Analysis and fate of selected human-used antibiotics in surface waters

par Juliana Feitosa Felizzola

Thèse de doctorat en Sciences de l'environnement

Sous la direction de Serge Chiron.

  • Titre traduit

    Analyse et destin d'antibiotiques humain usagés dans les eaux de surface


  • Résumé

    Ce travail contribue à la connaissance du cycle de vie des antibiotiques à usage humain. Il a été en grande partie motivé par l’augmentation de l’antiobiorésistence. La première partie de ce mémoire est consacrée au développement d’une méthodologie analytique pour le dosage simultané et en routine de douze antibiotiques appartenant aux principales familles d’antibiotiques (fluoroquinolone, tétracycline, sulfonamide et macrolide) dans les rejets urbains et dans eaux de surface. Cette méthodologie est basée sur le couplage en ligne de l’extraction en phase solide (SPE), la chromatographie liquid (LC) et de la spectormétrie de masse (analyseur trappe d’ions). Ses avantages sont d’une part l’automatisation des analyses et d’autre part, la plus grande sélectivité de l’analyseur trappe d’ions par rapport à l’analyseur triple quadrupolaire dans des matrices complexes premettant d’éviter les faux positives et le faux négatifs pour des concentrations en analyte superieures à 50 ng /L. Les limites de detection sont comprises entre 1-50 ng /L en fonction du composé analysé. La deuxiéme partie porte sur l’étude des niveaux de présence d’antibiotiques à usage humain dans un petit cours d’eau méditerranéen (L’arc, Aix-en-Provence, France) ainsi que sur leur distribuition spatio-temporelle. Dés prélèvements d’échantillons d’eau et de sédiment ont été effectués sur plusieurs mois en hiver et au printemps, le long de la rivière et en aval du rejet de la station d’épuration de la ville d’Aix-en-Provence. Les résultats montrent que les composés les plus fréquemment détectés sont les antibiotiques de la famille des macrolides (azithromycine, clarithromycine et roxithromycine. La pollution est essentiellement hivernale. Les concentrations en clarithromycine et en roxithromycine dans la phase dissoute peuvent alors dépasser le µg/L en raison d’une forte consommation de ces médicaments durant cette période et en l’absence d’une dilution significative des rejets urbains. Ces niveaux de concentration sont en moyenne, dix foix supérieurs à ceux rencontrés dans les grands fleuves européens. L’azithromycine s’accumule en revanche dans les sédiments. L’étude de la distribution spatiale révèle une grande persistance des macrolides dans l’eau et une dégradation lente de ces composés dans les sédiments. La troisième partie est consacrée à l’étude en laboratoire des mécanismes de dégradation antibiotique de trois macrolides (la clarithromycine, la roxithromycine et l’erythromycine A) dans des systèmes eau/sédiment. La dissipation des macrolides de la phase aqueuse est le résultat d’une part, de la photolyse direct des complexes Fe (III) – macrolide et d’autre part de l’eur adsorption sur les sédiments. Concernant la photo dégradation de la clarithromycine, les temps de demie vie déterminés à l’aide d’un modèle cinétique devraient excéder 40 jours en Novembre et 25 jours en Mai, rendant cette voie de dégradation ineffective dans le petits cours d’eau. En revanche elle pourrait s’avérer plus significative dans les facs et les systèmes lagunaires ou les temps de résidence des eaux sont plus importants. La photolyse des complexes Fe (III) – macrolide conduit principalement à l’ouverture du cycle lactonique des macrolides et constitue une voie de détoxification de ces composés. La sorption des macrolides sur les oxydes de Fer (III) et de Manganèse (IV) entraine une hydrolyse accélérée de ces composés et conduit principalement à la perte du cladinose. Toutefois, cette voie de dégradation devrait être atténuée dans les milieux naturels du fait de la sorption compétitive des macrolides sur les matrizes organiques. Les produits de dégradation pourraient conserver une activité biologique.


  • Résumé

    This work contributes to the knowledge of the life cycle of selected human-used antibiotics. It was largely motivated by the increase of the antiobiorésistence. The first part of this memory is dedicated to the development of an analytical methodology for the simultaneous quantification and identification in routine of twelve antibiotics belonging to the main families of antibiotics (fluoroquinolone, tetracycline, sulfonamide and macrolide) in urban wastewater and in surface waters. This methodology is based on on-line solid phase extraction (SPE), coupled with liquid chromatography (LC) and mass spectrometry (Ion Trap). Its advantages are on the one hand, the automation of the analyses and on the other hand, the higher selectivity of the ion trap analyser in comparison to the triple quadrupole in complex matrices, avoiding false positives and false negatives for concentrations above the 50 ng/L. The limits of detection are in the 1-50 ng /L range according to the analyzed compound. The second part is devoted to the survey of the occurrence levels of selected human used antibiotics in a small Mediterranean river (Arc River, Aix-en-Provence, France) as well as their spatio-temporal distribuition. Sampling of water and sediment has been done during several months in winter and in spring, along the river and downstream the outlet of the sewage treatment plant of the city of Aix-en-Provence. The results show that the most frequently detected compounds belong to the macrolide antibiotic family (azithromycin, clarithromycin and roxithromycin). The pollution occurs essentially in the winter. The concentrations in clarithromycin and in roxithromycin in the dissolved phase can exceed the µg/L level because of a strong consumption of these medicines during this period and in the absence of significant dilution by background freshwater. These levels of concentration are on average, ten times superior to those met in the European large rivers. Azithromycin accumulates in the sediments. The survey of the spatial distribution reveals the persistence of the investigated macrolides in water at least for a water residence time not exceeding one day and a slow degradation of these compounds in the sediment. The third part is dedicated to the study, in laboratory, of the abiotic degradation processes of three macrolides (clarithromycin, roxithromycin and erythromycin A) in water / sediment systems. The dissipation of macrolides from the aqueous phase might be the result of the direct photolysis of the macrolide/ iron (III) complexes and their adsorption on sediment. Concerning the phototransformation of clarithromycin, half lives determined with the help of a kinetic model should exceed 40 days in November and 25 days in May. Consequently, this transformation pathway is not relevant in small rivers, where the residence time of water is small. It could be more significant in ponds and lagoons systems where the time of residence of waters will be more important. The photolysis of the complex macrolide/iron (III) probably leads to the opening of the lactonic ring of the macrolides and might constitute a pathway for detoxification of these compounds. The sorption of the macrolides on iron (III) and manganese (IV) oxides resulted mainly in their ehanced hydrolysis yielding to losses of the cladinose sugar. This degradation pathway would not be as effective in water sediment as with pure oxides, probably because dissolved organic matter (DOM) might compete with the oxide surfaces for macrolides. It yields a range of intermediates that might maintain some biological activities.

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  • Détails : 1 vol. (200 f.)
  • Annexes : Bibliographie f. 161-181

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCT 0000001027
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