Sources et Devenir des Produits Pharmaceutiques dans les Sols et les Eaux d'un Bassin Versant Méditerranéen

par Nico Hachgenei

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Céline Duwig, Lorenzo Spadini et de Guillaume Nord.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 23-10-2018 .


  • Résumé

    La présence généralisée des produits pharmaceutiques (PP) dans les réservoirs aqueux terrestres (eaux de surface, eaux souterraines, eaux des sols) est aujourd'hui avérée. Les deux sources principales sont les rejets urbains et les intrants agricoles. Les rejets urbains rejoignent les rivières via les collecteurs des eaux usées (Michael et al., 2013) tandis que les intrants agricoles rejoignent principalement le sol (Soulier et al., 2015). <br> <br> L'objectif général de la thèse est l'élaboration d'un modèle conceptuel déterminant les sources et le devenir des produits pharmaceutiques et des pesticides (PP) dans des bassins versants de moyenne échelle en contexte méditerranéen par l'étude des bilans de PP entrant et sortant du bassin et par couplage de ces données (1) aux propriétés chimiques (sorption, dégradation) des polluants et (2) aux propriétés hydrologiques (infiltration, effets de crues, cheminement des eaux, partage eaux souterraines – eaux de surface) du bassin étudié. Le projet s'appuie sur une étude (PHARMA-BV) initiée sur le même site en 2017 sur financement de la zone atelier du bassin du Rhône et de l'agence de l'eau Rhône Méditerranée. Ce projet a permis de collecter une liste de 300 médicaments et pesticides utilisés dans le bassin de la Claduègne et de déterminer les quantités apportées aux sols et aux eaux (Duplus, 2017). Ce bassin versant comptabilise potentiellement quatre sources distinctes de PP bien typées (prairies d'élevages, source ponctuelle hospitalière, station d'épuration, grand camping touristique), connues pour être des sources potentielles de produits pharmaceutiques (Projet RILACT, SIPIBEL : Orias and Perrodin, 2013, Rapport ANSES, 2015). De par sa moyenne échelle (43 km²) ce bassin versant intègre une diversité de caractéristiques pédo-géo-hydro-météorologiques représentatives du pourtour méditerranéen. Il est connu et suivi de longue date par les deux laboratoires partenaire de ce projet de thèse (IGE et CERMOSEM) puisqu'il fait partie de l'observatoire OHMCV, lui-même membre du réseau français des bassins versants et de l'infrastructure de recherche OZCAR. Le bassin est instrumenté pour un suivi à haute fréquence spatiale hydrologique (Nord et al., 2017). Ce suivi constitue de fait un préalable indispensable au possible bouclage des bilans de masse des PP visés dans ce projet. Les objectifs scientifiques liés à la thèse sont : <br> 1) Détermination de traceurs chimiques aqueux discriminant les parts d'eaux souterraines et de surface d'un côté, et la nature géologique contrastée du BV de l'autre côté. On espère améliorer la base de connaissance hydrologique par intégration des ions majeurs tels SO4-2 et Cl- qui se sont relevés comme traceurs de la géologie contrastée. L'interprétation couplée hydrogrammes – majeurs en haute résolution temporelle permettra de mieux déterminer les apports respectifs d'eaux surfaciques et souterraines arrivant à l'exutoire du bassin.<br> 2) Fonctionnalisation de la réactivité des solides : L'objectif est de déterminer des paramètres génériques au point de permettre la prédiction de la part sorbée sur différents sols. Toute étude de sorption sur des substrats naturels se heurte à la difficulté de sa paramétrisation de sorte à ce que les constantes de sorption obtenues permettent la prédiction de la quantité sorbée sur un autre sol. Nous proposons d'appliquer la paramétrisation sur une étude récente de l'équipe (Navel et al., accepted) qui détermine les parts respectivement sorbés sur les fraction organiques et argileuses d'un sol en se basant sur une combinaison de méthodes titrimétriques et de déterminations de la densité de sites . <br> 3) Etude du potentiel de dégradation des polluants : l'objectif est la détermination du potentiel de dégradation relatif des PP entre eux. Pour le compartiment souterrain on étudiera la durée de vie des PP par observation d'une suspension de sol contaminée aux PP dans le temps. Différentes concentrations seront suivi dans le temps. Similairement, la sensibilité à la lumière des PP sera étudiée. Le résultat attendu n'est pas la durée de vie réelle des PP, mais plutôt l'estimation relative de la durée de vie des PP entre eux, i.e. la classification possible des PP en espèces plus ou moins stable dans le temps. <br> 4) Mesure des concentrations des PP sur le réseau hydrographique de la Claduègne. Des échantillons d'eaux seront périodiquement relevés dans des points d'intérêts. A des analyses ponctuelles d'eaux se joindront des analyses de capteurs passifs permettant la détection de concentrations plus faibles. Ces données seront comparées au potentiel de sorption et de dégradation des réservoirs traversés par les polluants. L'objectif est l'élaboration d'un modèle conceptuel permettant la prédiction semi-quantitative du devenir de chaque PP dans le système étudié. Le projet focalise sur l'obtention de données robustes et représentatives physiques, chimiques et microbiologiques. Chaque PP sera évalué par rapport à son devenir, la sortie du modèle sera comparée aux mesures des PP réalisés dans la phase aqueuse aux différents points de prélèvements.

  • Titre traduit

    Sources and fate of pharmaceutical products in the soils and waters of a Mediterranean watershed


  • Résumé

    The widespread presence of pharmaceutical products (PP) in terrestrial water reservoirs (surface water, groundwater, soil water) is now established. The two main sources are urban discharges and agricultural inputs. Urban discharges enter rivers via wastewater treatment plants (Michael et al., 2013) while agricultural inputs mainly infiltrate into the soil (Soulier et al., 2015). The general objective of the thesis is the elaboration of a conceptual model determining the sources and fate of pharmaceuticals and pesticides (PP) in medium-scale watersheds in the Mediterranean context by studying incoming PP balances and by coupling these data (1) to the chemical properties (sorption, degradation) of the pollutants and (2) to the hydrological properties (infiltration, effects of floods, flow of water, sharing groundwaters - surface waters) of the studied basin. The project is based on a study initiated on the same site in 2017. This project listed 300 PP and pesticides used within this basin and determined the quantities brought to the soils and waters for most of them (Duplus, 2017). The catchment area of Claduègne contains four distinct sources of PP: farm meadows, hospitals, wastewater treatment plants, tourist campsites). Other studies confirm the release of PP from such sources (RILACT Project, SIPIBEL: Orias and Perrodin, 2013, ANSES Report, 2015). Due to its medium scale (43 km²) this watershed integrates a diversity of pedo-geo-hydro-meteorological characteristics representative of the Mediterranean region. It is known and followed for a long time by the two partner laboratories of this thesis project (IGE and CERMOSEM) since it is part of the OHMCV observatory, itself a member of the French network of watersheds and water research infrastructure OZCAR. The basin is instrumented for hydrological monitoring on a high spatial frequency (Nord et al., 2017). This monitoring constitutes a prerequisite for the possible closure of the mass balance sheets of the PPs targeted in this project. The scientific objectives of the PhD are: 1) Determination of aqueous chemical tracers discriminating ground and surface water contributions on one hand, and the contrasting geological nature of the watershed on the other hand. It is hoped that the hydrological knowledge base will be improved by the integration of major ions such as SO4-2 and Cl-. The coupled interpretation of hydrographs and major ions in high temporal resolution will allow discriminating the respective contributions of groundwater versus surface water at the watershed outlet. 2) Functionalization of the reactivity of the solids: The objective is parametrize the soils in order to predict their sorption capacity. We propose to apply a results of a recent study by the team (Spadini et al., 2018) that is to determine the sorption capacity from a combined titrimetric and chemical analysis approach. That allows determining the respective contributions of organic matter and clay on the sorption of pollutants. 3) Study of the pollutants degradation potential: the objective is the determination of the relative degradation potential of the different PP. For the soil compartment we will study the life time of the PP by observing a soil suspension contaminated with different concentrations of PP over time. Similarly, the light sensitivity of PP will be studied. The expected result is not the PPs actual lifespan, but rather a relative life time estimate of the different PP, i.e. the possible classification of PP in species more or less stable over time. 4) Measurement of the PP concentrations in the Claduègnes hydrographic network. Water samples will be periodically taken from points of interest. Punctual analyzes of water will be combined with passive sensor analyzes to detect lower concentrations. These data will be compared to the sorption and degradation potential of reservoirs crossed by the pollutants. The objective is the elaboration of a conceptual model allowing the semi-quantitative prediction of the fate of each PP in the studied system. The project focuses on obtaining robust and representative physical, chemical and microbiological data. Each PP will be evaluated in relation to its fate, the output of the model will be compared to the measurements of the PP made in the aqueous phase. Nord, G., Boudevillain, B., Berne, A., Branger, F., Braud, I., Dramais, G., Gérard, S., Le Coz, J., Legoût, C., Molinié, G., Van Baelen, J., Vandervaere, J.-P., Andrieu, J., Aubert, C., Calianno, M., Delrieu, G., Grazioli, J., Hachani, S., Horner, I., Huza, J., Le Boursicaud, R., Raupach, T.H., Teuling, A.J., Uber, M., Vincendon, B., Wijbrans, A., 2017. A high space–time resolution dataset linking meteorological forcing and hydro-sedimentary response in a mesoscale Mediterranean catchment (Auzon) of the Ardèche region, France. Earth Syst. Sci. Data 9, 221–249. https://doi.org/10.5194/essd-9-221-2017 Orias, F., Perrodin, Y., 2013. Characterisation of the ecotoxicity of hospital effluents: A review. Sci. Total Environ. 454–455, 250–276. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.02.064 Soulier, A., Carrera, L., Le Bot, B., de Lavenne, A., Jaffrezic, A., 2015. Occurrence des résidus médicamenteux d'origine vétérinaire et traceurs de contamination fécale dans les eaux de surface dans deux bassins versants bretons (Rapport INRA et ONEMA). Spadini, L., Navel, A., Martins, J.M.F., Vince, E., Lamy, I., 2018. Soil aggregates: a scale to investigate the densities of metal and proton reactive sites of organic matter and clay phases in soil. Eur. J. Soil Sci. 69, 953–961. https://doi.org/10.1111/ejss.12695