Investigations sur les cyanotoxines et les composés volatiles organiques au lac Karaoun (Liban) par des techniques bioanalytiques et de spectrometrie de masse.

Investigation on cyanotoxins and volatile organic compounds in lake Karaoun (Lebanon) by bioanalytical and mass spectrometry techniques

• Auteur / Autrice : Noura Hammoud
• Direction : Ryszard Łobiński, Kamal Slim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et environnement
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM UMR 5254) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Litani (cours d'eau)

Cyanobactéries

Mots clés libres

Cyanobactéries

Cyanotoxines

Spectrometrie de masse

Composés organiques volatiles

Chromatographie liquide et de gaz

Q-PCR

ELISA/ PPIA

Haute résolution

Cyanobacteria

Cyanotoxins

Mass spectrometry

Volatile Organic Compounds

Liquid/gas chromatography

Q-PCR

ELISA/ PPIA

High resolution

Résumé

Le lac Karaoun est le plus grand espace d’eau douce au Liban. Le barrage construit en 1965 sur le plus long fleuve du pays (Litani), avait plusieurs objectifs comme production de l’électricité (hydroélectricité), l’irrigation et alimentation de la capitale Beyrouth en eau potable. Au début, le lac bénéficiait d’une excellente qualité d’eau, mais actuellement, il est considéré comme hypereutrophe, suite à l’enrichissement excessive en engrais. Depuis quelques années, le lac subisse d’efflorescences successives des deux cyanobactéries : Microcystis aeuriginosa et Aphanizomenon ovalisporum.Aujourd'hui, et suite à la dégradation par les eaux usées / industrielles, les activités agricoles excessives de la région et les incidents occasionnelles de mort de poissons et de chèvres, toute utilisation du lac est devenue interdite. Parfois et due à la prolifération excessive de cyanobactéries, le cours d’eau peut être bloqué. Cette thèse évalue l’impact de ces efflorescences sur la production de cyanotoxines, et propose une approche méthodologique pour la surveillance systématique du réservoir.Des campagnes d’échantillonnage quasi-mensuelles ont été menées entre en août 2019 et en octobre 2020. Les échantillons d'eau ont été directement examinés pour des identifications taxonomiques. Des examens moléculaires utilisant la q-PCR, des évaluations biochimiques (ELISA et PPIA) ainsi que des techniques de spectrométrie de masse (LC-MS/MS, LC-HRMS et HS-SPME-GC-MS) ont été mis en œuvre pour une approche holistique et complémentaire, afin d'avoir une vue d'ensemble de l'état du réservoir d'eau.Suite à l’eutrophisation, deux cyanobactéries dominent le lac. Également, les résultats ont confirmé leur sécrétion importante de cyanotoxins et par la suite la contamination du lac par des taux élevés de métabolites secondaires (presque 200 fois plus élevés que les recommandations de l'OMS). Les microcystines sont les plus abondantes, principalement en octobre et décembre avec des concentrations allant jusqu'à 200 µg/L. D'autres toxines ont également été détectées (anabaenopeptines), ainsi que certains composés bioactifs (microginines, Aeruginosine et Balgacyclamide).Parallèlement, une variété de composés bio-organiques de goût et d'odeur a été détectée dans les échantillons d'eau (comme le disulfure de diméthyle, le trisulfure de diméthyle, le tétrasulfure de diméthyle, la dihydro 6- ionone, le β-cyclocitral, le 3 méthyl-indole, la dihydro β-ionone, la β-ionone). Les échantillons contenant des composés sulfureux avaient des odeurs caractéristiques de ''septique''/''chou'', dégradant la qualité esthétique des eaux destinées à la consommation humaine. D'autres composés d'activités anthropogéniques et reflétant les différentes sources de pollution le long du cours d'eau et du réservoir ont également été perçus, tels que le toluène et le trichlorométhane.Toutes les méthodes appliquées ont donné des résultats convergents. La spectrométrie de masse a permis pour la première fois la caractérisation d’un nombre important de cyanotoxins appartenantes à des classes différentes.

Karaoun artificial lake (1965) is the largest water body in Lebanon and undergoes successive blooms of two potentially toxic cyanobacteria: Microcystis aeruginosa and Aphanizomenon ovalisporum. Apart from lake Kinneret, middle-eastern lakes are poorly studied and documented. Hydropower, irrigation and future water supply to the capital Beirut were the main purposes of the reservoir back in the 60ties when the water quality was outstanding. Since then, untreated industrial water, sewage and agricultural activities (excessive use of fertilizers) have resulted in the degradation of the water quality and lake eutrophication. At present, several activities are prohibited due to the degraded state of the lake and due to the occasional environmental disasters (massive death of fish and goat, the blockage of the river flow by hyper- scums and the bad odor emissions). This thesis addresses the question of assessment of the effects of such blooms and to facilitate the implementation of the adequate future monitoring of the reservoir. The literature part gives a general overview on cyanobacterial blooms, their driving factors and their potential risks and impacts. It also summarizes the latest techniques implemented in the detection of cyanobacteria and the quantitation of their secondary metabolites. It also describes the site of the Lebanese reservoir Karaoun in the context of its environmental problems.Nearly monthly field campaigns were conducted between August 2019 and October 2020. Water specimens were directly examined for taxonomic identifications and then processed together with fish samples with adequate preliminary pre-treatments. Molecular examinations using q-PCR, biochemical techniques (ELISA and PPIA), and mass spectrometry (LC-MS/MS, LC-HRMS and HS-SPME-GC-MS) were implemented for a holistic and complementary approach.Results not only confirmed the dominance of cyanobacteria because of nutrient enrichment in the lake, but also proved its contamination with high levels of cyanotoxins (almost 200 times higher than the WHO guidelines). Microcystins were the most abundant toxins, mainly in October and December with concentrations up to 200 µg/L. Other toxins were also detected (anabaenopeptins), together with some bioactive compounds (microginins, Aeruginosin and Balgacyclamide).In parallel, a variety of bio-organic taste and odor compounds, e.g. dimethyl disulfide, dimethyl trisulfide, dimethyl tetrasulfide, dihydro 6-ionone, β-cyclocitral, 3 methyl-indole, dihydro β-ionone, β-ionone) were detected in water samples. Samples with sulfur compounds had distinctive “septic”/“cabbage” odors, degrading the quality of water intended for human consumption. Other anthropogenic compounds, such as toluene and trichloromethane, reflecting the various sources of pollution along the stream and the reservoir were also detected. The results of all the applied methods converged, with mass spectrometry techniques showing the possibility of the identification of the individual species not possible to be obtained by the other techniques.