Etude du devenir et de l’impact des antibiotiques à l’échelle d’un bassin versant : application au bassin versant du Katari (Bolivie)

Antibiotic pollution on the Katari watershed : Evaluation of the fate and pollution risk in the context of the Bolivian Altiplano

• Auteur / Autrice : Denisse Archundia Peralta
• Direction : Céline Duwig, Jean Martins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/04/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement (Grenoble, Isère, France ; 1992-2016)
• Jury : Président / Présidente : Géraldine Sarret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Morel, Blanca Lucia Prado Pano, Pierre Benoit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Nazaret, Yves Perrodin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants organiques

Polluants inorganiques

Eau

Mots clés libres

Sol

Devenir

Produit pharmaceutiques

Degradation

Communauté bacterienne

Resistance

Soil

Fate

Pharmaceutical poducts

Degradation

Bacteria comunities

Resistance

Résumé

L’Altiplano Nord bolivien est soumis naturellement à des conditions climatiques et pédologiques contraignantes. Il est particulièrement impacté par des activités humaines variées tels que l’exploitation minière, l’agriculture et plus récemment l’urbanisation. Le bassin versant (BV) du Katari englobe une variété d’activités anthropiques et englobe la plus grande ville de l’Altiplano (El Alto). Cette ville s’est développée avec un aménagement territorial minimal et une réglementation insuffisante. A ce jour, peu d’études ont caractérisé les résidus pharmaceutiques et leur devenir dans les conditions extrêmes comme celles de l’Altiplano. Les antibiotiques sont des micropolluants organiques et comptent aujourd’hui comme un des groupes les plus importants parmi les polluants émergents. Tout d’abord une évaluation de l’état général de la pollution du BV a été réalisée. Les résultats ont mis en évidence que la ville d’El Alto est la principale source de pollution en nutriments (en particulier phosphate), éléments trace métalliques, composés antibiotiques et gènes de résistance bactérienne. La suite des travaux s’est focalisé sur les processus influençant le devenir du e Sulfamethoxazole, choisi comme composé modèle car il est couramment détecté dans les milieux naturels et est présent à des concentrations importantes dans le site d’étude. La sorption est le paramètre principal influant sur son devenir dans les sols du BV et est liée à la spéciation pH-dépendante du SMX et les caractéristiques physicochimiques des sols. Les interactions hydrophobes, la sorption sur la matière organique et les échanges ioniques sont les principaux processus impliqués. Le transfert vertical du composé étudié est facilité par la présence des sols plutôt perméables, ce qui explique sa présence dans les eaux souterraines étudiés. Le taux de photodégradation du SMX s’est révèle être faible dans les eaux chargées en ions et matière organique, mais reste le paramètre principal expliquant sa dissipation dans les eaux de surface étudiées. Le SMX peut être potentiellement biodégradé dans la majorité des sols étudiés, en relation avec leur taux de matière organique et à la présence de communautés microbiennes pré-adaptées à la présence du SMX. Les impacts du SMX sur la structure et l’abondance relatives des espèces de populations bactériennes du sol sont liés à la texture et à l’usage des sols étudiés (sols de montagne, sols urbains ou sols agricoles) ainsi qu’à la présence des populations microbiennes pré-adaptés. L’ajout du SMX n’a pas entrainé le développement des gènes de résistance spécifiques à cet antibiotique (gènes sul) suggérant la présence de mécanismes moins spécifiques et probablement efficaces contre une grande variété de composés. Le modèle GREAT-ER a été utilisé avec succès pour la simulation des concentrations environnementales de SMX et l’évaluation du risque environnemental, montrant que le risque écotoxicologique est plus important dans les zones du réseau hydrographique à l’aval des activités urbaines.

The Altiplano North Bolivian is naturally subject to climate and soil limiting conditions. It is particularly impacted by various anthropogenic activities such as mining, agriculture and more recently urbanization. The Katari watershed encompasses a variety of human activities and includes the largest city of the Altiplano (El Alto), which has developed with a minimal land planning and insufficient regulation. To date, few studies have characterized the pharmaceutical residues and their fate in the extreme conditions of the Altiplano. Antibiotics are organic micro-pollutants considered as one of the most important groups of emerging pollutants. First, an assessment on the general state of pollution of the watershed was performed, as it is known that antibiotics may interact with other molecules (e.g. trace metal elements). Further work was carried out with the Sulfamethoxazole antibiotic as model compound, as it is commonly detected in natural environments as well as in the study site. The results showed that the city of El Alto is the main source of pollution in nutrients (especially phosphate), trace metal elements, bacteria, antibiotics and antibiotic resistance genes. Sorption is the main parameter affecting its fate in the study site which is linked to the pH-dependent speciation of SMX and the physicochemical characteristics of studied soils. Main involved processes are hydrophobic interactions, sorption on organic matter and ion exchange. SMX vertical transfer is facilitated by the presence of rather permeable soils, explaining its presence on studied ground waters. Observed SMX photodegradation rate was found to be low but remains the main factor explaining its dissipation in studied surface waters. SMX may be potentially biodegraded in most of studied soils in relation to their organic matter content and the presence of pre-adapted microbial communities to its presence. SMX impacts on bacterial populations were linked to the location, texture and use of studied soils (mountain, urban or agricultural soils) and the presence of pre-adapted microbial populations. We observed a change in the structure of microbial communities and on the relative abundance of bacterial soil species. The addition of SMX has not led to the development of specific resistance genes to this antibiotic (sul genes), suggesting the presence of less specific mechanisms which can be effective against a wide variety of compounds. The GREAT-ER model has been successfully used for the simulation of SMX environmental concentrations and the environmental risk assessment. Ecotoxicological risk is greater in areas under urban influence.