Soutenance de thèse de Fanny DESBIOLLES

La carbamazépine (CBZ) est un antiépileptique largement consommé et peu dégradé (abattement<20%) dans les stations de traitement d’eaux usées. Par conséquent, il est rejeté en quantité significative sous sa forme originale dans les eaux de surface. Ainsi, cette thèse visait à étudier le devenir de CBZ et de deux de ses métabolites biologiques connus, à savoir l'oxcarbazépine (OxCBZ) et l'acide 9-carboxylique acridine (9-CAA), sous irradiation par la lumière solaire dans des eaux naturelles douces et salées. Les suivis cinétiques et analytiques ont permis de mettre en évidence des comportements différents en fonction des composés mais aussi des types d’eaux. La phototransformation de OxCBZ s’est avérée être la plus efficace suivie par celle de 9-CAA et enfin celle de CBZ. Les processus régissant leur transformation dépendent des composés. Dans tous les cas, on constate un mécanisme de dégradation induite et c’est le seul en jeu pour CBZ. Pour OxCBZ et 9-CAA, la photolyse directe est aussi observée ainsi que des réactions d’atténuation naturelle, notamment pour OxCBZ, mais dans une moindre mesure. La contribution relative de ces différents processus est dépendante du milieu naturel. Pour expliquer les différences constatées selon le type d’eaux, le contenu chimique et les espèces chimiques réactives générées dans ces milieux ont été étudiés. La formation de radicaux hydroxyles (•OH) a été mise en évidence dans les eaux en utilisant une sonde chimique et confirmée par des expériences en spectrophotométrie résolue en temps. La formation de radicaux carbonates (CO3•-) a été clairement montrée dans l’eau de l’Arc et dans une moindre mesure celle des radicaux bromures (Br2•-) dans les autres eaux. Ces deux dernières espèces chimiques réactives sont générées par les radicaux •OH et les ions inorganiques présents dans les eaux naturelles. Les constantes de réaction entre les composés et les radicaux identifiés ont été déterminées en mettant en œuvre des réactions de compétition. Ces constantes montrent une réactivité des radicaux hydroxyles avec les composés au moins 100 fois plus grande que celle des radicaux CO3•- et Br2•-. Ces résultats justifient la dégradation induite de CBZ par les radicaux •OH dans l’eau de l’Arc et sa dégradation plus faible dans les eaux salées, où la formation des radicaux bromures est favorisée. Pour préciser les processus de dégradation, les produits de transformation de CBZ, OxCBZ et 9-CAA ont été identifiés par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution. Des voies réactionnelles ont été proposées en lien avec la formation de dérivés issus de processus d’hydroxylation, d’oxydation, de contraction de cycle, de perte de la fonction latérale, et d’ouverture de cycle aromatique suivi d’un réarrangement. Dans les eaux salées, la dégradation induite de CBZ et de 9-CAA génèrent aussi des sous-produits organo-bromés et chlorés. Afin d’évaluer les conséquences de ces transformations photochimiques pour l’écosystème, l’'écotoxicité aiguë et chronique de CBZ, OxCBZ et 9-CAA a été évaluée sur 3 espèces vivantes de différents niveaux trophiques en mesurant les paramètres suivants : luminescence sur la bactérie Vibrio fischeri, croissance et développement et phytométabolites sur la lentille d'eau Lemna minor L. et altération aux niveaux population, cellulaire et moléculaire sur le cnidaire Hydra attenuata Pall. Les composés pharmaceutiques ont été testés individuellement et en mélange à doses environnementales. Un effet à faible concentration a été mis en évidence sur Hydra attenuata. L’approche développée dans ce travail pourra être appliquée à l’étude du devenir d’autres molécules pharmaceutiques persistantes.

Carbamazepine (CBZ) is a widely consumed anti-epileptic pharmaceutical drug. It has been proved to be inefficiently removed in activated sludge secondary treatment process (removal rate<20%). Consequently, it is almost completely rejected in its original form into fresh and marine surface waters. Hence, this thesis aimed to study the fate of CBZ and two of its known bio-metabolites, i.e. oxcarbazepine (OxCBZ) and 9-carboxylic acridine acid (9-CAA), under solar light irradiation, after their release into natural surface waters. Kinetic and analytical monitoring showed that degradations mechanisms are both compound and water types dependent. The phototransformation of OxCBZ proved to be the most effective followed by 9-CAA and CBZ. Processes involved in these transformations are compound dependent. In any case the induced degradation of these compounds occurs and this is even the exclusive way for CBZ. For 9-CAA and OxCBZ , direct photolysis is also observed together with natural attenuation, especially for OxCBZ, but in a lesser extent., The contribution of these processes is dependent on the type of water. To deeper understand the differences noted, the nature and the abundance of the reactive chemical species were investigated and related to the chemical content of each water. The formation of hydroxyl radicals (•OH) in waters was evidenced using a probe compound as well as laser flash photolysis experiments. The formation of carbonate radicals (CO3•-) was clearly demonstrated in Arc water and to a lesser extent bromide radical’s formation (Br2•-) in other waters. Both latter reactive chemical species were generated by •OH radicals and inorganic ions present in waterbodies. By implementing competition reactions, the rate constants of each compound with each chemical radical species were determined. In comparison to bromide and carbonate radicals, much higher reaction rates of hydroxyl radicals (more than 100 times higher) were observed with all the compounds. These results justify the noticeable induced degradation of CBZ by •OH radicals in Arc water and its less significant transformation in saline waters, where the formation of bromide radicals is favoured. To get deeper insight in degradation processes, the transformation products of CBZ, OxCBZ and 9-CAA were identified by using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry. Mechanistic pathways were proposed according to the formation of derivatives from hydroxylation, oxidation, ring contraction, loss of side function, aromatic ring opening and rearrangement reactions. In saline waters, induced degradation of CBZ and 9-CAA generated also organo-brominated and chlorinated by-products. .To investigate the consequences of photochemical transformation for the ecosystem, acute and chronic ecotoxicity of CBZ, OxCBZ and 9-CAA were investigated on 3 living species from different trophic levels. The following endpoints were monitored: luminescence on the bacteria Vibrio fischeri, growth and development and phytometabolites on the duckweed Lemna minor L. and alterations at the population, cellular and molecular levels on the cnidarian Hydra attenuata Pall. Pharmaceuticals were tested individually and in mixture at low environmental concentration levels. An effect at low concentration was evidenced on Hydra attenuata. The methodology developed in the present work can be applied to further study the environmental fate of other persistent pharmaceuticals.