Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

Les preuves quant aux effets des hormones stéroïdiennes sur l’écosystème aquatique et terrestre sont clairement démontrées dans la littérature et ce à des concentrations très faibles. Les sources responsables du déversement de ces composés dans l'environnement aquatique sont multiples et découlent majoritairement de leur consommation autant humaine qu’animale. Diverses maladies chez l’humain sont soupçonnées d’être le résultat de l’exposition aux hormones stéroïdiennes et autres perturbateurs endocriniens. Le risque associé à des années d’exposition, avec les éventuels effets cumulatifs ou synergiques de ces substances, ne doit pas être ignoré et une approche préventive plutôt que réactive doit être adoptée. Dans cette optique, de nouvelles méthodes analytiques ont été développées pour permettre la détection et la quantification des hormones stéroïdiennes dans les eaux de surface et les eaux usées. La première méthode proposée se base sur la diode laser à désorption thermique munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, LDTD-APCI, couplée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). L’avantage de la LDTD-APCI est le temps d’analyse très court, soit 15 secondes par échantillon, comparativement à plusieurs minutes par les méthodes séparatives conventionnelles par chromatographie gazeuse ou liquide. Les paramètres impliqués dans l’optimisation de la source LDTD-APCI sont discutés afin de mieux comprendre leur impact sur l’efficacité de l’ionisation et le développement de la méthode. La pré-concentration d’échantillons d’eau de surface a été effectuée par une extraction sur phase solide (SPE) manuelle afin de valider la méthode d’analyse et de montrer son applicabilité pour des échantillons réels. La LDTD-APCI-MS/MS permet d’atteindre des limites de détection entre 13 et 43 ng L-1. La seconde approche proposée est le développement d’une méthode par SPE automatisée couplée à la chromatographie liquide (LC) avec la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). Les volumes d’injections peuvent se faire entre 1 et 10 mL, en fonction de la concentration attendue des hormones stéroïdiennes et du type de matrice. L’analyse des hormones stéroïdiennes dans les eaux usées a été effectuée pour deux usines avec différents modes de traitement. L’impact de l’étape de pré-traitement de l’échantillon, c’est-à-dire l’étape de filtration et la préservation de l’échantillon ont également été étudié. La SPE-LC-APCI-MS/MS a permis d’obtenir des résultats reproductibles avec un important gain de temps (15 min par échantillon), comparativement à la SPE manuelle suivi d’une analyse par LC-MS/MS. Les limites de détections obtenues dans les eaux usées étaient entre 8 et 60 ng L-1. Dans l’objectif de trouver des solutions pour éliminer les hormones stéroïdiennes dans les usines de traitements d’eau potable, leur oxydation par le chlore et le potassium de permanganate a été considérée. L’impact du pH, de la nature de l’eau (eau ultrapure versus eau usée) et de la température sur les constantes de vitesse d’oxydation du deuxième ordre a été évalué et discuté. Les rendements d’oxydation des oestrogènes par le chlore était entre 53% et 97% avec des temps de demi-vies entre 0.6 et 53 min alors que pour les progestagènes avec le potassium permanganate l’abattement variait de 78 à 97% avec des demi-vies de 10 à 60 min.

The effect of steroid hormones on the aquatic and terrestrial environment is well documented and can occur at very low concentrations. The primary sources responsible for their introduction in the environment are numerous, but they originate mainly from human and animal releases. Several human health issues are thought to be the result of exposure to steroid hormones as well as other endocrine disruptive compounds. The risks associated with years of exposure, in conjunction with the cumulative or synergic effect of these substances, must not be ignored. Therefore, a pro-active, rather than reactive, approach should be considered. With this in mind, new analytical methods were developed for the detection and quantification of steroid hormones in surface and waste waters. The first was based on a novel sample introduction method, the laser diode thermal desorption with an atmospheric chemical ionization source, the LDTD-APCI, coupled with tandem mass spectrometry (MS/MS). The main advantages of the LDTD-APCI is the short analysis time, i.e. 15 seconds per sample, because no chromatographic separation is used prior to ionization. The optimization of several parameters (laser power, laser pattern, transfer gas flow rate as well as deposition volume and solvent) involved in the LDTD-APCI source are discussed in order to better understand their impact on the efficiency of ionization and method development. The sample pre-concentration of analytes in surface water was performed by manual solid phase extraction (SPE) to demonstrate method applicability to real environmental samples. The LDTD-APCI-MS/MS method detection limits range from 13 to 43 ng L-1 for the selected steroid hormones. The second approach consisted of an on-line SPE method followed by liquid chromatography coupled tandem mass spectrometry LC-MS/MS with injection volumes ranging from 1 to 10 mL, depending upon the expected steroid hormone concentrations and matrix type. The method was applied to wastewater samples from two treatment plants with different processes. The role of sample pre-treatment, i.e. the filtration step and conservation conditions, on the analyses was evaluated. The on-line SPE-LC-MS/MS gave reproducible values while reducing sample preparation time (15 min per sample), compared to manual SPE followed by an LC-MS/MS analysis. The limits of detection of the method for the selected steroid hormones ranged from 8 to 60 ng L-1. In order to better eliminate the selected steroid hormones in drinking water treatment plants, their oxidation by chlorine and potassium permanganate was determined. The effect of pH, temperature and type of water matrix (ultrapure versus wastewater) on the second order rate constants was assessed and discussed. The oxidation yields by chlorine for estrogens were between 53 and 97% with half-lives from 0.6 min to 53 min, whereas for progestogens with potassium permanganate the corresponding yields ranged from 78 to 94% with half-lives ranging from 10 min and 60 min.