L’exposition aux polluants environnementaux a été associée à de nombreux désordres métaboliques, immunitaires et reproductifs ainsi qu’à divers cancers. De plus en plus de travaux, indiquent que le microbiote intestinal, qui joue un rôle majeur dans l’immunité et le métabolisme de l’hôte, interagit avec les xénobiotiques dont les polluants organiques persistants (POPs) et les contaminants néoformés dans les aliments. Cette interaction peut avoir des conséquences toxicologiques importantes via la modification des fonctions du microbiote intestinal mais également via la métabolisation des xénobiotiques, entraînant une potentielle altération de l'homéostasie de l'hôte. Dans le cadre de cette thèse, nous avons démontré, en modèle in vitro, qu’une exposition aigüe du microbiote intestinal humain au benzo[a]pyrène (hydrocarbure aromatique polycyclique) a entraîné une altération des fonctions du microbiote intestinal au niveau du volatolome et du métatranscriptome microbien. Cependant, dans nos conditions expérimentales, aucun impact sur la structure microbienne n'a été observé. L’Homme étant continuellement exposé à un panel de composés chimiques environnementaux, nous avons par la suite étudié l'impact de divers POPs et produits néoformés dans les aliments sur le microbiote intestinal humain. Des familles de gènes ainsi que des composés volatiles microbiens ont été identifiés comme altérés après l’exposition, conduisant à une perturbation de l'activité microbienne. Nous avons finalement démontré que l'interaction microbiote-polluant pourrait conduire à l'établissement d'un état pro-inflammatoire modéré dans l'intestin avec une libération de cytokine IL-8 par les cellules épithéliales intestinales. Ces résultats appuient le concept émergent selon lequel les contaminants alimentaires pourraient altérer les activités du microbiote intestinal. / Exposure to environmental pollutants has been associated with various life-threatening disorders, including dysregulation of the immune and reproductive systems, metabolic diseases and various cancers. Growing evidences indicate that the gut microbiota, which plays major roles in host metabolic and immune functions, interacts with xenobiotics including persistent organic pollutants (POPs) and foodborne chemicals. The toxicological relevance of the gut microbiota-pollutant interplay is of great concern for the host since the chemicals may disrupt the gut microbiota functions leading to a potential impairment of the host homeostasis. During this PhD thesis, we demonstrated that in vitro acute exposure of the human gut microbiota with benzo[a]pyrene (polycyclic aromatic hydrocarbon) led to an impairment of the gut microbiota functions with a specific shift of the microbial volatolome and metatranscriptome. However, in our experimental conditions, no impact on the microbial structure was observed. Since humans are exposed to a wide range of environmental chemicals we investigated the impact of various POPs and foodborne chemicals on the human gut microbiota. We identified microbial volatiles and gene families that shifted after this exposure leading to an imbalance of the microbial activity. Furthermore, we demonstrated that the interaction between the pollutants and the gut microbiota lead to a significant release of pro-inflammatory IL-8 cytokine by the intestinal epithelial cells which may contribute to the establishment of a low-grade inflammatory state in the gut. All together, these data support the emerging concept that food pollutants could alter the gut microbiota activities.

La pollution des eaux constitue actuellement une préoccupation majeure aussi bien d’un point de vue sanitaire qu’environnemental. Afin d’y remédier, des procédés de dépollution efficaces, économiques et durables sont constamment développés et l’adsorption reste une méthode largement utilisée dans le traitement des eaux usées. De nombreux travaux sont consacrés à l’adsorption des polluants cationiques, mais le développement de supports adaptés pour interagir avec les contaminants anioniques est moins abordé. L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre en forme deux adsorbants anioniques : l’HDL (hydroxyde double lamellaire) Mg/Al et la ferrihydrite deux-lignes, et les associant à un gel d’alginate pour produire des matériaux composites pouvant être mis en oeuvre dans des réacteurs spécialisés pour l’élimination de contaminants anioniques. Les résultats de l’adsorption en réacteur batch sur les HDL et la ferrihydrite ont montré une bonne efficacité pour l’élimination de certains anions. La ferrihydrite possède une capacité plus importante que les HDL pour l’élimination des anions inorganiques. L’augmentation du rapport Mg/Al dans l’HDL a favorisé l’adsorption du méthyl orange (MO) ; un rapport Mg/Al de 3 (L3) a été séléctionné pour la suite du travail. Deux protocoles ont été évalués pour associer les solides à un gel d’alginate : l’encapsulation et la synthèse interne dans le gel. La nature des cations réticulant et la création de la macroporosité ont été étudiées. L’encapsulation du solide a diminué légèrement la capacité d’adsorption des anions, cependant, la création de la macroporosité permet de compenser cet effet du gel d’alginate. Les études sur l’adsorption du MO avec les billes encapsulées ont montré que l’augmentation de la taille des billes et de la quantité du solide L3 encapsulée a été accompagnée par une diminution de la capacité d’adsorption du MO. Le remplacement du réticulant Ca2+ par Ba2+ a permis de renforcer la structure du gel et améliorer la cinétique d’adsorption du MO, mais a entrainé une diminution de la capacité d’adsorption. La caractérisation des supports préparés par synthèse interne a montré une structure des solides différente des matériaux attendus (L3 ou ferrihydrite) avec par conséquence une réactivité différente. Des mécanismes d’élimination des anions organiques et inorganiques ont été proposés selon les différents adsorbants étudiés. Les billes ferrihydrite/alginate préparées par encapsulation ont présentés globalement une bonne capacité de rétention des anions notamment pour les anions inorganiques (phosphate, chromate et arséniate). Tandis que celles préparées par synthèse interne ne fixent que les arséniates et les phosphates par différents mécanismes essentiellement la précipitation des anions à la surface des oxyde et oxy-hydroxydes de fer. L’adsorption du MO en réacteur filtrant ouvert a montré que l’augmentation du débit d’alimentation a un effet négatif sur l’adsorption alors qu’une concentration initiale plus grande favorise l’adsorption ce qui est en concordance avec les résultats obtenus en réacteur batch. Un taux de régénération de 30% des billes ferrihydrite/alginate macroporeuse (BPENFh-Ba) a été observé en réacteur batch en utilisant une solution de chlorure d’ammonium avec la possibilité de réutiliser l’adsorbant plusieurs fois.Ce travail confirme les performances et la possibilité d’utiliser des matériaux composite d’HDL ou ferrihydrite dans un gel d’alginate pour l’élimination de composés anioniques contenus dans des eaux usées. / Water pollution is currently a major concern from both health and environmental point of view. In order to solve this problem, efficient decontamination processes, economic and sustainable are constantly being developed and adsorption process remains a widely used method in the wastewater treatment. Many studies are devoted to the adsorption of cationic pollutants, but the development of suitable supports able to interact with the anionic contaminants is less discussed. The main objective of this work is to form two anionic adsorbents: the LDH (Layered Double Hydroxide) Mg/Al and two-line ferrihydrite. These adsorbents were associated with an alginate gel in order to produce composite materials that can be implemented in continuous reactors for the removal of anionic contaminants. The adsorption studies in batch reactor on LDH and ferrihydrite confirmed good removal efficiency for some anions. Ferrihydrite showed a higher adsorption capacity than LDH for the removal of inorganic anions. Increasing the Mg/Al ratio was favorable for the methyl orange (MO) adsorption, and an Mg/Al ratio of 3 (L3) was selected for the following work. Two protocols were evaluated for the integration of adsorbent into alginate gel: encapsulation and direct synthesis in the gel structure. The effect of crosslinking cation and the making of macroporosity were studied. The encapsulation of solids decreased slightly the adsorption ability of anions; however, the macroporosity counterbalances this negative effect of alginate gel. The MO adsorption studies with encapsulated beads showed that the increase of the bead size and the amount of solid in the beads were accompanied with a decrease in the adsorption capacity. The replacement of Ca2+ by Ba2+ strengthened the gel structure and improved the adsorption kinetics but decreased the adsorption capacity. The characterization of the support material prepared by direct synthesis in alginate gel showed a different structure from the expected materials (L3 or ferrihydrite), and therefore a different reactivity. The sorption mechanisms of various organic and inorganic anions were proposed for the studied adsorbents. The ferrihydrite/alginate beads prepared by encapsulation showed a good adsorption for all the anions used in this work, especially for inorganic anions (phosphate, chromate and arsenate); while those produced by direct synthesis in alginate gel removed only arsenate and phosphate essentially by a precipitation mechanism of the anions at the surface of the iron oxides and oxy-hydroxides. The sorption of MO in a continuous reactor showed that the increasing of the flow rate had a negative effect on sorption while higher initial concentration presented a favorable effect on the sorption, which is in accordance with results obtained in batch reactor. A desorption ratio of 30% for ferrihydrite/alginate macroporous beads (BPENFh-Ba) was observed in batch reactor with the possibility of reusing the adsorbent.This study confirms the performance and the possibility to use the composite materials of LDH or ferrihydrite in an alginate gel for the removal of anionic compounds contained in wastewater.

L’Homme est exposé tout au long de sa vie à de nombreux contaminants présents dans l’environnement et l’alimentation généralement à faibles doses et en mélanges. L’évaluation des risques pose problème dans la mesure où il est bien établi qu’il existe des différences de réponse entre l’homme et l’animal. Quelle que soit la voie d’exposition, de par son rôle majeur dans la biotransformation des xénobiotiques, le foie est considéré comme un organe cible pour de nombreuses classes de produits chimiques potentiellement cytotoxiques, génotoxiques voire cancérogènes. Nous avons utilisé la lignée de cellules hépatiques humaines HepaRG non transformées pour évaluer la toxicité chronique et/ou le pouvoir cancérogène de pesticides et de composés génotoxiques présents dans l’environnement. Cette lignée est la seule connue pour avoir conservé des propriétés proches des hépatocytes humains en culture primaire. Dans une première partie nous avons confirmé le maintien de ses capacités fonctionnelles à confluence par l’analyse du transcriptome et de la biocinétique de 4 médicaments, après traitements quotidiens pendant 14 jours. Nous avons ensuite recherché les effets de mélanges de pesticides après des expositions aiguës et répétées. Nous avons ainsi montré que : 1. l’isomalathion, une impureté majeure du malathion, joue un rôle prépondérant sur la toxicité hépatique de ce dernier et qu’il inhibe la carboxylesterase impliquée dans le métabolisme des deux composés; 2. l’endosulfan et le méthoxychlore, deux organochlorés métabolisés par les CYP3A4 et 2B6, agissent de manière synergique sur leur cytotoxicité après une exposition unique ou répétée. De plus, alors que l'activité du CYP3A4 est inhibée de manière réversible par l’endosulfan, le méthoxychlore l’augmente. En revanche, l’activité du CYP2B6 est induite par les deux pesticides. Lorsqu’ils sont en mélange équimolaire un effet additif ou antagoniste est observé sur l'activité du CYP3A4 et du CYP2B6 respectivement quelle que soit la durée de l’exposition. Enfin, dans une troisième partie, nous avons exposé des cellules HepaRG pendant une quinzaine de passages à de faibles doses de deux contaminants génotoxiques nécessitant une bioactivation, l’aflatoxine B1 et une amine aromatique hétérocyclique, le PhiP, et démontré l’acquisition de propriétés de cellules transformées (par exemple croissance sur agar, migration dans le test de griffure et surexpression de gènes associés au cancer). Au total, nos résultats démontrent tout l’intérêt que représente la lignée hépatique humaine HepaRG métaboliquement compétentes pour l’étude de la toxicité chronique et/ou le potentiel cancérogène des contaminants de l’environnement. Ils ont permis de mettre en évidence d’interactions entre des pesticides en mélanges binaires et pour la première fois d’analyser le potentiel cancérogène de contaminants génotoxiques dans une lignée hépatique humaine. / Humans are exposed throughout their life to many environmental and food contaminants, usually at low doses and in mixtures. Risk assessment remains questionable as it is well established that there are differences in the response to chemicals between humans and animals. Regardless of the route of exposure, due to its major role in xenobiotic biotransformation, the liver is considered as a target organ for many classes of chemicals potentially cytotoxic, genotoxic or carcinogenic. We used the HepaRG cell line to evaluate chronic toxicity and/or carcinogenicity of pesticides and genotoxic compounds. This cell line is the only one known to exhibit properties similar to those of human hepatocytes in primary culture. In the first part we confirmed the maintenance of functional capacities of these cells at confluence by transcriptomic and biokinetic analysis of several drugs after a 14-day treatment. We then investigated the effects of mixtures of pesticides after acute and repeated exposures. We showed that : 1. Isomalathion, a major impurity of malathion, played a leading role on liver toxicity and inhibited carboxylesterase that is involved in the metabolism of these two compounds; 2. Endosulfan and methoxychlor, two organochlorines, metabolized by CYP3A4 and CYP2B6, acted synergistically on their cytotoxicity after single or repeated exposure. Moreover, whereas activity of CYP3A4 was reversibly inhibited by endosulfan and increased by methoxychlor. By contrast, CYP2B6 activity was induced by these two pesticides while in equimolar mixtures, they caused additive or antagonistic effects on CYP3A4 and CYP2B6 activities respectively, regardless of the duration of exposure. Finally, in the third part, we exposed HepaRG cells for up to 15 passages to low doses of two genotoxic contaminants which required bioactivation, aflatoxin B1 and heterocyclic aromatic amine, PhIP, and demonstrated the appearance of properties of transformed cells (e.g. growth on agar, cell migration in the wound healing test and overexpression of a number of genes associated with cancer). Altogether, our results demonstrate the great potential interest that represents the metabolically competent human liver cell line HepaRG for the study of chronic toxicity and/or carcinogenic potential of environmental contaminants. They highlight possible interactions between pesticides in binary mixtures and for the first time, demonstrate that the carcinogenic potential of genotoxic contaminants can be analyzed in an human hepatic cell line.

Au cours de leur élevage, les animaux sont exposés à divers contaminants chimiques, qui peuvent s’accumuler au niveau des tissus animaux et être retrouvés in fine dans les produits carnés consommés par l’Homme, représentant alors un risque pour la santé des consommateurs. L’évaluation de ce risque repose classiquement sur la mesure de teneur en contaminants de la viande fraîche alors que plusieurs travaux suggèrent que seule une fraction de ces contaminants est effectivement assimilée par le consommateur du fait des transformations technologiques comme la cuisson et physiologiques comme la digestion. L’objectif de cette thèse est d’étudier ces effets modulateurs de la cuisson et de la digestion sur les contaminants chimiques de la viande et leur bioaccessibilité. En s’appuyant sur le développement d’une méthode multirésidus GC×GC-TOF/MS pour le suivi de 206 polluants environnementaux et sur des collaborations avec des Laboratoires Nationaux de Référence, le premier objectif de ce travail était d’étudier l’impact de la cuisson sur un large spectre de contaminants chimiques d’une viande intentionnellement contaminée. Les résultats montrent que la cuisson n’a pas d’impact significatif sur la teneur en PCDD/F et en métaux lourds de la viande alors que des pertes significatives (d’autant plus importantes que l’intensité de cuisson est élevée) en PCB, antibiotiques et pesticides ont pu être détectées. Ces pertes ont pour origine soit une libération dans le jus de cuisson des contaminants thermorésistants, soit une dégradation sous l’effet de la cuisson des contaminants thermosensibles, comme cela a été observé pour un antibiotique, le sulfaméthoxazole, pour lequel un schéma de dégradation thermique est proposé. Le second objectif de ce travail était d’évaluer la bioaccessibilité des contaminants chimiques de la viande en s’appuyant sur un protocole standardisé de digestion in vitro statique. Dans le cas des PCB, les résultats obtenus indiquent que la bioaccessibilité dans la viande est relativement faible (26%). La teneur initiale de la viande en matière grasse et les variations physiologiques liées à l’âge du consommateur influencent significativement ces valeurs de bioaccessibilité alors que la cuisson de la viande a moins d’influence sur la bioaccessibilité. A terme, les résultats obtenus durant ce travail devraient conduire à proposer de nouvelles procédures d’évaluation des risques liés aux contaminants chimiques de la viande, prenant en compte les modulations induites par la cuisson et la digestion. / Livestock animals are exposed to various chemical contaminants during breeding. These contaminants are rapidly transferred from the environment to animal edible tissues, thus representing a public health risk. This risk is classically assessed based on the level of contaminants in raw meat. However, due to technological processes such as cooking or physiological transformations such as digestion, only a fraction of meat contaminants can be absorbed by the body. The purpose of this PhD thesis is to investigate the modulating effect of cooking and digestion on chemical contaminants in meat and on their bioaccessibility. Thanks to a GC×GC-TOF/MS multiresidue method developed in this study for the analysis of 206 environmental pollutants and to collaborations with French National Reference Laboratories, the first aim of this work was to assess the effects of pan cooking on a broad range of chemical contaminants in spiked meat. Cooking did not impact the level of PCDD/Fs and heavy metals in meat whereas significant losses (more important as cooking conditions were more intense) of PCBs, antibiotics and pesticides were observed. These losses may originate from juice expelling of heat-resistant compounds or from degradation by breakdown of thermolabile compounds such as the sulfamethoxazole antibiotic. The second aim was to assess the bioaccessibility of chemical contaminants in meat based on a standardized in vitro static digestion. For PCBs, results showed that their bioaccessibility was low (26%). Both the meat fat content and the age of consumer significantly affect this bioaccessibility value. In contrast, meat cooking was shown to have less influence on PCB bioaccessibility. The ultimate goal of the project will be to improve chemical risk assessment procedures taking into account the changes induced by cooking and digestion on micropollutants in meat.

The occurrence of organic contaminants in the drinking water value chain (from source to tap) is a growing concern for the Drinking Water industry and its consumers given the high risk these contaminants can cause to the general public. These adverse health effects include such as endocrine disruption, toxicity teratogenicity, mutagenicity and carcinogenicity. Some of these organic contaminants are included in national and international drinking water quality guidelines or standards. However, although there are similarities in the list of organic contaminants used by each organization or country, the organic contaminants are never the same given the local conditions. There are also noticeable differences in the concentration limits set as targets or criteria for organic contaminants for public health protection via the use of drinking water. A further question requiring the response from drinking water regulators was whether the standards listed in the international literature would be applicable in other countries like South Africa. Complicating this decision is the fact that the South African National Drinking Water Standard (SANS 241) does not adequately address this component of drinking water quality management. The current standard only provides for dissolved organic carbon (DOC), total trihalomethanes (TTHMs) and phenols. However, the standard contains a statement which specifies that if there is a known organic contaminant, that may pose a health threat, it should be included in the monitoring programme and evaluated against World Health Organization (WHO) guidelines. To safeguard Drinking Water industry customers, it was deemed necessary to investigate this matter and establish a tool to assist with the identification of a list of organic contaminants to be monitored in the drinking water value chain. To achieve this a specific procedure/protocol needed to be developed, hence the aim of this study which was to develop a generic protocol for the selection and prioritization of organic contaminants for monitoring in the drinking water value chain (from source to tap). To achieve this, a critical evaluation and synthesis of the available literature on the approaches for the selection and prioritization of organic variables of priority to the drinking water industry was undertaken as a first step. From the literature review it was evident that there are currently many selection and prioritization approaches which are characterized mainly by the purpose for which the exercise has been conducted for. Approaches that prioritize chemicals according to their importance as environmental contaminants have been developed by government agencies and private industries such as the Health Canada’s Canadian Environmental Protection Agency (CEPA), the United Kingdom’s Institute for Environmental Health (IEH), the European Community’s Oslo and Paris (OSPAR) convention exercise for the protection of the Northeast Atlantic marine environment and the European Union (EU)’s combined monitoring based and modelling based priority setting scheme (EU-COMMPs). A few approaches such as ones published by the United States Environmental Protection Agency (USEPA), address the needs of the Drinking Water industry and there is no generic approach to the selection, prioritization and monitoring of organic contaminants in the drinking water value chain. From the review of selection and prioritization approaches, a generic model was developed. The model consists of three main steps, the compilation of a “pool of organic contaminants, the selection of relevant parameters and criteria to screen organic contaminants and finally the application of criteria to select priority organic contaminants. It was however realized that these steps were not enough if the protocol to be develop will serve its purpose. Selection and prioritization approaches are typically intended to be fairly simple and quick methods for determining the health and environmental hazards posed by the use and release of chemical substances into different environmental systems. This was taken into account during the development of the current protocol. Understanding that a protocol is a predefined written procedural method in the design and implementation of tasks and that these protocols are written whenever it is desirable to standardize a method or procedure to ensure successful reproducibility in a similar set up, a generic protocol was developed based on the model. The protocol developed in this study, operates as a multidisciplinary contaminants management and proactive protocol, thus exchanges toxicological, water quality, agricultural, chemical and public health information. The protocol uses previous or readily available information as a point of departure. It seeks to address the challenge facing the water industry in managing the current and emerging organic contaminants that are relevant to public health protection via the use of drinking water. Once the protocol was developed, it was validated in a prototype drinking water value chain. The exercise comprised of testing each step of the protocol from the selection of the “pool of organic contaminants (Step I) to recommending the final priority list of organic contaminants (Step VII). The implementation was successfully conducted in the Rand Water drinking water value chain. Emphasis of expert judgment was made as each step was validated and the opinion of key stakeholders used to shape the process. During Step III of the protocol, an intensive literature review was conducted to determine organic contaminants that have been identified in ground and surface water systems across the world. As a result of this review, major groups of organic contaminants that have been found to occur in source water resources across the world were identified. The identified groups of organic contaminants include, pesticides, polynuclear aromatic hydrocarbons, per and polyfluoroorganic compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons, alkanes and alkenes, C10-C13 Chloroalkanes, pharmaceuticals and personal care products [PPCPs], surfactants, benzotriazoles, cyanotoxins and Carbon-based engineered nanoparticles. The risk profile of the identified organic contaminants was established using the persistence, bio-accumulation and toxicity criteria and the development of water quality monographs as an information dissemination tool. A conceptual framework for the implementation of the protocol by water utilities and relevant institutions has been developed from the experiences learnt during the validation exercise and a priority list of organic contaminants for the monitoring in the drinking water value chain to be used by Rand Water and other water utilities was identified. Some of the organic contaminants on this are currently being analyzed for in The Rand Water’s routine organic monitoring programme. During the validation exercise, the following were noted, <ul> <li>During the identification of the “pool of organic contaminants” from the consulted information sources such as the WHO guidelines for drinking water quality, Health Canada drinking water quality guidelines, the USEPA drinking water quality standards, the New Zealand drinking water quality standards, USEPA IRIS database, the PAN-UK list of registered pesticides for South Africa, the IARC list for recognized carcinogens and the Department of Agriculture pesticides manuals duplications were observed. </li> <li>The time allocated could not allow for the development of water quality monographs for all organic contaminants of concern but for a few selected contaminants whose information was inadequate to allow for decision-making. </li> <li>The determination of concentration levels of organic contaminants in fish, sediment and water samples could have been limited by the failure of current analytical instruments to go down to lower levels at which they occur in the drinking water value chain. <l/i> <li>Only two events could be planned, during the wet season (high flow) and dry season (low flow) based on time and budget constraints. </li> <li>Although various experts were consulted and invited to attend workshops in order to validate the process, the attendance could not be extended to all nine provinces given the time and budget constraints. <br></li></ul> Based on the above, recommendations were made for the dissemination and use of the products emanating from this study. For example, it is recommended that the current protocol be made available to water utilities and the process of revising the current priority list be repeated every 5 years. Further research should be conducted to obtain full coverage of organic contaminants impacting on source water quality in all ground water and surface water systems used as sources for drinking water production. Another major recommendation is the investigation of potential analytical methods that current chromatographic methods with high resolution mass spectrometry to ensure that organic contaminants can be detected at the ng/l to pg/l using a single enrichment method in order to make sure that those organic contaminants that occur at very low concentration in environmental samples can be detected. For example, the realisation that compounds such as synthetic organic polymer residues, emerging disinfectant by-products, detergent metabolites, chlorinated benzenes, alkyl phenol, polyethoxylates, their metabolites and cyanotoxins are continuously discharged into the environment via wastewater and industrial effluent discharges which increases their concentration in aquatic environment and concomitantly their potential to exert adverse health effects in water used as source for the production of drinking water necessitates that each of these groups be added to the current monitoring programme. The current water quality monographs can be used for the benefit of the Drinking Water industry. It is also recommended that a training manual on the production and use of water quality monographs is produced to facilitate their dissemination. CD-ROMs on the water quality monographs can be produced and distributed with the manual. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / School of Health Systems and Public Health (SHSPH) / PhD / Unrestricted

First Nations peoples experience many benefits from eating locally-harvested wild foods, but these benefits must be considered along with the potential risks associated with exposure to environmental contaminants. Unlike store-bought foods, wild foods are an important traditional resource and a significant source of dietary protein, essential minerals and polyunsaturated fatty acids, believed to help in the prevention and treatment of obesity and obesity-related diseases such as type-2 diabetes mellitus. Wild foods continue to be an important and healthy food choice for First Nations peoples; however, they are also a primary source of dietary mercury, polychlorinated biphenyls (PCBs) and other persistent organic pollutants (POPs). To assess the effects of wild food consumption on dietary markers and contaminant accumulation, we grouped individuals from two remote Oji-Cree First Nations communities of north-western Ontario (n=71) according to their level of wild food consumption. In this study, I observed significantly higher organic contaminants in blood and higher mercury concentrations in hair for individuals consuming greater amounts of wild food. Age-adjusted contaminant concentrations were on average 3.5-times higher among high-frequency wild food consumers, with many exceeding federal and international health guidelines for mercury and PCB exposures. Contaminants in these populations approach, and in some cases exceed, threshold levels for adverse effects with potential consequences especially for prenatal development. Here, I also investigated the potential for stable isotope ratios of carbon and nitrogen (δ13C and δ15N) to serve as dietary markers and found strong positive correlations between stable isotopes and frequency of wild food and fish consumption. Frequency of fish consumption and δ15N was also shown to be positively correlated with mercury concentrations in hair and PCB concentrations in plasma. The results of this thesis demonstrate that known differences in dietary behaviour are clearly reflected in stable isotope ratios and contaminant concentrations. The data also show that contaminant exposures to those consuming wild foods in remote Boreal ecosystems is comparable to those associated with serious health effects in industrialized areas, and the problem of contaminants in wild foods is more widespread than the available literature would have led us to believe. These results affect our appreciation of contaminant exposures to First Nations peoples and will have implications for dietary choices, particularly if individuals are encouraged to consume greater amounts of wild foods for their proposed health benefits. We recommend further attention be given to the risks of contaminants in locally-harvested wild foods when promoting the benefits of their consumption to First Nations people as the problem of contaminants in remote communities practicing traditional lifestyles is often underreported and underplayed.

Le développement des activités humaines, notamment industrielles, depuis le 19ième siècle a engendré une contamination massive de l’atmosphère à la rivière, en passant par la biosphère et les sols. Si les contaminations ont fortement diminué depuis la fin des années 1960, elles persistent notamment en milieu urbain, où se concentrent un grand nombre d’activités humaines. Afin de pouvoir gérer au mieux la pollution, il est nécessaire de comprendre la dynamique de transfert des contaminants, ainsi que leurs sources, à l’échelle du continuum atmosphère – sol – rivière. Cette étude a donc pour objectif d’évaluer les variations temporelles et spatiales de deux types de contaminants historiques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et certains éléments traces (ET), à l’échelle du bassin versant de l’Orge (950 km2), présentant une urbanisation croissante d’amont en aval. Plusieurs approches ont été utilisées pour tracer les transferts de particules en rivière (radionucléides ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), et déterminer les sources de Pb (isotopes du Pb), et les sources de HAP (rapports de molécules).Les résultats ont mis en évidence un impact important des zones urbaines sur la qualité de la rivière Orge en aval du bassin : contamination importante en métaux (Cu, Zn, Sb, Pb) et en HAP de la phase particulaire, et des niveaux élevés en SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn et Pb dans la phase dissoute. Le traçage des sédiments par les radionucléides a permis d’observer un apport de particules provenant du ruissellement urbain en aval, et d’identifier les particules de route (ou Road Deposited Sediment) comme source principale. Les signatures isotopiques du Pb ainsi que les signatures en HAP permettent de confirmer que le ruissellement urbain est le principal vecteur de contamination. Les estimations des flux d’ET et HAP annuels et saisonniers entrants (retombées atmosphériques) et sortants (exportés par la rivière) ont mis en évidence une accumulation globale à l’échelle du bassin, qui comporte déjà un stock important de contaminants dans ses sols. Cette étude montre ainsi l’importance d’étudier la Zone Critique dans son ensemble afin d’évaluer la dynamique des contaminations au sein et entre ses différents compartiments, et met en évidence l’efficacité du couplage de plusieurs approches afin de comprendre le système entier. Ces résultats pourraient à terme permettre l’établissement d’un modèle de transfert de contaminations au sein d’un bassin urbain. / The development of human societies since the 19th century has led to deleterious impacts on the Critical Zone (from atmosphere to river, including biosphere and soils). Despite the decrease of pollutions since the late 1960’s, contaminations remain especially in urban environment, concentrating human activities. To better manage this pollution, it is necessary to understand the dynamics and pathways of contaminants through the atmosphere – soil – river continuum. The goal of this study in thus to evaluate the temporal and spatial variations of two contaminants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and trace elements (TE)) in the Orge River catchment (900 km2, France) being under increasing urban pressure from up to downstream. Several fingerprinting approaches were used to trace sediment dynamics in the river (radionuclides: ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), to identify lead sources (lead isotopes) and PAH sources (PAH molecular ratios). The results demonstrated the strong influence of downstream urban areas on the river quality, with an increasing contamination for Cu, Zn, Sb, Pb and PAH in the particulate phase, and for SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn and Pb in the dissolved phase. The sediment fingerprinting using radionuclides revealed a significant input of particles originating from urban areas and transferred through urban runoff, and identified road deposited sediments as the major source of contaminated particles downstream. Source tracking of Pb and PAH confirmed urban runoff as the main pathway of river contamination. In addition, annual and seasonal PAH and TE fluxes were estimated respectively for the atmospheric inputs, and riverine exports and revealed a global accumulation of contaminant over the catchment, already containing a significant stock of pollutants in its soils. Finally, this study highlights the need to integrate the Critical Zone and the potential of coupling multiples tracking approaches to properly evaluate the contaminant dynamics. These results may be used to establish a model of contaminants transfer in urban catchments.

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

La baie de Marseille est impactée par des apports d'eau douce issus du Rhône et d'effluents. Leur impact sur la composition et sur la dynamique saisonnière de la matière organique dissoute (DOM) naturelle et anthropique (hydrocarbures et biocides) présente dans le Rhône, delta du Rhône ainsi qu'en baie de Marseille est encore peu documenté. Une partie de la DOM possède des propriétés de fluorescence (FDOM) et peut être caractérisée et quantifiée par spectrofluorimétrie. Le but de cette thèse est d'enrichir les connaissances sur la composition et la dynamique de la FDOM naturelle et anthropique dans les eaux continentales du bassin du Rhône et en Méditerranée côtière nord-occidentale. Des solutions de composés standards ont permis de définir les propriétés de fluorescence (λEx, λEm, temps de vie), les limites de détection d'hydrocarbures et de biocides d'intérêt et de montrer que la spectrofluorimétrie permet de caractériser et de quantifier la FDOM anthropique dans des milieux contaminés. Ces contaminants ont été recherchés dans l'environnement à l'aide de techniques chromatographiques et mis en évidence dans le milieu durant un suivi d'une année. Cependant, la spectrofluorimétrie a réussis de mettre en évidence la présence de contaminants uniquement dans le golf de Fos. Concernant la FDOM naturelle, elle a permis de montrer que la DOM d'origine terrigène prédominait dans les eaux continentales, alors que la DOM produite par l'activité biologique était plus abondante en mer et que le Rhône jouait un rôle majeur en augmentant la quantité de DOM réfractaire et labile par des apports directs et en stimulant la production primaire par des apports de sels nutritifs. / The Marseille bay is impacted by inputs of freshwater from the Rhône River and effluents. Their impact on composition and seasonal variability of anthropogenic (hydrocarbons and biocides) and natural dissolved organic matter (DOM), present in the Rhône river, the Rhône delta and in the Marseille Bay is still poorly documented. A part of the DOM has fluorescence properties (FDOM) and can be characterised and quantified by spectrofluorimetry. The goal of this thesis was to supply knowledge about composition and dynamic of anthropogenic and natural FDOM in inland waters of the Rhône basin and in the North-western coastal Mediterranean Sea. Standard solutions allowed to define fluorescence properties (λEx, λEm, lifetime), detection limits of hydrocarbons and targeted biocides and to show that spectrofluorimetry allow to characterise and to quantify anthropogenic FDOM in contaminated environment. These contaminants were searched in the environment with chromatography analyses and bring out in the environment during a one year monitoring. However, the spectrofluorimetry not succed to bring out contaminants only in the Fos gulf. Concerning natural FDOM, it allowed to show that terrigenous DOM predominated in continental waters, whereas the DOM produced by the biological activity was more abundant in seawater and that the Rhône River played a major role by increasing both refractory and labile DOM through direct inputs and by enhancing the primary production by nutrient inputs.

Le but de ce travail est de tester une approche multi-traceurs permettant de caractériser l'origine (éléments majeurs, Sr, Br, 87Sr/86Sr, δ18O, δ2H) et les temps de résidence (3H/3He, CFC, SF6) des eaux, pour identifier l'origine et évaluer le devenir des contaminants dans une nappe alluviale superficielle et peu profonde, la nappe de la Vistrenque. Les molécules étudiées sont les triazines, le métolachlore, le diuron, la carbamazépine, le sulfaméthoxazole, le diclofénac et l'ibuprofène. L'aquifère étudié est alimenté par une recharge directe, occasionnant le lessivage des pesticides des sols, et une recharge latérale provenant de l'aquifère karstique adjacent entraînant une dilution des eaux de la nappe en triazines. Localement, une contribution des eaux de surface (cours d'eau locaux, eau importée du Rhône) à la recharge de la nappe est mise en évidence entraînant également une dilution des eaux de la nappe en triazines mais au contraire une contamination en COE, quoique, en faibles concentrations. Les âges apparents des eaux alluviales échantillonnées, déterminés principalement par le couple 3H/3He, varient entre 1.4 et 22 ans. Le couplage de l'âge des eaux à leurs teneurs en triazines montre une persistance de ces molécules dans le milieu souterrain, et une atténuation de leur signal d'entrée soulignant l'efficacité de leur interdiction en 2003. Finalement, les eaux de la nappe alluviale montrent des rapports de dégradation des triazines variant entre 0,3 pour les eaux influencées par les eaux de surface et 4,8 pour celles montrant des âges apparents de 22 ans, suggérant une augmentation de ce rapport avec le temps de transfert des pesticides dans le système. / The aim of this work is to test a multi-tracer approach allowing the characterization of groundwater origin and residence time in a shallow alluvial aquifer, the Vistrenque aquifer, in order to identify the origin and the fate of contaminants therein. The selected compounds for the study are triazines, metolachlor, diuron, carbamazepine, sulfamethoxazole, diclofenac, and ibuprofen. The studied aquifer is mainly fed by 1) a direct recharge inducing pesticides leaching from soil layers and unsaturated zone and 2) by a lateral recharge from the karst adjacent aquifer, which induces triazines dilution in the alluvial aquifer. A local contribution of surface water (local streams and imported Rhône River water) was evidenced in the alluvial groundwater inducing also triazines dilution but EOCs contamination nevertheless at low concentrations. The apparent age of the alluvial groundwater samples varies between 1.4 and 22 years. Linking groundwater age to triazines contents allowed to highlight, first, the persistence of these compounds in the alluvial groundwater and, second, the decreasing of their input signal in relatively recent groundwater samples in accordance with their forbidding in 2003. Finally, the Vistrenque alluvial groundwater showed triazines degradation ratios varying from 0.3 for groundwater influenced by surface water infiltration to 4.8 for groundwater characterized by relatively older apparent residence time on the order of 22 years. This suggests an increasing ratio with the transfer time of these compounds in the alluvial aquifer system.