Les résidus pharmaceutiques sont considérés comme un problème écologique émergent, à cause de leur présence et leur accumulation continue dans l’environnement. Même à des faibles concentrations, ces substances sont susceptibles de menacer l’ensemble des organismes vivants. Il est donc, urgent de développer les moyens techniques permettant leur élimination. Dans ce cadre s’inscrit le travail de cette thèse, il a pour objectif de traiter la carbamazépine, un antiépileptique largement détecté dans le milieu aquatique. Une première étude a été menée sur la biodégradation de la carbamazépine par des boues activées par biostimulation avec différentes sources de carbone conventionnelles. Une optimisation des différents paramètres opératoires a été également effectuée. En outre, une seconde étude a porté sur la biodégradation de la molécule cible par une souche fongique, et ce travail a été achevé par une troisième étude de synthèse mettant en place la technique de bioaugmentation fongique des boues activées afin d’améliorer la performance du traitement. / Pharmaceutical residues are considered an emerging environmental problem because of their presence and their continuous accumulation in the environment. Even at low concentrations, these substances may threaten all living organisms. It is therefore urgent to develop the technical means to eliminate them. In this framework is the work of this thesis, it intended to treat carbamazepine, an antiepileptic drug widely detected in the aquatic environment. A first study was conducted on the biodegradation of carbamazepine by activated sludge by biostimulation with various sources of conventional carbon. An optimization of the various operating parameters was also performed. In addition, a second study examined the biodegradation of the target molecule by a fungal strain, and this work was completed by a third synthesis study establishing technical fungal bioaugmentation of activated sludge to improve performance treatment.

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.

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

Suite à une anthropisation généralisée des ressources aquatiques et des écosystèmes associés, on retrouve de nombreux contaminants chimiques organiques à l’état de traces dans l’environnement aquatique. En parallèle de ces contaminants, dans les milieux aquatiques on retrouve également des molécules rassemblées sous la dénomination « matière organique dissoute (MOD) », qui sont des mélanges complexes de molécules et macromolécules, qui peuvent s’associer à ces contaminants et influencer leur comportement et leur distribution. Les interactions entre MOD et contaminants peuvent s’avérer difficiles à étudier étant donné qu’elles sont dépendantes de nombreux facteurs tels que la nature des contaminants et de la MOD, ainsi que des paramètres physico-chimiques du milieu. L’objectif de ces travaux était donc d’étudier ces interactions. Les contaminants organiques choisis ont été les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et les substances pharmaceutiques. D’autre part, plusieurs types de MOD d’origine naturelle ou commerciale ont été utilisés. Pour étudier les interactions, plusieurs techniques analytiques ont été développées dont la micro-extraction sur phase solide couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse et l’extinction de fluorescence. / In relation with a widespread human impact on aquatic resources and ecosystems, many organic chemical contaminants are present at trace levels in aquatic environments. In parallel to these contaminants, dissolved organic matter (DOM), which is composed of complex mixtures of molecules and macromolecules, is also found and could be associated with these contaminants and influence their behavior and distribution. Interactions between DOM and contaminants can be very difficult to understand because they depend on many factors such as the nature of contaminants and DOM, as well as on environmental physico-chemical parameters. The aim of this work was thus to study these interactions. Organic contaminants studied were Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and pharmaceuticals. On the other hand, several types of natural and commercial DOM have been used. To study the interactions, several analytical techniques have been developed like solid phase microextraction coupled to gas chromatography and mass spectrometry and fluorescence quenching.

Les substances pharmaceutiques font partie du groupe des contaminants émergents du fait de leur intérêt récent dans les études environnementales comparativement à des polluants étudiés depuis plus longtemps tels que les pesticides. Elles correspondent aux principes actifs des médicaments et, à ce titre, sont responsables des propriétés pharmacologiques des médicaments. Ce sont donc des molécules biologiquement actives qui peuvent agir sur les organismes vivants présents dans les écosystèmes impactés. L’origine des substances pharmaceutiques dans l’environnement est variable mais les principales sources sont liées à leur utilisation en médecine humaine ou vétérinaire. Une fois consommées, les substances pharmaceutiques sont excrétées dans les urines ou les fèces et se retrouvent dans les eaux usées (consommation humaine) ou dans les déchets d’élevage (consommation vétérinaire). Dans le premier cas, elles peuvent être rejetées directement dans le milieu, ou indirectement, avec les eaux usées traitées ou les boues résiduaires, après traitement dans les stations d’épuration (STEP). Dans le deuxième cas, elles atteignent directement le milieu lorsque les animaux sont élevés en prairie ou indirectement lorsque les déchets d’élevage sont épandus sur les sols agricoles pour les fertiliser. Ces travaux de thèse se sont attachés à étudier l’origine et le devenir de ces substances dans ces 2 cas de figure. Ainsi en se basant sur des critères de consommation, de présence dans l’environnement par rapport à des études antérieures, de toxicité et d’écotoxicité, d’originalité et de disponibilité des composés standards de référence, 32 puis 78 molécules appartenant aux classes thérapeutiques des antibiotiques, des anticancéreux, des béta-bloquants, des anti-VIH et des inhibiteurs de phosphodiestérase de type 5 (PDE 5) ont été étudiées dans 2 continuums : i) effluents hospitaliers - eaux usées brutes et traitées – eaux de surface, et ii) eaux usées brutes et traitées - eaux de surface - eaux de captage souterraines. En s’appuyant sur les mêmes critères de sélection, le devenir de 7 antibiotiques a été étudié dans des lisiers porcins dans des filières simples de traitement du lisier (fosse de stockage), dans des filières complexes de traitement du lisier (système de traitement ressemblant à des mini STEP) et dans des mésocosmes en conditions contrôlées. Pour pouvoir réaliser l’ensemble de ces études, des protocoles analytiques mettant en œuvre une étape d’extraction par SPE (Solide Phase Extraction) ou d’extraction ASE (Extraction Accélérée par Solvant) puis de purification par SPE et d’analyse par LC/MS/MS (Chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem) ont été développés. Ces protocoles, en remplissant des critères de qualité tels que des limites de détection et de quantification compatibles avec des analyses environnementales (de l’ordre du ng/l à la dizaine de ng/l), une bonne linéarité, précision, justesse et performance, ont permis d’analyser la phase dissoute des échantillons d’eaux et la phase dissoute et solide des échantillons de lisiers. Il ressort des analyses des échantillons aqueux que : i) les béta-bloquants, les anti-VIH et les antibiotiques appartenant aux familles des macrolides, des fluoroquinolones et des sulfonamides, sont les molécules les plus représentatifs de la contamination du milieu naturel parmi les classes étudiées ; ii) les rejets de STEP sont une source majeure de la contamination des systèmes aquatiques ; iii) les eaux usées sont davantage contaminées en hiver qu’en été ; et iv) les eaux de surface sont davantage contaminées en été qu’en hiver. / Pharmaceutical substances belong to the group of emerging contaminants due to their recent interest in environmental studies in comparison with pollutants who have been studied for a longer time like pesticides. They correspond to the active ingredient of drugs and by this mean are responsible for their pharmacological properties. Consequently they are biologically active molecules that can act on living organisms present in impacted ecosystems. The origin of pharmaceuticals in the environment is variable but the main sources are related to their use in human and veterinary medicine. Once consumed, pharmaceutical substances are excreted in urine or feces and are found in wastewater (human consumption) or animal manure (veterinary consumption). In the first case, they can be discharged directly in the environment, or indirectly, with treated wastewater or sludge from sewage treatment plants (SWTP). In the second case, they directly reach the environment when animals are bred on grassland or indirectly when livestock wastes are spread on agricultural soils as fertilizer. This PhD work has been focused on the study of the origin and fate of pharmaceutical substances in these 2 cases. Thus according to consumption data, occurrence in the environment reported in previous studies, toxicity and ecotoxicity data, originality and availability of reference standard compounds, 32 then 78 molecules belonging to 5 different therapeutic classes (antibiotics, antineoplastics, beta-blockers, anti-HIV, phosphodiesterase type 5 inhibitors (PDE 5 inhibitors)) were studied in 2 continuums : i) hospital wastewater effluents – raw and treated wastewater – surface water, and ii) raw and treated wastewater – surface water – ground water. Based on the same selection criteria, the fate of 7 antibiotics was studied in pig manure in simple manure storage facilities (storage tank), in aerobic manure treatment facilities (treatment system like in small SWTP) and in mesocosms under controlled conditions. In order to achieve all these studies, analytical protocols implementing an extraction step by SPE (Solid Phase Extraction) or an ASE extraction (Accelerated Solvent Extraction) followed by a SPE purification and an analytical step by LC / MS / MS (liquid chromatography tandem mass spectrometry) have been developed. These protocols, by filling out quality criteria such as limits of detection and quantification compatible with environmental analysis (ng/l to dozen of ng/l), good linearity, precision, accuracy and performance, were used to analyze the dissolved phase of water samples and dissolved and solid phases of pig manure samples. The water samples analysis shows : i) beta-blockers, anti-HIV and antibiotic belonging to the families of macrolides, fluoroquinolones and sulfonamides are the most representative molecules of the environmental contamination from the classes studied; ii) SWTP releases are a major source of aquatic systems’ contamination; iii) wastewaters are more contaminated in winter than in summer; and iv) surface water are more contaminated in summer than in winter. The pig manure samples analysis shows : i) the levels of contamination of manure by antibiotics are high, from a few µg/l to mg/l; ii) the manure level of contamination is not related to the physiological stage of pigs; iii) the interest to store manure before spreading in order to reduce the antibiotics contamination is not highlighted; iv) oxytetracycline, tetracycline, tylosin and marbofloxacin are mainly present in the solid phase whereas sulfadiazine, lincomycin and monensin are mainly present in the liquid phase of manure; v) the separation of solid and liquid phases reduce manure contamination in aerobic treatment facilities; and vi) antibiotics degradation is mainly aerobic.Key words: ,