Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Contamination des milieux aquatiques par les composés chimiques : lien entre présence et
effets
H. Budzinski
LPTC – EPOC- UMR 5805 CNRS - Université Bordeaux I
Importance de préserver la ressource en eau (moins de 1% eau douce) de la pollution
(pollution : dégradation de la qualité de l’eau par des substances naturelles, chimiques ou
radioactives, par des bactéries ou par des déchets (industriels ou ménagers).
0
4000
8000
12000
16000
20000
0
2
4
6
8
10
1950 2000 2025
Qua
ntit
é d'
eau
douc
e re
nouv
elab
le
disp
onib
le p
ar h
abit
ant
(m3 )
Popu
lati
on m
ondi
ale
(mill
iard
s) 8 milliards d’habitants
5 100 m3
5 100 m3
QUANTITE
QUALITE
60 000 substances sont communément utilisées
95 % contiennent au moins 1 atome de C (composés
organique)
Produits Chimiques – Contaminants Chimiques?
La production mondiale de substances chimiques est passée
d’1 million de tonnes en 1930 à 400 millions aujourd’hui.
Développement des activités humaines= milliers de substances chimiques libéréesdans l’environnement
Sources et origines des contaminants
Origine naturelle
Métaux
HAP
Origine Agricole
Pesticides
Nitrates
Exposition
via le milieu
(air, eau…)
Exposition
trophique
via l’alimentation
Origine Urbaine
Alkylphénols
Pharmaceutiques
HAP
Origine Industrielle
COV
Chloroalcanes
Alkylphénols
Métaux Alkylphénols
HAP
Chloroalcanes
Ressource
Milieu de vie
Usage - rejet Dégradation
incomplète - rejet
Présence -
Impact ?
Mil
lier
s d
e m
olé
cule
s
Focazio et al. (2008)
On analyse bien ce que l’on connait bien : danger des coincidences Impossible d’analyser tout Nouveaux composés Composés inconnus (transformations, …)
Quels composés et pourquoi? - Lien Présence - Effet ?
Contaminants émergents - hydrophiles
Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)
Composés organo-chlorés
• Pesticides, Polychlorobiphényles, Dioxines, Furanes
Retardateurs de flamme (Diphényl-éther-polybromés (PBDE), …)
Substances pharmaceutiques, cosmétiques
PFOS, PFOAS
Alkylphénols polyéthoxylates (détergents)
Pesticides
Phtalates
Bisphénol A
BTEX, Solvents chlorés, MTEBE/ETBE, ….
Composés analysés ciblés
#moléc pos neg pos+neg tot 8936 1328 10264
unique entrée 5015 849 5864 unique sortie 2085 408 2493
#moléc 10000cps pos neg pos+neg
tot 1431 260 1691 unique aq 2 T0 699 142 841
unique aq2 T0+2s 87 33 120
#moléc 5000cps pos neg pos+neg
tot 2513 562 3075 unique aq 2 T0 1220 313 1533
unique aq2 T0+2s 192 73 265
Analyse non ciblée
Screening STEP
7771
5864
1907 + 2493
Composé Famille Entrée O3 Sortie O3 / entrée CA Sortie CA Probabilité formule
= molécule
Venlafaxine antidépresseur 99
verapamil antiarythmique 78
Tropine 83 ; 86
spartéine antiarythmique 80 ; 83
Rimantadine Antiviral 86 ; 85
Punctaporine B Métabo. 85 ; 85
Propafenone Médicament 84 ; 84
Prometryne Pesticide 96
Hydroxydextroamphetamine 86 ; 87
Oxprenolol Médicament 85
Oxazepam Médicament 92; 92
Norverapamil médicament 77
Acide niflumique Médicament 87
Mexiletine anti-arythmique 85 ; 87; 86
Metoprolol beta-bloquant 85
methadone analgésique 84 ; 84
Meperidine analgésique 85
maprotiline antidépresseur 85
lamotrigine anticonvulsifiant 98 ; 97
kobusone 70
gliclazide Médicament 96
gabapentine Médicament 87 ; 87
fexofenadine Médicament 99 ; 97
estradiol hormone 86 ; 98
ecgonine Médicament 84
doxylamine Médicament 86 ; 84
dihydrolevobunolol Métabo. Beta-bloquant 85
diéthyltoluamide insecticide 87 ; 87
crotamiton médicament 87
benztropine Médicament (Parkinson) 98
acide aphyllique 83
tetradecadienal 87 ; 87 ; 87
4-hydroxyropivacaine métabolite méd. 80 ; 84
dodecatrien-1-ol 87
3-pinanone oxime 87
Contaminations Environnementales
• Faibles niveaux (ex : ng/L) (sensibilité – traces et ultra-traces) – Cas des hormones stéroïdiennes : effets toxiques au ng/L – NQE : endosulfan 0,5 ng/L!!!
• Matrices complexes • Multi-contaminants - Mélanges
• Sources • Lien présence - effets ? • Variabilité / Représentativité (spatiale / temporelle)?
(spécificité / multi-résidus)
Amélioration de la
Qualification de la présence -
Quantification
De l’échantillonnage ponctuel, image instantanée de l’état d’un milieu
Temps
Concentration
A l’échantillonnage intégratif, image moyennée de l’état d’un milieu
Echantillonneurs passifs
Accumulation
pseudo-linéaire
Temps
Rs
T 1/2
tR
MC
S
POCISPOCISw
C
Temps
Calibration en laboratoire
Echantillonneurs passifs : principes
Application à l’estuaire de la Gironde
Evaluation des impacts anthropiques et pressures sur l’estuaire de la
Gironde : ce système aquatique est caractérisé par une forte
variabilité (forts/faibles débits, marée, particules variables, …) ce qui
complique l’évaluation des pressions chimiques
Deux classes de contaminants :
pharmaceutiques et pesticides
Echantillonneurs passifs
Pauillac
Bordeaux
Libourne
Cadaujac
Contaminants étudiés : Sites d’échantillonnage 2010 -2011
Fongicides; 5
Insecticides; 4
Herbicides; 28
Pesticide metabolites; 12
Analgesicss ; 7
Antidepressants; 4
Anxiolitics ; 4
Bronchodilatators; 4
Lipid lowerings ; 1
Alcaloids ; 1
Atrazine-2-hydroxy
Atrazine déséthyl
ThiamethoxamImidacloprid Carbendazim
Métolachlore OA
Métholachlore ESA
S-MétolachloreIbuprofene
Naproxene
Ketoprofene
Diclofenac
Carbamazépine
others
Distribution globale des composés quantifiés dans l’estuaire n=40
(2010-2011)
Application aux pesticides S-métolachlore et ses métabolites
Application post emergence pour le maïs
Le fipronil
• Usage agricole récemment interdit • Utilisation vétérinaire • Utilisation traitement des sols
• PNEC = 0.77 ng/ L = forte toxicité
= concentrations environnementales attendues faibles
Enjeu écologique Estuaire de la Gironde
Étude du fipronil
Composé d’origine majoritairement urbaine
= détecté en entrée et sortie de station d’épuration
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
fipronil sulfide fipronil fipronil sulfone
Moyenne eaux d'entrée février
2011
Moyenne eaux de sortie février
2011
Concentrations (ng/L) en fipronil et ses métabolites Clos de Hilde - Février 2011
Étude du fipronil
Composé non détecté en milieu naturel
< 2 ng/L
PNEC = 0.77 ng/L
intérêt d’utiliser les capteurs passifs
Étude du fipronil
C moy à Bordeaux > 0.77 ng/L (PNEC) enjeu du suivi environnemental du fipronil
Concentrations moyennes (ng/L) – 9 au 23 mai 2011
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
Pauillac Port Autonome Bordeaux Libourne Cadaujac
Fipronil desulfinyl
Fipronil sulfide
Fipronil
Filpronil sulfone
Fipronil carboxamide
S = 0,9 S = 1,5
S = 1
Etude spécifique pour des antibiotiques, antiviraux, b-bloquants, anti-cancéreux
• POCIS exposés en amont (Cadaujac) et
en aval de la station d’épuration
principale de Bordeaux durant 15 jours
et échantillonnage ponctuel
• Echantillonnage ponctuel
• Pas de composé détecté en amont
• 5 composés détectés en aval
• Echantillonnage POCIS
• 11 composés détectés en amont et en
aval
Impact de la ville de Bordeaux (effluent traité de la station d’épuration principale) sur la qualité de l’eau de la Garonne
Échantillonnage passif en estuaire de Gironde
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Cw
(n
g/
L)
Concentrations moyennées dans les eaux (TWA) (ng/L)
Cadaujac Bordeaux
*
* *
*
*
Auby et al. 2011
Variation des surfaces de Zostera noltii entre
1989 et 2007
CONTEXTE
Régression dans les zones
les plus orientales du Bassin Impact des polluants majeurs ?
Concentration moyenne (ng.L-1) bassin d’Arcachon & tributaires entre
28/01/09 and 19/09/2011 (n=514 échantillons)
Bassin d’Arcachon : empreinte pesticides
Antifouling : Irgarol, diuron, DMST, DMSA
Metolachlor et cmetabo : s-metolachlore + metolachlore OA and ESA
Acetolachlor et metabo : Acetochlor + acetochlor OA and ESA
Atrazine et metabo : Atrazine + hydroxy-atrazine + DEA and DIA
4
ports
POCIS Nylon : cas de
l’Irgarol
Limite de Détection
de l’échantillonnage
ponctuel : 1 ng/L
Ostréiculture
Bassin d’Arcachon : Irgarol Détecté en intra-bassin
4
Ponctuel
POCIS Variabilité POCIS
2009 2010 2011
Lien avec l’impact
Zostères; approche en laboratoire
Mesure de la croissance foliaire des zostères
Effet mélange et Exacerbation de l’effet des contaminants en mélange aux hautes
températures
EDA : Lien présence / effet
Approche chimique
Tests in vitro
CONTAMINATION CHIMIQUE?
Approche biologique
Approche bio-analytique
Contaminants
? Effets
Détection de composés ciblés
Sensibles, sélectives
Couteuses
Composés inconnus, produits de
transformation, effets de mélange?
Détection de composés actifs
Sensibles, spécifiques, intégratifs, rapides,
quantitatifs
Identification des composés actifs à l’origine
des réponses mesurées?
Contexte
Sanchez, W. et al. Adverse effects in wild fish living downstream from pharmaceutical manufacture discharges.
Environ. Int. 37, 1342–1348 (2011)
Rivière ayant une industrie pharmaceutique et une station
d’épuration urbaine
Présence hypertrophie des gonades, insuffisance de frais
associée une intersexualité et l'induction de VTG
Contamination par des perturbateurs endocriniens
Recherche des composés responsables des effets observés
Echantillonneur
passif = POCIS Tests in vitro
Pas les bonnes
molécules ciblées
Concentrations <
LD
Aucune molécules
trouvées
Analyses chimiques ciblées
sur l’eau
Etude préliminaire
Campagne d’échantillonnage de la colonne d’eau
3 points de prélèvement: Amont, Entre et Aval
Echantillonnage passif : POCIS
(Thèse, N. Creusot 2011)
Etude préliminaire
Amont Aval
STEP
Industrie
Pharmaceutique X X
X
POCIS monté
Membrane PES Anneau acier inoxidable
Phase adsorbante Phase OASIS-HLB
[Poly(divinylbenzene)-co-N-vinylpyrrolidone
Membrane PES (polyethersulfone)
Anneau acier inoxidable
Co
nce
ntr
atio
n d
ans
le P
OC
IS
Temps
Régime d’équilibre
Régime linéaire
TEQ-Bio = CE 20 Composé de référence
CE 20 de l’extrait
Récepteurs Lignée Ligands
environmentaux Références
Récep
teu
rs s
téro
ïdie
ns
Estrogène (ER) MELN
E1,E2, EE2,
alkylphénols, BPA,
pharmaceutiques
Balaguer et al.
2001
Androgène (AR)
Glucocorticoïde (GR) MDA-kb2
DHT, BPA,
vinclozoline
pharmaceutiques
Wilson et al.
2002
Progestérone (PR) HG5LN-hMR Stéroïdes
pharmaceutiques Molina-Molina
et al.2006
Minéralocorticoïde
(MR) HG5LN-hPR
Stéroïdes
pharmaceutiques Molina-Molina
et al.2006
Récep
teu
rs d
es
xén
ob
ioti
qu
es
Dioxin (AhR) PLHC-1 / H4IIE HAP, PCB, PCDD/F... Louiz et al.
2008
Pregnane (PXR) HG5LN-hPXR E2, alkylphénols,
pharmaceutiques
Lemaire et al.
2006
Cette étude
Act
ivit
é en
zym
ati
qu
e (%
)
Etude préliminaire
Amont Aval
STEP
Industrie
Pharmaceutique X X
X
(Thèse, N. Creusot 2011)
0
50
100
150
200
250
300
350
Amont Entre Aval
So
mm
e d
es a
ctiv
ités
in
vit
ro
(µg E
Q-s
tand
ard
/g d
e p
has
e)
Etude préliminaire
(Thèse, N. Creusot 2011)
Etude préliminaire
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ER PR GR anti-MR PXR
TE
Q-B
io
(µ
g S
tan
dard
/ g H
LB
)
Activité in vitro de l’extrait de POCIS
Stéroïdes et composés pharmaceutiques suspectés
Analyses chimiques ciblées « de façon plus intelligente »
TEQ-Chem= ΣCi x TEFi
TEF = CE20 composés de référence
CE 20 composé standard
0
20
40
60
80
100
120
ER PR GR anti-MR PXR
TE
Q-C
hem
/TE
Q-B
io (
%)
(Thèse, N. Creusot 2011)
113 composés recherchés
61 composés détectés :
16 stéroïdes
45 composés pharmaceutiques
Analyses chimiques ciblées (LC MS/MS)
Etude préliminaire
Canrénone
Dexaméthasone
6α méthyl Prednisolone
EDA pour la recherche des composés actifs non identifiés
(inspiré Brack 2003)
Démarche expérimentale
Analyses
biologiques Fractionnement
Analyses
chimiques
Echantillon brut
Confirmation
Caractérisation
Liste de
composés
1 2
3
4
5
6
Identification
RP-HPLC
40 fractions collectées
Analyses ciblées (LC MS/MS)
Analyses non ciblées (LC QTOF) A
ctiv
ité
enzy
mati
que
(%)
Résultats
Profil biologique
MRERPXRPRa.MRGR
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Act
ivit
é
(% p
ar
rap
po
rt a
u c
on
trô
le p
osi
tif)
MR ER PXR PR a.MR GR
Focalisation sur la recherche de composés:
• Glucocortico-mimétiques
• Antagonistes des récepteurs minéralocorticoïques
Résultats
Analyses ciblées
a.MRGR
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Act
ivit
é
(%
par
rap
port
au c
ontr
ôle
posi
tif)
a.MR GR
Canrénone
30% a.MR
Dexaméthasone +
6α méthyl Prednisolone
35% GR
63% a.MR
6α méthyl Prednisolone
34% GR
124% a.MR
?
2-Hydroxyméthyl-
progesterone 342,2197Da diff -0,57ppm
Score MS: 98,18%
Score MSMS: 79,01%
Cicaprost 374.21Da diff -1,68ppm
Score MS: 98,42%
Score MSMS: 93,25%
Pregn-4-ene-3,20-dione,
6a,17-dihydroxy-6-méthyl- 360,2301 Da diff -0,09ppm
Score MS: 98,43%
Score MSMS: 71,62%
Résultats
Analyses non ciblées
Agilent® LC-QTOF
Formyldienolone 344,1989 Da diff -0,39ppm
Score MS: 99,36%
Score MSMS: 79,13%
Simvastatin-6'-carboxylic acid 448.2462 Da diff -0,2ppm
Score MS: 96,53%
Score MSMS: 94,17%
Fraction HPLC F15 F20
Nb de composés 168 109
Nb de spectre MSMS 11 18
CONCLUSION
• Besoin de screening ciblé quantitatif (ex : NQE) : MS/MS (QqQ) – Sensibilité : Accumulateurs (capteurs
passifs)
• Besoin d’identification – QTOF, ITMS
• Lien Présence/Effet
EDA
Etude - Gestion intégrée
Quantité
Usages (qualitatifs – quantitatifs)
Qualité
Sources Voies et mécanismes
Contaminant Impact ?
Air
Eau
Sédiment
Organismes
• Bioaccumulation
• Biotransformation
• Perturbations Fonctionnelles
• Génotoxicité
• Génomique – Protéomique
• …
• Sources - Introduction - Présence - Transformation
• Biodisponibilité
• Transfert
= Devenir - Exposition ?
PEC
PNEC
Couplage Chimie/Biologie
Merci pour
votre attention