Amélioration de l'évaluation écotoxicologique des effluents de stations d'épuration : proposition d'une batterie de tests centrée sur les effets à long terme et des paramètres de forme de l'organisme

Improvement of the ecotoxicological assessment of wastewater treatment plant effluents : a proposal using a test battery focused on long term effects and organism fitness parameters

• Auteur / Autrice : Adriana Wigh
• Direction : Sylvie Bony, Alain Devaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Environnement
• Date : Soutenance le 25/07/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Say
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Laure Delignette-Muller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gisela De Aragão Umbuzeiro, Laury Gauthier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration

Essais biologiques

Toxicologie génétique

Mots clés libres

Essai biologique

Ozone

Génotoxicité

Eaux usées

Gammares

Développement embryonnaire du possion zèbre

Ecotoxicité

Bioassay

Ozone

Genotoxicity

Wastewater

Gammarid

Zebrafish embryo development

Ecotoxicity

Résumé

Cette thèse a visé l’optimisation de l’évaluation de l’écotoxicité d’effluents traités en station d’épuration dans le cadre du projet Européen TRIUMPH “TReatIng Urban Micropollutants and PHarmaceuticals in waste waters”. Le but du projet était de proposer de nouveaux traitements des eaux usées combinant oxydation biologique et chimique par l’ozone pour optimiser l’abattement des micropolluants et de la toxicité résiduelle des effluents de station d’épuration. Les effluents traités étudiés dans cette thèse provenaient d’une station d’épuration pilote traitant un mélange constitué à part égale d’eaux usées urbaine et hospitalière. La première étape du travail a consisté à identifier les bioessais les plus pertinents et plus sensibles au sein d’une batterie de tests in vitro et in vivo, normalisés et non-normalisés, ciblant des paramètres de la fitness des organismes et respectant la Directive 2010/63/EU relative à la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques. La toxicité d’un effluent traité par boues activées et par ozonation tertiaire a été évaluée avec le test d’inhibition de la reproduction de Brachionus calyciflorus, le test d’inhibition de la croissance de Pseudokirchneriella subcapitata et d’Heterocypris incongruens. La mortalité a été évaluée avec le Fish Embryo Toxicity test (FET) et des critères sub-létaux (9 anomalies du développement) ont été ajoutés pour proposer un nouveau paramètre appelé iFET score. La génotoxicité a été évaluée sur la lignée cellulaire de poisson RTL-W1, sur Salmonella typhimurium (Ames test) et sur les cellules d’embryons de Danio rerio. Le potentiel de perturbation endocrinienne a été quantifié avec les lignées cellulaires MELN/MDA-kb2. A l’issue de cette première phase, le développement embryonnaire de poisson zèbre (iFET score) ainsi que l’évaluation de la génotoxicité sur cellules embryonnaire de poisson zèbre et sur lignée cellulaire RTL-W1 se sont révélés les plus sensibles pour caractériser une toxicité résiduelle des deux effluents traités conventionnellement. Pour la suite du travail, ces critères ont donc été retenus afin d’évaluer la toxicité résiduelle de plusieurs effluents résultant de traitements innovants répartis en quatre campagnes. Les résultats montrent que les mesures sur embryons de poisson (iFET score et génotoxicité mesurée sur les cellules embryonnaires) sont les plus informatives et discriminantes pour évaluer finement la toxicité résiduelle d’effluent de station d’épuration. Enfin, une exposition de Gammarus fossarum a été réalisée pendant 14 jours directement sur le site pilote au cours de la dernière campagne et plusieurs paramètres reliés à la fitness des organismes (cycle de mue, reproduction et génotoxicité sur les spermatozoïdes) ont été mesurés. Cette dernière expérimentation a démontré l’intérêt d’exposition in vivo à long terme dans le choix d’une batterie de tests en vue d’optimiser la mesure d’une toxicité résiduelle d’effluents de station d’épuration caractérisés par une contamination chimique très complexe et à bas bruit.

This thesis deals with the optimization of ecotoxicity evaluation of treated effluents and was part of the European TRIUMPH “TReatIng Urban Micropollutants and PHarmaceuticals in waste waters” project. The aim of the project was to propose innovative ozone-based, cost-efficient wastewater treatments improving micropollutant abatement and reducing effluent toxicity when compared to conventional wastewater treatments. The differently treated effluents studied throughout the thesis came from a pilot wastewater treatment plant, receiving a mixture of 50% urban and 50% hospital wastewaters.The first step of the work was to identify the most pertinent and sensitive bioassays from a battery of standardized and non-standardized in vitro and in vivo bioassays targeting endpoints involved in organism fitness, and respecting the Directive 2010/63/EU on the protection of animals used for scientific purposes. Toxicity of conventional activated sludge treated effluent and of effluent treated by subsequent tertiary ozonation was assessed using reproduction inhibition test with Brachionus calyciflorus, growth inhibition assay with Pseudokirchneriella subcapitata and with Heterocypris incongruens. Mortality was evaluated with Fish Embryo Toxicity test (FET), and sub-lethal criteria (9 developmental abnormalities) were additionally recorded to propose a new parameter named iFET score. Genotoxicity was evaluated on the fish RTL-W1 cell line, on Salmonella typhimurium (Ames test) and on Danio rerio embryo cells. Endocrine disrupting potential was measured with MELN/MDA-kb2 cell lines. Zebrafish embryo development (iFET score) and genotoxicity evaluation on zebrafish embryo cells as well as on RTL-W1 cell line were demonstrated as the most sensitive tests to reveal a residual toxicity in conventionally treated effluents. Thus, they were retained in a second step to evaluate the toxicity of effluents stemming from several innovative treatments structured into four campaigns. Results showed that iFET score approach and subsequent genotoxicity evaluation were the most informative and discriminant methods to properly assess effluent residual toxicity. Finally, a 14 day-in situ exposure of Gammarus fossarum was realized on the pilot site during the last campaign, evaluating fitness relevant endpoints (molting cycle, reproduction and genotoxicity on sperm). This experiment confirmed that toxicity evaluation of treated wastewaters should integrate long-term in vivo exposure in order to take into account their highly complex micropollutant composition.