Les contaminants d’intérêt émergent (CIEs) ont fait l’objet d’un nombre croissant d’études ces dernières années, notamment dans les milieux aquatiques. Il existe cependant certains manques de connaissances concernant leur occurrence et leur distribution dans les systèmes hydrologiques complexes, notamment la distribution verticale à travers différentes masses d’eau. Les variations saisonnières entre conditions estivales et hivernales restent difficiles à établir en raison des conditions météorologiques hivernales rigoureuses au Canada, limitant l’accessibilité des échantillons. Ainsi, ce projet de maîtrise a porté sur l’étude de 90 CIEs, comprenant des pesticides, des produits pharmaceutiques et marqueurs anthropiques, des hormones et des substances perfluorées dans un environnement océanographique, soit l’Estuaire et le Golfe du Saint-Laurent (EGSL). Deux expéditions ont été menées en conditions hivernales (hivers 2019 et 2020) et une en conditions estivales (été 2019). Ces missions ont permis d’évaluer, dans un premier temps, la distribution spatiale des CIEs dans l’eau de surface le long de l’EGSL, puis, dans un second temps, la variation des concentrations de surface associées aux différentes températures, salinités, couvertures de glace, processus de dégradation ou débit du fleuve des saisons. Par ailleurs, un échantillonnage à plusieurs profondeurs durant l’hiver 2020 a permis de dresser un profil vertical des concentrations le long de l’Estuaire et du Golfe du Saint-Laurent. Finalement, la filtration de larges volumes d’eau de surface durant l’hiver 2020 a permis d’évaluer la concentration des CIEs adsorbés sur la matière en suspension (phase particulaire) et conséquemment, le partitionnement entre la phase dissoute et particulaire, influencé par la variation de la salinité et de la quantité de matière en suspension. Les analyses ont été effectuées grâce au développement et à la validation d’une nouvelle méthode multi-résidus impliquant la chromatographie liquide à ultra-haute performance (UHPLC) couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). À notre connaissance, il s’agit de la première étude à caractériser divers contaminants émergents dans les eaux de l’Estuaire et du Golfe du Saint-Laurent, particulièrement pendant la période hivernale et à travers la colonne d’eau. / Contaminants of Emerging Concern (CECs) have been increasingly studied since recent years, for instance in aquatic ecosystems. However, there exist significant knowledge gaps regarding their occurrence and distribution in complex hydrological systems, including their vertical distribution in different water bodies. Seasonal variations between summer and winter conditions are also difficult to establish because of the rigorous winter weather conditions in Canada, restricting the accessibility of samples. Thus, this project focused on the study of 90 CECs, including pesticides, pharmaceuticals and anthropogenic markers, hormones, and perfluorinated substances in an oceanographic environment, namely the St. Lawrence Estuary and Gulf (SLEG). Two expeditions were conducted under winter conditions (winters 2019 and 2020) and one under summer conditions (summer 2019). These expeditions first assessed the spatial distribution of CECs along the SLEG and, secondly, the seasonal and annual variations of the concentrations associated with the different temperatures, salinities, ice cover, degradation processes or seasonal river flow. In addition, sampling at multiple depths during the winter of 2020 allowed for documenting the vertical profiles of CECs throughout the SLEG. Finally, the filtration of large volumes of surface water during the winter of 2020 allowed for the evaluation of the CECs adsorbed onto suspended particle matter (SPM) and consequently, the partitioning between dissolved and particulate phases, influenced by salinity and SPM variations. Analyses were performed following the development and validation of a new multi-residue method involving ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC) coupled with high-resolution mass spectrometry (HRMS). To the best of our knowledge, this is the first study to report the occurrence of emerging contaminants in the SLEG, especially during the winter season and across the water column.

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles. / Anti-infectives are used to treat or prevent infections in humans, animals, insects and plants. The occurrence of traces of these substances in wastewaters, natural waters and even drinking water has caused concern among the scientific community especially because of their biological activiy. The goal of this research was to study the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters (wastewaters, natural waters, and drinking water) and to develop new analytical methods able to quantitate and confirm their presence in these matrices. A meta-analysis on the occurrence of anti-infectives in contaminated environmental waters demonstrated that at least 68 parent compounds and 10 transformation products have been quantified to date. Environmental concentrations vary between 0.1 ng/L and 1 mg/L depending on the compound, the matrix and the source of contamination. According to this study, detrimental effects of anti-infectives on aquatic biota are possible and these substances could also affect indirectly human health because of their possible contribution to the dissemination of antibiotic resistance in bacteria. Preliminary tests on the development of a method of determination of anti-infectives in wastewaters showed the main difficulties to overcome during solid-phase extraction (SPE) as well as the importance of the detector selectivity. A novel method of determination of anti-infectives was described using off-line tandem SPE and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Six target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin and azithromycine) were quantitated at concentrations between 39 and 276 ng/L in samples of influent and effluent collected from a primary and physico-chemical wastewater treatement plant. Reported effluent concentrations indicate that the mean mass of these substances discharged daily in the St. Lawrence River was ~ 2 kg. In order to reduce total analysis time and simplify sample preparation, a new on-line SPE-LC-MS/MS was presented. This method used a column-switching technique to preconcentrate 1.00 mL of sample in an on-line SPE column. Method analytical performance allowed the quantitation of six anti-infectives in municipal wastewaters and limits of detection were of the same magnitude (13-60 ng/L) than methods based in offline SPE. Next, the application of turbulent flow chromatography on-line SPE columns for the preconcentration of six anti-infectives in wastewaters was explored. Results showed that these columns are an interesting alternative to traditional on-line SPE columns. Finally, in order to allow analysis of anti-infectives in surface and drinking water, we developed an on-line SPE-LC-MS/MS method using large-volume injections (10 mL). Breakthrough volumes of several on-line SPE columns were estimated and the column having the best retention, Strata-X, was chosen. Method detection and confirmation limits were between 1 and 6 ng/L. Analysis of real samples indicated that the concentration of the three target anti-infectives (sulfamethoxazole, trimethoprim and clarithromycin) was lower that the method detection limits. Accurate mass measurement by time-of-flight mass spectrometry and product ion spectra obtained by a reversed-energy ramp in a triple quadrupole mass spectrometer were explored as alternative confirmation methods.

Il apparaît au grand jour que de nombreuses substances telles que les perturbateurs endocriniens sont introduites quotidiennement dans l’environnement. Ces molécules organiques bien souvent d’origine anthropique peuvent être employées dans d’innombrables circonstances : pharmaceutique, médecine, agriculture, cosmétique, agroalimentaire pour citer quelques exemples. Parmi ce large panel de composés, se trouvent les hormones stéroïdiennes. Un certain nombre de maladies et de modifications aussi bien comportementales que physiologiques tant chez l’humain que sur la faune aquatique sont attribuées à l’usage et aux rejets chroniques de ces perturbateurs endocriniens. Il est donc indispensable de développer une approche portée sur la prévention et l’étude des niveaux de contamination selon un seul maître-mot : précaution. Dans ce contexte, ce projet de doctorat visait à développer de nouvelles méthodes de détection des hormones stéroïdiennes à niveau ultra-trace dans diverses matrices environnementales. La sélection des composés ciblés dans ce projet s’est basée sur la nouvelle liste de perturbateurs endocriniens prioritaires de l’agence de protection de l’environnement des États-Unis (US EPA), récemment élargie à d’autres classes de substances dont le bisphénol A. Les méthodes analytiques ont été développées non seulement dans l’eau du robinet (EPA 539), mais également dans d’autres matrices plus complexes (eaux de surface, eaux usées). Commune à l’ensemble des procédures testées, la phase de validation analytique a permis de vérifier la conformité avec les exigences de performance de l’EPA. La première méthode mise au point repose sur une pré-concentration rapide de l’échantillon par extraction sur phase solide en ligne (on-line SPE) couplée à la chromatographie liquide à ultra-haute performance (UHPLC) et à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). La méthode validée présente de nombreux avantages—reproductibilité, automatisation, temps d’analyse minimal, logistique réduite et surtout des limites de détection de 0,10 ng·L-1 à 7,5 ng·L-1 selon les différentes matrices étudiées. Cette méthode apparaît particulièrement adaptée pour la détection des hormones dans les eaux usées, en lien avec les plus fortes concentrations attendues. Cependant, il est apparu pertinent d’améliorer encore la sensibilité des méthodes dans certains contextes, notamment dans le cadre des iv analyses d’eau de surface, compte tenu des critères de qualité applicables. La principale modification fut apportée au niveau de l’extraction et de la purification des échantillons. Amendée à la faveur des différentes matrices, l’étape d’extraction par SPE hors-ligne automatisée (off-line SPE) a permis d’atteindre des limites de détection adéquates variant de 0,010 ng·L-1 à 6,0 ng·L-1 dépendamment de la matrice et du composé. Un aspect original de cette étude a consisté à étudier de façon plus systématique les facteurs de robustesse de la méthode lorsque soumise à certaines variations, tant au niveau de l’analyse instrumentale (phases mobiles, volume d’injection) que des protocoles (emploi de différents agents de conservation, par exemple). L’analyse de la phase dissoute ne saurait être suffisante pour comprendre le devenir environnemental des perturbateurs endocriniens dans les milieux aquatiques, notamment leur distribution. Dans cette optique, la phase particulaire en suspension dans la colonne d’eau (SPM) fut également étudiée après optimisation et validation de la méthode d’extraction. Les limites de détection obtenues étaient comprises entre 0,10 ng/g et 3,0 ng/g, un degré de performance adéquat au regard des teneurs attendues dans l’environnement. De telles méthodes ne trouveraient pas de fondement si elles n’étaient pas employées à l’analyse d’échantillons réels. C’est pourquoi, pour chaque méthode développée, une série d’échantillons d’eau a été analysée pour toutes les matrices étudiées. La quantification des hormones stéroïdiennes a permis de rendre compte des niveaux de concentrations retrouvés dans l’environnement. Une étude saisonnière d’un cours d’eau a également été réalisée durant quatre saisons (hiver, printemps, été et automne) afin d’évaluer les éventuelles variations saisonnières en termes d’occurrence et de concentration. / It is now admitted that many substances such as endocrine disruptors are released daily into the environment. This process can be of natural origin but is predominantly linked to human activity. Endocrine disruptors originate from numerous fields: medicine, agriculture, cosmetics, and the food industry, to name a few. Steroid hormones belong to this wide array of compounds. A significant number of human diseases and behavioral and physiological changes in both humans and aquatic life have been attributed to the use and chronic release of these endocrine disruptors. The effects of such a cocktail of substances are difficult to understand and evaluate. To date, the synergistic mechanisms or the potential cumulative effects are not well known. It remains essential to develop an approach focused on the prevention and the study of contamination levels with one key word in mind: precaution. In this context and aiming to detect steroid hormones in tap water, surface water and wastewater at trace levels, new analytical methods have been developed within the framework of this project. The first method developed is based on high performance liquid chromatography (HPLC) coupled with tandem mass spectrometry (MS / MS). LC-MS/MS hyphenation involved using an electrospray ionization source at atmospheric pressure with heating element (H-ESI). Pre-concentration and purification of the samples were executed by on-line solid phase extraction (on-line SPE). The validated method presents several advantages: reproducibility, automation, minimum analysis time, reduced logistics and above all, detection limits ranging from 0.10 ng·L-1 to 7.5 ng·L-1 considering the different matrices studied. The second approach proposed herein is based on the development of an analysis method allowing lower detection limits compared to the previous workflow. The same detection method was used, but a modification was made to the sample extraction and purification. Allowing for greater pre-concentration than online SPE, manual SPE (off-line SPE) was used in this method. Depending on the particular matrix, the extraction step allowed to reach adequate detection limits for the analysis of environmental aqueous samples: 0.010 ng·L-1 up vi to 6.0 ng·L-1 from the matrix-free sample to the most complex matrices. The use of an automated system also made it possible to make the extraction step robust and reproducible. The analysis of the dissolved phase of water samples cannot be sufficient to understand and comprehensively assess the contamination of aquatic environments. The particulate phase in suspension in the water column (SPM) was also studied. The extraction method was optimized and validated. Coupled with the previous method of analysis, it was possible to quantify the steroid hormones attached to suspended materials. The obtained detection limits ranged from 0.10 ng/g to 3.0 ng/g dry weight. For each developed method, dissolved phase samples were analyzed for all the studied matrices (tap water, surface water and wastewater). Quantification of steroid hormones allowed the comprehension of concentration levels found in the environment under usual discharge conditions in multiples matrices. A seasonal study of a watercourse was also carried out during the winter, spring, summer and fall seasons to observe possible seasonal variations in terms of occurrence and concentration.