No description available.

Nanofiltration (NF) is an attractive option for the treatment of wastewater e.g. municipal wastewater and landfill leachate. However, membrane fouling can be a major obstacle in the implementation of this technology. Fouling of nanofiltration membranes by hu-mic acids (HA) was investigated using bisphenol A (BPA) as an indicator chemical to dif-ferentiate between various mechanisms that may lead to a change in solute rejection. Three commercially available NF membranes were investigated and an accelerated foul-ing condition was achieved with a foulant mixture containing humic acids in an electro-lyte matrix. The effects of membrane fouling on the rejection of BPA were interpreted with respect to the membrane pore sizes and the fouling characteristics. Results report-ed here indicate that calcium concentration in the feed solution could be a major factor governing the humic acid fouling process. Moreover, a critical concentration of calcium in the feed solution was observed, at which membrane fouling was most severe. Mem-brane fouling characteristics were observed by their influence on BPA rejection. Such influence could result in either an increase or decrease in rejection of BPA by the three different membranes depending on the rejection mechanisms involved. It is hypothe-sised that these mechanisms could occur simultaneously and that the effects of each might not be easily distinguished. However, it was observed that their relative contribu-tion was largely dependent upon membrane pore size. Pore blocking, which resulted in a considerable improvement in rejection, was prominent for the more open pore size TFC-SR2 membrane. In contrast, the cake-enhanced concentration polarisation (CECP) effect was more severe for the tighter NF270 and NF90 membranes. For hydrophobic solutes such as BPA, the formation of the fouling layer could also interfere with the so-lute-membrane interaction, and therefore, exert considerable influence on the separa-tion process. The combined impact of humic acid fouling and CaCO3 scaling on the rejection of trace organic contaminants by a commercially available nanofiltration membrane was inves-tigated in this study. Due to the presence of humic acid in the feed solution, CaCO3 scal-ing behaviour differed substantially from that of a pure CaCO3 solution. A prolonged induction period was consistently observed prior to the onset of membrane scaling. In addition, membrane scaling following humic acid fouling did not result in a complete loss of permeate flux. This is consistent with the absence of any large CaCO3 crystals. In fact, the CaCO3 crystals on the membrane surface were quite small and similar in size, which would result in a relatively porous cake layer. At the onset of CaCO3 scaling the rejection of all three trace organic contaminants started to decrease dramatically. The observed decrease in rejection of the trace organic contaminants was much more se-vere than that reported previously with a single layer of either organic or colloidal foul-ing. Such severe decrease in rejection can be attributed to the extended cake-enhanced concentration polarisation effect occurring as a result of the combination of membrane fouling and scaling. The porous CaCO3 scaling layer could lead to a substantial cake-enhanced concentration polarisation effect. In addition, the top CaCO3 scaling layer could reduce the wall shear rate within the underlying humic acid fouling layer, causing an additional concentration polarisation (CP) effect.:1 INTRODUCTION 1 1.1 Fundamentals of NF/RO 1 1.1.1 Solute transport through NF/RO membranes 2 1.1.2 Separation mechanisms 3 1.1.2.1 Steric size exclusion 3 1.1.2.2 Donnan effect 3 1.1.2.3 Electrostatic repulsion 4 1.1.2.4 Adsorption 4 1.1.3 Environmental applications of NF/RO 5 1.1.4 Drinking water treatment from groundwater and surface water sources 5 1.1.5 Water/Wastewater reclamation 7 1.2 Classification and materials of NF/RO membranes 7 1.2.1 Membrane classes 7 1.2.2 Membrane materials 8 1.2.3 Organic membrane materials 9 1.2.3.1 Polyamide membranes 9 1.2.3.2 Cellulose acetate membranes 9 1.2.4 Inorganic membrane materials 10 1.3 Removal of trace organic contaminants 11 1.3.1 Impact of membrane characteristics 14 1.3.1.1 Molecular weight cut-off/pore size 14 1.3.1.2 Surface charge 14 1.3.1.3 Hydrophobicity/hydrophilicity 15 1.3.1.4 Surface morphology 15 1.3.2 Impact of feed characteristics 17 1.3.2.1 pH value 17 1.3.2.2 Ionic strength 18 1.3.2.3 Organic matter 19 1.3.2.4 Presence of divalent ions 20 1.3.2.5 Presence of foulants 20 1.3.2.6 Temperature 20 1.3.3 Impact of solute characteristics 22 1.3.3.1 Molecular weight 22 1.3.3.2 Molecular size (length and width)/molecular volume 22 1.3.3.3 Minimum projection area/Equivalent width 23 1.3.3.4 Charge 23 1.3.3.5 Hydrophobicity/hydrophilicity 24 1.3.4 Impact of operational characteristics 25 1.3.4.1 Transmembrane pressure/permeate or transmembrane flux 25 1.3.4.2 Cross-flow velocity/recovery/concentration polarisation 25 1.3.5 Impact of fouling on rejection 26 1.3.5.1 Organic fouling 28 1.3.5.2 Colloidal fouling 30 1.3.5.3 Inorganic fouling (scaling) 31 1.3.5.4 Biological fouling 32 1.3.6 Impact of membrane cleaning on rejection 32 1.3.6.1 Changes of membrane morphology due to cleaning 32 1.3.6.2 Impact on rejection of TrOCs due to cleaning 33 1.3.7 Validation at pilot and full scale systems 35 2 MEMBRANE FOULING IN THE NANOFILTRATION OF LANDFILL LEACHATE AND ITS IMPACT ON TRACE CONTAMINANT REMOVAL 37 2.1 Introduction 37 2.2 Materials and Methods 40 2.2.1 Analytical reagents and chemicals 40 2.2.2 Nanofiltration membrane 40 2.2.3 Membrane filtration set-up and protocol 41 2.2.4 Analytical technique 42 2.3 Results and discussion 42 2.3.1 Landfill leachate characterisation 42 2.3.2 Physico-chemical properties of bisphenol A 43 2.3.3 Influence of the calcium concentration on the flux 44 2.3.4 Influence of fouling on the rejection of organic contaminants 46 2.4 Conclusions 48 3 CHARACTERISING HUMIC ACID FOULING OF NANOFILTRATION MEMBRANES USING BISPHENOL A AS A MOLECULAR INDICATOR 50 3.1 Introduction 50 3.2 Materials and methods 52 3.2.1 Model NF membranes and membrane characterisation 52 3.2.2 Model trace organic contaminant 52 3.2.3 Organic foulant 53 3.2.4 Membrane filtration set-up 54 3.2.5 Filtration protocol 55 3.2.6 Analytical technique 56 3.3 Results and discussions 56 3.3.1 Membrane characteristics 56 3.3.2 Membrane fouling behaviour 58 3.3.3 Change of membrane hydrophobicity 61 3.3.4 Effects of organic fouling on the nanofiltration of BPA 63 3.3.5 Effects of organic fouling on rejection: the mechanisms 65 3.4 Conclusions 67 4 EFFECTS OF FOULING AND SCALING ON THE REJECTION OF TRACE ORGANIC CONTAMINANTS BY A NANOFILTRATION MEMBRANE: THE ROLE OF CAKE-ENHANCED CONCENTRATION POLARISATION 69 4.1 Introduction 69 4.2 Materials and methods 71 4.2.1 Nanofiltration membrane 71 4.2.2 Chemicals and reagents 71 4.2.3 Crossflow membrane filtration system 72 4.2.4 Experimental protocol 73 4.2.5 SEM-EDS analysis 74 4.2.6 Analytical methods 75 4.3 Results and discussion 75 4.3.1 Membrane characteristics 75 4.3.2 Membrane fouling and scaling development 76 4.3.3 Effects of fouling/scaling on the membrane rejection behaviour 79 4.3.4 Cake-enhanced concentration polarisation 85 4.4 Conclusions 87 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS 88 6 REFERENCES 94 7 ACKNOWLEDGEMENTS 112

Bei zwei Fließgewässern (Lockwitzbach und Körsch) wurde ein Expositions- und Effektmonitoring an Probenahmestellen jeweils ober- und unterhalb des Einleiters eines kommunalen Klärwerks über einen Zeitraum von zwei Jahren durchgeführt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren dabei die Untersuchungen zur Populationsstruktur und -dynamik von Gammarus fossarum (Amphipoda, Crustacea). Folgende Populationsvariablen wurden erfasst: Abundanz, Geschlechterverhältnis, Anteil von Juvenilen, Anteil brütender Weibchen, Fekundität, Körperlängen und Infektion mit Acanthocephalen. Erstmalig wurde Intersexualität bei G. fossarum festgestellt. Im Lockwitzbach war der Anteil an Intersexen bei den adulten Gammariden mit etwa 5 - 15 % höher als in der Körsch mit < 1 %. Intersexualität wurde nicht durch die Einleiter induziert. Bei den Intersexen handelt es sich um funktionelle Weibchen. Wodurch dieses Phänomen ausgelöst wird und welche Bedeutung es für die Population hat, ist unbekannt. In den Freilanduntersuchungen wurden im Projekt Xehogamm (Umweltbundesamt Berlin, FKZ 299 65 221/05), in dessen Rahmen diese Dissertation entstand, verschiedene Umweltchemikalien im Bachwasser analysiert. Bei Vertebraten ist eine östrogene Wirksamkeit dieser Substanzen bekannt oder wird vermutet. In den Gammaridenpopulationen unterhalb der Klärwerkseinleiter waren wichtige populationsrelevante Variablen im Vergleich zu oberhalb verändert. An der unteren Probenahmestelle bei der Körsch war der Anteil der Juvenilen mit der kleinsten Körperlänge sowie der Anteil brütender Weibchen erniedrigt. Tendenziell traf dies auch für die untere Probenahmestelle beim Lockwitzbach zu. Bei der Körsch ist außerdem der frühere Beginn der herbstlichen Reproduktionspause und die geringere Körperlänge adulter Gammariden möglicherweise auf endokrine Umweltchemikalien im Wasser des Einleiters zurückzuführen. Von den nachgewiesenen Substanzen wurde eine Einzelsubstanz, Bisphenol A, für ein Fließrinnenexperiment ausgewählt. In künstlichen Fließrinnen im Gewächshaus wurde G. fossarum paarweise, in Gruppen sowie als größenstrukturierte Population in der Fließrinne selbst über 103 Tage exponiert, und verschiedene Populationsvariablen wurden erfasst. Die Nominalkonzentrationen von Bisphenol A in drei Fließrinnen betrugen 5, 50 und 500 µg/L. In den ersten drei aufeinanderfolgenden Bruten zeigte sich in der höchsten Bisphenol A-Konzentration die größte Brutgröße. Im weiteren Verlauf des Experiments übte Bisphenol A einen hemmenden Einfluss auf die Reproduktion der Gammariden aus. Basierend auf den Nominalkonzentrationen wurden folgende EC10-Werte berechnet: Anteil reproduzierender Weibchen für die 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 22 µg/L, Brutgröße der 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 11 µg/L, Anteil brütender Weibchen (Population): 212 µg/L und Anteil Juveniler (Population): 153 µg/L Bisphenol A. Die EC10-Werte basierend auf Effektivkonzentrationen für dieselben Endpunkte betragen: bei den Paaren 1,1 µg/L (reproduzierende Weibchen) und 0,5 µg/L (Brutgröße), in der Population 10 µg/L (Anteil brütender Weibchen und Anteil Juveniler). Im Fließrinnenexperiment wurde Bisphenol A zwar in höheren Konzentrationen als im Freiland vorhanden eingesetzt, die beobachteten Effekte weisen jedoch in dieselbe Richtung wie die Effekte im Freiland. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch die Effekte im Freiland auf einer endokrinen Wirkung von Umweltchemikalien beruhen könnten. Zusätzlich wurde der Einfluss von Bisphenol A auf die Osmoregulation bei G. lacustris untersucht, wobei unterschiedliche Effekte auf die Natrium- und Calciumkonzentration, nicht jedoch auf die Osmolalität, in der Hämolymphe nachgewiesen wurden. Anlage: Rohdaten (3,87 MB)- Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB

Bei zwei Fließgewässern (Lockwitzbach und Körsch) wurde ein Expositions- und Effektmonitoring an Probenahmestellen jeweils ober- und unterhalb des Einleiters eines kommunalen Klärwerks über einen Zeitraum von zwei Jahren durchgeführt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren dabei die Untersuchungen zur Populationsstruktur und -dynamik von Gammarus fossarum (Amphipoda, Crustacea). Folgende Populationsvariablen wurden erfasst: Abundanz, Geschlechterverhältnis, Anteil von Juvenilen, Anteil brütender Weibchen, Fekundität, Körperlängen und Infektion mit Acanthocephalen. Erstmalig wurde Intersexualität bei G. fossarum festgestellt. Im Lockwitzbach war der Anteil an Intersexen bei den adulten Gammariden mit etwa 5 - 15 % höher als in der Körsch mit < 1 %. Intersexualität wurde nicht durch die Einleiter induziert. Bei den Intersexen handelt es sich um funktionelle Weibchen. Wodurch dieses Phänomen ausgelöst wird und welche Bedeutung es für die Population hat, ist unbekannt. In den Freilanduntersuchungen wurden im Projekt Xehogamm (Umweltbundesamt Berlin, FKZ 299 65 221/05), in dessen Rahmen diese Dissertation entstand, verschiedene Umweltchemikalien im Bachwasser analysiert. Bei Vertebraten ist eine östrogene Wirksamkeit dieser Substanzen bekannt oder wird vermutet. In den Gammaridenpopulationen unterhalb der Klärwerkseinleiter waren wichtige populationsrelevante Variablen im Vergleich zu oberhalb verändert. An der unteren Probenahmestelle bei der Körsch war der Anteil der Juvenilen mit der kleinsten Körperlänge sowie der Anteil brütender Weibchen erniedrigt. Tendenziell traf dies auch für die untere Probenahmestelle beim Lockwitzbach zu. Bei der Körsch ist außerdem der frühere Beginn der herbstlichen Reproduktionspause und die geringere Körperlänge adulter Gammariden möglicherweise auf endokrine Umweltchemikalien im Wasser des Einleiters zurückzuführen. Von den nachgewiesenen Substanzen wurde eine Einzelsubstanz, Bisphenol A, für ein Fließrinnenexperiment ausgewählt. In künstlichen Fließrinnen im Gewächshaus wurde G. fossarum paarweise, in Gruppen sowie als größenstrukturierte Population in der Fließrinne selbst über 103 Tage exponiert, und verschiedene Populationsvariablen wurden erfasst. Die Nominalkonzentrationen von Bisphenol A in drei Fließrinnen betrugen 5, 50 und 500 µg/L. In den ersten drei aufeinanderfolgenden Bruten zeigte sich in der höchsten Bisphenol A-Konzentration die größte Brutgröße. Im weiteren Verlauf des Experiments übte Bisphenol A einen hemmenden Einfluss auf die Reproduktion der Gammariden aus. Basierend auf den Nominalkonzentrationen wurden folgende EC10-Werte berechnet: Anteil reproduzierender Weibchen für die 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 22 µg/L, Brutgröße der 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 11 µg/L, Anteil brütender Weibchen (Population): 212 µg/L und Anteil Juveniler (Population): 153 µg/L Bisphenol A. Die EC10-Werte basierend auf Effektivkonzentrationen für dieselben Endpunkte betragen: bei den Paaren 1,1 µg/L (reproduzierende Weibchen) und 0,5 µg/L (Brutgröße), in der Population 10 µg/L (Anteil brütender Weibchen und Anteil Juveniler). Im Fließrinnenexperiment wurde Bisphenol A zwar in höheren Konzentrationen als im Freiland vorhanden eingesetzt, die beobachteten Effekte weisen jedoch in dieselbe Richtung wie die Effekte im Freiland. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch die Effekte im Freiland auf einer endokrinen Wirkung von Umweltchemikalien beruhen könnten. Zusätzlich wurde der Einfluss von Bisphenol A auf die Osmoregulation bei G. lacustris untersucht, wobei unterschiedliche Effekte auf die Natrium- und Calciumkonzentration, nicht jedoch auf die Osmolalität, in der Hämolymphe nachgewiesen wurden. Anlage: Rohdaten (3,87 MB)- Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB

Obesity is a worldwide problem affecting both children and adults. Genetic, physiological, environmental, psychological, social and economic factors interact in varying degrees, influencing body weight and fat distribution and the progress of obesity. Moreover, some anthropogenic chemicals have proven to be endocrine disrupting chemicals (EDCs) with the potential to interfere with different actions of hormones in the body. EDCs may thereby disrupt homeostasis, modifying developmental, behavioral and immune functions in humans and animals, and also promoting adiposity. Because hormones generally act at low concentrations, small changes in the endocrine system may lead to extensive effects. Based on data from experimental and epidemiological studies this thesis elucidates the relationship between a large number of environmental contaminants and obesity. The experimental studies demonstrated that fructose supplementation in the drinking water resulted in unfavorable metabolic alterations such as a higher liver somatic index (LSI), an increase in plasma triglycerides and increased plasma levels of apo A-I. Fructose in combination with exposure to bisphenol A (BPA) increased liver fat content and plasma levels of apo A-I in juvenile female Fischer 344 rats. The experimental studies also showed that the retro-peritoneal fat, which in rats is a distinct fat depot easy to distinguish and dissect, correlated well with the measurements of total fat mass analyzed with MRI, and could therefore be used as a substitute for total fat mass in rats. The epidemiological studies showed that circulating levels of persistent organic pollutants (POPs) were related to fat mass measured by DXA. OCDD, HCB, TNC, DDE and the less chlorinated PCBs were positively related to fat mass, while the more highly chlorinated PCBs showed a negative association. Further, circulating levels of BPA were positively associated with levels of the hormones adiponectin and leptin, but negatively related with ghrelin, hormones which are involved in the regulation of hunger and satiety. However, serum BPA levels were not related to measures of fat mass in the elderly individuals in the PIVUS cohort. This thesis concludes that environmental contaminants such as BPA and POPs most likely are contributors, along with genetic, social and behavioral factors, to the development of obesity.

L'exposition aux mélanges de contaminants (environnementaux, alimentaires ou thérapeutiques) soulève de nombreuses interrogations et inquiétudes vis-à-vis des probabilités d'interactions toxicocinétiques et toxicodynamiques. Une telle coexposition peut influencer le mode d’action des composants du cocktail et donc de leur toxicité, suite à un accroissement de leurs concentrations internes. Le bisphénol A (4 dihydroxy-2,2-diphenylpropane) est un contaminant chimique répandu de manière ubiquitaire dans notre environnement, largement utilisé dans la fabrication des plastiques avec l’un des plus grands volumes de production à l’échelle mondiale. Il est un perturbateur endocrinien par excellence de type œstrogèno-mimétique. Cette molécule est biotransformée en métabolites non toxiques par un processus de glucuronidation. L'exposition concomitante à plusieurs xénobiotiques peut induire à la baisse le taux de glucuronidation du polluant chimique d'intérêt, entre autres la co-exposition avec des médicaments. Puisque la consommation de produits thérapeutiques est un phénomène grandissant dans la population, la possibilité d’une exposition simultanée est d’autant plus grande et forte. Sachant que l'inhibition métabolique est le mécanisme d'interaction le plus plausible pouvant aboutir à une hausse des niveaux internes ainsi qu’à une modulation de la toxicité prévue, la présente étude visait d'abord à confirmer et caractériser ce type d'interactions métaboliques entre le bisphénol A et le naproxène, qui est un anti-inflammatoire non stéroïdiennes (AINS), sur l'ensemble d'un organe intact en utilisant le système de foie de rat isolé et perfusé (IPRL). Elle visait ensuite à déterminer la cinétique enzymatique de chacune de ces deux substances, seule puis en mélange binaire. Dans un second temps, nous avons évalué aussi l’influence de la présence d'albumine sur la cinétique métabolique et le comportement de ces deux substances étudiées en suivant le même modèle de perfusion in vivo au niveau du foie de rat. Les constantes métaboliques ont été déterminées par régression non linéaire. Les métabolismes du BPA et du NAP seuls ont montré une cinétique saturable avec une vélocité maximale (Vmax) de 8.9 nmol/min/ mg prot de foie et une constante d'affinité de l'enzyme pour le substrat (Km) de 51.6 μM pour le BPA et de 3 nmol/min/mg prot de foie et 149.2 μM pour le NAP. L'analyse des expositions combinées suggère une inhibition compétitive partielle du métabolisme du BPA par le NAP avec une valeur de Ki estimée à 0.3542 μM. Les résultats obtenus montrent que l’analyse de risque pour les polluants environnementaux doit donc prendre en considération la consommation des produits pharmaceutiques comme facteur pouvant accroitre le niveau interne lors d’une exposition donnée. Ces données in vivo sur les interactions métaboliques pourraient être intégrées dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK) pour prédire les conséquences toxicococinétique (TK) de l'exposition d'un individu à ces mélanges chimiques. / Exposure to mixtures of contaminants (environmental, alimentary or therapeutic) poses many questions and concerns about the probability of toxicokinetic and toxicodynamic interactions. Such co-exposure may influence the mode of action of the cocktail of components and therefore their toxicity, as a result of an increase of their internal concentrations. Bisphenol A (2,2-dihydroxy-4 diphenylpropane) is a ubiquitous chemical contaminant in our environment, widely used in the manufacture of plastics, with one of the largest production volumes globally. It is an endocrine disruptor of oestrogen-mimetic type. This molecule is metabolized into non-toxic metabolites by glucuronidation process. Several factors including the co-exposure to other xenobiotics may reduce the glucuronidation rate of the chemical pollutant of interest, such as a co-exposure with drugs. Given that the consumption of therapeutic products is a growing phenomenon in the population, simultaneous exposures of pollutants with medicinal drugs are becoming a concern for health risk assessment. Knowing that metabolic inhibition is the most plausible mechanism of interaction that could result in an increase of the internal levels and a modulation of the expected toxicity, the present study aimed at confirming and characterizing this type of metabolic interactions between bisphenol A and naproxen, which is a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID), on the set of an intact organ using isolated and perfused rat liver system (IPRL). The study also served to determine the enzyme kinetics metabolism of each substance alone and in binary mixture. In a second step, we also evaluated the influence of the presence of albumin on the metabolic kinetics and behavior of the two substances studied using the same in vivo perfusion model of rat liver. Metabolic constants were determined by nonlinear regression. The metabolism of BPA and NAP alone demonstrated saturable kinetics with maximal velocity (Vmax) and affinity constant (Km) equal to 8.9 nmol/min/mg prot liver and 51.6 μM for BPA, and 3 nmol/min/mg prot liver and 149.2 μM for NAP. The analysis of combined exposures suggests a partial competitive inhibition of BPA metabolism by NAP with a Ki value estimated at 0.3542 µM. From these results, it appears that the risk assessment of environmental pollutants must therefore consider the consumption of pharmaceutical products as an important agent that can increase the internal levels for a given exposure. Accordingly, these in vivo data on metabolic interactions can be incorporated into a physiologically based pharmacokinetic models (PBPK) to predict the toxicokinetic consequences (TK) of the exposure by an individual to these chemical mixtures.

L’industrialisation et l’utilisation dans la vie courante d’un nombre croissant de produits chimiques et médicamenteux sont responsables de la dissémination dans l’environnement de substances variées nommées« polluants émergents ». Les traitements des eaux usées existants ne sont pas conçus pour éliminer cette catégorie de pollution et les polluants émergents sont alors rejetés dans le milieu récepteur. Une possible solution pour limiter le rejet de ces composés par les effluents de station d’épuration serait l’utilisation de procédés de traitement additionnels tels que les procédés d’oxydation avancés. C’est dans ce contexte qu’a démarré le projet Européen Clean Water en 2009 associant 7 entités dont le GEPEA-Ecole des Mines de Nantes. Le concept du projet est de développer des procédés photocatalytiques mettant en œuvre des nanomatériaux actifs sous la lumière solaire. Ces procédés visent à éliminer les polluants émergents tels que les perturbateurs endocriniens ou les produits pharmaceutiques. Dans ce programme, le laboratoire GEPEA est concerné par l’évaluation de l’efficacité des matériaux vis-à-vis de l’élimination des polluants émergents sous irradiations UV et visibles. Pour cela, une méthodologie expérimentale a été établie de façon à exprimer les performances des catalyseurs testés en termes de constantes cinétiques de dégradation, de taux de conversion et de minéralisation des molécules étudiées mais aussi en fonction de la formation de produits intermédiaires. Ces performances sont également évaluées en termes de biodégradabilité, d’effet de toxicité et de perturbation endocrinienne des produits intermédiaires. Dans un premier temps, la méthodologie expérimentale établie a été testée sur la dégradation de la tétracycline en utilisant un catalyseur de référence puis, elle a été appliquée sur la dégradation respective du bisphénol A et de la 17β-oestradiol en utilisant un catalyseur de référence et les catalyseurs élaborés dans le cadre du projet Clean Water. Les résultats sur la dégradation de la tétracycline ont montré que i) les intermédiaires réactionnels sont moins toxiques que la tétracycline, ii) la structure des intermédiaires réactionnelles est semblable à celle de la tétracycline ce qui explique la faible biodégradabilité de ces intermédiaires. Concernant la dégradation du bisphénol A et de la 17β-oestradiol, les résultats ont montré que i) les catalyseurs sont efficaces sous irradiation solaire simulée. Cependant, l’efficacité photocatalytique du catalyseur dépend du composé à dégrader, ii) la nature des intermédiaires réactionnels identifiés du bisphénol A dépend du catalyseur utilisé, iii) l’effet œstrogénique de la solution d’oestradiol persiste au cours du traitement photocatalytique. / Industrialisation, the use of numerous chemical products in domestic activities and the use of medicine drugs have led to the release in the environment of various substances named "emerging pollutants”. The existing wastewater treatments are not designed to eliminate this kind of pollution and then these pollutants are released into the natural aquatic media. To limit the release of these compounds by waste water treatment plant effluent, a solution could be the use of additional treatment processes such as advanced oxidation processes. In this context, the European project Clean Water has started in 2009. Clean Water involves 7 entities including the GEPEA laboratory-Ecole des Mines de Nantes. The aim of the Clean Water project is to develop sustainable and cost effective water treatment and detoxification processes using TiO2 nanomaterials with UV-visible light response under solar light. These processes act to remove emerging contaminants such as endocrine disruptors and pharmaceuticals. In this program, theGEPEA laboratory is concerned with the evaluation of the efficiency of novel photocatalysts under UV and visible irradiations for the elimination of emerging pollutants. For this purpose, an experimental methodology was established to express the efficiency of the tested catalysts in terms of degradation kinetic constants, pollutants conversion and mineralisation and also in terms of the intermediate products formed. The efficiency of photocatalysts is also evaluated in terms of intermediates biodegradability, toxicity and endocrine disruption effects. First, the experimental methodology was tested on the degradation of tetracycline with a reference catalyst. Then, it was applied to the degradation of bisphenol A and estradiol respectively with the reference catalyst and the catalysts developed within the Clean Water Project. The results obtained on the tetracycline degradation have showed that: i) tetracycline intermediate products are less toxic than tetracycline ii) the intermediates structure is similar to that of tetracycline, this can explain the low biodegradability observed for these intermediates. For the degradation of bisphenol A and estradiol, the results showed that: i) the photocatalysts are efficient under simulated solar irradiation. However, the catalyst photocatalytic efficiency depends on the compound to be degraded ii) the nature of the bisphenol A reaction intermediates identified depends on the catalyst used iii)the estrogenic effect of the estradiol treated solution persists during the photocatalytic treatment.

Le bisphénol S (BPS) est largement utilisé comme substitut du Bisphénol A (BPA) et l’exposition humaine au BPS est désormais ubiquitaire. Or, le BPS, à l’instar du BPA, présente un potentiel perturbateur endocrinien, ce qui soulève la question du risque liée à une exposition fœtale au BPS pour la santé humaine. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’évaluer l’exposition fœtale au BPS et de caractériser des biomarqueurs phénotypiques d’exposition fœtale et/ou d’effet du BPS à partir d’une signature stéroïdomique. Une étude toxicocinétique réalisée sur le modèle du fœtus ovin a montré que le transfert materno-fœtal du BPS est faible. Cependant, le BPS et son principal métabolite, le BPS glucuronide, sont lentement éliminés du compartiment fœtal en raison d’un passage placentaire fœto-maternel du BPS limité et de la faible vitesse de réactivation du BPSG en BPS. Il en résulte une exposition fœtale au BPS similaire à celle au BPA, lors d’exposition maternelle répétée. L’étude du transfert placentaire du BPS et du BPSG sur le modèle de placenta humain perfusé a conforté les résultats observés chez le mouton, avec des faibles transferts materno-fœtal et fœto-maternel du BPS, respectivement 10 et 3 fois inférieurs à ceux du BPA. L’exposition maternelle quotidienne au BPS au cours de la gestation chez la brebis n’a pas eu d’impact sur les voies de biosynthèse des androgènes dans l’unité materno-fœtoplacentaire pour les fœtus mâles. Bien que le potentiel d’exposition fœtale du BPS est similaire à celui du BPA, nous n’avons pas mis en évidence d’effets associés à cette exposition / Bisphenol S (BPS) is widely used as a substitute for Bisphenol A (BPA) and human exposure to BPS is now ubiquitous. However, BPS, like BPA, displays an endocrine disrupting potential, raising the issue of the risk of fetal exposure to BPS for human health. In this context, the objective of this thesis is to evaluate the fetal exposure to BPS and to characterize phenotypic biomarkers of fetal exposure and / or effect of BPS from a steroidal signature. A toxicokinetic study carried out on the model of the ovine fetus has shown that materno-fetal transfer of BPS is weak. However, BPS and its major metabolite, BPS glucuronide, are slowly eliminated from the fetal compartment due to the limited feto-maternal placental transfer of BPS and the low rate of reactivation of BPSG to BPS. This results in fetal exposure to BPS similar to BPA at repeated maternal exposure. The study of placental transfer of BPS and BPSG on the model of human perfused placenta reinforced the results observed in sheep, with low materno-fetal and feto-maternal transfers of BPS, respectively 10 and 3 times lower than those of BPA. Daily maternal exposure to BPS during pregnancy in ewes did not impact the androgen biosynthetic pathways in the materno-fetoplacental unit for male fetuses. Although the potential for fetal exposure of BPS is similar to that of BPA, we have not found any effects associated with this exposure.

La grande majorité des résines époxy utilisées aujourd’hui sont issues ou dérivées du bisphénol-A (BPA). Cependant, le BPA est soumis à de très fortes régulations, notamment vis-à-vis de sa récente classification comme substance chimique extrêmement préoccupante par l’agence européenne des produits chimiques (ECHA). Dans un but d’anticiper les évolutions de régulation, ArianeGroup a décidé de remplacer cette substance chimique de ces formulations. Ces travaux de thèse portent donc sur l’élaboration de nouvelles résines époxy biosourcées ayant des propriétés similaires voire supérieures aux références dérivées du bisphénol-A. Pour cela, une bioplatforme de monomères polyépoxydés issus de la vanilline, du méthyl vanillate, du 2,6-diméthoxyphénol et de l’eugénol a été développée. Ces précurseurs biosourcés ont ensuite été utilisés comme précurseurs de réseaux époxyde par réticulation avec des amines. Les réseaux réticulés biosourcés ainsi obtenus ont démontré des propriétés thermomécaniques remarquables bien supérieures à la référence de type DGEBA, notamment en termes de température de transition vitreuse (>300 °C) et taux de coke (>50%). En parallèle de ces travaux, la synthèse de diamines biosourcées, dérivées de la divanilline, et pouvant être utilisées comme agents de réticulation de résines époxy, a été réalisée. Des réseaux époxyde entièrement biosourcés ont ainsi été synthétisés et présentent des propriétés thermomécaniques prometteuses. / Today, most of the epoxy resins produced are derived from bisphenol-A (BPA). However, BPA is subject to strong regulations, particularly because of its recent classification as chemical of very high concern by the European Chemicals Agency (ECHA). In order to anticipate new regulations, ArianeGroup has decided to replace this substance in its applications. The aim of this thesis is to develop new bio-based epoxy thermosets with comparable thermomechanical properties as the ones issued from bisphenol-A-based materials. For this purpose, a bio-platform of epoxy monomers from vanillin, methyl vanillate, 2,6-dimethoxyphenol and eugenol was developed. These precursors were cross-linked with amines used as curing agent to obtain bio-based epoxy networks. The latter demonstrated thermomechanical properties well above the DGEBA-type reference, especially in terms of glass transition temperature (> 300 °C) and char content (> 50%). Finally, the synthesis of bio-based diamines derived from divanillin was developed and enabled the synthesis of fully bio-based epoxy networks with promising thermomechanical properties.

O Bisfenol A (BPA, acrônimo da língua inglesa - bisphenol A) é uma substância utilizada na fabricação de embalagens alimentícias e resinas odontológicas. Sua toxicidade deve-se ao fato de que, como disruptor endócrino, afeta o sistema reprodutor, cardiovascular, neuro-endócrino e pode apresentar potencial carcinogênico. Em métodos bioanalíticos, o preparo da amostra tem sido requerido para aumentar a seletividade e sensibilidade analítica, através da remoção dos interferentes da amostra biológica e concentração dos analitos, quase sempre presentes em níveis de traços. A microextração em ponteiras (DPX, acrônimo das iniciais em língua inglesa - Disposable Pipette Extraction), baseada no equilíbrio de sorção do soluto com a fase extratora, consiste em uma ponteira padrão de micropipeta modificada, na qual o sorvente está contido livremente entre dois filtros, permitindo rápida extração do analito em diferentes matrizes complexas. Os polímeros de impressão molecular (MIP acrônimo das iniciais em língua inglesa - Molecularly Imprinted Polymer) consistem em uma rede polimérica tridimensional que possui cavidades seletivas para o reconhecimento molecular do analito ou de substâncias de estrutura análoga. Essa rede polimérica é sintetizada ao redor da substância molde (analito), e a cavidade seletiva é formada após a remoção do molde. As vantagens do processo sol-gel para a síntese do MIP são o controle do tamanho e forma das partículas, ajuste da hidrofobicidade e alta estabilidade térmica. No presente trabalho, o MIP foi sintetizado e utilizado como sorvente para a técnica DPX para a determinação de bisfenol A em amostras de urina por cromatografia em fase gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC-MS, acrônimo das iniciais em língua inglesa - Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry). O MIP foi sintetizado pela via sol-gel utilizando aminopropiltrietoxisilano (APTES) como mônomero funcional e tetraetil-orto-silicato (TEOS) como reagente de ligação cruzada. Como molde foram avaliados o BPA para o MIP, e o tetrabromobisfenol A (TBBPA) para o polímero molecularmente impresso com molécula análoga ao analito (DMIP, acrônimo das iniciais em língua inglesa - Dummy Molecularly Imprinted Polymer). Para avaliar a seletividade do MIP, o polímero não impresso (NIP, acrônimo das iniciais em língua inglesa - Non-imprinted Polymer) foi sintetizado seguindo o mesmo procedimento de síntese do MIP com exceção da adição da molécula molde. Apesar de a capacidade de sorção do MIP ser ligeiramente maior, o DMIP foi selecionado como sorvente para minimizar o efeito de memória. O DMIP foi caracterizado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por espectroscopia vibracional na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR, acrônico das inicias em língua inglesa - Fourier Transform Infrared). Os parâmetros da técnica DPX, tais como, o tempo de equilíbrio de sorção entre a amostra e o sorvente e condições de dessorção foram otimizadas por técnicas quimiométricas. A robustez do DMIP sintetizado via sol-gel foi comprovada pela reutilização deste sorvente por mais de 100 vezes, sem perda da eficiência da extração. O método desenvolvido DPX/GC-MS apresentou linearidade na faixa de 50 a 500 ng mL-1, precisão com CV (coeficientes de variação) entre 4 e 14% e de exatidão com valores de erro padrão relativo (EPR) de -13,6 a 12,3%. O método de referência utilizando a extração líquido-líquido e GC-MS (LLE/GC-MS), faixa de linearidade de 5 a 50 ng mL-1, foi desenvolvido e validado. Embora o método DPX/GC-MS inovador, quando comparado ao LLE/GC-MS, tenha apresentado maior limite de quantificação, apresentou as seguintes vantagens: simplicidade, rapidez e utilização de menores volumes de amostra e de solventes orgânicos na etapa do preparo da amostra / Bisphenol A (BPA) is widely used in food package and dental resins manufacturing. Its toxicity is due to its endocrine disruptor activity that affects the reproductive, cardiovascular, neurological system and may have carcinogenic potential. In bioanalytical methods the sample preparation has been required to increase the selectivity and analytical sensibility by removing the interfering from the biological matrix and concentration of the analytes that are in trace levels most of the times. The disposable pipette extraction (DPX) is based on sorption equilibrium of the analyte between the sample and the extraction phase. It consists in a pipette that contais the sorbent phase freely between two filters. Then, the extraction of the solute from the complex sample occurs quickly. Molecularly imprinted polymer is a tridimensional polimeric network that has selectivity cavities that can recognize an analyte or a substance with a similar structure. The polimeric network is synthesized around to a template molecule and after removing this template, a selective cavity is formed. The advantages of the sol-gel process for the synthesis of MIP are the control of the size and shape of the particles, hydrophobicity adjustment and high thermal stability. In the present study MIP was synthesized and used as sorbent to DPX method for determination of BPA in urine samples by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS). Sol-gel methodoly was used to synthesize the polymers. Aminopropyltriethoxysilane (APTES) was used as a functional monomer and tetraethyl orthosilicate (TEOS) as crosslinking reagent. BPA and tetrabromobisphenol A (TBBPA) were evaluated as template to the synthesis of MIP and dummy molecularly imprinted polymer (DMIP) which is a molecularly imprinted polymer that uses a template structurally similar to the analyte. The non-imprinted polymer (NIP) was synthesized following the same procedure that MIP, except for the addition of template. It was made to verify the improvement of selectivity and sensibility of molecularly imprinted polymers. Although the sorption capacity of the MIP is slightly larger, DMIP has been selected as a sorbent in order to minimize the memory effect. The DMIP was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). The parameters of DPX, such as time sorption equilibrium between the sample and the sorbent and desorption conditions were optimized by chemometrics. Robustness of DMIP sinthesized by sol-gel process was evidenciated for the reuse of DMIP for more than a 100 times. The developed method DPX/GC-MS showed linearity on the range from 50 to 500 ng ml-1, precision values with coefficient of variation (CV) betweeen 4 and 14% and accuracy with relative standard deviation values (RSD) from -13.6 to 12.3%. The reference method using liquid- liquid extraction and GC-MS (LLE/GC-MS) was developed and validated, showing linearity from 0.5 to 50 ng mL-1. Althout the innovative method DPX/GC-MS has showed limit of quantification larger than LLE/GC-MS, it presents the following advantages: simplicity, rapidy and utilization of smaller volumes of organic solvents on the sample preparation step