Absorption de micropolluants organiques par les cultures maraîchères irriguées par les eaux usées traitées : développements analytiques pour mener des études sur le terrain

The use of wastewater in agricultural sector for irrigation and fertilization purposes is not a recent practice. However, until the past couple decades this practice has been of increasing interest regarding the global safety, particularly human health. Besides to the useful nutrients and organic matter that wastewater introduces to the agricultural lands, pharmaceutical active compounds (PhACs) and other organic micropollutants are also co-introduced leading to the presence of undesired chemicals in agroecosystems, most remarkably in crops intended for human consumption. Incredible effort has been made in last couple decades to analyze such contaminants in environmental samples, yet there is still a lack of robust analytical methods for the extraction and quantification of a large number of PhACs and other wastewater pollutants, and a lack of knowledge regarding their fate and behavior in the entire agroecosystem including soil and crops.In this context, the first objective of this thesis was to develop robust and sensitive analytical methodologies specific to soil and crops matrices (e.g., root and leave) to analyze a large number of wastewater organic contaminants mainly PhACs and their metabolites. QuEChERS-based methods followed by detection and quantification on high-resolution mass spectrometry were successfully developed for soil, lettuce/leek root and lettuce/leek leaves. Good recoveries were obtained for the 48 studied compounds in all matrices (in general between 80 and 120 % for most of the compounds). Detection and quantification of compounds was performed on a high-resolution mass spectrometry on quadrupole-time of flight (Q-TOF) coupled to liquid chromatography provided from SCIEX technology. Comparing the two recently developed acquisition modes high-resolution multiple reaction monitoring (MRMHR) and Sequential Window Acquisition of All Theoretical Fragment-Ion Spectra (SWATH) gave similar results, though MRMHR gave more consistent results for most of the compounds. Finally, satisfying detection and quantification limits were obtained for all 3 matrices, for instance lettuce leaves matrix in MRMHR acquisition gave detection limits ranging from 0.01 to 0.12 ng/g and quantification limits ranging from 0.04 to 0.38 ng/g dry weight (d.w).Later, the following objective was to apply these methodologies on real agricultural field irrigated with local treated domestic wastewater. The second objective allowed us to understand the distribution of selected contaminants in soil and crops and calculate their bioconcentration factors, to discriminate their degradation in soil and crops, and finally to assess the potential risk for human consumption of wastewater irrigated crops. Two years of successive growth cycles of lettuce and leek under greenhouse field conditions were successfully implemented. Different kinds of water were used for irrigation mainly domestic treated wastewater, following real drip irrigation conditions. Little accumulation in soil and crops was found, which was explained by the intensive degradation of contaminants in soil and metabolism in crops. A few metabolites were detected in lettuce leaves, particularly carbamazepine-epoxide which was produced by the lettuce metabolism. Finally, this study revealed a de minimis human health risk related to the consumption of raw vegetable irrigated with treated wastewater.The last objective was to study the fate of selected contaminants introduced in soil by wastewater irrigation, when they are exposed to the ubiquitous filamentous soil fungi Trichoderma. Implemented experiments in liquid medium revealed for the first time an important ability of Trichoderma species, namely T. harzanium and T. asperellum to degrade two fluoroquinolones antibiotics (ciprofloxacin and ofloxacin), and one fungicide (climbazole). Equally important, new metabolites of ofloxacin and climbazole were tentatively identified in this study for the first time.L'utilisation des eaux usées dans l’agriculture à des fins d'irrigation et de fertilisation n'est pas une pratique récente. Cependant, au cours de ces deux dernières décennies, cette pratique a suscité un intérêt croissant au regard des risques potentiels qu’elle représente pour la santé humaine. Outre les nutriments utiles et la matière organique que ces eaux introduisent dans les terres agricoles, des produits pharmaceutiques (PhACs) et d’autres micropolluants organiques sont également co-introduits, conduisant à la présence de composés chimiques indésirables dans les agroécosystèmes, plus remarquablement dans les cultures destinées à la consommation humaine. Des efforts incroyables ont été faits au cours des deux dernières décennies pour analyser ces contaminants dans des échantillons environnementaux, mais il y a encore un manque de méthodes analytiques robustes pour l'extraction et la quantification des multiples micropolluants organiques présents dans des matrices complexes comme les sols et les végétaux, et un manque de connaissances concernant leur devenir dans les agroécosystèmes. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de développer des méthodologies analytiques robustes pour analyser de nombreux micropolluants organiques présents dans les eaux usées, particulièrement les PhACs et leurs métabolites dans le sol et les racines/feuilles de laitue et poireau. Ces méthodes sont basées sur QuEChERS suivies d'une détection par LC-HRMS-QTOF. Des bons taux de récupérations ont été obtenus pour les 48 composés étudiés dans toutes les matrices (en général entre 80 et 120% pour la plupart des composés). La comparaison des deux modes d'acquisition récemment développés, high-resolution multiple reaction monitoring et Sequential Window Acquisition of All Theoretical Fragment-Ion Spectra ont donné des résultats similaires, bien que la MRMHR ait donné des résultats plus cohérents pour la plupart des composés. Enfin, des limites de détection et de quantification satisfaisantes ont été obtenues pour les 3 matrices (par exemple, 0,01 à 0,12 ng/g et 0,04 à 0,38 ng/g poids sec ont été obtenus par les feuilles de laitue, respectivement)L'objectif suivant consiste à appliquer ces méthodologies analytiques pour suivre le comportement et devenir de certains micropolluants sur un champ agricole irrigué avec des eaux usées domestiques traitées. Le deuxième objectif nous a donc permis de comprendre leur distribution dans le sol et les cultures en calculant des facteurs de bioconcentration, en discriminant leur dégradation dans le sol à celle dans les plantes, ceci afin d'évaluer le risque potentiel pour la consommation humaine de végétaux irrigués avec des eaux usées traitées. Deux années successives de culture de laitue et poireau sous serre ont été mises en œuvre, et irrigués goutte à goutte avec différents types d'eau, principalement les eaux usées domestiques traitées. Une faible accumulation dans le sol et les végétaux a été constatée, ce qui s'explique par leur dégradation intensive dans le sol et la plante. Quelques métabolites ont été détectés dans les feuilles de laitue, en particulier la carbamazépine-époxyde issue du métabolisme de la carbamazépine par la plante. Enfin, cette étude a révélé un risque minimum pour la santé humaine lié à la consommation de légumes crus irrigués avec des eaux usées traitées. Le dernier objectif est d'étudier le devenir de certains contaminants introduits dans le sol par l'irrigation des eaux usées, lorsqu'ils sont exposés aux champignons filamenteux du genre Trichoderma omniprésents dans le sol. Des expériences mises en œuvre en milieu liquide ont révélé pour la première fois une capacité importante des espèces de Trichoderma (T. harzanium et T. asperellum) à dégrader deux antibiotiques (ciprofloxacine et ofloxacine) et un fongicide (climazole). Tout aussi important, de nouveaux métabolites de l'ofloxacine et du climbazole ont été identifiés pour la première fois