Les objectifs de cette étude comparative de deux bassins versants en France et en Ukraine» sont de trois ordres : i) déterminer l’occurrence des micropolluants émergents (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface, ii) permettre leur évaluation qualitative et quantitative et enfin iii) estimer leur distribution en fonction du contexte socio-économique. Cette recherche porte sur l'analyse de l'origine, sur les propriétés physico-chimiques et sur le comportement des micropolluants (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface des rivières Jalle (Bordeaux, France) et Udy & Lopan (Kharkiv, Ukraine). Un suivi des métaux traces et des produits pharmaceutiques dans les eaux naturelles de surface dans différents contextes et conditions climatiques a été réalisé. La description et l'analyse des facteurs environnementaux et socio-économiques influençant l’hydrochimie locale en vue de conclure sur l’opportunité et l'intérêt des micropolluants émergents comme indicateurs anthropiques du contexte socio-économique et environnemental d‘un bassin versant ont été mis en œuvre. L’étude a combiné des techniques de prélèvements d’échantillons d’eau classiques et par capteurs passifs in situ. L’analyse semi quantitative des micropolluants émergents a porté sur les métaux traces (sonde DGT) et les produits pharmaceutiques (POCIS). L’usage de ces capteurs a permis d’évaluer les différentes formes d'éléments, les sources, les variations saisonnières et spatiales, l'accumulation et les risques environnementaux. A partir des données environnementales collectées, acquises, actualisées et validées il a été possible de modéliser la consommation régionale de médicaments dans le cas de (1) la région de Kharkiv, en Ukraine, sur les rivières Lopan et Udy du bassin Seversky Donets et (2) la région de Bordeaux, en France, sur la rivière Jalle, du bassin de la Garonne. Les sites ont été sélectionnés pour représenter une diversité tant du point de vue de l'état de pollution des eaux (nature et flux) que de celui du paysage socio-économique (contexte urbain, social et indicateurs économiques). Les résultats majeurs de cette étude sont : (i) méthodologique pour le développement et la validation de protocoles d’échantillonnage classique et passif (intérêt, limites, recommandations), ii) analytique quant à la mesure des éléments traces des eaux de surface naturelles dans des conditions extrêmes, iii) scientifique par l’obtention d’un jeu de données sur l’hydrochimie des éléments traces ( présence, accumulation, origine et variabilité spatiale et temporelle et iv) prospectif quant à l’usage des métaux traces et de produits pharmaceutiques comme traceurs anthropiques de l’état des eaux naturelles de surfaces et reflet du contexte socio-économique. La modélisation socio-économique (statistique) et environnementale (balance de masse) aide à comprendre l’évolution de la qualité des eaux de surface dans leur contexte régional et permet d’identifier certains contaminants comme des indicateurs des activités anthropiques d’un bassin versant et permet de définir une typologie. L’ensemble des résultats de la thèse sont présentés sous la forme d'articles publiés ou soumis dans des revues scientifiques internationales. / The PhD study focuses on the understanding of processes of the impact of environmental and socio-economic determinants on the occurrence, accumulation and distribution of trace metals and pharmaceuticals in urban watercourses. The research has been based on the analysis of the origin; physico-chemical properties and behavior of trace pollutants. The study was performed in two general steps: (i) monitoring of trace metals and pharmaceuticals in natural waters; (ii) description and analysis of environmental and socio-economic determinants that influence the water chemistry and (iii) evaluation of trace pollutants as environmental and socio-economic indicators. The monitoring of trace metals in natural water was proceed using the combination of passive and grab water sampling techniques, in order to evaluate various forms of elements, sources, seasonal and spatial variations, accumulation and environmental risks associated with the presence of contaminants in the study areas. The monitoring of pharmaceuticals was done using passive sensors to determine their capacity to register chemicals variation in time and adequation to use environmental data for the regional medicament consumption modeling. Monitoring data were also investigated in term of potential applications of trace metals and pharmaceuticals as environmental and socio-economic indicators. Two study sites were chosen: (1) the Kharkiv region in Ukraine where research was focused on the Lopan and Udy rivers of the Seversky Donets water basin and (2) the Bordeaux region in France where water monitoring was done in the Jalle River, Garonne water basin. Sites were mainly selected to represent the water pollution status in different socio-economic regions. General PhD results can be described as follows:1. The methodology for pilot and continuous monitoring of trace elements in the water with combination of traditional (grab) and innovative (passive) sampling procedures help to get data on trace elements presence, accumulation and sources, considering time variations.2. The analysis of trace metals and pharmaceuticals in two river basins of France and Ukraine and determination of environmental factors that impact on the occurrence, accumulation and distribution of these chemicals.3. The establishment of links between regional socio-economic issues and water quality data. The socio-economic and environmental modeling helps us to understand the water pollution process in regional context and give the opportunity to propose contaminants as tracers of anthropogenic activities and water quality assessment.Results of the PhD study are presented in the form of published or submitted peer-reviewed articles. / Диссертация «Экологические и социально-экономические факторы распространения металлов и фармацевтических веществ в природных водах: на примере рек Харькова, Украина и Бордо, Франция» на соискание степени Доктора Философии (Environmental Science) подготовлена в рамках договора о научном сотрудничестве и совместном руководстве между Университетом Бордо, Франция и Харьковской национальной академией городского хозяйства, Украина.Актуальность работы связана с сушествующими проблемами мониторинга природных вод, недостатком исследований микро-загрязнителей водотоков как во Франции, так и в Украине, существующим экологическим риском, который возникает при поступлении и накоплении металов и фармацевтических веществ в урбанизированных водотоках, а также возможностью использования химических веществ в качестве экологических и социально – экономических индикаторов. Целью диссертационной работы стало усовершенствование методов мониторинга микро-загрязнителей в природных водах и оценка возможности использования отдельных микро-загрязнителей в качестве экологических и социально-экономических показателей. Предметом исследования являются экологические и социально-экономические факторы, влияющие на распространение металлов и фармацевтических веществ в природных водах. Объектом исследования стали реки Уды и Лопань, Харьковская область, Украина и река Жаль, регион Бордо, Франция.Основные задачи: (1) провести мониторинг рек на различные формы металлов и фармацевтические вещества с применением стандартных и инновационных (пассивных) методов отбора проб; (2) опеределить экологические и социально- экономические факторы, которые влияют на распространение микрозагрязнителей в природных водах; (3) изучить возможность использования металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов антропогенного загрязнения природных вод.В результате проведенных исследований был: Впервые: (а) осуществлен мониторинг лабильных форм металлов в реках бассейна Северского Донца, в результате которого определены концентрации токсичных металлов в водотоках, источники и количество их поступления; (б) проведен мониторинг фармацевтических веществ в природных водах Украины, (в) определены концентрации и основные источники поступления фармацевтических препаратов и удельные показатели потребления различных медикаментов в Харьковском регионе; Усовершенствованы: (а) методика проведения мониторинга воды за счет применения стандартных и инновационных пассивных методов отбора проб воды в контрастных климатических и гидрологических условиях с целью исследования различных форм загрязнителей и их временных вариаций; (б) балансово-статистическая модель, которая позволяет использовать данные мониторинга природных вод для социально-экономической характеристики регионов – водопользователей; Предложены:(а) система определения геохимического фона рек на основании торий – нормализованных концентраций металлов в донных отложениях; (б) метод использование металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов поступления сточных вод для идентификации несанкционированных сбросов.Основу диссертационного исследования составили натурные данные полевых исследований рек Харькова и Бордо, которые были организованы и проведены с непосредственным участием автора в 2008 – 2011 гг. Большинство лабораторных анализов было лично проведено автором в сертифицированных лабораториях Университета Бордо и Университета Орлеан, Франция.Диссертация имеет теоретическое и практическое значение для дальнейшего развития мониторинга природных вод, а также повышения уровня экологической и социальной безопасности в регионах. По теме опубликовано 4 статьи в международных журналах с высоким ИМПАКТ фактором, а также 5 статей в изданиях, реглиментированных ВАК Украины и России.

L'utilisation de machines lourdes et la fertilisation des sols ont été la solution pour améliorer le rendement agricole et augmenter les aires des sols cultivés. Les pays émergeants Est-Méditerranéens souffrent d'un manque crucial des législations et des règlementations qui organisent l'usage des fertilisants chimiques. Cela est principalement dû à l'insuffisance des données sur les caractéristiques des sols et les pratiques agricoles. La fertilisation excessive est devenue une source potentielle de contamination des sols par les éléments traces métalliques (ETM) susceptible de migrer vers les différentes chaines alimentaires. Dans ce cadre, l'Institut de Recherches Agronomiques Libanais (IRAL) avait comme préoccupation principale d'évaluer les risques associés aux apports en ETM issus des engrais phosphatés en usage dans des sols de nature alcaline sous un climat aride à semi-aride. Ainsi, l'investigation sur les engrais phosphatés commercialisés au Liban et les pays voisins ont montré que le cadmium est porté principalement dans une phase sulfate quand cette dernière est présente dans les engrais. L'apport moyen annuel du Cd, Cu, Pb et Zn aux sols est trouvé inferieur aux limites recommandées dans certains pays comme le Brésil et la Grande-Bretagne. Cependant, dans le contexte régional où l'étude est réalisée, cet apport est relativement élevé quand la nature alcaline du sol est prise en considération. Ainsi, une norme établie pour un sol acide n'est pas nécessairement adaptable dans un sol alcalin, sachant que ce dernier est un milieu favorable pour stabiliser les ETM et limiter leurs disponibilités. Les Lactuca sativa (laitues), étant une espèce amplement consommée dans les pays du bassin méditerranéen, ont été choisis comme une espèce cible dans l'objectif de suivre la distribution du cadmium dans les différents tissus de l'espèce et le coefficient de partage entre les compartiments eau, sol et plante. Les effets de la densité des sols, en présence du cadmium et des engrais phosphatés ont été étudiés dans des colonnes de sols cultivés par les laitues. Les caractères morphologiques et physiologiques de la plante, la mobilité du cadmium dans le sol et son transfert vers les laitues, la population microbienne (le nombre de bactéries totaux, champignons totaux, bactéries résistantes au cadmium BRC et micro-organismes solubilisant le phosphore MSP) et l'activité enzymatique des phosphatases alcalines (ALP) et acides et les déshydrogénases (DHA) ont été suivis. La présence du Cd et du phosphore dans le sol a diminué la mobilité du cadmium et la compaction a augmenté l'accumulation du Cd dans la partie aérienne des laitues et l'infiltration des nitrates. La combinaison entre la compaction du sol, la présence de cadmium et du phosphore en même temps a montré une diminution du nombre de bactéries, des champignons totaux et de l'activité d'ALP mais une augmentation du nombre de MSP, de BRC et de l'activité de la phosphatase acide est notablement identifiable. En absence de toute matrice d'interaction avec les ETM et les fertilisants phosphatés autre que les laitues, les effets du cadmium et de l'engrais phosphatés ont été évalués sur les caractères morphologiques et physiologiques des laitues en culture hydroponique et sur l'absorption du cadmium par ces laitues. En présence d'engrais phosphaté, la culture des laitues en hydroponie avait une influence positive sur le développement de ce végétal plus qu'en culture dans le sol. Malgré la croissance rapide des laitues en hydroponie, ce système est désormais une source de cadmium disponible aux laitues puisque ce métal est transféré des racines vers la partie aérienne de Lactuca sativa en induisant des changements morphologiques. / Soil compaction and contamination with heavy metals were the response of the use of heavy machinery and phosphate fertilization to improve and expand agricultural productivity. The Eastern Mediterranean emerging countries suffer from lack in legislations and regulations organizing the chemical fertilizers use. This is due to the insufficient data on soil characteristics and agricultural practices. Thus, excessive fertilization can be considered as potential sources of soil contamination by trace metals susceptible to be transferred to the different food chains. One of the main occupations of the Lebanese Agriculture Research Institute (LARI) was to evaluate the associated risks to the trace metals inputs coming from phosphate fertilizers. The investigation of phosphate fertilizers used in Lebanon and neighboring countries showed that cadmium is well bonded to sulfate-phase when sulfate is present in the fertilizers. The annual average of the deposition of Cd, Cu, Pb and Zn in soil was found lower than the recommended limits in some countries like Brazil and Britain but such contribution is relatively high when considering the alkaline nature of the soil. Thus, norms and legislations for acidic soil cannot be necessarily adaptable and used for alkaline soil knowing that such soil is the best environment to stabilize the metals and limit their bioavailability. Lactuca sativa (lettuce), widely consumed specie in Mediterranean countries, has been chosen as target specie to be studied in order to follow cadmium in different parts of the plants and its partition between water, soil and plants. The effects of the compaction, cadmium and phosphate fertilizers were evaluated on morphological and physiological characteristics of Lactuca sativa cultivated in columns. Cadmium mobility in soil and its transfer to lettuce, the microbial population (the number of total bacteria, total fungi, cadmium resistant bacteria CRB and phosphate solubilizing microorganisms PSM) and the enzymatic activities of alkaline phosphatase (ALP), acid phosphatase and dehydrogenase activity (DHA) were also studied. Cadmium mobility was decreased in the soil amended with cadmium and phosphorus and compaction increased the Cd accumulation in the lettuce's aerial part and the nitrate infiltration. A decrease of the number of total bacteria, fungi, ALP and an increase in the number of PSM, CRB and acid phosphatase activity were observed in the treatment where the soil was compacted and amended with cadmium and phosphate fertilizers. In absence of any interactive matrix with the metals and the phosphate fertilizers other than the lettuces, the effects of cadmium and phosphate fertilizer were evaluated on morphological and physiological characteristics of lettuces grown in hydroponic culture. Cadmium absorption and transfer to aerial part was also studied. The lettuces development's was important in the hydroponic culture more than in soil cultivation in presence of phosphate fertilizer. Despite the rapid growth of lettuces in hydroponic culture, this system is a potential source of bioavailable cadmium that is absorbed by lettuces and transferred to roots and aerial parts conducting to morphological changes.

Philosophiae Doctor - PhD / The results of the multivariate analyses suggest that most of the variation in the composition of the samples was of an intra-sample nature, illustrating large scale patchiness in foraminiferal distribution. There were, however, definite differences between communities around Robben Island and in St Helena Bay, and least variation was found between the control and pipeline sites, and between the stations of each site. When the trace metal concentrations and the percentage nitrogen increased, the richness, diversity and abundance of foraminifera tended to decrease. Sediment grain size positively affected abundance but negatively affected diversity and richness. In both areas mean grain size did not, however, appear to play a very large role in influencing diversity. Cadmium, copper, chromium, the percentage nitrogen and the mean grain size were identified as the most important variables influencing the community structure by the BIOENV BEST routine in PRIMER. The trace metals and percentage nitrogen only had negative effects on the diversity and abundance as well as on the abundance of the dominant genera, whereas the mean grain size had variable effects. / South Africa

En Lorraine, environ 7000 ha d’étangs sont exploités pour la production piscicole. Le présent travail a été consacré à la compréhension des mécanismes de transfert des micropolluants dans les étangs en mettant l'accent sur trois questions : (1) évaluer l'ampleur de la contamination métallique des étangs (n=45) ; (2) évaluer l'influence des étangs (n=3) sur les concentrations, le risque de toxicité et les flux de pesticides; (3) évaluer l'importance relative des voies de transfert des PCB vers le poisson. (1) Les enrichissements calculés soulignent des contaminations généralement faibles à modérés à l’exception des étangs localisés dans la Vôge et de deux étangs localisés dans la Woëvre. Cet enrichissement est plus prononcé pour le Cd et semble être lié à la richesse du sédiment en matière organique et carbonates (perte au feu). (2) Dans les cours d’eau de tête de bassin versant sur lesquels s’inscrivent ces trois étangs de barrage, les concentrations les plus élevées étaient généralement réduites de plus de 90% entre l'amont et l'aval de l'étang. Le risque de toxicité, évalué par la méthode de l'unité toxique, était atténué en aval des étangs. Lorsqu’on considère les flux de pesticides, les résultats obtenus suggèrent que, selon les substances considérées, les charges en pesticides sont réduites de 10 à 100% entre l'amont et l'aval de l'étang. (3) Les résultats montrent que le sédiment contaminé n’a pas d’impact sur la biodisponibilité orale des trois congénères de PCB chez la carpe commune. L’effet géosorbant du sédiment, qui explique son rôle de réservoir environnemental de PCB, paraît insuffisant dans les conditions du tractus digestif de la carpe commune, pour éviter un transfert vers le poisson / In the Lorraine Region, about 7,000 ha of ponds are exploited for fish production. The present work was dedicated to the understanding of micropollutants transfer mechanisms in freshwater fishponds focusing on three issues: (1) evaluate the extent of fishpond (n=45) exposure to trace metals (2) evaluate the influence of fishponds (n=3) on concentrations, potential toxicity and mass flows of pesticides; (3) evaluate the relative importance of transfer pathways of PCBs to fish. (1) The enrichments measured were generally low to moderate with the exception of the sites located in the Vôge and two sites located in the Woëvre. Enrichment was particularly high for Cd and seemed related to the loss of ignition. No relationship between enrichment and land use could however be observed. (2) High pesticide concentrations were generally reduced by more than 90% between upstream and downstream location. The risk of toxicity, evaluated under the toxic unit approach was attenuated downstream of the ponds. When considering the flow of pesticides, the results suggest that, depending on the substances in question, 10 to 100% of the loads of pesticides are retained in fishponds. (3) The oral transfer of polychlorinated biphenyls (PCBs 138, 153, and 180) from a contaminated sediment to a benthic fish (carp) was studied by the in vivo relative bioavailability method. The results show that the contaminated sediment has no effect on the oral bioavailability of the three PCB congeners in common carp. The geosorbing effect of sediment, which explains its role as an environmental reservoir of PCBs, seems insufficient under the conditions of the digestive tract of the common carp, to prevent transfer to fish

L'évolution de la législation en matière de valorisation des déchets organiques incite au développement de filières de valorisation, parmi lesquelles le compostage présente un intérêt d'amendement pour les sols, lié notamment à la présence de substances humiques. La matière organique (MO) est une composante importante du sol en raison de son rôle dans les équilibres physiques, chimiques et biologiques, ainsi que par son implication dans le comportement des métaux et métaux traces (MMT). Les objectifs de cette thèse étaient de développer une approche méthodologique afin de caractériser la MO du sol (MOS) et étudier son évolution spatio-temporelle suite à l’apport d’un compost sur une année et 2 profondeurs, et d'approcher son impact sur le comportement des MMT. Une procédure d’extraction séquentielle en 4 étapes (eau, acide, soude, pyrophosphate) a été réalisée afin de fractionner la MOS. Des analyses quantitatives et qualitatives, ont été effectuées sur les extraits. La procédure de fractionnent chimique a permis de distinguer plusieurs catégories de composés organiques (labiles, fulviques et humiques plus ou moins aromatiques). Les analyses quantitatives et les réponses spectrales sur les extraits ont révélé un effet compost essentiellement les trois premiers mois après l’épandage et en été, avec un impact des paramètres climatiques au cours de l'année, mais pas au-delà de 15 cm. Le compost peut apporter au sol une charge supplémentaire en MMT, notamment potentiellement mobilisables, avec un risque de contamination modéré, mais non négligeable lié aux effets potentiels d’accumulation et de concentration sur le long terme. / The evolution of the legislation regarding the valorization of biowaste (green manure) induces the development of valorization chains, among which amending soils with compost is of particular interest, due to the presence of humic substances. Organic matter (OM) is an important component of the soil due to its physical, chemical and biological participation, and its implication in the behaviour of metals and trace metals (MTM).The aims of this thesis were to develop a methodological approach to characterize OM of soil (SOM) and to study its spatiotemporal evolution over one year at two different depths following the addition of compost, and its impact on the behaviour of MTM. A 4-step sequential extraction procedure (water, acid, sodium hydroxide, pyrophosphate) was used to the SOM fractionation. Quantitative and qualitative analysis were applied on extracts. Solubilization kinetics of MTM was also carried out to refine the study of their mobility.The chemical fractionation procedure allowed distinguishing several classes of organic compounds (labile, fulvic and humic with various aromaticity). Quantitative analyzes and spectral responses of the extracts revealed an effect of the compost (organic carbon, metals, aromaticity and molecular weight compounds) essentially during the first three months after spreading and during the summer period, with a climate parameter effect during the year, but not beyond 15 cm of depth. Compost can bring to the soil an additional load of MTM, including potentially mobilized forms, with a moderate, but not negligible risk of contamination, due to the potential effects of accumulation and concentration over the long term.

Areas were sampled in the White Rock Creek Watershed to examine sediment bound trace metal distributions and sorption relationships. A Kruskal-Wallis AOV found significant among area differences for most metals, and SNK-like multiple comparisons were used to group these areas. Kruskal-Wallis AOVs similarly found among area differences for sediment components that bind trace metals (Fe and Mn oxides and organic carbon) and physicochemical conditions that influence metal sorption (particle size and pH). Multiple correlation found numerous relationships among trace metals, sediment components, and physicochemical conditions. Statistical relationships indicate that metal partitioning to various sorption factors is metal specific. White Rock Creek Watershed trace metal concentrations are comparable to those in many urban watersheds.

Tato dizertační práce zkoumá vývoj techniky difúzního gradientu v tenkém filmu (DGT) pro stanovení rtuti (Hg) a dalších stopových kovů a dále rozšířené možnosti použití této techniky. Technika DGT je v této práci vyvinuta pro stanovení Hg a dalších stopových prvků v různých kapalných médiích. Dvě rozdílná sorpční média specifická pro rtuť byla testována pro použití v technice DGT – Purolite S924 a cysteinem modifikovaná aminopropyl silika (CAPS). Purolite S924 je komerčně dostupný chelatační iontoměnič, CAPS byla připravena v laboratorních podmínkách imobilizací cysteinu na 3-aminopropyl funkcionalizovanou siliku pomocí glutaraladehydu. Obě testovaná sorpční média ukázala slibný aplikační potenciál pro užití v technice DGT díky funkčnosti v roztocích o širokém rozsahu pH i iontové síly. Funkčnost DGT s novými sorpčními médii byla porovnána s technikami DGT s běžně používanými sorbenty Chelex-100 a 3-merkaptopropylfunkcionalizovanou silikou. Hlavní výhodou sorpčních médií Purolite S924 a CAPS je schopnost současného stanovení Hg a dalších stopových kovů (Cd, Pb, Co, Ni, Cu). Vzhledem k odlišným požadavkům na sorpční média používaná v technice DGT nebylo dosud současné kvantitativní stanovení Hg a dalších stopových kovů možné. Doposud byly zapotřebí dvě samostatné techniky DGT – jedna pro Hg a druhá pro další stopové kovy, což zvyšuje množství vzorků pro analýzu a množství použitého spotřebního materiálu. Technika DGT s CAPS byla použita pro stanovení koncentrací kovů v námořních přístavech v Oostende a Zeebrugge na belgickém pobřeží Severního moře. Přestože byla technika DGT původně představena pro použití v analytické chemii životního prostředí, byla v této práci zkoumáno i použití této techniky v analýze potravin. V prostředí rybí omáčky byla ověřena funkčnost techniky DGT a stanoveny difúzní koeficienty Hg a dalších stopových prvků. Technika DGT byla následně použita pro stanovení koncentrace rtuti a dalších stopových kovů v různých komerčně dostupných vzorcích rybí omáčky. Výsledky nově navrhnutého analytického postupu s použitím techniky DGT byly porovnány s výsledky přímé analýzy atomovou absorpční spektroskopií s termální dekompozicí a amalgamací zlatem (TD-AAS) a po mikrovlnném rozkladu vzorků omáčky také s výsledky sektorové hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou (SF-ICP-MS). Díky předkoncentrační schopnosti techniky DGT byly dosaženy nižší detekční limity ve srovnání s TD-AAS nebo SF-ICP-MS. Technika DGT díky schopnosti oddělení analytů z komplexní matrice rybí omáčky rovněž snížila opotřebení a koroze kovových částí použitých instrumentálních technik.

MSc (Chemistry) / Department of Chemistry / Surface water is used for domestic and agricultural activities in Musina region and other surrounding areas. This is because of the shortage of potable water. As a result, the people living in the region and its surrounding areas are potentially exposed to hazardous contaminants that may be present in the surface water. It is therefore important to ascertain the quality of the surface water in the region. Surface water samples were collected from Mutale, Nwanedi, Tshipise and Nzhelele rivers. The samples were analysed for anions such as fluoride (F-), chloride (Cl-), nitrate (NO3-), phosphate (PO43-), sulphate (SO42-); cations such as aluminium (Al), calcium (Ca), iron (Fe), potassium (K), magnesium (Mg), sodium (Na) and trace metals such as lithium (Li), vanadium (V), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), arsenic (As), molybdenum (Mo), cadmium (Cd), thallium (Tl) and lead (Pb) by using analytical techniques such as IC, ICP-OES and ICP-MS. The same samples were also investigated for other parameters such as pH, temperature, EC, TH, TDS, Na % and SAR. The WHO (2008), SANS 241 (2006) and Canadian guideline (2017) were used as a water quality guideline for drinking purposes. Higher concentrations of Li, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Al, Ca, Mg, K and Na in river water were detected in rainy season, whereas higher concentrations of As, Mo, K and Fe were recorded in dry season. The concentration of F-, Cd, Tl and Pb showed low contamination level in river samples. The results demonstrated that Tshipise river water was contaminated with high concentration of parameters: TDS (1864.0.8-3372.8 mg L-1), EC (2960.3-5270 mS cm-1), F- (6.403-8.419 mg L-1), SO42- (289.657-326.598 mg L-1), Na (836.690-922.810 mg L-1) and As (10.017-11.267 μg L-1) and relative to the (WHO) water guidelines. Nwanedi river also showed higher values of EC (298.0-699.0) mS cm-1 and TDS (190.3-447.5) mg L-1. In this study, the results indicated that water from Tshipise and Nwanedi river is not suitable for human consumption based on the guidelines of drinking water. The results also indicated that the soil sample had abundance of Ca, Al, Mn and Fe with concentration ranging from 0.13-10595, 0.0084-4.16, 0.0455-1116.5, 2.4-287404 mg Kg-1 respectively. / NRF

Les antibiotiques (ATB) consommés en médecine humaine et vétérinaire sont en grande partie excrétés et peuvent entrer dans les sols agricoles via l’épandage des produits résiduaires organiques (PRO), avec des risques encore mal connus sur la santé humaine et l’environnement. De plus, ces ATB sont le plus souvent apportés en mélange avec d'autres contaminants organiques et/ou minéraux. Or très peu d’études ont abordé le devenir et les effets des ATB en interaction avec d'autres contaminants dans les sols.L’objectif de la thèse était donc de mieux comprendre le devenir des ATB, apportés seuls, ou en mélange et leurs impacts sur les microorganismes du sol et leurs activités.Les antibiotiques sélectionnés ont été le sulfaméthoxazole (SMX) et la ciprofloxacine (CIP), pour leur comportement dans le sol et leur mode d’action contrastés, ainsi que le N-ac-SMX, métabolite principal du SMX. Les métaux choisis ont été le cuivre et le zinc car leur accumulation dans le sol est connue pour être favorisée via certains PRO. Ils ont été apportés en mélange, à une dose environnementale, et à une dose 5 fois plus élevée. Les sols sont un sol témoin qui n'a jamais reçu de PRO et deux sols amendés depuis 1998, par du fumier ou un compost de déchets verts et boues de station d’épuration, afin de tester l'impact d'apports répétés de PRO et la nature du PRO.Des microcosmes ont été incubés en conditions contrôlées pendant 156 jours. Pour l'étude du devenir des ATB, les sols ont été traités avec des ATB marqués au 14C et la distribution du 14C a été suivie dans les fractions minéralisées, facilement et difficilement extractibles et non extractibles. L'étude de l'impact des ATB seuls ou en mélange sur les microorganismes et leurs activités a été réalisée à partir d'ATB non marqués.Le devenir des ATB est contrôlé par :i) La nature et les propriétés des ATB : la CIP s'adsorbe rapidement et fortement dans les sols et n'est pas minéralisée. Les sulfonamides sont rapidement dégradés et minéralisés jusqu'à 10% après 156 jours.Les devenirs du SMX et du N-ac-SMX, sont quasiment similaires lorsqu'ils sont apportés seuls, le N-ac-SMX étant transformé en SMX. Quelles que soient les molécules, les résidus non extractibles sont majoritaires en fin d'incubation (> 50%).ii) L'apport répété de PRO qui favorise l'adsorption des ATB et diminuent leur minéralisation.iii) La nature des PRO suivant leur stabilité : le compost, plus stable, favorise la production de résidus difficilement extractibles, le fumier, plus dégradable, stimule la minéralisation des sulfonamides et la production de résidus non extractibles.iv) La présence d'autres contaminants, leur nature et leur concentration : si l'apport de CIP à dose environnementale n'a pas impacté le devenir du SMX et du N-ac-SMX dans les sols, les métaux ont exercé des effets d'autant plus importants que leur dose était élevée. A dose faible, les métaux diminuent la minéralisation du SMX et du N-ac-SMX d'un facteur 2 en favorisant l'adsorption des ATB par complexation en particulier avec le cuivre. A forte dose, les métaux inhibent la minéralisation des sulfonamides avec des effets d'origine physico-chimique (augmentation de l'adsorption des ATB via le cuivre) et certainement biologique (effets toxiques en particulier du zinc).Les sulfonamides n'ont pas eu d'effet sur les microorganismes du sol et la minéralisation du carbone et de l'azote lorsqu'ils sont apportés seuls ou en mélange avec de la ciprofloxacine ou avec des métaux à dose environnementale. En revanche, les mélanges avec la forte dose de métaux exercent des effets toxiques sur la biomasse microbienne et sur la minéralisation du carbone. Ces effets toxiques semblent essentiellement dus aux métaux et non au pH ou à la force ionique.Dans ces conditions expérimentales, les risques environnementaux liés aux ATB semblent donc limités à court terme. Mais il serait nécessaire d’étudier les effets à plus long terme, et les effets d'apports cumulatifs. / The antibiotics (ATB) used in human and veterinary medicine are largely excreted and can enter agricultural soils through the spreading of organic waste products (OWP), with unassessed risks on human health and the environment. In addition, these ATBs are most often combined with other organic and / or mineral contaminants. However, very few studies have addressed the fate and effects of ATBs interacting with other contaminants in soils.The objective of the thesis was to better understand the fate of ATB applied to soils alone or in combination with other contaminants, and their impacts on soil microorganisms and their activities.The antibiotics selected were sulfamethoxazole (SMX) and ciprofloxacin (CIP), for their contrasting mode of action and behavior, and N-ac-SMX, the main metabolite of SMX. The chosen metals were copper and zinc, which are known to increase in soils with regular applications of certain OWPs. They were brought together, at an environmental dose, and at a dose 5 times higher. The soils are a control soil that has never received OWP and two soils amended since 1998, by manure or compost green waste and sewage sludge, to test the impact of repeated applications of OWP and of the nature of OWP.Microcosms were incubated under controlled conditions for 156 days. For the study of ATB fate, the soils were treated with 14C-labeled ATBs and the 14C distribution was followed in the mineralized, easily and hardly extractable and non-extractable fractions. The impact of ATBs alone or in combinations on microorganisms and their activities was studied using unlabelled ATBs.The fate of ATBs is controlled by :i) The nature and properties of ATBs: CIP is rapidly and strongly adsorbed in soils and is not mineralized. Sulfonamides are rapidly degraded and mineralized up to 10% after 156 days.The fates of the SMX and N-ac-SMX are almost similar when they are brought alone, the N-ac-SMX being transformed into SMX. Whatever the molecules, the non-extractable residues are major at the end of incubation (> 50%).ii) Previous repeated applications of OWP that enhance adsorption of ATBs and reduce their mineralization.iii) The nature of the OWP : the more stable compost promotes the production of hardly extractable residues, the manure, more degradable, stimulates the mineralization of the sulfonamides and the production of non-extractable residues.iv) The presence of other contaminants, their nature and concentration : although the CIP at environmental doses did not affect the fate of SMX and N-ac-SMX in soils, the influence of metals was measurable and increased with their dose. At low doses, metals decrease the mineralization of SMX and N-ac-SMX by a factor of 2, by promoting the adsorption of ATBs through complexation, in particular with copper. At high doses, metals inhibit the mineralization of sulfonamides, through physicochemical reactions (increased adsorption of ATBs via copper) and certainly biological effects (toxic effects especially of zinc).The sulfonamides had no effect on soil microorganisms and mineralization of carbon and nitrogen when applied alone or as a mixture with ciprofloxacin or metals at environmental doses. But mixtures with the high dose of metals induce toxic effects on microbial biomass and mineralization of carbon. These toxic effects seem mainly due to metals and not to pH or ionic strength indirect effects.Therefore under these experimental conditions, the environmental risks associated with ATBs seem limited in the short term. But it would be necessary to study the effects in the longer term and of cumulative applications.

Trace element sediment pollution due to coal power plants have been reported in many countries. In this study, pond sediment samples collected from locations around a coal fired power plant in Ackerman, MS, were evaluated for their trace element concentration and pollution status. The samples were collected at two depths to study changes in element accumulation over time. The samples were digested and the elements, As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, and Zn were analyzed using ICP-MS. Results were then compared to known background concentrations as well as sediment quality guidelines and pollution thresholds. The sample locations downwind of the facility had the highest average trace element concentrations, indicating that wind is a primary driver in trace element transportation. With the potential for bioaccumulation and prevalent agricultural activity in the surrounding area, it could eventually affect humans in a negative manner and result in adverse health outcomes for nearby residents.