Développement analytique pour l'analyse isotopique de composés spécifiques (CSIA) appliquée aux contaminants organiques émergents : étude de cas du galaxolide

Analytical development for compound-specific stable isotope analysis (CSIA) applied to organic emerging contaminants : case study of galaxolide

• Auteur / Autrice : Hatice Turan
• Direction : Mathilde Monperrus, Mathieu Sebilo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique et environnement
• Date : Soutenance le 06/09/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Guyoneaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Antschutz, Olatz Zuloaga Zubieta, Corinne Le Gal La Salle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Antschutz, Olatz Zuloaga Zubieta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbiologie

Photochimie

Polluants

Mots clés libres

Isotope

Microbiologie

Photochimie

Dégradation

Musc synthétique

Isotope

Microbiologie

Photochemistry

Degradation

Synthetic musk

Résumé

Les Contaminants d'Intérêt Émergent (CECs) représentent une vaste gamme de produits chimiques synthétiques non réglementés qui constituent des menaces potentielles pour les écosystèmes aquatiques et la santé humaine. Parmi ces CECs, le Galaxolide (HHCB), un ingrédient de musc synthétique largement utilisé dans de nombreux produits commerciaux, a été classé comme produit chimique à Grand Volume de Production (HPV) par l'Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE) depuis 2004. HHCB est principalement détecté dans les eaux d'effluent et rejeté dans les milieux aquatiques sans être totalement éliminé. Malheureusement, seule la mesure des concentrations de HHCB dans les échantillons environnementaux ne fournit pas d'informations sur son l'origine ou et son devenir dans les milieux aquatiques. L'analyse Isotopique de Composés Spécifiques (CSIA) a émergé comme un outil pour identifier le sort des CECs en traçant leurs signatures isotopiques individuelles, sans nécessiter de données sur leur concentration. Cependant, l'application du CSIA dans les produits de soins personnels contenant du HHCB reste limitée. Développer une méthode CSIA est essentiel pour comprendre pleinement l'histoire de vie du HHCB. Dans ce contexte, nous avons étudié la biodégradation et la photodégradation, processus clés pouvant dégrader le HHCB dans les milieux aquatiques. L'objectif spécifique était d'évaluer la CSIA pour discriminer le sort, la source ou l'origine du HHCB. Deux bactéries, Priestia sp. 35 ODPABA G14 et Rhodococcus sp. 23 AHTN G14, précédemment isolées de sédiments sous-marins, ont été testées pour leur résistance ainsi que leur potentiel à dégrader non seulement le HHCB mais aussi d'autres CECs incluant les muscs synthétiques, les filtres UV, les produits pharmaceutiques et les pesticides. Priestia sp. et Rhodococcus sp. ont montré un potentiel de biodégradation élevé, en particulier pour les composés hydrophobes. Bien que cela ne s'applique pas à tous les CECs, les résultats indiquent une corrélation positive entre la résistance bactérienne marine aux CECs et leur potentiel de biodégradation significatif. De plus, nous avons étudié la cinétique de la photodégradation directe et indirecte pour identifier le rôle des espèces réactives responsables de la dégradation du HHCB sous la lumière du soleil et UVC, ainsi que pour déterminer ses produits de transformation. Les conditions environnementales représentatives avec de l'acide humique, du carbonate (CO3-2) et du nitrate (NO3-) ont été testées dans de l'eau ultrapure. Pour évaluer l'effet du prétraitement et du post-traitement, des eaux fluviales et d'effluents ont été utilisées. Ces expériences ont révélé l'efficacité de la photolyse directe dans la dégradation du HHCB sous les deux conditions de lumière. 3DOM*, •OH, CO3•- et 1O2 sont les principales espèces réactives qui peuvent contribuer à la dégradation du HHCB via la photolyse indirecte à des taux différents selon la matrice et la lumière. La Lactone HHCB, un produit de transformation bien connu, et deux autres substances dont les structures ont été proposées ont été détectées. Enfin, le potentiel de la CSIA à identifier les processus de photodégradation (sous UVC) et de biodégradation (par Priestia sp.) et à tracer la source et l'origine du HHCB dans les produits de soins personnels a été évalué. Les expériences par lots n'ont révélé aucun fractionnement isotopique significative pendant la photodégradation et la biodégradation. Bien qu'il y ait une grande variation des concentrations de HHCB dans les produits de soins personnels, atteignant des niveaux dépassant 15 g L-1 dans certains cas, les valeurs de δ13C seules étaient insuffisantes pour distinguer leurs sources ou origines. Par conséquent, ce travail contribue à une meilleure compréhension du sort du HHCB dans les milieux aquatiques et met en évidence le potentiel futur de la CSIA pour déterminer la source et l'origine des CECs.

The Contaminants of Emerging Concern (CECs) represent a wide range of unregulated human-made chemicals that pose potential threats to both aquatic ecosystems and human health. Among these CECs, Galaxolide (HHCB), a widely used synthetic musk ingredient in many commercial products, has been listed as High Production Volume (HPV) chemical by the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) since 2004. HHCB is primarily detected in effluent waters and released into aquatic environments without complete removal. Unfortunately, the measurement of HHCB concentrations in environmental samples fails to provide insights into either the fate or the origin in aquatic ecosystems. Compound Specific Isotope Analysis (CSIA) has emerged as a tool for identifying the fate of CECs by tracing their individual isotopic signatures, without requiring data on their concentration. However, the application of CSIA in personal care products containing HHCB remains limited. Developing a CSIA method is essential for fully understanding the life story of HHCB. In this context, we studied biodegradation and photodegradation, key processes that can degrade HHCB in aquatic environments. The specific objective was to evaluate CSIA to discriminate the fate, source, or origin of HHCB. Two bacteria Priestia sp. 35 ODPABA G14 and Rhodococcus sp. 23 AHTN G14, previously isolated from submarine sediments, were tested for their resistance as well as their potential to degrade not only for HHCB but also for other CECs including synthetic musks, UV filters, pharmaceuticals and pesticides. Priestia sp. and Rhodococcus sp. showed high biodegradation potential, especially for hydrophobic compounds. Although this may not apply to all CECs, the results indicate a positive correlation between marine bacterial resistance to CECs and their significant biodegradation potential. Additionally, we investigated the kinetics of direct and indirect photodegradation to identify the role of reactive species responsible for HHCB degradation under sunlight and UVC light, as well as to determine its transformation products. Representative environmental conditions in the presence of humic acid, carbonate (CO3-2), and nitrate (NO3-) were tested in ultrapure water. To evaluate the effect of pre-treatment and post-treatment effect, riverine and effluent waters were used. These experiments revealed the effectiveness of direct photolysis in degrading HHCB under both light conditions. 3DOM*,•OH, CO3•-, and 1O2 are the main reactive species that can contribute to HHCB degradation via indirect photolysis at different rate depending on the matrix and light. HHCB Lactone, a well-known transformation product, and two other substances with proposed structures were detected. Finally, the potential of CSIA to identify photodegradation (under UVC) and biodegradation (by Priestia sp.) processes and to trace the source and origin of HHCB in personal care products was evaluated. Batch experiments revealed no significant isotopic fractionation during both photodegradation and biodegradation. Although there is wide variation in the HHCB concentrations in personal care products, reaching levels exceeding 15 g L-1 in some cases, δ13C values alone were insufficient to distinguish their sources or origins. Consequently, this work contributes to a better understanding of the fate of HHCB in aquatic environments and highlights the future potential of CSIA for determining the source and origin of CECs.