La présence de micropolluants dans tous les milieux aquatiques est aujourd'hui une préoccupation importante. La réduction des émissions de micropolluants organiques vers le milieu aquatique par les stations d'épuration (STEP) domestiques est donc un enjeu important. Ce travail porte sur l'amélioration du traitement de ces substances par les traitements secondaires et tertiaires des STEP. En premier lieu, l'objectif a été de mieux comprendre les processus d'élimination des micropolluants organiques lors de leur passage au sein d'un procédé de type boues activées aération prolongée (BA-AP). Notre travail a consisté à proposer un outil permettant de prévoir a priori le comportement de substances organiques en BA-AP par rapport à certaines de leurs propriétés physico-chimiques (i.e. constante de Henry, log Dow, structure moléculaire). La démarche adoptée a consisté à sélectionner des données de rendements d'élimination fiables et robustes, puis à les associer aux caractéristiques physico-chimiques des substances. La méthode développée est simple ; elle nécessite de connaitre uniquement des paramètres physico-chimiques facilement accessibles et la structure moléculaire des substances. Elle constitue donc une alternative crédible aux méthodes faisant intervenir la modélisation. Cette méthode permet une prédiction a priori du niveau de traitement d'une substance (rendement supérieur ou inférieur à 70%) par les traitements secondaires existants. Dans un second temps, l'objectif a été de proposer une étape de traitement tertiaire, spécifique à l'élimination de micropolluants organiques réfractaires aux traitements secondaires. Le procédé proposé est une filtration sur support fin spécifique capable de retenir par des processus d'adsorption les substances ciblés (i.e. phytosanitaires et substances pharmaceutiques dont l'élimination est insuffisante en traitement secondaire conventionnel). Une étude bibliographique a permis tout d'abord de dresser un état des lieux sur les adsorbants utilisés et leur capacité d'adsorption. Suite à cette étude, la zéolite et l'argile expansée ont été retenus ; les potentialités d'adsorption de ces deux matériaux ont été étudiées à l'échelle laboratoire (tests en réacteur fermé) et à l'échelle pilote (suivi des performances de réacteurs à garnissage drainé à écoulement horizontal). Les tests d'adsorption en réacteur fermé montrent que les matériaux choisis (argile expansée et zéolite) possèdent une potentialité pour adsorber les substances étudiées (14 substances soient 10 pharmaceutiques et 4 pesticides). Le suivi des réacteurs ouvert confortent les résultats obtenus en réacteur fermé et démontrent que les matériaux étudiés possèdent un potentiel pour l'adsorption des substances ciblées, et ce y compris dans des conditions de filtration lente, proches des conditions réelles. Les résultats obtenus démontrent le potentiel de matériaux minéraux microporeux à éliminer des micropolluants organiques de la phase dissoute et ainsi à se substituer au charbon actif, matériau onéreux et peu adapté aux petites collectivités. / The aim of the present work was to propose solutions to reduce organic micropollutants emissions by wastewater treatment plants (WWTP). First, the objective was to improve the comprehension of micropollutants behaviour in nitrifying activated sludge process. The use of a reliable removal efficiency dataset allowed setting up a removal efficiency prediction method only from the micropollutants physico-chemical characteristics (i.e. log Kow, Henry constant and molecular structure). This method represents a first progress through a better micropollutants removal by the existing secondary WWTP. Second, the aim was to set up a tertiary stage process to enhance the removal of micropollutants refractory to conventional WWTP. This tertiary stage process is a filtration of the secondary effluent by adsorbent materials that could represent a credible alternative to expensive materials such as activated carbons. Experimental approaches at different scales (lab and pilot) demonstrated that some alternative materials such as expanded clay and zeolite have the potential to adsorb refractory substances (e.g. pesticids and pharmaceuticals) and thus to decrease the concentration of organic micropollutants in effluent.

Depuis plusieurs années, des agents exogènes environnementaux appelés perturbateurs endocriniens (PE), sont soupçonnés d’interférer avec les fonctions essentielles de reproduction et de développement chez de nombreux organismes vivants. Pour la protection de l’Environnement et de l’Homme, la Directive Cadre sur l’Eau établit des normes de qualité environnementale (NQE) et limite la concentration de trente-trois substances et de huit autres polluants dans les eaux de surface. En revanche, elle ne prend pas encore en compte l’effet de ces substances prioritaires sur les écosystèmes et les humains notamment la perturbation endocrinienne. De plus les spécificités des perturbateurs endocriniens (courbe dose réponse, effets de mélanges etc..) rendent le processus d'identification de ces molécules complexe. Cette thèse est axée sur l’étude d’un des effets hormonaux, les plus couramment rencontrés, la perturbation estrogénique en utilisant comme outils de diagnostic le yeast estrogen screen (YES). Cette étude porte plus particulièrement sur le nord de la Tunisie où l’impact de certains PE sur le développement de poissons Aphanius fasciatus a été mis en évidence. Certains xénoestrogènes comme le cadmium et les HAP, produits générés par l’industrie locale, sont en partie mis en cause dans les malformations observées. En parallèle, certains xénoestrogènes (parabènes notamment) sont retrouvés dans les eaux de stations d’épuration. D’autres produits chimiques comme les colorants textiles et alimentaires ont également des activités endocriniennes. Dans le cadre de la surveillance de la qualité des eaux, il est nécessaire de développer des tests rapides de détection de ces perturbateurs venant complémenter les analyses chimiques. Certaines substances actives sur le système endocrinien étant peu immunogènes, l’axe de recherche développé, dans ce cadre de cette thèse, porte sur un peptide affine pour détecter une myoestrogène, l’ochratoxine A. / For several years, environmental exogenous agents called endocrine disruptors (ED) , are thought to interfere with reproduction and development fonctions in many organisms . For the Protection of the Environment and human health, the Water Framework Directive establishes environmental quality standards (EQS) and limits the ranges of thirty-three substances and eight other pollutants in surface waters. Nevertheless, it does not yet take into account the effect of these priority substances on ecosystems and humans including endocrine disruption. More than endocrine disruptors specificity (dose response curve , mixtures effect etc. .. ) make the identification process more complex. This thesis focuses on the study of hormonal effects, the most commonly encountered, estrogen disruption using the yeast estrogen screen (YES) as diagnostic tool. This study focuses particularly on the north of Tunisia, where the impact of ED on development of Aphanius fasciatus . Some xenoestrogens such as cadmium and PAH products generated by local industry are partly implicated on observed skeletal deformities. In parallel, some xenoestrogens (including parabens) are detected in the waters of sewage treatment plants. Other chemicals such as textile and food dyes also have endocrine activities. Under the supervision of water quality, it is necessary to develop rapid tests to detect endocrine disrupter and supplement chemical analyzes. Some active substances on the endocrine system is poorly immunogenic, the research axis developed in this thesis focuses on a peptide affinity for detecting a fungi toxin, ochratoxin A.

Les activités humaines produisent des eaux usées dont le traitement génère des boues d’épuration urbaines. Ces boues font l’objet de recherches visant à les transformer en produits à forte valeur ajoutée. Elles pourraient ainsi passer d’un statut de déchet fatal au statut de coproduit attendu à l’issue de l’épuration des eaux. Ce changement de paradigme a des conséquences sur l’évaluation environnementale par Analyse du Cycle de Vie (ACV) des produits « boue-sourcés ». La boue devient un coproduit attendu de la station de traitement des eaux et la charge environnementale liée à leur production doit pouvoir être répartie entre coproduits au moyen d’un facteur d’allocation. Cette thèse propose une construction mathématique de ce facteur d’allocation en combinant des paramètres « procédés » et « produits », intégrant de facto les relations causales entre conduite du procédé et obtention des produits, reflétant la réalité technologique du procédé. La résultante se présente sous la forme d’une matrice dont chaque élément associe, pour chaque donnée d’inventaire, un facteur d’allocation à chacun des coproduits générés. Appliquée à la production de fertilisants phosphatés boue-sourcés, l’ACV réalisée a permis de mettre en lumière la contribution majeure de l’étape de production par rapport aux étapes de traitement et valorisation de la boue. Cette méthodologie de construction d’un facteur d’allocation permet toutefois d’attribuer une charge environnementale à chacun des coproduits d’un système de production indivisible et peut également être utilisée de manière pertinente lors de l’évaluation environnementale des procédés de séparation de nature thermique, chimique ou physique. / Human activities produce wastewater that generates sludge, a waste recycled on agricultural soils or for energy recovery. Extensive research is currently undergone on sludge to develop processes that can convert it into products with high-added value. In this context, sludge could move from a fatal waste status to the status of an expected co-product of wastewater treatment. This paradigm shift has implications for the assessment of environmental impacts of "sludge-based" materials with Life Cycle Assessment. Indeed, sludge becomes an expected co-product from the wastewater treatment plant and the environmental burden of their production must be distributed among co-products by means of an allocation factor. This thesis aims at defining a mathematical construction of this allocation factor by combining process- and product-related parameters, integrating de facto the causal relationships between process operations and products generation and the technological reality of the process. The result is a matrix of which each element associates, for each inventory data, an allocation factor to each of the generated co-products. Applied to the production of sludge-based phosphate fertilizers, LCA highlights the major contribution of the production stage compared to the stages of treatment and recovery of the sludge. Nevertheless, the method developed within this thesis to allocate an environmental load to each co-products of an indivisible production system paves the way for a more coherent environmental assessment of waste-based products. This methodology can also be used effectively in the environmental assessment of thermal, chemical or physical separation processes.

La gazéification de la biomasse permet d’obtenir un gaz de synthèse riche en CO et H2 utilisable pour la production d’électricité, de biocarburants ou de composés chimiques. Ce procédé permet de palier à l’épuisement des ressources fossiles. L’utilisation de boues d’épuration comme ressources de biomasse assurerait à ce type de déchets organiques une valorisation énergétique. Cependant, les boues contiennent une forte charge minérale (entre 30 et 50% massique). Cette fraction est composée d’une vingtaine d’oxyde notamment la silice, la chaux et l’oxyde de phosphore, P2O5 (plus de 15%).Les boues sont des systèmes complexes très peu étudiés jusqu'à présent. Il est donc nécessaire de connaitre le comportement en température des inorganiques afin de mesurer leur impact lors du processus de gazéification et de se prémunir contre les risques de corrosion et de pollution du gaz liés à leur présence. - Dans un premier temps, les températures de liquidus de deux fractions minérales de boues ont été déterminées. Il s’avère que celles-ci, comprises entre 1257°C et 1358°C, sont dans la plage opératoire d’un gazéifieur à lit entrainé. De plus, une étude menée sur le binaire SiO2-P2O5 a permis d’améliorer les bases de données thermodynamiques. - Dans un second temps, les études thermodynamiques et cinétiques de volatilisation du phosphore ont mis en évidence le faible relâchement en température du phosphore grâce à la formation de phases réfractaires associant l’oxyde de phosphore et la chaux tel que Ca3(PO4)2 et Ca9Fe(PO4)7. La volatilité des inorganiques des boues est inférieure à 0.5% massique. - Enfin, l’interaction entre les inorganiques liquides et plusieurs céramiques réfractaires a été étudiée, par des essais de corrosion statique et dynamique. Un matériau, constitué d’alumine et d’oxyde de chrome, s’est révélé être un excellent candidat pour le garnissage du réacteur de gazéification. / Synthesis gas can be obtained by biomass gasification. It is composed of CO and H2 and can be used for the production of electricity, organic coumpounds and biofuels. The use of sewage sludges allows exploiting this kind of waste as biomass resources. However, sewage sludges contain a large percentage of minerals (30 to 50 % wt) composed of at least 20 different oxides including silica, lime and phosphorous oxide, P2O5 (15 % wt of the minerals). Mineral matters of sludges are complex and not well known. So, it is necessary to study their behaviour in function of temperature to understand their impact during gasification process and avoid gas pollution and corrosion of the ceramic refractories. Firstly, liquidus temperatures of two different mineral matters were determined. The result shows that these temperatures, between 1257 and 1358°C, are in the operating range of the gasifier. Thus, a study of the binary system SiO2-P2O5 had enabled to enhance thermodynamic databases. Secondly, thermodynamic and kinetic studies, confirmed the low release of P2O5 in function of temperature due to the formation of refractory compounds like Ca3(PO4)2 and Ca9Fe(PO4)7. Release of inorganics from the sludge is less than 0.5 % wt. Finally, interaction between slag and different ceramic refractories was studied. Static and dynamic trials were performed to choose the most resistant ceramic refractory. One of them composed of alumina and chrome oxide proved to be a good choice to build the gasifier wall.

Les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination des micropolluants minéraux et organiques dans l’environnement. De nombreux composés émergents ne sont pas totalement éliminés des eaux usées et sont transférés aux boues par sorption du fait de leurs propriétés physico-chimiques. Parmi ces composés, les résidus de médicaments doivent être suivis car ils peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetés dans l’environnement. L’épandage des boues stabilisées sur les sols étant le procédé de valorisation le plus employé en France, le choix du traitement des boues en amont, permettant de réduire au maximum la dissémination des micropolluants constitue une question scientifique et technique fondamentale. Dans ce travail, le devenir de micropolluants métalliques (cadmium et cuivre) et de plusieurs médicaments (carbamazépine, ciprofloxacine, sulfaméthoxazole, acide salicylique, ibuprofène, paracétamol, diclofénac, kétoprofène, éconazole, aténolol et propranolol) a été étudié pour différents lots de boues urbaines (avec ou sans traitement par ozonation) et aussi de manière originale sur des boues provenant exclusivement du traitement d’effluents hospitaliers (station de SIPIBEL), au cours de leur traitement (épaississement puis stabilisation par compostage, chaulage ou digestion anaérobie). La méthodologie proposée a reposé sur la mise en relation : d’une part des coefficients de répartition de ces micropolluants entre les fractions soluble et particulaire (Kdsorption) dans la boue après chaque traitement de stabilisation ainsi que de leur potentiel de désorption (Kdésorption) avec d’autre part les propriétés des micropolluants et les caractéristiques des boues (composition biochimique et groupements fonctionnels). Cette mise en relation a abouti, grâce à une analyse statistique de type PLS à la proposition de modèles permettant de prédire les valeurs de Kdsorption et Kdésorption. Il a ainsi pu être démontré que le pH des boues ainsi que les groupements fonctionnels de type phosphorique dans la phase soluble et de type amine/hydroxyle dans la fraction particulaire des boues avaient une influence majeure sur le comportement de sorption des micropolluants organiques, de même que la masse molaire et la solubilité de ces derniers. D’autre part, ce travail a permis de montrer que l’ozonation des boues en amont des traitements de stabilisation s’est avérée efficace car elle a permis d’éliminer huit composés pharmaceutiques sur les onze étudiés. Pour tous les lots de boues, le sulfaméthoxazole a été biodégradé au cours de la digestion anaérobie. Les tests de désorption en batch effectués sur les boues après chaulage et digestion ont montré que les micropolluants dans les boues chaulées ont tendance à être plus facilement relargués qu’après digestion anaérobie. Enfin, l’étude de la disponibilité des micropolluants lors de l’épandage des différents lots de boues urbaines et hospitalières stabilisées sur des colonnes de sol à l’échelle du laboratoire a montré que l’ibuprofène, l’acide salicylique, le diclofénac et le paracétamol étaient les seuls composés détectés dans les phases lixiviées des sols amendés, ce qui traduit une faible mobilité des autres composés dans le sol. / Wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Emerging contaminants are not totally eliminated and are transferred to the sludge by sorption process due to their physico-chemical properties. Among them, pharmaceutical compounds are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. As sludge landspreading is the main process of valorization employed in France, the choice of the kind of sludge stabilization treatment able to reduce the amount of micropollutants is crucial. In this work, the fate of trace metallic elements (cadmium and copper) and pharmaceutical compounds (carbamazepine, ciprofloxacin, sulfamethoxazole, salicylic acid, ibuprofen, paracetamol, diclofenac, ketoprofen, econazole, atenolol and propranolol) has been investigated in sludge from different origins: urban (with and without ozone oxidation treatment) and hospital, during their treatment (thickening and stabilization by composting, liming or anaerobic digestion). The methodology developed in this work consisted in connecting the partition coefficients of micropollutants (between the soluble and particulate fractions of sludge, Kdsorption) and their desorption potential (Kdesorption) with micropollutants physico-chemical properties and sludge characteristics (biochemical composition and functional groups). Statistical analysis leads to the determination of models able to predict Kdsorption and Kdesorption. Molecular weight and solubility of pharmaceutical compounds, sludge’s pH, phosphoric functional groups in the soluble phase and amine/hydroxyl groups in the particulate fraction of sludge had the main impact on the sorption behavior. Moreover the oxidation of sludge with ozone before stabilization was efficient to eliminate eight from eleven organic compounds. For all sludge samples, sulfamethoxazole was biodegraded during anaerobic digestion. Batch desorption tests showed that micropollutants were more easily desorbed in limed sludge compared to digested sludge. Finally, the study of micropollutants availability during stabilized urban and hospital sludge landspreading on laboratory soil columns revealed that ibuprofen, salicylic acid, diclofenac and paracetamol were the only compounds present in leachates. This means that the other pharmaceutical compounds exhibited a lower mobility in soil.

Préserver les ressources en eau est l’une des problématiques environnementales majeures du 21è siècle. Pour faire face à cette nécessité, il est essentiel de mettre en place une surveillance réglementée de la qualité des eaux et des rejets se déversant dans le milieu aquatique et de développer de nouveaux outils d’échantillonnage. L’échantillonnage ponctuel est la technique la plus facile à mettre en œuvre. Toutefois, elle n’est pas toujours représentative d’un milieu hétérogène parfois soumis à des variabilités spatiales et temporelles importantes. L’échantillonnage passif, notamment avec l’outil POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler), est une approche complémentaire aux techniques traditionnelles, qui permet de concentrer des molécules organiques semi-polaires directement sur site. La pertinence du résultat obtenu (la concentration moyennée sur la durée d’exposition), couplée à la simplicité de sa mise en œuvre en font a priori un outil de choix pour suivre des hydrosystèmes complexes.Dans ce contexte, des familles des composés diversifiées ont été sélectionnées : pesticides, composés pharmaceutiques, hormones stéroïdiennes et composés perfluorés. Au sein de chaque famille, plusieurs composés traceurs, présents dans l’environnement, comportant des propriétés physico-chimiques variées et aux statuts règlementaires différents (Directive Cadre sur l’Eau notamment), ont été choisis.Des essais d’optimisation de design du POCIS (quantité et nature de phase réceptrice, nature de la membrane) ont été conduits, menant à la validation de la configuration classique dans le cas général. L’influence de différents paramètres environnementaux pertinents : débit, température, matrice, présence de biofilm et dispositif de déploiement a été évaluée lors de calibrations de l’outil réalisées dans des systèmes de complexité croissante : au laboratoire, sur pilote et sur site.Les différents déploiements sur site (effluent de STEP et rivière) ont permis de valider l’utilisation de cet outil de prélèvement passif dans le cadre d’un suivi environnemental. Le potentiel du POCIS a été pleinement confirmé, tant en termes de logistique que de résultats (justesse par rapport aux concentrations mesurées par des techniques classiques, intégration d’événements ponctuels, limite de quantification…). / The protection of water resources is one of the major environmental stakes of 21st century. Regulation concerning water quality and effluents is therefore definitely needed, as well as new approaches regarding water sampling. Spot sampling is the easiest strategy. However, it may not be representative of a heterogeneous matrix, with sometimes important spatial and temporal variability. Passive sampling, including POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) is a complementary approach, which enables an on-site pre-concentration of semi-polar organic compounds. The relevance of the result (time-weighted average concentrations) and the ease to implement POCIS make it an appropriate tool to monitor complex hydrosystems.Within this work, various compound classes were selected: pesticides, pharmaceuticals, steroid hormones and perfluorinated compounds. Among each family, several tracer molecules, widely encountered in the environment, with different physic-chemical properties and regulatory status (particularly in the Water Framework Directive), were chosen.POCIS design optimization (amount and nature of sorbent, nature of membrane) was carried out, leading to the validation of the standard configuration for general purposes. The impact of different relevant environmental parameters (flow-rate, temperature, matrix, biofouling and deployment device), was assessed during calibrations of POCIS conducted in systems of increasing complexity: in the laboratory, at pilot-scale and on-site.All on-site deployments (WWTP effluent and river) enabled to validate the use of this passive sampling tool in the framework of an environmental monitoring. The potential of this tool was fully confirmed, both logistically and in terms of results (trueness compared to concentrations measured with traditional techniques, integration of punctual events, quantification limit…).

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

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

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

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