination by-products has been linked to adverse effects on fetal devel-opment. A population-based case-control study was conducted in a population of 1,430 women residing in the Quebec City region in order to assess the association between haloa-cetaldehydes and haloacetonitriles exposure during third trimester of pregnancy and intra-uterine growth retardation. Statistical interaction between these emerging by-products and those already subjected to regulatory control (trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs)) was also estimated. Known risk factors and individual multiroute exposure were included in our analyses, which aimed to compare the fourth quartile of exposure to the first three quartiles combined. No clear evidence of association was observed between exposure to haloacetaldehydes, haloacetonitriles, and intra-uterine growth retardation. However, a nega-tive interaction was observed between chloral hydrate and the compounds currently subjected to regulatory control (THMs and HAAs).

Cette thèse est consacrée au développement de stratégies pour évaluer l'exposition de la population aux sous-produits de la chloration (SPC) dans l'eau potable. Afin de réaliser cette thèse, l'étude de cas est conduite dans les réseaux de distribution d'eau potable qui desservent la grande région de Québec (Province de Québec, Canada). Le premier chapitre constitue une analyse critique des approches appliquées pour estimer l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable dans les études épidémiologiques axées sur les problèmes de reproduction humaine. Cette analyse permet d'identifier les facteurs à considérer pour estimer l'exposition de la population, et plus particulièrement en intégrant la variabilité spatiale et temporelle de l'occurrence des SPC dans les réseaux de distribution. Le deuxième chapitre compare différentes méthodes pour assigner spatialement des données de SPC à la population afin d'estimer son exposition à ces contaminants. Le troisième chapitre intègre une analyse des risques pour la santé humaine (cancer et non-cancer) associés à l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable. Les caractéristiques des réseaux de distribution influant sur la variabilité spatiale de l'occurrence des SPC sont considérées dans l'analyse. Par conséquent, la distribution spatiale du risque pour la population dans chacun des réseaux de distribution à l'étude est obtenue. Dans le dernier chapitre, une modélisation statistique multi-niveaux est réalisée afin d'estimer l'exposition de la population aux SPC dans l'eau potable à l'échelle de la région à l'étude. Ces modèles font appel à des paramètres facilement disponibles et intègrent la variabilité spatiale mais aussi saisonnière de l'occurrence des SPC dans les réseaux de distribution d'eau potable.

Les troubles reliés à la dépression, l’épuisement professionnel et l’anxiété sont de plus en plus répandus dans notre société moderne. La consommation croissante d’antidépresseurs dans les différents pays du monde est responsable de la récente détection de résidus à l’état de traces dans les rejets urbains municipaux. Ainsi, ces substances dites « émergentes » qui possèdent une activité pharmacologique destinée à la régulation de certains neurotransmetteurs dans le cerveau suscitent maintenant de nombreuses inquiétudes de la part de la communauté scientifique. L’objectif principal de ce projet de doctorat a été de mieux comprendre le devenir de plusieurs classes d’antidépresseurs présents dans diverses matrices environnementales (i.e. eaux de surfaces, eaux usées, boues de traitement, tissus biologiques) en développant de nouvelles méthodes analytiques fiables capables de les détecter, quantifier et confirmer par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-QqQMS, LC-QqToFMS). Une première étude complétée à la station d’épuration de la ville de Montréal a permis de confirmer la présence de six antidépresseurs et quatre métabolites N-desmethyl dans les affluents (2 - 330 ng L-1). Pour ce traitement primaire (physico-chimique), de faibles taux d’enlèvement (≤ 15%) ont été obtenus. Des concentrations d’antidépresseurs atteignant près de 100 ng L-1 ont également été détectées dans le fleuve St-Laurent à 0.5 km du point de rejet de la station d’épuration. Une seconde étude menée à la même station a permis l’extraction sélective d’antidépresseurs dans trois tissus (i.e. foie, cerveau et filet) de truites mouchetées juvéniles exposées à différentes concentrations d’effluent dilué traité et non-traité à l’ozone. Un certain potentiel de bioaccumulation dans les tissus (0.08-10 ng g-1) a été observé pour les spécimens exposés à l’effluent non-traité (20% v/v) avec distribution majoritaire dans le foie et le cerveau. Une intéressante corrélation a été établie entre les concentrations de trois antidépresseurs dans le cerveau et l’activité d’un biomarqueur d’exposition (i.e. pompe N/K ATPase impliquée dans la régulation de la sérotonine) mesurée à partir de synaptosomes de truites exposées aux effluents. Une investigation de l’efficacité de plusieurs stations d’épuration canadiennes opérant différents types de traitements a permis de constater que les traitements secondaires (biologiques) étaient plus performants que ceux primaires (physico-chimiques) pour enlever les antidépresseurs (taux moyen d’enlèvement : 30%). Les teneurs les plus élevées dans les boues traitées (biosolides) ont été obtenues avec le citalopram (1033 ng g-1), la venlafaxine (833 ng g-1) et l’amitriptyline (78 ng g-1). Des coefficients de sorption expérimentaux (Kd) calculés pour chacun des antidépresseurs ont permis d’estimer une grande sorption des composés sertraline, desméthylsertraline, paroxetine et fluoxetine sur les solides (log Kd > 4). Finalement, un excellent taux d’enlèvement moyen de 88% a été obtenu après ozonation (5 mg L-1) d’un effluent primaire. Toutefois, la caractérisation de nouveaux sous-produits N-oxyde (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) par spectrométrie de masse à haute résolution (LC-QqToFMS) dans l’effluent traité à l’ozone a mis en lumière la possibilité de formation de multiples composés polaires de toxicité inconnue. / Mood disorders such as depression, burn-out and anxiety have increased in our modern society. Increasing amounts of antidepressant prescriptions around the world are now suspected to be the main cause of the recent detection of traces of antidepressant residues within urban wastewaters. These so-called “emerging” substances that possess pharmacological activity towards neurotransmitter regulation in the brain have raised serious concerns from the scientific community. The initial goal of the study was to better understand the fate of various classes of antidepressants present in different environmental matrices (e.g. surface waters, wastewaters, treatment sludge, and biological tissues) by developing novel reliable analytical methods that can detect, quantify and confirm antidepressants using high performance liquid chromatography coupled to tandem-mass spectrometry (LC-QqQMS,LC- QqToFMS). A preliminary study completed at the Montreal sewage treatment plant (STP) confirmed the presence of six antidepressants and four N-desmethyl metabolites in raw sewage (2 – 330 ng L-1). For this primary treatment (physico-chemical), low removal rates (≤ 15%) were obtained. Concentrations of antidepressant close to 100 ng L-1 were also detected directly in the St. Lawrence River at 0.5 km of the effluent outfall. A second study conducted at the same STP allowed the selective extraction of antidepressants in three biological tissues (e.g. liver, brain, and filet) dissected from juvenile brook trouts previously exposed to diluted untreated and treated effluents with ozone. Bioaccumulation of antidepressants was readily observed in fish tissues (0.08-10 ng g-1) for the specimens exposed to untreated effluent (20% v/v), with major distribution in liver and brain. During experiments, a significant correlation was established between the concentrations of three antidepressant detected in brain tissues and the activity of a selected biomarker of exposition (e.g. an N/K ATPase pump involved in the serotonin regulation) measured within dissected synaptosomes from trout exposed to effluents. Investigation of estimated treatment removal efficiencies from various Canadian STPs operating different disinfection modes showed that secondary treatments (biological) were more efficient than primary (physico- chemical) to remove antidepressants (mean removal rates : 30%). The highest amounts detected in treated sludge (biosolids) were obtained respectively with citalopram (1033 ng g-1), venlafaxine (833 ng g-1), and amitriptyline (78 ng g-1). Experimental calculated sorption coefficients (Kd) of each antidepressant predicted fairly good sorption capacities for sertraline, desmethylsertraline, paroxetine, and fluoxetine to solid matters (log Kd > 4). Finally, an excellent mean removal rate of 88% was obtained after ozonation (5 mg L-1) of a primary effluent. However, the characterization of new N-oxide side-products (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) in ozonized effluent by high-resolution mass spectrometry (LC-QqToFMS) highlighted the possibility of formation of multiple polar compounds with unknown toxicity.

L'industrie oléicole joue un rôle socio-économique important pour les pays méditerranéens. Cependant, ce secteur pose également de sérieux problèmes environnementaux dus à la production de grandes quantités de sous-produits pendant de courtes périodes : les grignons d'olive, les margines (effluents liquide) et les margions. En effet, les margines représentent un défi environnemental majeur. Face à cette situation, plusieurs techniques physico-chimique et biologique ont été développées pour répondre à cette problématique. Malgré leur efficacité, ces techniques présentent l’inconvénient d’être chères. L'objectif de ce travail est de contribuer à la gestion et la valorisation à grande échelle des sous-produits oléicoles à travers l’optimisation des paramètres de démarrage du processus, le compostage et le lombricompostage et de mettre au point une méthode simple et efficace de suivi de l’évolution chimique et biologique des composts. Notre étude a porté sur le lombricompostage et le compostage d’un mélange de grignons d’olive, de fumier de cheval et de paille de blé, imbibé avec un ajout de margines à différentes concentrations. Le compost et le vermicompost ont été caractérisés par des paramètres physico-chimiques et biologiques qui ont mis en évidence la minéralisation, l’humification et la stabilisation de la matière organique. Le lombricompostage, combiné au compostage, peut être une technique adaptée et moins couteuse pour le traitement et la valorisation des sous-produits oléicoles comme amendement organique à grande échelle. / The olive industry plays an important socio-economic role for the Mediterranean countries. However, this sector also caused serious environmental problems due to the production of large quantities of by-products for short periods: olive pomace, olive mille wastewater (OMWW) and tow phase olive waste. Indeed, OMWW represent a major environmental challenge because of their chemical composition. Faced with this situation, several physicochemical and biological techniques have been developed to respond to this problem. Despite their effectiveness, these techniques have the disadvantage of being expensive. The objective of this study is to contribute to the management and the large-scale valorization of olive oil by-products through the optimization of the starting parameters of the process; composting and vermicomposting and to develop a simple and effective method for monitoring the chemical and biological evolution of composts. Our study focused on vermicomposting and composting a mixture of olive pomace, horse manure and wheat straw, soaked with the addition of OMWW at different concentrations. Compost and vermicompost were characterized by physicochemical parameters and biological parameters which showed the mineralization, humification and stabilization of organic matter.Vermicomposting, combined with composting, may be a suitable and less expensive technique for the processing and valorization of olive oil by-products as a large-scale organic amendment.

Les troubles reliés à la dépression, l’épuisement professionnel et l’anxiété sont de plus en plus répandus dans notre société moderne. La consommation croissante d’antidépresseurs dans les différents pays du monde est responsable de la récente détection de résidus à l’état de traces dans les rejets urbains municipaux. Ainsi, ces substances dites « émergentes » qui possèdent une activité pharmacologique destinée à la régulation de certains neurotransmetteurs dans le cerveau suscitent maintenant de nombreuses inquiétudes de la part de la communauté scientifique. L’objectif principal de ce projet de doctorat a été de mieux comprendre le devenir de plusieurs classes d’antidépresseurs présents dans diverses matrices environnementales (i.e. eaux de surfaces, eaux usées, boues de traitement, tissus biologiques) en développant de nouvelles méthodes analytiques fiables capables de les détecter, quantifier et confirmer par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-QqQMS, LC-QqToFMS). Une première étude complétée à la station d’épuration de la ville de Montréal a permis de confirmer la présence de six antidépresseurs et quatre métabolites N-desmethyl dans les affluents (2 - 330 ng L-1). Pour ce traitement primaire (physico-chimique), de faibles taux d’enlèvement (≤ 15%) ont été obtenus. Des concentrations d’antidépresseurs atteignant près de 100 ng L-1 ont également été détectées dans le fleuve St-Laurent à 0.5 km du point de rejet de la station d’épuration. Une seconde étude menée à la même station a permis l’extraction sélective d’antidépresseurs dans trois tissus (i.e. foie, cerveau et filet) de truites mouchetées juvéniles exposées à différentes concentrations d’effluent dilué traité et non-traité à l’ozone. Un certain potentiel de bioaccumulation dans les tissus (0.08-10 ng g-1) a été observé pour les spécimens exposés à l’effluent non-traité (20% v/v) avec distribution majoritaire dans le foie et le cerveau. Une intéressante corrélation a été établie entre les concentrations de trois antidépresseurs dans le cerveau et l’activité d’un biomarqueur d’exposition (i.e. pompe N/K ATPase impliquée dans la régulation de la sérotonine) mesurée à partir de synaptosomes de truites exposées aux effluents. Une investigation de l’efficacité de plusieurs stations d’épuration canadiennes opérant différents types de traitements a permis de constater que les traitements secondaires (biologiques) étaient plus performants que ceux primaires (physico-chimiques) pour enlever les antidépresseurs (taux moyen d’enlèvement : 30%). Les teneurs les plus élevées dans les boues traitées (biosolides) ont été obtenues avec le citalopram (1033 ng g-1), la venlafaxine (833 ng g-1) et l’amitriptyline (78 ng g-1). Des coefficients de sorption expérimentaux (Kd) calculés pour chacun des antidépresseurs ont permis d’estimer une grande sorption des composés sertraline, desméthylsertraline, paroxetine et fluoxetine sur les solides (log Kd > 4). Finalement, un excellent taux d’enlèvement moyen de 88% a été obtenu après ozonation (5 mg L-1) d’un effluent primaire. Toutefois, la caractérisation de nouveaux sous-produits N-oxyde (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) par spectrométrie de masse à haute résolution (LC-QqToFMS) dans l’effluent traité à l’ozone a mis en lumière la possibilité de formation de multiples composés polaires de toxicité inconnue. / Mood disorders such as depression, burn-out and anxiety have increased in our modern society. Increasing amounts of antidepressant prescriptions around the world are now suspected to be the main cause of the recent detection of traces of antidepressant residues within urban wastewaters. These so-called “emerging” substances that possess pharmacological activity towards neurotransmitter regulation in the brain have raised serious concerns from the scientific community. The initial goal of the study was to better understand the fate of various classes of antidepressants present in different environmental matrices (e.g. surface waters, wastewaters, treatment sludge, and biological tissues) by developing novel reliable analytical methods that can detect, quantify and confirm antidepressants using high performance liquid chromatography coupled to tandem-mass spectrometry (LC-QqQMS,LC- QqToFMS). A preliminary study completed at the Montreal sewage treatment plant (STP) confirmed the presence of six antidepressants and four N-desmethyl metabolites in raw sewage (2 – 330 ng L-1). For this primary treatment (physico-chemical), low removal rates (≤ 15%) were obtained. Concentrations of antidepressant close to 100 ng L-1 were also detected directly in the St. Lawrence River at 0.5 km of the effluent outfall. A second study conducted at the same STP allowed the selective extraction of antidepressants in three biological tissues (e.g. liver, brain, and filet) dissected from juvenile brook trouts previously exposed to diluted untreated and treated effluents with ozone. Bioaccumulation of antidepressants was readily observed in fish tissues (0.08-10 ng g-1) for the specimens exposed to untreated effluent (20% v/v), with major distribution in liver and brain. During experiments, a significant correlation was established between the concentrations of three antidepressant detected in brain tissues and the activity of a selected biomarker of exposition (e.g. an N/K ATPase pump involved in the serotonin regulation) measured within dissected synaptosomes from trout exposed to effluents. Investigation of estimated treatment removal efficiencies from various Canadian STPs operating different disinfection modes showed that secondary treatments (biological) were more efficient than primary (physico- chemical) to remove antidepressants (mean removal rates : 30%). The highest amounts detected in treated sludge (biosolids) were obtained respectively with citalopram (1033 ng g-1), venlafaxine (833 ng g-1), and amitriptyline (78 ng g-1). Experimental calculated sorption coefficients (Kd) of each antidepressant predicted fairly good sorption capacities for sertraline, desmethylsertraline, paroxetine, and fluoxetine to solid matters (log Kd > 4). Finally, an excellent mean removal rate of 88% was obtained after ozonation (5 mg L-1) of a primary effluent. However, the characterization of new N-oxide side-products (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) in ozonized effluent by high-resolution mass spectrometry (LC-QqToFMS) highlighted the possibility of formation of multiple polar compounds with unknown toxicity.

Les milieux biologiques bruts, provenant des opérations de transformation de biomasse sont souvent caractérisés à la fois par leur caractère polluant et par un potentiel de valorisation important. Le développement de procédés adaptés au traitement de tels milieux complexes présente ainsi beaucoup d’intérêt. Les jus verts générés par la déshydratation de la luzerne (Medicago Sativa) sont caractérisés par une forte teneur en protéines. Outre leur valeur nutritionnelle importante, ces protéines ont des applications potentielles dans plusieurs domaines, notamment environnemental de part leur teneur élevée en Ribulose 1,5 Bisphosphate Carboxylase Oxydase (Rubisco), enzyme responsable de la fixation du CO2 chez les plantes. Dans ce travail la séparation sélective de la Rubisco à partir du jus de luzerne industriel centrifugé par chromatographie d’échange d’ions a été étudiée. Dans un premier temps une méthode d’analyse qualitative et quantitative a été mise au point pour la détection et la quantification de la Rubisco en solution et ainsi le suivi du procédé de séparation. Dans un deuxième temps, le procédé de séparation a été étudié en colonne, en lit fixe et en lit expansé, en utilisant le support échangeur d’anions Q Hyper Z et l’effet de la dilution du milieu sur la capacité dynamique du procédé a été analysé dans les deux cas. Les résultats obtenus ont montré que les deux modes de contact permettent d’avoir des capacités dynamiques de rétention du même ordre de grandeur que celles de la littérature. Après élution, la Rubisco a été concentrée jusqu’à 21 fois et les fractions produites étaient caractérisées par un grand degré de pureté. Par ailleurs, des études d’équilibre et cinétique d’échange ont été initiées dans ce travail et ont démontré que malgré la taille importante de la protéine d’intérêt (560 kDa) les limitations stériques à son transfert ne sont pas plus importantes que dans le cas de protéines plus simples et plus petites et que le support Q Hyper Z présente effectivement une grande affinité pour la protéine. Enfin une première approche théorique a été conduite pour la compréhension des interactions entre la protéine et l’échangeur dans ce milieu complexe. Elle a permis de confirmer l’importance de la prise en compte de la présence d’autres biomolécules dans le milieu sur la rétention de la Rubisco, peut être même plus que celle des sels / Biological raw material derived from bio-refinery processes, is often considered a source of pollution but it seems also to be a promising alternative to potential material recovery. The development of suitable processes for handling such complex biological material has so many concerns. Green juice produced from mechanical dehydration of Alfalfa (Medicago sativa) is an excellent source of protein with high nutritional quality. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase (Rubisco) is the most abundant protein in the green juice, with potential applications in many fields, such as human nutrition, pharmaceuticals, environmental… The aim of this study is to isolate and recover Rubisco produced from an industrial alfalfa green juice, by ion exchange chromatography process. First of all, a qualitative and quantitative analytical method was developed to provide reliable information about Rubisco content monitoring in the separation process. In a second step, the separation process was performed in fixed and expanded bed, using the anion exchanger Q Hyper Z. In both cases, the effect of the dilution of the green juice on the dynamic capacity of the columns was studied. The results showed that the dynamic capacity retention was similar in both columns to those reported in literature. After elution step, Rubisco was concentrated 21 times and produced with high level of purity. Furthermore, kinetic of ion exchange study was initiated. Despite the large size of the protein (560 kDa), steric limitations to mass transfer were not very significant when compared to those of conventional small proteins. The support Q Hyper Z showed an excellent affinity for the protein recovery. Finally, a first theoretical investigation has been conducted for understanding the retention mechanism between the protein and the separation column. This study shows the importance of taking into account the presence of other bio-molecules in order to perform the retention of Rubisco, perhaps even more than that of salts

Les Composés Organiques Volatils (COV), émis dans l'atmosphère sous différentes formes par les activités industrielles, sont considérés comme des polluants principaux de l'air. Pour le traitement des forts débits de gaz faiblement concentrés en COV, caractéristiques des principales sources de COV industriels, il n'existe que très peu de procédés adaptés et efficaces d'où le plasma non thermique. Sa faible consommation d'énergie et sa grande compacité font du traitement par plasma non-thermique un candidat prometteur. Ma thèse consiste à élaborer et étudier un dispositif de traitement des COV basé sur l'utilisation de décharges à barrière diélectrique de surface, décharges ayant la caractéristique de produire un vent électrique dirigé. Pour ce faire, nous avons conçu et optimisé une pompe plasma chimiquement active, composée d'un assemblage de cellules à surfaces actives, capable d'aspirer et de traiter simultanément de l'air pollué en COV. Il a fallu d'abord travailler sur l'optimisation paramétrique : électrique, géométrique et matériaux, d'une surface active élémentaire. Puis concevoir un canal actif constitué de deux surfaces actives optimales placées en vis-à-vis, pour finalement aboutir à la construction d'une pompe plasma prototype ayant un débit de pompage de 10 Nm3/h. Cette pompe originale par sa capacité de traitement chimique, constitue le prototype d'étude physique et chimique de cette thèse. Elle a permis d'effectuer des essais d'élimination de 5 COV différents injectés dans l'air : acétone, méthyl-éthyle cétone, butyraldéhyde, méthyl-valérate, méthyl-butyrate et d'en évaluer les taux d'abattement respectifs, mais aussi, d'identifier à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, les principaux sous-produits de la dégradation. / The Volatile Organic Compounds (VOC) emitted in the atmosphere by various forms is considered as principal atmospheric pollutant. In order to treat a high flow of gaz with a low concentration, few efficient methods exist like the non-thermal plasma. Its low power consumption and compactness make the non-thermal plasma treatment a promising candidate. My thesis deals with the development and study of a VOC treatment device based on the surface dielectric barrier discharges which have the characteristic of producing an oriented electric wind. To do this, we have designed and optimized a chemically active plasma pump, composed of an assembly of active surfaces, capable of drawing and treating simultaneously the air polluted in VOC. At first, we had to work on the optimization of the following parameters: electrical, geometric and material of an elementary active surface. And then conceive an active channel consisting of two optimal active surfaces disposed in a mirror effect, eventually leading to the construction of a prototype plasma pump having a flow rate approximately equal to 10 Nm3/h. This original pump by its capacity of chemical treatment consists on the physical and chemical prototype of the thesis. It allowed testing the conversion of 5 different VOCs injected into air which are: ketone, methyl ethyl ketone, butyraldehyde, methyl penatanoate, methyl butyrate and evaluate the respective abatement rates, but also identifying the main by-products of degradation, using the gas chromatography coupled to the mass spectrometry.