Vers une compréhension mécanistique de la biocatalyse des composés pharmaceutiques dans des matrices complexes par traitement fongique (Trametes hirsuta)

La présence des contaminants organiques dans l’environnement est une problématique aux enjeux aussi bien scientifiques que politiques. Le caractère diffus et continu (différentes et multiples sources) de cette contamination ne permet pas à ces molécules biologiquement actives d’être soumises à une législation. Ces molécules, pouvant être très récalcitrantes, ne sont pas systématiquement éliminées par les systèmes de traitement des eaux conventionnels. Actuellement, de nouveaux procédés biotechnologiques basés sur des enzymes extracellulaires (e.g. Laccase) ou des champignons lignivores permettent l’élimination des composés les plus récalcitrants. Notre compréhension des mécanismes impliqués dans cette élimination reste incomplète. En effet, la biosorption et l’activité des enzymes extracellulaire sont les mécanismes les plus souvent mis en avant pour expliquer l’efficacité des procédés d’élimination fongique, mais ne sont pas capables d’expliquer les performances obtenues pour certains composés pharmaceutiques. Ces lacunes dans nos connaissances sur les mécanismes responsables de l’élimination fongique des contaminants organiques sont un frein à la pleine exploitation de ces procédés de traitement. De plus, il est forcé d’admettre qu’un grand nombre de travaux portant sur l’élimination fongique de contaminants organiques ont été réalisés dans des conditions de hautes concentrations, qui peuvent être peu représentatives des matrices environnementales. Ainsi, les effets observés à plus forte concentration peuvent etre le résultat dû au stress de l’organisme au contact des contaminants (toxicités). Cette thèse adresse deux questions ; ainsi quelle est l’influence des concentrations traces sur de tels procédés ? Et comment expliquer l’élimination de certains contaminants organiques lors des traitements fongiques ? Afin d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes mis en jeux lors de l’élimination fongique, les travaux présentés ici ont été réalisés sur un modèle de champignon lignivore connu pour ses propriétés en bioremediation. Dans un premier temps, un développement analytique permettant la quantification d’une sélection de contaminants organiques à l’état de traces a été réalisé. Cette méthode a permis d’effectuer des analyses de ces molécules à partir d’un seul échantillon environnemental de faible biomasse et à partir d’une seule injection instrumentale. Les résultats de cette thèse démontrent que l’élimination fongique de contaminants organiques résulte de mécanismes plus complexes que précédemment décrits. Notamment, la dégradation est fortement dépendante d’une étape initiale d’internalisation du contaminant par l’organisme ciblé et de la dégradation intracellulaire. Les mécanismes impliqués peuvent ainsi donnés lieux à des réactions de conjugaison intracellulaire des molecules (glucuronide, glutathione). Les résultats démontrent également que ces procédés d’élimination fongique sont efficaces sur une large gamme de concentration en contaminants organiques. Cependant, les faibles concentrations modifient les propriétés physico-chimiques et biologiques de l’organisme testé (i.e. un changement de la morphologie et du profil de la production enzymatique). La réponse biologique n’étant pas directement proportionnelle a l’exposition en contaminant. Cette étude a permis d’accroitre notre compréhension des mécanismes impliqués dans la dégradation fongique de contaminants organiques. Ceci ouvre la voie à de nouvelles études portant sur les interactions entre processus intra — et extracellulaires. Cette thèse contribue également à l’amélioration des connaissances en offrant des outils de compréhension nécessaire à l’optimisation et au développement du potentiel de ces procédés biotechnologiques (ciblage et role des enzymes réeellement impliquées dans les réactions de biocatalyse).

Développement d’une méthode d’extraction des contaminants émergents dans les solides particulaires par LDTD-APCI-MS/MS

Douze contaminants émergents (composés pharmaceutiques, pesticides et hormones) ont été quantifiés et extraits de l'eau de rivières et d’échantillons d'eaux usées municipales. La séparation des solides en suspension est effectuée par filtration des échantillons d'eau. L'effet de filtration sur les concentrations de contaminants dissous a été évaluée afin de minimiser les pertes de composés cibles. Les échantillons ont été lyophilisés et ont été extraits en deux cycles par ultrasons combinés avec une étape de nettoyage sur cartouche d’extraction de type C18. La quantification a été réalisée en utilisant la spectrométrie de masse. Les recouvrements de la méthode pour tous les composés ont varié de 68 à 112% dans toutes les matrices étudiées, sauf pour le sulfaméthoxazole et le diclofénac où des recouvrements plus modestes ont été obtenus (38 à 85%). Les limites de détection pour les 12 analytes dans les sédiments et particules en suspension (SPM) de la rivière variaient de 0,7 à 9,4 ng g-1 et de 21 à 92 ng g-1, pour les échantillons SPM de station d'épuration. Tous les contaminants émergents cibles ont été détectés à des concentrations variant de 3 à 5440 ng g-1 dans les matrices étudiées, les concentrations les plus élevées ont été observées dans les échantillons SPM de stations d'épuration. Une partie importante de certains de ces contaminants est clairement associée aux sédiments de rivière ou aux particules en suspension. L’optimisation des processus de traitement de l'eau et le devenir environnemental doit absolument tenir compte de la fraction de contaminants qui liée à des particules si on espère avoir un bilan de masse raisonnable.

Étude de la sorption et de la désorption de neuf contaminants émergents dans les boues usées

Des études de sorption/désorption ont été effectuées pour neuf contaminants émergents sélectionnés (caféine, sulfaméthoxazole, déséthylatrazine, carbamazépine, atrazine, estradiol, éthinylestradiol, noréthindrone et diclofénac) dans les boues usées provenant de trois systèmes différents. Les contaminants incluent une variété de classes de composés (pesticides, hormones et pharmaceutiques) qui possèdent des propriétés physicochimiques différentes. L’objectif de ces travaux est de modéliser leur comportement dans une station d’épuration, en présence d’une phase particulaire et d’une phase aqueuse, et du même coup, de mieux comprendre leur devenir lors de leur rejet dans l’environnement. Le coefficient octanol-eau (log Kow) permet de bien interpréter les résultats et nous permet de classer les composés selon deux types de comportements observés : les composés avec un log Kow inférieur à 3 montrent peu ou pas de sorption alors que les composés avec un log Kow supérieur à 3 montrent une sorption variant de 30 à 90 % durant les premières minutes, suivi d’une sorption lente durant les heures suivantes. Une augmentation du contenu organique favorise la sorption des composés hydrophobes alors qu’un changement de pH peut modifier la charge à la surface des particules et également la charge des analytes. Les résultats ont montré que seul le diclofénac était sensible aux variations de pH étudiés. Dans une telle situation, il est nécessaire d’utiliser le facteur d’hydrophobicité corrigé en fonction du pH (log Dow). Le coefficient de distribution solide-eau (log Kd) a été déterminé pour chaque composé à la fin de chaque expérience de sorption et se situe entre -0.3 et 2.6. Avec l’augmentation de l’hydrophobicité, la désorption diminue avec le temps et avec l’étape de rinçage. Pour simuler le relargage dans les systèmes aquatiques, les facteurs de rinçage ont été déterminés pour estimer le nombre de rinçages qui seraient nécessaire pour désorber 50 et 99 % de la concentration initialement sorbée. Les bilans de masse ont été effectués après chaque expérience dans le but de ne pas surestimer les capacités de sorption d’un composé et se situent entre 7 et 25 % pour l’estradiol, la noréthindrone et le sulfaméthoxazole et entre 44 et 103 % pour l’éthinylestradiol, l’atrazine, la déséthylatrazine, la carbamazépine, la caféine et le diclofénac.

Dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans les eaux de surfaces et les effluents primaires d’eaux usées municipales

Un protocole inspiré du test de simulation 309 de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) nous a permis de mesurer la dégradation chimique (excluant la photolyse) dans des eaux de surface de même que la dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans l’effluent d’un décanteur primaire d’eau usée municipale. Les données étaient compatibles avec le modèle de cinétique de pseudo ordre un. Les résultats démontrant une persistance de plus d’un an dans les eaux de surface et de 71 jours dans l’effluent du décanteur primaire suggèrent que les dégradations chimique et biologique ne contribuent pas significativement à la diminution de: atrazine, déséthylatrazine, carbamazépine et diclofénac dans la phase aqueuse des systèmes testés. Les autres composés se sont dégradés à différents niveaux. Le 17ß-estradiol ainsi que l’éthinylestradiol, la noréthindrone, la caféine et le sulfaméthoxazole ont tous été sujet à la dégradation biologique dans les effluents du décanteur primaire d’eau usée avec des constantes de dégradation k et des demi-vies t1/2 mesurées allant respectivement de 0.0082 à 0.59 j-1 et de 1.2 à 85 jours. Les paramètres de cinétique mesurés peuvent être combinés aux concentrations typiques des composés à l’étude dans un décanteur primaire d’eau usée pour y calculer leur vitesse de dégradation. Cependant, puisque les décanteurs primaires dans les usines de traitement d’eaux usées ont généralement des temps de résidence de quelques heures seulement, il est improbable que les neufs contaminants émergents à l’étude diminuent significativement par ces processus durant leur passage dans le compartiment.

A method to determine volatile contaminants in polyethylene terephthalate (PET) packages by HDC-GC-FID and its application to post-consumer materials

A simple and low cost method to determine volatile contaminants in post-consumer recycled PET flakes was developed and validated by Headspace Dynamic Concentration and Gas Chromatography-Flame Ionization Detection (HDC-GC-FID). The analytical parameters evaluated by using surrogates include: correlation coefficient, detection limit, quantification limit, accuracy, intra-assay precision, and inter-assay precision. In order to compare the efficiency of the proposed method to recognized automated techniques, post-consumer PET packaging samples collected in Brazil were used. GC-MS was used to confirm the identity of the substances identified in the PET packaging. Some of the identified contaminants were estimated in the post-consumer material at concentrations higher than 220 ng.g-1. The findings in this work corroborate data available in the scientific literature pointing out the suitability of the proposed analytical method.

Concepts and determination of reference values for human biomonitoring of environmental contaminants

Human biomonitoring (HBM) of environmental contaminants plays an important role in estimating exposure and evaluating risk, and thus it has been increasingly applied in the environmental field. The results of HBM must be compared with reference values ( RV). The term ""reference values"" has always been related to the interpretation of clinical laboratory tests. For physicians, RV indicate ""normal values"" or ""limits of normal""; in turn, toxicologists prefer the terms ""background values"" or ""baseline values"" to refer to the presence of contaminants in biological fluids. This discrepancy leads to the discussion concerning which should be the population selected to determine RV. Whereas clinical chemistry employs an altered health state as the main exclusion criterion to select a reference population ( that is, a ""healthy"" population would be selected), in environmental toxicology the exclusion criterion is the abnormal exposure to xenobiotics. Therefore, the choice of population to determine RV is based on the very purpose of the RV to be determined. The present paper discusses the concepts and methodology used to determine RV for biomarkers of chemical environmental contaminants.

Air contaminants in animal production: the poultry case

A descriptive study was developed in order to assess air contamination caused by fungi and particles in seven poultry units. Twenty seven air samples of 25 litters were collected through impaction method. Air sampling and particle concentration measurement were performed in the pavilions’ interior and also outside premises, since this was the place regarded as reference. Simultaneously, temperature and relative humidity were also registered. Regarding fungal load in the air from the seven poultry farms, the highest value obtained was 24040 CFU/m3 and the lowest was 320 CFU/m3. Twenty eight species/genera of fungi were identified, being Scopulariopsis brevicaulis (39.0%) the most commonly isolated species and Rhizopus sp. (30.0%) the most commonly isolated genus. From the Aspergillus genus, Aspergillus flavus (74.5%) was the most frequently detected species. There was a significant correlation (r=0.487; p=0.014) between temperature and the level of fungal contamination (CFU/m3). Considering contamination caused by particles, in this study, particles with larger dimensions (PM5.0 and PM10) have higher concentrations. There was also a significant correlation between relative humidity and concentration of smaller particles namely, PM0.5 (r=0.438; p=0.025) and PM1.0 (r=0.537; p=0.005). Characterizing typical exposure levels to these contaminants in this specific occupational setting is required to allow a more detailed risk assessment analysis and to set exposure limits to protect workers’ health.

An uncertainty and sensitivity analysis applied to the prioritisation of pharmaceuticals as surface water contaminants from wastewater treatment plant direct emissions

In this study, the concentration probability distributions of 82 pharmaceutical compounds detected in the effluents of 179 European wastewater treatment plants were computed and inserted into a multimedia fate model. The comparative ecotoxicological impact of the direct emission of these compounds from wastewater treatment plants on freshwater ecosystems, based on a potentially affected fraction (PAF) of species approach, was assessed to rank compounds based on priority. As many pharmaceuticals are acids or bases, the multimedia fate model accounts for regressions to estimate pH-dependent fate parameters. An uncertainty analysis was performed by means of Monte Carlo analysis, which included the uncertainty of fate and ecotoxicity model input variables, as well as the spatial variability of landscape characteristics on the European continental scale. Several pharmaceutical compounds were identified as being of greatest concern, including 7 analgesics/anti-inflammatories, 3 β-blockers, 3 psychiatric drugs, and 1 each of 6 other therapeutic classes. The fate and impact modelling relied extensively on estimated data, given that most of these compounds have little or no experimental fate or ecotoxicity data available, as well as a limited reported occurrence in effluents. The contribution of estimated model input variables to the variance of freshwater ecotoxicity impact, as well as the lack of experimental abiotic degradation data for most compounds, helped in establishing priorities for further testing. Generally, the effluent concentration and the ecotoxicity effect factor were the model input variables with the most significant effect on the uncertainty of output results.

Can the complex mixture of sediment contaminants cause endocrine disruption on a benthic fish? A case study with Solea senegalensis

Pollution in coastal ecosystems is a serious threat to the biota and human populations there residing. Anthropogenic activities in these ecosystems are the main cause of contamination by endocrine disruption compounds (EDCs), which can interfere with hormonal regulation and cause adverse effects to growth, stress response and reproduction. Although the chemical nature of many EDCs is unknown, it is believed that most are organic contaminants. Under an environmental risk assessment for a contaminated estuary (the Sado, SW Portugal), the present work intended to detect endocrine disruption in a flatsfish, Solea senegalensis Kaup, 1858, and its potential relationship to organic toxicants. Animals were collected from two areas in the estuary with distinct influences (industrial and rural) and from an external reference area. To evaluate endocrine disruption, hepatic vitellogenin (VTG) concentrations in males and gonad histology were analysed. As biomarkers of exposure to organic contaminants, cytochrome P450 (CYP1A) induction and the ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity were determined. The results were contrasted to sediment contamination levels, which are overall considered low, although the area presents a complex mixture of toxicants. Either males or females were found sexually immature and showed no significant evidence of degenerative pathologies. However, hepatic VTG concentrations in males from the industrial area in estuary were superior than those from the Reference, even reaching levels comparable to those in females, which may indicate an oestrogenic effect resulting from the complex contaminant mixture. These individuals also presented higher levels of CYP1A induction and EROD activity, which is consistent with contamination by organic substances. The combination of the results suggest that the exposure of flatfish to an environment contaminated by mixed toxicants, even at low levels, may cause endocrine disruption, therefore affecting populations, which implies the need for further research in identification of potential EDCs, their sources and risks at ecosystem scale.

Implementation of membrane processes for improvement of the detection of food contaminants

The EM3E Master is an Education Programme supported by the European Commission, the European Membrane Society (EMS), the European Membrane House (EMH), and a large international network of industrial companies, research centres and universities (http://www.em3e.eu)

Electrokinetic treatment of environmental matrices. Contaminants removal and phosphorus recovery

There is a need to develop viable techniques for removal and recovery organic and inorganic compounds from environmental matrices, due to their ecotoxicity, regulatory obligations or potential supplies as secondary materials. In this dissertation, electro –removal and –recovery techniques were applied to five different contaminated environmental matrices aiming phosphorus (P) recovery and/or contaminants removal. In a first phase, the electrokinetic process (EK) was carried out in soils for (i) metalloids and (ii) organic contaminants (OCs) removal. In the case of As and Sb mine contaminated soil, the EK process was additionally coupled with phytotechnologies. In a second phase, the electrodialytic process (ED) was applied to wastes aiming P recovery and simultaneous removal of (iii) toxins from membrane concentrate, (iv) heavy metals from sewage sludge ash (SSA), and (v) OCs from sewage sludge (SS). EK enhanced phytoremediation showed to be viable for the remediation of soils contaminated with metalloids, as although remediation was low, it combines advantages of both technologies while allowing site management. EK also proved to be an effective remediation technology for the removal and degradation of emerging OCs from two types of soil. Aiming P recovery and contaminants removal, different ED cell set-ups were tested. For the membrane concentrates, the best P recovery was achieved in a three compartment (3c) cell, but the highest toxin removal was obtained in a two compartment (2c) cell, placing the matrix in the cathode end. In the case of SSA the best approach for simultaneous P recovery and heavy metals removal was to use a 2c-cell placing the matrix in the anode end. However, for simultaneous P recovery and OCs removal, SS should be placed in the cathode end, in a 2c-cell. Overall, the data support that the selection of the cell design should be done case-by-case.

Electrodialytic recovery of phosphorus and organic contaminants removal from sewage sludge

Phosphorus is a macronutrient essential to life which comes from phosphate rock, a non-renewable resource. Sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTP) is a secondary resource rich in phosphorus that can be valorized. However, organic compounds are detected in sewage sludge, due to its non-polar and hydrophobic character, being considered an environmental risk. The present dissertation aims to study the efficiency of the electrodialytic process (ED) when applied to sewage sludge aiming phosphorus recovery and organic contaminants removal. Four organic compounds were analyzed: 17α-ethynylestradiol (EE2), bisphenol A (BPA), caffeine (Caf) and oxybenzone (MBPh). The experiments took place in an ED cell with two compartments and an anion exchange membrane, with the sludge in the cathode compartment. The experiments were carried out for three days with spiked sewage sludge (six assays). One control experiment was done without current, three experiments were carried out applying a constant current of 50, 75, and 100 mA and two experiments were carried out applying sequential currents: 50 mA, 75 mA and 100 mA and the opposite (100-75-50 mA). A qualitative and quantitative analysis of microorganisms existing in the samples was also done. At the end, the pH increased in the sewage sludge favoring phosphorus recovery. In terms of phosphorus, the highest recovery was achieved in the experiment run with 100 mA, where 70.3±2.0% of total phosphorus was recovered in the electrolyte. Generally, compounds degradation was favored by the current. Caf and MBPh achieved degradation percentages of 96.2±0.2% and 84.8±1.3%, respectively, in 100 mA assay. EE2 (83.1±1.7%) and BPA (91.8±4.6%) degradations were favored by 50 mA current. A total of 35 taxa from four different groups were identified, totalizing between 81,600-273,000 individuals per gram of initial sludges. After ED, microbial community population decreased between 47-98%. Arcella gibbosa represented 61% of the total observed organisms and revealed to be more tolerant to medium changes.

Removal of organic contaminants from wastewater using the electrodialytic process

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are widely used on a daily basis. After their usage they reach the wastewater treatment plants (WWTPs). These compounds have different physico-chemical characteristics, which makes them difficult to completely remove in the WWTPs, througth conventional treatments. Currently, there is no legislation regarding PPCPs thresholds in effluent discharge. But, even at vestigial concentrations, these compounds enclose environmental risks due to, e.g., endocrine disruption potential. There is a need of alternative techniques for their removal in WWTPs. The main goal of this work was to assess the use of electrodialytic (ED) process to remove PPCPs from the effluent to be discharged. A two-compartment ED cell was used testing (i) the effluent position in the cell (anode and cathode compartment); (ii) the use of anion (AEM) and cation exchange membrane (CEM); (iii) the treatment period (6, 12 and 24 hours); (iv) effluent recirculation and current steps; (v) the feasibility of sequential treatments. Phosphorus (P) removal from effluent and energetic costs associated to the process were also evaluated. Five PPCPs were studied – caffeine (CAF), bisphenol A (BPA), 17 β-estradiol (E2), ethinyl estradiol (EE2) and oxybenzone (MBPh). The ED process showed to be effective in the removal when effluent is in the anode compartment. Oxidation is suggested to be the main removal process, which was between 88 and 96%, for all the compounds, in 6 hours. Nevertheless, the presence of intermediates and/or by-products was also observed in some cases. Effluent recirculation should have a retention time in the ED cell big enough to promote removal whereas the current steps (effluent in anode compartment) slightly increased removal efficiencies (higher than 80% for all PPCPs). The sequential set of ED treatment (effluent in anode compartment) showed to be effective during both periods with a removal percentage between 80 and 95% and 73 to 88% in the case of AEM and CEM, respectively. Again, the main removal process is strongly suggested to be oxidation in the anode compartment. However, there was an increase of BOD5 and COD, which might be explained by effluent spiking, these parameters limiting the effluent discharge. From these treatments, the use of AEM, enhanced the P removal from effluent to minimize risk of eutrophication. Energetic costs of the best set-up (6 hours) are approximately 0,8€/m3 of wastewater, a value considered low, attending to the prices of other treatment processes.