Caractérisation de contaminants organiques dans les eaux urbaines par spectrométrie de masse haute résolution

par Tinh nghi nina Huynh

Projet de thèse en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Régis Moilleron et de Julien Le roux.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain (laboratoire) et de Equipe SIE (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La thèse s'inscrit dans le cadre du projet de recherche ANR JCJC WaterOmics (2017-2021) intitulé « Traquer les micropolluants organiques dans les eaux urbaines par spectrométrie de masse haute résolution : approches omiques, empreintes et indices ». De nombreux micropolluants émergents (ex. produits de soins corporels, antibiotiques, perturbateurs endocriniens) sont présents dans les eaux urbaines mais leur comportement et leurs transformations dans les stations de traitement des eaux usées et dans l'environnement sont peu connus. Les méthodes actuelles pour l'analyse non-ciblée des micropolluants organiques par spectrométrie de masse haute résolution (HRMS) sont longues et complexes. Le projet WaterOmics vise à développer une approche exhaustive pour traquer les polluants organiques dans les eaux urbaines par HRMS, en (1) développant un protocole complet et innovant d'extraction et d'analyse de composés polaires et non-polaires dans les eaux urbaines ; (2) développant des méthodes de traitement de données et des indices globaux dérivés d'empreintes HRMS ; et (3) appliquant des méthodes chimiométriques/omiques pour l'analyse et la comparaison d'eaux usées urbaines en parallèle d'analyses de toxicité, avec un focus sur les molécules polaires. La réalisation de ces objectifs permettra des avancées notables dans les méthodes de détection des micropolluants organiques par les méthodes d'analyse non-ciblées en HRMS. Cela permettra l'identification de nouvelles classes de composés chimiques, de métabolites et de sous-produits de dégradation, et la catégorisation des produits selon plusieurs indices (ex. formule moléculaire, hydrophilicité/polarité, mécanisme de dégradation). Développer des indices spécifiques pour la caractérisation de familles de composés aidera à obtenir des résultats plus rapides à partir de données acquises en HRMS, sans diminuer la précision des informations disponibles dans de telles données. L'originalité du projet WaterOmics réside dans cette approche globale, en évitant les étapes longues et complexes liées à l'identification des structures moléculaires des composés détectés. Cette approche sera testée à travers l'évaluation des performances de procédés avancés d'élimination de micropolluants organiques dans les filières de traitement d'eaux usées. La transformation des micropolluants lors des procédés d'oxydation (ozonation, photolyse UV, chloration, peracides) sera d'abord étudiée à l'échelle pilote ou du laboratoire. La performance de station d'épuration importantes de la région Parisienne (dont la plus grande station d'Europe) sera également évaluée en utilisant cette approche. Les résultats fourniront des stratégies de remédiation pour limiter l'impact des micropolluants organiques sur l'environnement. Un important programme de collecte d'échantillons dans les eaux usées, les rejets urbains et l'environnement sera déployé en collaboration avec un partenaire opérationnel de l'assainissement (SIAAP). Un suivi à long terme de l'impact de rejets urbains dans l'environnement sera effectué, et les empreintes HRMS de multiples eaux urbaines (eaux usées, eaux de ruissellement, eaux de surface…) seront collectées dans une base de données. La validation des méthodes et indices développés et leur robustesse sera essentielle par l'analyse de ces matrices urbaines très diverses. Les relations entre les types d'eau urbaine, les classes de contaminants présentes dans ces eaux et la toxicité des échantillons seront établies afin d'obtenir une vue globale de l'exposome lié à ces échantillons, en collaboration avec plusieurs universités aux Etats-Unis et en Australie. Ce projet fournira des outils innovants pour caractériser et suivre le comportement des composés organiques dans les eaux urbaines, ce qui bénéficiera à tous les acteurs de l'eau, chercheurs, opérationnels et industriels du traitement de l'eau.

  • Titre traduit

    Characterization of organic contaminants in urban waters by high resolution mass spectrometry


  • Résumé

    Numerous emerging micropollutants (e.g., personal care products, antibiotics, endocrine disruptors) are found in urban waters but their transformation and behavior in wastewater treatment plants and in the urban environment are not well characterized. Current workflows for the non-targeted analysis of organic micropollutants by high resolution mass spectrometry (HRMS) are complex and time-consuming. The aim of this 4-year project is to develop a comprehensive approach for the characterization of organic micropollutants in urban waters by HRMS, by (1) providing an innovative protocol for the extraction and analysis of both polar and non-polar compounds from urban waters; (2) developing data treatment methods and global indices derived from HRMS fingerprints; and (3) applying chemometrics/omics methods for data analyses of urban water samples in conjunction with toxicity analyses, with a focus on the characterization of polar molecules. The achievement of these objectives will provide advances in workflows for the detection of micropollutants using non-targeted analyses. It will allow the potential identification of new classes of chemicals, metabolites and degradation products, and the categorization of products based on several indices (e.g., molecular formula, hydrophilicity/polarity, type of degradation mechanism). Developing specific indices to characterize families of compounds will help getting faster results from HRMS measurements, without reducing the level of details obtained by HRMS analysis. The originality of the WaterOmics project lies in this global approach, by avoiding the time-consuming and complex steps of molecular structure identification. This approach will be tested through the evaluation of performances of advanced wastewater treatment processes towards the elimination of organic micropollutants. Micropollutant transformation during various oxidation processes (ozonation, UV photolysis, chlorination, peracids) will be studied at the lab-scale and pilot-scale. The performance of major wastewater treatment plants of the Paris conurbation (including the largest European plant) will also be evaluated for the removal of micropollutants. Results will provide remediation strategies to limit the impact of micropollutants on the environment. An important sampling program in wastewater plants, discharges and urban rivers will be performed in collaboration with a major wastewater plant operator (SIAAP). The long-term impacts of urban water discharges in the environment will be followed, and multiple HRMS fingerprints from various urban waters (i.e., wastewater, runoff and fresh waters) will be acquired in a database. The validation of methods and indices and their robustness by investigating a broad range of water matrices will be essential. Relationships between classes of urban contaminants and the toxicity of samples will be established to get a comprehensive view of the exposome from urban water samples. This project will provide innovative tools to characterize and monitor the behavior of organic compounds in water systems and their toxic impacts, which will benefit to the water community, from researchers to operational institutions and industrial structures involved in water management and treatment.