Largement utilisés par l’agriculture intensive, les pesticides sont aujourd’hui présents dans les différents compartiments environnementaux et ce à un niveau mondial. Les recherches de ces travaux de thèse se sont plus particulièrement portées sur deux grandes thématiques, l’une liée à l’écodynamique des pesticides en Garonne estuarienne par la caractérisation des sources, la présence et le devenir des molécules, et l’autre sur leur transfert dans les compartiments eau, air et sols d’un château viticole. Des méthodes d’analyse simples et rapides à mettre en oeuvre ont été optimisées, tout en étant sensibles afin d’être compatibles avec l’étude des milieux faiblement contaminés.Les pesticides les plus fortement quantifiés dans les stations d’épuration (STEP) bordelaises sont le diuron, l’imidaclopride et le fipronil (≈ 50-100 ng.L-1). N’étant pas éliminés par les différents traitements, ils sont présents dans les rejets (apports de l’ordre du g.j-1) qui peuvent alors être une source de contamination pour le milieu. Si les pesticides majoritairement présents dans la Garonne sont le métolachlore et ses métabolites (≈ 10-800 ng.L-1), qui présentent des pics printaniers en lien avec l’application de la molécule, les pesticides caractéristiques de STEP sont également quantifiés. Les concentrations sont plus faibles (0,5-20 ng.L-1) et moins variables mais ne peuvent cependant pas être négligées, certaines molécules étant fortement toxiques même à faible concentration, comme le fipronil (PNEC = 0,77 ng.L-1).Les sols du château viticoles sont caractérisés par des pics printaniers (50-1000 ng.g-1) en pesticides en lien avec les applications, comme le boscalid ou l’azoxystrobine. Des molécules non utilisées depuis plusieurs années, comme le diuron, ont également été mis en évidence à plus faibles niveaux de concentrations (ng.g-1) et moins variables ce qui témoigne de la persistance de certaines molécules. Le compartiment atmosphérique est également caractérisé par des pics saisonniers en lien avec l’application et la volatilité des molécules, comme le folpel ou le chlorpyrifos-methyl. Des pesticides non utilisés par le château mais potentiellement appliqués par des exploitations voisines comme le métolachlore ont également été détectés, ce qui démontre bien du transport des molécules. Des pesticides interdits (diuron), non utilisés (métolachlore) et utilisés (boscalid) par le château ont été mis en évidence dans la nappe phréatique. / Intensive use of pesticides led to a widespread contamination of water, air and soils compartments. The present study focused on two main subjects, one based the ecodynamic of pesticides in Garonne River by characterization of sources, presence and outcome of these molecules and one other based on their transfer to air, water and soil compartments of a vineyard. Easy and fast methods of extractions were optimized although they were sensitive in order to be applied for mildly contaminated samples.Most quantified pesticides in Bordeaux wastewater treatment plants (WWTP) were diuron, imidaclopride and fipronil (≈ 50-100 ng.L-1). As treatments were not efficient to remove pesticides, effluents are a significant source for the Garonne River (daily discharge around 5 g). Even if major pesticides in Garonne River were metolachlor and its metabolites (≈ 10-800 ng.L-1) which showed spring peaks, typical WWTP pesticides were also quantified. Concentrations were lower (0,5 - 20 ng.L-1) and variable but they cannot be neglected as they can be highly toxic. Fipronil was for instance detected at concentrations sometimes exceeding its PNEC (0.77 ng.L-1).Vineyard soils were characterized by spring peaks of pesticides (50-1000 ng.g-1) that can be related to applications, like boscalid or azoxystrobine. Pesticides forbidden for a long time have also been detected, like diuron but in lower concentrations levels (ng.g-1) and less variable, that highlighted persistence of such molecule. Atmospheric compartment was also characterized by spring peaks than can be related to applications and molecule volatility, with the presence of folpet and chlorpyrifos-methyl. Pesticides non used by the vineyard were also detected such as metolachlor, which highleted the transport of such molecules. Forbidden (diuron), non-used (metolachlor) and currently used (boscalid) pesticides were detected in the aquifer.

Dans le contexte de la contamination quasi-généralisée des eaux de surface par les médicaments, les travaux de cette thèse portent sur l’étude des niveaux de concentration et du devenir de ces micropolluants organiques dans la Garonne estuarienne, recevant les effluents traités de l’agglomération bordelaise. Après le développement et la validation des outils analytiques associés à la détection multi-résidus dans les matrices eau et sédiment, la composition et la variabilité des effluents urbains bordelais ont été caractérisées, avant et après traitement en station d’épuration. La contamination globale des compartiments eau, matières en suspension et sédiment a ensuite été évaluée sur une rivière périurbaine de l’agglomération. Par ailleurs, le suivi réalisé en Gironde montre l’importance relative des apports amont et urbains et met en évidence la dégradation in-situ de certains médicaments, par ailleurs confirmée par une expérience d’incubation d’eau estuarienne réalisée in-vitro. / Ubiquitous presence of pharmaceuticals in the environment is of great concern. In this Ph.D. work, occurrence and fate of these organic contaminants were studied in the estuarine Garonne River, receiving treated effluents of the Bordeaux urban area (France). After developing and validating the analytical methods for multi-residue detection of 53 pharmaceuticals in water and sediment, composition and variability of the Bordeaux wastewater treatment plant influents and effluents were characterized. Presence of analytes in river water, suspended solids and sediments was then investigated on a periurban river located in the suburbs of Bordeaux. Besides, a long-term monitoring of estuarine Garonne River revealed the relative importance of local and upstream inputs and clearly showed a seasonal in-situ degradation of certain pharmaceuticals. This degradation was further confirmed and examined through batch experiments simulating the mixing conditions of wastewater and estuarine river water, highlighting the importance of suspended solid concentration in biodegradation rates.

Les alkylphénol-polyéthoxylés et les substances pharmaceutiques appartiennent à la classe des contaminants émergents qui sont depuis peu étudiés dans les milieux naturels. Ces composés d’usage très répandu (aussi bien en termes d’applications qu’en termes de quantité) sont introduits dans le milieu aquatique, via les stations d’épuration, principalement et sont susceptibles d’engendrer des effets toxiques sur les organismes vivants dans ces milieux. La première partie de ce travail de thèse a consisté en le développement et la validation de différentes méthodologies d’échantillonnage (ponctuel et intégratif (POCIS)), de différents protocoles d’extraction (SPE, extraction assistée par micro-ondes) et d’analyse (CL/SM, CL/SM/SM), nécessaires pour un dosage fiable des alkylphénol-polyéthoxylés et des substances pharmaceutiques dans les différents compartiments des systèmes aquatiques (phases dissoute, particulaire et sédimentaire, organismes biologiques). Ensuite, un bilan de la contamination de différents systèmes aquatiques (le bassin de d’estuaire de Seine, la Garonne et la Gironde, la baie de la Vilaine, la baie de l’Authie, l’Adour, la rade de Marseille) a été dressé. Une contamination généralisée par ces composés a été mise en évidence pour l’ensemble des sites étudiés. Les concentrations mesurées apparaissent extrêmement variables selon la classe de molécule considérée, les sites et le temps avec des concentrations comprises entre le ng.l-1 et la dizaine de µg.l-1 pour les phases dissoutes et de la dizaine de ng.g-1 et la dizaine de µg.g-1 pour les phases solides (plusieurs centaines de µg.g-1 dans les boues d’épuration). Ces études ont également permis de documenter la présence et le devenir des molécules ciblées dans les stations d’épuration et ont permis d’en évaluer l’efficacité quant l’abattement des substances incriminées. Enfin, ces travaux ont également permis de mettre en évidence des phénomènes de partition entre les phases dissoutes et les phases solides ainsi que des phénomènes de transferts vers les organismes du milieu. / Alkylphenol-polyethoxylates and pharmaceutical substances belong to the class of the emerging contaminants which have been recently studied in natural environments. These compounds of very widespread use (in terms of applications as well as in terms of quantity) are introduced into the aquatic environment, via the wastewater treatment plants, mainly, and are likely to generate toxic effects on the living organisms in these systems. The first part of this work consisted in the development and validation of various methodologies of sampling (grab sampling and integrative sampling (POCIS)), of various protocols of extraction (SPE, microwaves assisted extraction) and of analysis (LC/MS, LC/MS/MS), necessary for a reliable quantification of alkylphenol-polyethoxylates and pharmaceutical substances in the various compartments of aquatic systems (phases dissolved, particulate and sedimentary, biological organisms). Then, an assessment of the contamination of numerous aquatic systems (the catchment area of the Seine estuary, the Garonne and the Gironde, the bay of Vilaine, the bay of Authie, the Adour, the Mediterranean coast of Marseilles) was undertaken. A generalized contamination by these compounds was highlighted for all the studied sites. The measured concentrations appear to be extremely variable according to the class of molecule considered, the sites and time with concentrations ranging from the ng.l-1 to tens of µg.l-1 for the dissolved phases and from tens of ng.g-1 to tens of µg.g-1 for the solid phases (several hundreds of µg.g-1 in the clarification sludge). These studies also made it possible to document the presence and the fate of these molecules in the French wastewater treatment plant and made it possible to evaluate their effectiveness to remove the studied compounds. Lastly, this work also made it possible to highlight phenomena of partition between the dissolved phases and the solid phases as well as phenomena of transfers through the biological organisms.

La qualité des boues est directement liée à la qualité des étapes de traitement présentes au sein d’une station d’épuration. En termes de traitement et d’élimination des boues, nous observons de la part des acteurs locaux, une volonté d’abandon définitif et durable de la filière « dépôt en centre de stockage », étant donnée une règlementation et des plans régionaux (notamment le PREDIS de Corse), toujours plus exigeant en termes de valorisations des déchets industriels et spéciaux. Nous observons également un abandon progressif et programmé des pratiques relatives à l’épandage. En effet, l’épandage des boues d’épuration fait l’objet d’une vaste controverse qui met en avant les risques sanitaires et environnementaux qu’elle engendrerait sur les sols agricoles. Au sein de notre région, cette pratique est réalisée de manière non règlementaire. En Corse, les acteurs locaux semblent avoir optés pour la solution du compostage en vue de valoriser la production de boues d’épuration. En effet, près des 2/3 du tonnage annuel en MS de boues sont actuellement valorisés via cette filière. Le processus de compostage équivaut à une fermentation aérobie, faisant intervenir une multitude de micro-organismes. Cette filière de compostage, au même titre que l’épandage, a connu une forte expansion de son activité mais semble avoir des failles et des limites : problèmes de mauvaises odeurs ; règlementation de plus en plus exigeante ; et enfin surproduction de compost invendable aux vues de la demande. Une autre solution pourrait présenter des atouts supérieurs : la méthanisation avec production d’électricité et de chaleur par cogénération. Cette production d’énergies passe obligatoirement par la valorisation du biogaz produit par ce système. En effet, le biogaz est un mélange contenant principalement du méthane (50 à 70%) et du dioxyde de carbone Du fait d’une forte concentration en méthane, le biogaz est un bon fournisseur d’énergie (1m3 de biogaz a un pouvoir calorifique de 6 kWh soit l’équivalent de 0,6 l de fuel). Pour produire de l’électricité, le processus de méthanisation doit être couplé à un moteur à cogénération ou à plusieurs microturbines. EDF a alors l’obligation de racheter l’électricité produite à un prix se situant entre 11 et 14 centimes d’euros/kwh., Après 15 ans, le rachat du kwh produit se fait aux taux proposés par EDF. En Corse, seulement une station d’épuration est équipée d’un digesteur couplé en série à cinq microturbines, produisant de la chaleur et de l’électricité par cogénération : La station de traitement des eaux usées de Campo Dell’Oro à Ajaccio. Ce procédé de valorisation énergétique pourrait être amélioré via le remplacement à terme, des microtubines par un moteur à cogénération. Une AMCDP a notamment permis de surclasser cette technologie vis-à-vis des microturbines, beaucoup moins efficaces en termes de rendement mais aussi de fonctionnement. L’équipement des stations d’épuration de plus fortes capacités en Corse, de digesteurs associés à un moteur à cogénération pourrait être une solution durable à la problématique de la valorisation énergétique des boues. / Sludge quality is directly related to the quality of of these processing steps present in a water treatment plant. In terms of treatment and disposal of sludge, we observe on the part of local actors, a willingness to permanent and lasting abandonment of the sector 'deposit in storage centre'', given a regional plans and regulations (including the PREDIS Corsica), increasingly demanding in terms of valuations of industrial and special waste. We also observe a gradual and planned abandonment of practices for spreading. Indeed, the spreading of sewage sludge is the subject of widespread controversy which highlights the health and environmental risks it would lead to agricultural soils. In our region, this practice is not carried out regulatory manner. In Corsica, the local actors seem to have opted for the solution of compost to enhance the production of sewage sludge. Nearly 2/3 of the annual tonnage MS sludge is currently valued via this pathway. The composting process is equivalent to an aerobic fermentation involving a multitude of microorganisms. This composting stream, as well as spreading, experienced strong expansion of its business but seems to have flaws and limitations: problems with odors; regulatory increasingly demanding; and finally overproduction unsaleable compost to the views of the application.Another solution could present higher advantages: anaerobic digestion with production of electricity and heat from cogeneration. . This energy production go through the biogas produced by this system. Indeed, the biogas is a mixture containing mostly methane (50 – 70 %) and carbon dioxide. Due to a high concentration of methane, biogas is a good energy supplier (1m3 biogas has a calorific value 6 kWh equivalent to 0.6 liters of fuel). To generate electricity, the anaerobic digestion process must be coupled to an engine cogeneration or several microturbines. EDF has the obligation to purchase electricity at a price ranging between 11 and 14 euro cents/kwh. After 15 years, the redemption of the kwh produced is done at the rate offered by EDF.In Corsica, only a treatment plant is equipped with a digester coupled in series to five microturbines, producing heat and electricity cogeneration: The wastewater treatment plant at Campo Dell'Oro /Ajaccio. This energy recovery process could be improved with an eventual replacement of the microtubines by a cogeneration engine. An AMCDP allowed to outperform this technology towards microturbines, much less efficient in terms of performance.The equipment of the highest capacity treatment plants in Corsica, digesters associated with a cogeneration engine could be a lasting solution to the problem of energy recovery of sewage sludge.

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’utilisation massive des antibiotiques, depuis les années 50, génère une libération importante de ces molécules dans l’environnement (excrétion via les urines et les fèces) que l’on peut retrouver à des concentrations allant de 1 à 100 ng/L dans les eaux usées urbaines. Parce qu’elle réunit microorganismes résistants et antibiotiques, la station d’épuration d’eaux usées urbaines pourrait être une zone propice au transfert des gènes de résistance. Cependant, avec sa position stratégique à l’interface entre les activités humaines et l’environnement, la station d’épuration pourrait constituer un « rempart » contribuant à limiter leur dissémination dans l’environnement.Les paramètres qui influencent ces transferts dans les stations d’épuration sont encore mal connus, en particulier du fait de limitations méthodologiques. Aussi l’objectif de notre travail était de déterminer les facteurs environnementaux influant sur la stabilité et le transfert d’un élément génétique mobile modèle, le plasmide pB10, dans des communautés bactériennes (biomasses de stations d’épuration et sédiments de rivière) maintenues en microcosmes. Jusqu’à présent, les transferts de gènes de résistance ont été principalement étudiés avec des méthodes reposant sur la culture de microorganismes sur milieux sélectifs, dont nous savons aujourd’hui qu’elles sous-estiment les phénomènes observés. Aussi, nous avons élaboré une approche basée sur la PCR quantitative pour détecter la dissémination d’un ADN mobile modèle amené via une bactérie hôte E. coli DH5α. Les couples amorces/sondes très spécifiques ont pu être élaborés en tirant profit de la structure mosaïque du génome bactérien. L’approche proposée repose sur des mesures comparées du nombre de plasmide pB10 et de son hôte bactérien DH5α au cours du temps, où une augmentation du rapport (pB10/DH5α) implique une dissémination du plasmide vers les bactéries indigènes. Outre l’intérêt du développement méthodologique proposé, cette méthode a permis d’évaluer l’incidence de quelques paramètres environnementaux sur la dissémination d’un ADN au sein de communautés microbiennes complexes. Deux groupes de facteurs ont pu être distingués selon qu’ils influencent la persistance du plasmide pB10 dans les communautés dans son hôte initial (oxygénation/brassage, ajout d’antibiotiques en concentrations sub-inhibitrices comme l’amoxicilline et le sulfaméthoxazole fréquemment retrouvés en station d’épuration) ou/et qu’ils favorisent sa dissémination dans les communautés bactériennes (biofilms, sédiments). Sans induire de transferts génétiques, les antibiotiques testés, même en concentrations sub-létales, pourraient participer à la dissémination de gènes de résistance en favorisant leur persistance / The widespread use of antibiotics since the 50s, generates a significant release of these molecules in the environment (excretion via urine and feces) which can be found at concentrations ranging from 1-100 ng/L in wastewater. Due to the high microbial biomass and the abundance of nutrients, wastewater treatment plants (WWTP) represent a suitable habitat for horizontal gene transfer. Because they occupy a key position between human activities and the environment, WWTP may play a major role in limiting the dissemination of antibiotic resistance genes, therefore contributing to the preservation The parameters which influence these transfers in wastewater treatment plants are still poorly known, especially because of methodological limitations. Therefore the aim of our study was to identify environmental factors affecting the stability and transfer of a mobile genetic element model, the plasmid pB10 in bacterial communities (biomass from wastewater treatment plants and river sediments) maintained in microcosms. So far, the transfer of resistance genes have been studied mainly with methods based on the cultivation of microorganisms on selective media that we know now they underestimate the observed phenomena. Also, an approach based on quantitative PCR was developed for detecting the release of a mobile DNA template from the host bacterium E. coli DH5α. Couples of designed primers/probes were very specific and have been developed by taking advantage of the mosaic structure of the bacterial genome. The proposed approach is based on the over time measurements of the number of plasmids pB10 and its bacterial host DH5α, where an increased ratio (pB10/DH5α) implies a release of the plasmid to the indigenous bacteria. This method was used to assess the impact of some environmental parameters on the release of DNA in complex microbial communities. Two groups of factors could be distinguished according to whether they influence the persistence of plasmid pB10 in communities in microcosms (oxygenation / mixing, addition of antibiotics at sub-inhibitory concentrations as amoxicillin and sulfamethoxazole frequently found in treatment plant) and / or they favor his release in bacterial communities (biofilms, sediments). Without inducing genes transfers, the antibiotics tested, even at sub-lethal concentrations, could participate in the dissemination of resistance genes by facilitating their persistence

Cette thèse s’intègre dans l’axe 3 du programme « ETIAGE » qui a associé pendant quatre ans (2010-2014) la Lyonnaise des Eaux, la Communauté Urbaine de Bordeaux (CUB), l’AEAG, et le FEDER, région Aquitaine avec l’université de Bordeaux, le CNRS et IRSTEA. L’objectif de l’axe 3 était de documenter les apports métalliques du bassin versant de la CUB aux eaux de la section garonnaise de l’estuaire de la Gironde. Ce vaste estuaire européen est l’un des plus turbides au monde, avec en période d’étiage la présence devant Bordeaux d’une zone de turbidité maximum (ZTM, >1 g.L-1 de MES en surface) qui transporte des particules estuariennes et des éléments traces potentiellement toxiques. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur les apports métalliques via le fonctionnement des deux principales stations d’épuration (STEP) de la CUB. De ce fait, l’objectif de cette recherche est d’analyser en détail les concentrations, les flux et la réactivité de huit contaminants métalliques définis comme prioritaires par l’Union Européenne Cr, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn, As, et le contaminant émergent Ag, des STEP de la CUB. Les taux d’abattement calculés sont importants, de l’ordre de 80 % pour la majorité des métaux, essentiellement lors de l’étape de décantation. Malgré cette efficacité, les apports en éléments traces métalliques (ETM) urbains via les STEP pendant les épisodes orageux et dans des situations de faible débit peuvent augmenter les concentrations et les flux dans l’estuaire fluvial de la Gironde et ainsi avoir des conséquences sur la qualité des eaux estuariennes. Les concentrations en Ag sont supérieures aux concentrations normales de bruit de fond dans l’estuaire fluvial de la Gironde, faisant de Ag un excellent traceur urbain. Le traitement dans les STEP concentre les ETM dans les boues extraites dont les concentrations métalliques restent en-deçà des normes d’épandage. Toutefois, les concentrations en éléments traces peuvent être de 15 (Ag) à 30 (Cu) fois supérieures aux concentrations naturelles du bruit de fond en raison du fort enrichissement des boues en Hg, Ag, Cr, Cu et Zn. De plus, environ 70 % des éléments traces Cd, Ag, Pb, Cu, et Zn contenus dans ces boues sont potentiellement biodisponibles et peuvent avoir un impact néfaste à court et long terme sur les environnements récepteurs. En raison de l’augmentation prévisible de la démographie des villes côtières, les résultats de cette étude participent à l’élaboration de nouveaux concepts et outils (récupération, recyclage, valorisation) pour améliorer quantitativement et qualitativement les rejets urbains solides et liquides. / This study is a part of the third axis of the « ETIAGE » project, a four year collaboration (2010-2014) between the Lyonnaise des Eaux, the Communauté Urbaine de Bordeaux (CUB), AEAG, and FEDER, Aquitaine region with the University of Bordeaux, CNRS and IRSTEA. The axis 3 objectives were to document the trace metal inputs from the CUB watershed into the waters of the Garonne section of the Gironde estuary. The Gironde Estuary is one of the largest macrotidal and highly turbid estuaries in Western Europe characterized by the presence of a strong maximum turbidity zone (MTZ) with high suspended particulate matter (SPM) concentrations (>1 g.L-1 in surface water) transporting estuarine particles and potentially hazardous trace elements. This study has focused on the trace metal inputs from the two main wastewater treatment plants (WWTP) of the CUB. The objective of this research was therefore to study in detail the daily concentrations, fluxes, and dynamics of 8 EU priority contaminants Cr, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb Zn, As, and the emerging contaminant Ag from the WWTPs in the CUB. The calculated removal rates are significant, around 80 % for the majority of metals, mainly as a result of the decantation phase. Despite this high removal efficiency, during periods of heavy rainstorms and low river discharges, the urban metal inputs via the WWTPs may still significantly increase metal concentrations and fluxes in the fluvial Gironde Estuary impacting water quality. In addition, the WWTP fluxes and concentrations of Ag exceeded common background concentrations in the Gironde fluvial estuary, making it an interesting urban tracer. The treatment within the WWTPs concentrates the trace metals in the sludge, yet, metal concentrations remained below legal norms for agricultural use. However, the analysis of WWTP sludge revealed that trace element concentrations are 15 (Ag) and 30 (Cu) times higher than natural background concentrations with high enrichment of Hg, Ag, Cr, Cu and Zn with over 70 % of Cd, Ag, Pb, Cu, and Zn being potentially bioavailable. Therefore, with increasing urban pressure on environmental quality, these results support the need for the development of efficient water quality monitoring tools.

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’urbanisation croissante et la propagation des activités humaines entrainent l’augmentation de l’apport de nombreux micropolluants dans le milieu aquatique. Le compartiment aquatique est alors défini comme le réceptacle ultime de la pollution environnementale apportée par diverses sources : les effluents municipaux et industriels, les lixiviats des sites d’élimination des déchets solides, le ruissellement des eaux urbaines et des eaux des sites agricoles. Parmi les contaminants retrouvés dans l’eau, il y a les psychotropes (benzodiazépines, antidépresseurs,antiépileptiques, etc…) qui appartiennent à la grande famille des médicaments. Ce sont des molécules biologiquement actives, ubiquistes, qui sont principalement d’origine urbaine, qui sont apportées continuellement dans l’environnement aquatique et qui sont fortement consommées au niveau mondial. Depuis quelques années, les scientifiques commencent à s’intéresser à cette famille thérapeutique mais il existe encore un réel manque de connaissance sur l’intégralité du problème de diffusion des psychotropes,de leur passage en station d’épuration à leur présence dans l’environnement et enfin à leur impact sur les organismes aquatiques. Ces travaux de thèse cherchent donc à documenter ce point en se focalisant sur l’étude de la présence, du devenir et de l’impact des psychotropes dans la Garonne estuarienne (France) et le fleuve Saint Laurent (Québec, Canada). Dans un premier temps, une méthode analytique multi-résidus permettant l’analyse de 47 psychotropes dans les eaux usées et les eaux de surface a été développée et validée. Des échantillonneurs passifs de type POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) ont été calibrés et validés afin de permettre le suivi intégratif et continu des psychotropes dans les eaux de surface.Dans un second temps, les effluents d’entrée et de sortie de station d’épuration des agglomérations de Bordeaux en France et de Repentigny et Montréal au Québec ont été caractérisés. Les résultats de cette étude montrent que les traitements épuratoires de chacune des stations d’épurations étudiées ont une efficacité limitée pour éliminer les psychotropes dans les eaux usées. Par la suite, le suivi effectué dans la Garonne estuarienne et dans le fleuve Saint Laurent a mis en évidence la présence de psychotropes dans l’environnement qui sont majoritairement apportés par l’amont des villes de Bordeaux et Montréal.La comparaison des résultats obtenus pour la France et le Québec montre qu’il existe bien des habitudes de prescriptions et de consommations différentes entre les deux pays. Même si les procédés d’épuration sont différents entre les deux pays (traitement secondaire en France et primaire au Québec),l’efficacité d’élimination sur la famille thérapeutique des psychotropes reste insuffisante. Enfin ila été observé que le débit du milieu récepteur jouait un rôle important dans la dilution et le devenir des composés.Dans un troisième et dernier temps, des études in vitro et in vivo ont montré que certains psychotropes pouvaient avoir un impact toxique sur les bivalves d’eau douce étudiés (Elliptio complanata et Corbiculafluminea) lors d’exposition de composés seuls ou en mélange à des concentrations de l’ordre du mg.L-1 (concentrations expérimentales) et même du ng.L-1 (concentrations environnementales). / Increasing urbanization and human activities cause an increase of micropollutant input in the aquatic environment. The water compartment is then defined as the ultimate receptacle of environmental pollution originating from various sources: municipal and industrial wastewaters, leachates from solidwaste disposal sites, waters of urban and agricultural runoff.Among the contaminants found in the water, there are psychotropic drugs (benzodiazepines, antidepressantsor antiepileptics) belonging to the family of pharmaceuticals. These are biologically active molecules, ubiquitous, which are mainly of urban origin, which are continuously introduced into the aquatic environment and are heavily consumed around the world.In recent years, scientists have begun to show interest for this therapeutic family, but there is still areal lack of knowledge about the full psychotropic diffusion problem; from their presence in wastewater treatment plant to their presence in the environment and finally to their impact on aquatic organisms.In this global perspective these thesis works seek to document the presence, fate and impact of psychotropic drugs in the Garonne estuarine (France) and the St. Lawrence River (Quebec, Canada).Firstly, a multi-residue analytical method for the analysis of 47 psychotropic drugs in wastewater and surface waters has been developed and validated. POCIS passive samplers were calibrated and validated for continuous integrative monitoring of psychotropic drugs in surface waters.Secondly, the treatment plant influents and effluents of Bordeaux in France and Repentigny and Montreal in Quebec have been characterized. The results of this study show that treatment processes ofstudied wastewater treatment plants have limited performances to remove psychotropic drugs in wastewaters. There after, the monitoring performed in the Garonne estuarine and in the St. Lawrence River has highlighted that the presence of psychotropic drug in the environment is mainly related toupstream input of Bordeaux and Montréal.Comparison of the results obtained in the two countries surveyed show that there are many different patterns of prescriptions and consumption between the two countries. Although the treatment processes are different between the two countries (secondary treatment in France and primary in Quebec), their removal efficiency is still insufficient for psychotropic drugs. Finally it was observed that theflow rate of the receiving environment plays an important role in the dilution and the fate of the compounds.In a third and final stage, in vitro and in vivo studies have shown that some psychotropic drugs could have a toxic impact on the studied freshwater bivalves (Elliptio complanata and Corbicula fluminea) upon exposure alone or in mixture with concentrations in the order of mg.L-1 (tests concentrations) and even ng.L-1 (environmental concentrations).