Soutenance de thèse de Mira AZZI

Le milieu aquatique reçoit de nombreuses classes de micropolluants issues principalement du rejet direct d'eaux usées pas ou peu éliminés dans les stations d'épuration d'eaux usées urbaines (STEU). La présence de ces composés dans les masses d'eaux constitue un problème émergent à l'échelle mondiale et soulève des problèmes d'écotoxicologie et de santé humaine. Le développement chromatographique pour la détermination de produits pharmaceutiques dans des échantillons d'eau de l'environnement est particulièrement difficile lorsque les analytes ont des propriétés physico-chimiques significativement différentes (solubilité, polarité, pKa) nécessitant souvent plusieurs méthodes chromatographiques pour chaque composant actif. Par conséquent, dans la présente étude, nous avons d'abord développé une méthode analytique (UPLC-qTof-MS / MS) pour l'analyse, la détection et la quantification simultanées de quatre composés pharmaceutiques: l'azithromycine, érythromycine, fluoxétine et sotalol. Ces produits ont été choisis car mal étudiés dans la littérature alors qu'ils sont consommés en grande quantité par l'homme. À notre connaissance, nos travaux ont été les premiers à proposer une méthode de détection simultanée de ces quatre molécules avec le même mode d'ionisation électrospray, dans le même temps court de séparation (sept minutes) sans interférences ni chevauchement de leurs temps de rétention. Les limites de détection (LOD) variaient entre 2 et 7 µg/L et les limites de quantification (LOQ) variaient de 3,5 µg/L à 8,5 µg/ L et ont été obtenues sans aucune étape de préconcentration. Cette méthode a été validée sur des échantillons prélevés dans trois eaux de surface différentes du Liban (eau douce et eau de mer) et les résultats analytiques ont été comparés à ceux obtenus dans les eaux de surface prélevées dans un fleuve français, équivalentes en termes d'activités humaines. En utilisant cette méthode, nous rapportons la plus forte concentration de produits pharmaceutiques trouvée dans les eaux de surface (jusqu'à 377 µg/L et 268 µg/L, respectivement pour l'azithromycine et l'érythromycine, dans le fleuve Litani, au Liban). Trois différents procédés d'oxydation avancés (UV, chlore et UV / chlore) ont été utilisés comme techniques de traitement des eaux et à température maintenue constante de 25 ± 1 ° C. Ces photolyses ont été menées à pH (3, 6,8-7 et 10). Des expériences de photolyse ont été menées dans un réacteur cylindrique, d'une lampe à vapeur de mercure moyenne pression standard UV (P = 700 W). Les traitements par chloration, UV, et UV/Cl ont été menésavec des solutions de chlore et de PhACs avec un rapport molaire 1:10 sous mélange rapide pour assurer l'homogénéité de la solution. Les cinétiques de réactions ont été suivies par des prélèvements réguliers jusqu’à 180 minutes, selon les molécules étudiées et/ou les traitements appliqués. Les courbes de disparition de chaque molécule ont été déterminées en fonction du temps et ont montré que les mécanismes de disparition correspondaient à une réaction de premier ordre. Les réactions de disparition suivent ainsi l'équation générale: Ln Ct / C0 = -Kt où Ct est la concentration du substrat à un temps t tandis que C0 est la concentration initiale du composé parent. (R2> 0,996). ; les constantes de réaction ont pu en être déduites. Nous avons pu évaluer le meilleur traitement pour nos PhACs ciblés: pour les macrolides l'azithromycine et l'érythromycine KUV/Cl> KChloration> KUV, tandis que pour la fluoxétine et le sotalol, nous avons constaté que KUV/Cl> KUV> KChloration. De façon générale, le traitement de l'eau par UV/Cl est le plus rapide et le plus efficace pour l'élimination des quatre molécules pharmaceutiques. Enfin, des schémas de voies de dégradation de ces quatre molécules en fonction de ces différents traitements ont été déterminés grâce à l’identification des sous-produits par UPLC-qToF-MS/MS et GC-MS.

The water environment is the ultimate repository for several classes or organic micro-pollutants emitted from different pollution sources. Among these compounds, pharmaceutical active compounds (PhACs) have become an issue of great concern for the scientific community, politicians, and the public. Chromatographic development for the determination of pharmaceuticals in environmental water samples is particularly challenging when the analytes have significantly different physico-chemical properties (solubility, polarity, pKa) often requiring multiple chromatographic methods for each active component. Therefore, in the present study, we firstly developed (UPLC-qTof-MS/MS) method for the simultaneous analysis, detection, and quantification of four pharmaceuticals: azithromycin, erythromycin, fluoxetine and sotalol. These pharmaceuticals presenting a broad spectrum of polarity (0.24 ≤log Kow ≤ 4.05) were chosen because poorly studied in the literature while consumed with large amounts by humans. As far as we know, our work was the first that allows a simultaneous detection method of these four molecules with the same electrospray ionization mode, in the same short runtime of seven minutes in a clear separation without interferences and overlap in their retention times. Limits of detection (LOD) ranged between 2 and 7 µg/L and limits of quantitation (LOQ) ranged from 3.5 µg/L to 8.5 µg/L and were obtained without any preconcentration step. This method was validated using samples collected from three different surface waters in Lebanon (freshwater and seawater) and analytical results were compared with those obtained in surface waters sampled in a French river, equivalent in terms of human activities. Using this method, we report the highest concentration of pharmaceuticals found in surface water (up to 377 µg/L and 268 µg/L, respectively for azithromycin and erythromycin, in the Litani river, Lebanon). A second approach regarding these four molecules was to compare the efficiency of three different Advanced Oxidation Processes (UV, chlorine and UV/chlorine) to remove them from receiving waters. Experiments have been conducted at 3 different pH (3, 6.8-7 and 10). Photolysis experiments were conducted as batch experiments by using a thermostatically controlled glass cylindrical reactor using a standard medium-pressure (MP) UV mercury-vapor lamp (P = 700 W), at a constant temperature of 25 ± 1°C. Degradation experiments have been conducted, in presence or not of UV, by addition of chlorine to PhAC's solutions with a molar ratio 1:10 under rapid mixing to ensure the homogeneity of the solution. Decay curves of concentration versus duration of treatment were plotted and fitted properly to a first-order reaction with respect to the PhACs concentration and slope of fitted lines was used to estimate the first-order rate constants according to equation: Ln Ct/C0 = -Kt where Ct is the concentration of substrate at any given point of time while C0 is the initial concentration of the parent compound. Time of reactions was estimated to be approximatively 180 minutes, 40 minutes and 20 minutes for UV, chlorination and UV/Cl successively with some variations according to each studied molecule. The relation between time and concentration remained linear (at least R2 > 0.996) in all degradation reactions. At this point, we could assess the best treatment for our targeted PhAC's: for macrolides including azithromycin and erythromycin K UV/Cl > K Chlorination> K UV (while for fluoxetine and sotalol we found that K UV/Cl > K UV > K Chlorination and it was clear that UV/Cl as water treatment is the fastest and the more effective for the four pharmaceuticals. Finally, UPLC-qToF-MS/MS and GC-MS were employed for the identification of the generated byproducts allowing to propose schemes of transformation pathways of these four molecules under these various treatments.