Déterminants environnementaux et socio-économiques, leur influence sur les métaux traces et les produits pharmaceutiques dans les cours d’eau

Environmental and socio-economic determinants, their impacts on trace metals and pharmaceuticals in watercourses : a comparison on two watersheds of France and Ukraine

• Auteur / Autrice : Yuliya Vystavna
• Direction : Philippe Le Coustumer, Frédéric Huneau, Felix Stolberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géoressources, patrimoines et environnements
• Date : Soutenance le 09/03/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1 en cotutelle avec Kharkiv National Academy of Municipal Economy (Ukraine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Schäfer, Mikael Motelica-Heino, Hélène Celle-Jeanton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Donard, Serge Stoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants de l'eau

Eau -- Teneur en métaux

Mots clés libres

Métaux traces

Produits pharmaceutiques

Echantillonnage passif

Indicateurs socio-économiques

France

Ukraine

Trace metals

Pharmaceuticals

Passive sampling

Socio-economic indicators

France

Ukraine

Résumé

Les objectifs de cette étude comparative de deux bassins versants en France et en Ukraine» sont de trois ordres : i) déterminer l’occurrence des micropolluants émergents (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface, ii) permettre leur évaluation qualitative et quantitative et enfin iii) estimer leur distribution en fonction du contexte socio-économique. Cette recherche porte sur l'analyse de l'origine, sur les propriétés physico-chimiques et sur le comportement des micropolluants (métaux traces et molécules pharmaceutiques) dans les eaux de surface des rivières Jalle (Bordeaux, France) et Udy & Lopan (Kharkiv, Ukraine). Un suivi des métaux traces et des produits pharmaceutiques dans les eaux naturelles de surface dans différents contextes et conditions climatiques a été réalisé. La description et l'analyse des facteurs environnementaux et socio-économiques influençant l’hydrochimie locale en vue de conclure sur l’opportunité et l'intérêt des micropolluants émergents comme indicateurs anthropiques du contexte socio-économique et environnemental d‘un bassin versant ont été mis en œuvre. L’étude a combiné des techniques de prélèvements d’échantillons d’eau classiques et par capteurs passifs in situ. L’analyse semi quantitative des micropolluants émergents a porté sur les métaux traces (sonde DGT) et les produits pharmaceutiques (POCIS). L’usage de ces capteurs a permis d’évaluer les différentes formes d'éléments, les sources, les variations saisonnières et spatiales, l'accumulation et les risques environnementaux. A partir des données environnementales collectées, acquises, actualisées et validées il a été possible de modéliser la consommation régionale de médicaments dans le cas de (1) la région de Kharkiv, en Ukraine, sur les rivières Lopan et Udy du bassin Seversky Donets et (2) la région de Bordeaux, en France, sur la rivière Jalle, du bassin de la Garonne. Les sites ont été sélectionnés pour représenter une diversité tant du point de vue de l'état de pollution des eaux (nature et flux) que de celui du paysage socio-économique (contexte urbain, social et indicateurs économiques). Les résultats majeurs de cette étude sont : (i) méthodologique pour le développement et la validation de protocoles d’échantillonnage classique et passif (intérêt, limites, recommandations), ii) analytique quant à la mesure des éléments traces des eaux de surface naturelles dans des conditions extrêmes, iii) scientifique par l’obtention d’un jeu de données sur l’hydrochimie des éléments traces ( présence, accumulation, origine et variabilité spatiale et temporelle et iv) prospectif quant à l’usage des métaux traces et de produits pharmaceutiques comme traceurs anthropiques de l’état des eaux naturelles de surfaces et reflet du contexte socio-économique. La modélisation socio-économique (statistique) et environnementale (balance de masse) aide à comprendre l’évolution de la qualité des eaux de surface dans leur contexte régional et permet d’identifier certains contaminants comme des indicateurs des activités anthropiques d’un bassin versant et permet de définir une typologie. L’ensemble des résultats de la thèse sont présentés sous la forme d'articles publiés ou soumis dans des revues scientifiques internationales.

Диссертация «Экологические и социально-экономические факторы распространения металлов и фармацевтических веществ в природных водах: на примере рек Харькова, Украина и Бордо, Франция» на соискание степени Доктора Философии (Environmental Science) подготовлена в рамках договора о научном сотрудничестве и совместном руководстве между Университетом Бордо, Франция и Харьковской национальной академией городского хозяйства, Украина.Актуальность работы связана с сушествующими проблемами мониторинга природных вод, недостатком исследований микро-загрязнителей водотоков как во Франции, так и в Украине, существующим экологическим риском, который возникает при поступлении и накоплении металов и фармацевтических веществ в урбанизированных водотоках, а также возможностью использования химических веществ в качестве экологических и социально – экономических индикаторов. Целью диссертационной работы стало усовершенствование методов мониторинга микро-загрязнителей в природных водах и оценка возможности использования отдельных микро-загрязнителей в качестве экологических и социально-экономических показателей. Предметом исследования являются экологические и социально-экономические факторы, влияющие на распространение металлов и фармацевтических веществ в природных водах. Объектом исследования стали реки Уды и Лопань, Харьковская область, Украина и река Жаль, регион Бордо, Франция.Основные задачи: (1) провести мониторинг рек на различные формы металлов и фармацевтические вещества с применением стандартных и инновационных (пассивных) методов отбора проб; (2) опеределить экологические и социально- экономические факторы, которые влияют на распространение микрозагрязнителей в природных водах; (3) изучить возможность использования металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов антропогенного загрязнения природных вод.В результате проведенных исследований был: Впервые: (а) осуществлен мониторинг лабильных форм металлов в реках бассейна Северского Донца, в результате которого определены концентрации токсичных металлов в водотоках, источники и количество их поступления; (б) проведен мониторинг фармацевтических веществ в природных водах Украины, (в) определены концентрации и основные источники поступления фармацевтических препаратов и удельные показатели потребления различных медикаментов в Харьковском регионе; Усовершенствованы: (а) методика проведения мониторинга воды за счет применения стандартных и инновационных пассивных методов отбора проб воды в контрастных климатических и гидрологических условиях с целью исследования различных форм загрязнителей и их временных вариаций; (б) балансово-статистическая модель, которая позволяет использовать данные мониторинга природных вод для социально-экономической характеристики регионов – водопользователей; Предложены:(а) система определения геохимического фона рек на основании торий – нормализованных концентраций металлов в донных отложениях; (б) метод использование металлов и фармацевтических веществ в качестве индикаторов поступления сточных вод для идентификации несанкционированных сбросов.Основу диссертационного исследования составили натурные данные полевых исследований рек Харькова и Бордо, которые были организованы и проведены с непосредственным участием автора в 2008 – 2011 гг. Большинство лабораторных анализов было лично проведено автором в сертифицированных лабораториях Университета Бордо и Университета Орлеан, Франция.Диссертация имеет теоретическое и практическое значение для дальнейшего развития мониторинга природных вод, а также повышения уровня экологической и социальной безопасности в регионах. По теме опубликовано 4 статьи в международных журналах с высоким ИМПАКТ фактором, а также 5 статей в изданиях, реглиментированных ВАК Украины и России.

The PhD study focuses on the understanding of processes of the impact of environmental and socio-economic determinants on the occurrence, accumulation and distribution of trace metals and pharmaceuticals in urban watercourses. The research has been based on the analysis of the origin; physico-chemical properties and behavior of trace pollutants. The study was performed in two general steps: (i) monitoring of trace metals and pharmaceuticals in natural waters; (ii) description and analysis of environmental and socio-economic determinants that influence the water chemistry and (iii) evaluation of trace pollutants as environmental and socio-economic indicators. The monitoring of trace metals in natural water was proceed using the combination of passive and grab water sampling techniques, in order to evaluate various forms of elements, sources, seasonal and spatial variations, accumulation and environmental risks associated with the presence of contaminants in the study areas. The monitoring of pharmaceuticals was done using passive sensors to determine their capacity to register chemicals variation in time and adequation to use environmental data for the regional medicament consumption modeling. Monitoring data were also investigated in term of potential applications of trace metals and pharmaceuticals as environmental and socio-economic indicators. Two study sites were chosen: (1) the Kharkiv region in Ukraine where research was focused on the Lopan and Udy rivers of the Seversky Donets water basin and (2) the Bordeaux region in France where water monitoring was done in the Jalle River, Garonne water basin. Sites were mainly selected to represent the water pollution status in different socio-economic regions. General PhD results can be described as follows:1. The methodology for pilot and continuous monitoring of trace elements in the water with combination of traditional (grab) and innovative (passive) sampling procedures help to get data on trace elements presence, accumulation and sources, considering time variations.2. The analysis of trace metals and pharmaceuticals in two river basins of France and Ukraine and determination of environmental factors that impact on the occurrence, accumulation and distribution of these chemicals.3. The establishment of links between regional socio-economic issues and water quality data. The socio-economic and environmental modeling helps us to understand the water pollution process in regional context and give the opportunity to propose contaminants as tracers of anthropogenic activities and water quality assessment.Results of the PhD study are presented in the form of published or submitted peer-reviewed articles.