Développement d’un nouveau proxy universel pour évaluer le devenir et l’impact environnemental de (bio)pesticides complexes par métabolomique basée sur la spectrométrie de masse

Development of a novel universal proxy to assess the environmental fate and impact of complex (bio)pesticides by Mass Spectrometry-based Metabolomics

• Auteur / Autrice : Hikmat Ghosson
• Direction : Cédric Bertrand, Marie-Virginie Salvia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches insulaires et observatoire de l’environnement (Moorea, Polynésie française ; Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Carole Calas-Blanchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Bertrand, Carole Calas-Blanchard, Emmanuelle Vulliet, Laurent Debrauwer, Yann Guitton, Julien Boccard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Vulliet, Laurent Debrauwer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolomique

Environnement

Biopesticides

Mots clés libres

Métabolomique

Spectrométrie de Masse

Pesticides

Impact Environnemental

Produits de Biocontrôle

Chimiométrie

Metabolomics

Mass Spectrometry

Pesticides

Environmental Impact

Biocontrol Products

Chemometrics

Résumé

Malgré la prise de conscience écologique et sanitaire, la consommation mondiale de pesticides est en augmentation. Étant donné que ces produits chimiques présentent de nombreux effets néfastes sur la santé humaine et l'environnement, des mesures doivent être prises afin de limiter leurs effets. Les produits de biocontrôle sont proposés comme une solution alternative aux produits synthétiques. En effet, ces « biopesticides » sont présumés être moins nocifs et relativement moins persistants. Toutefois, cet a priori doit être examiné et une évaluation stricte des risques de ces nouvelles substances doit être envisagée.Le développement de solutions de biocontrôle passe d'abord par les protocoles proposés pour étudier leur activité, leur devenir et leur impact environnemental. Actuellement, le temps de demi-vie (t½) est utilisé pour évaluer le devenir environnemental des pesticides synthétiques. Cependant, l'approche t½ ne donne que des informations sur la persistance des pesticides dans l'environnement, mais aucune indication concernant la formation de produits de dégradation ou son impact sur la biodiversité n'est apportée. De plus, les produits de biocontrôle sont des mélanges (bio)chimiques complexes. La t½ n'est pas applicable pour ces produits complexes. Par conséquent, de nouvelles approches analytiques doivent être envisagées afin de surmonter ces difficultés.Une nouvelle approche basée sur la méta-métabolomique et la Spectrométrie de Masse; « Empreinte Métabolique Environnementale » (EMF), a été récemment introduite. Elle offre un nouveau proxy universel et intégratif; le « temps de résilience », dédié à l'évaluation du devenir environnemental et de l'impact des (bio)pesticides complexes dans des matrices environnementales (ex. sol, sédiments). Néanmoins, le développement d'une telle approche de méta-métabolomique non ciblée basée sur la Spectrométrie de Masse doit être étudié en profondeur. Plusieurs tâches doivent alors être abordées: 1) les protocoles d'extraction performants et les méthodes analytiques basées sur la GC/LC-(HR)MS doivent être mis en place, 2) le traitement de données et les outils chimiométriques appropriés doivent être développés pour maitriser la complexité des ensembles des données générées, 3) l'impact de la complexité du xénométabolome sur les analyses basées sur la MS doit être évalué, et 4) l'étude des résidus volatiles doit être envisagée et nécessite donc le développement de nouvelles méthodologies analytiques.Le travail a été mené sur 3 axes principaux. Le premier axe portait sur 1) le développement de protocoles d'extraction et des méthodes LC-HRMS pour analyser à la fois les xénométabolites des pesticides et les endométabolites du sol, et 2) le développement d'une nouvelle approche chimiométrique pour évaluer les performances d'extraction. De nouveaux protocoles d'extraction se sont avérés optimaux pour l'EMF, et l'approche chimiométrique a donc été validée. Le deuxième axe a évalué l'impact de la complexité du xénométabolome sur la détermination des biomarqueurs environnementaux. La suppression d'ion a été révélée et une stratégie pragmatique a donc été élaborée pour surmonter son influence. Le troisième axe visait à mettre en place une nouvelle méthodologie pour analyser les résidus volatils de pesticides complexes. Des analyses HS-SPME-GC-MS ont été couplées à la chimiométrie afin de réaliser des études cinétiques et de suivre la transformation des résidus volatils. Le workflow chimiométrique a prouvé sa fiabilité pour expliquer la transformation du pesticide et de nouveaux xénométabolites et sous-produits ont été identifiés.En conclusion, une avancée significative a été apportée à l’EMF. Elle a été consolidée pour les applications en laboratoire et sur le terrain qui doivent être étudiées afin d'améliorer le proxy et de le valider comme une approche fiable pour l'évaluation des risques des pesticides.

Despite the ecological and sanitary awareness, worldwide consumption of pesticides is increasing. As these chemical products represent several adverse effects on human health and environment, measures should be taken in order to limit their impacts. Biocontrol products are proposed as an alternative solution of the synthetic products. In fact, these “biopesticides” are presumed to be less harmful and relatively less persistent. However, this a priori must be examined and strict risk assessment of those new substances should be considered.The development of biocontrol solutions proceeds first of all through the proposed protocols to study their activity and their environmental fate and impact. Currently, half-life (DT50) is used in order to evaluate the environmental fate of synthetic pesticides. However, DT50 approach gives only information about pesticides' persistence in the environment, but no indications concerning the formation of degradation products or its impact on biodiversity are provided. Furthermore, biocontrol products are complex (bio)chemical mixes. The DT50 is not applicable for such complex products. Therefore, novel analytical approaches should be considered in order to overcome these difficulties.A novel approach based on meta-metabolomics and Mass Spectrometry; the “Environmental Metabolic Footprinting” (EMF), was recently introduced. It affords a novel universal and integrative proxy; the “resilience time”, dedicated to assess the environmental fate and impact of complex (bio)pesticides in environmental matrices (e.g. soil, sediment). Nonetheless, the development of such Mass Spectrometry-based untargeted meta-metabolomics approach needs to be in-depth studied. Several tasks should be addressed: 1) performant extraction protocols and GC/LC-(HR)MS-based analytical methods should be set up, 2) suitable data processing and chemometric tools should be developed to deal with the complexity of the generated datasets, 3) the impact of xenometabolome complexity on MS-based analyses should be assessed, and 4) the study of the volatile residues should be considered and thus needs new analytical methodologies to be developed.The work was carried out following 3 main axes. The first axis addressed 1) the development of extraction protocols and LC-HRMS methods to analyze both pesticides xenometabolites and soil endometabolites, and 2) the development of a novel chemometric approach to assess the extraction performance. Novel extraction protocols have been proven optimal for the EMF, and the chemometric approach was thus validated. The second axis assessed the impact of xenometabolome complexity on the determination of environmental biomarkers. Ion suppression was revealed and thus a pragmatic strategy has been developed to overcome its influence. The third axis aimed to set-up a novel methodology in order to analyze the volatile residues of complex pesticides. HS-SPME-GC-MS analyses were coupled to chemometrics in order to perform kinetics studies and to follow the transformation of the volatile residues. The chemometric workflow proved its reliability to explain pesticide’s transformation and novel xenometabolites and by-products were identified.In conclusion, significant advances were carried to the EMF. It has been consolidated for laboratory and field applications that must be investigated in order to improve the proxy and to validate it as a reliable approach for pesticides risk evaluation.