Accounting for the dissociating properties of organic chemicals in LCIA: an uncertainty analysis applied to micropollutants in the assessment of freshwater ecotoxicity

In life cycle impact assessment (LCIA) models, the sorption of the ionic fraction of dissociating organic chemicals is not adequately modeled because conventional non-polar partitioning models are applied. Therefore, high uncertainties are expected when modeling the mobility, as well as the bioavailability for uptake by exposed biota and degradation, of dissociating organic chemicals. Alternative regressions that account for the ionized fraction of a molecule to estimate fate parameters were applied to the USEtox model. The most sensitive model parameters in the estimation of ecotoxicological characterization factors (CFs) of micropollutants were evaluated by Monte Carlo analysis in both the default USEtox model and the alternative approach. Negligible differences of CFs values and 95% confidence limits between the two approaches were estimated for direct emissions to the freshwater compartment; however the default USEtox model overestimates CFs and the 95% confidence limits of basic compounds up to three orders and four orders of magnitude, respectively, relatively to the alternative approach for emissions to the agricultural soil compartment. For three emission scenarios, LCIA results show that the default USEtox model overestimates freshwater ecotoxicity impacts for the emission scenarios to agricultural soil by one order of magnitude, and larger confidence limits were estimated, relatively to the alternative approach.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Treatment of micropollutants in municipal wastewater: study of a sequential batch biofilter

All the experimental part of this final project was done at Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (LBE) from the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland, during 6 months (November 2013- May 2014). A fungal biofilter composed of woodchips was designed in order to remove micropollutants from the effluents of waste water treatment plants. Two fungi were tested: Pleurotus ostreatus and Trametes versicolor in order to evaluate their efficiency for the removal of two micropollutants: the anti-inflammatory drug naproxen and the antibiotic sulfamethoxazole,. Although Trametes versicolor was able to degrade quickly naproxen, this fungus was not any more active after one week of operation in the filter. Pleurotus ostreatus was, on contrary, able to survive more than 3 months in the filter, showing good removal efficiencies of naproxen and sulfamethoxazole during all this period, in tap water but also in real treated municipal wastewater. Several other experiments have provided insight on the removal mechanisms of these micropollutants in the fungal biofilter (degradation and adsorption) and also allowed to model the removal trend. Fungal treatment with Pleurotus ostreatus grown on wood substrates appeared to be a promising solution to improve micropollutants removal in wastewater.

Influence of EfOM on the oxidation of micropollutants by Ozone and UV/H2O2 in secondary effluents

The aim of this work was to study the influence of effluent organic matter (EfOM) on micropollutants removal by ozone and UV/H2O2. To perform the experiments, deionized water and municipal secondary effluents (SE) were artificially contaminated with atrazine (ATZ) and treated by the two proposed methods. ATZ concentration, COD and TOC were recorded along the reaction time and used to evaluate EfOM effect on the system efficiency. Results demonstrate that the presence of EfOM can significantly reduce the micropollutant removal rate due to competition of EfOM components to react with radicals and/or molecular ozone. The hydroxyl radical scavenging caused by EfOM was quantified as well as the contribution of molecular ozone and �OH radicals during the ozonation of SE. EfOM components promoted higher inhibition of ATZ oxidation by hydroxyl radicals than by molecular ozone.

Microextraction techniques coupled to liquid chromatography with mass spectrometry for the determination of organic micropollutants in environmental water samples

[EN]Until recently, sample preparation was carried out using traditional techniques, such as liquid–liquid extraction (LLE), that use large volumes of organic solvents. Solid-phase extraction (SPE) uses much less solvent than LLE, although the volume can still be significant. These preparation methods are expensive, time-consuming and environmentally unfriendly. Recently, a great effort has been made to develop new analytical methodologies able to perform direct analyses using miniaturised equipment, thereby achieving high enrichment factors, minimising solvent consumption and reducing waste. These microextraction techniques improve the performance during sample preparation, particularly in complex water environmental samples, such as wastewaters, surface and ground waters, tap waters, sea and river waters. Liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) and time-of-flight mass spectrometric (TOF/MS) techniques can be used when analysing a broad range of organic micropollutants. Before separating and detecting these compounds in environmental samples, the target analytes must be extracted and pre-concentrated to make them detectable. In this work, we review the most recent applications of microextraction preparation techniques in different water environmental matrices to determine organic micropollutants: solid-phase microextraction SPME, in-tube solid-phase microextraction (IT-SPME), stir bar sorptive extraction (SBSE) and liquid-phase microextraction (LPME). Several groups of compounds are considered organic micropollutants because these are being released continuously into the environment. Many of these compounds are considered emerging contaminants. These analytes are generally compounds that are not covered by the existing regulations and are now detected more frequently in different environmental compartments. Pharmaceuticals, surfactants, personal care products and other chemicals are considered micropollutants. These compounds must be monitored because, although they are detected in low concentrations, they might be harmful toward ecosystems.

Micropollutants affect the ability of phytoplankton communities to track environmental changes

Human activities strongly influence environmental processes, and while human domination increases, biodiversity progressively declines in ecosystems worldwide. High genetic and phenotypic variability ensures functionality and stability of ecosystem processes through time and increases the resilience and the adaptive capacity of populations and communities, while a reduction in functional diversity leads to a decrease in the ability to respond in a changing environment. Pollution is becoming one of the major threats in aquatic ecosystem, and pharmaceutical and personal care products (PPCPs) in particular are a relatively new group of environmental contaminants suspected to have adverse effects on aquatic organisms. There is still a lake of knowledge on the responses of communities to complex chemical mixtures in the environment. We used an individual-trait-based approach to assess the response of a phytoplankton community in a scenario of combined pollution and environmental change (steady increasing in temperature). We manipulated individual-level trait diversity directly (by filtering out size classes) and indirectly (through exposure to PPCPs mixture), and studied how reduction in trait-diversity affected community structure, production of biomass and the ability of the community to track a changing environment. We found that exposure to PPCPs slows down the ability of the community to respond to an increasing temperature. Our study also highlights how physiological responses (induced by PPCPs exposure) are important for ecosystem processes: although from an ecological point of view experimental communities converged to a similar structure, they were functionally different.

Reduction of emerging micropollutants, organic matter, nutrients and salinity from real wastewater by combined MBR–NF/RO treatment

To study the possibility of producing better water quality from municipal wastewater, a membrane bioreactor (MBR) pilot plant with flat sheet (FS) and hollow fiber (HF) membranes coupled with another pilot plant equipped with nanofiltration (NF)/reverse osmosis (RO) membranes were operated to treat municipal wastewater from the wastewater treatment plant (WWTP) Rincón de León, Alicante (Spain). This study was focused on improving the quality of the permeate obtained from the MBR process when complemented by NF or RO stages with respect to salinity, organic matter and nutrients. Furthermore, the removal efficiencies of 10 EMPs were evaluated, comparing the reductions achieved between the wastewater treatment by MBR (adsorption to sludge and biodegradation) and the later treatment using NF or RO (mainly size exclusion). The results showed that the high quality of water was obtained which is appropriate for reuse with salinity removal efficiencies higher than 97%, 96% for total organic carbon (TOC), 91% for nitrates View the MathML sourceNO3- and 99% for total phosphorous (TP). High removal efficiencies were obtained for the majority of the analyzed EMP compounds.