• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie organique, minérale, industrielle
• Identifiant : 2024ULILR066
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 18/12/2024

Résumé en langue originale

Les sous-produits de désinfection (SPDs) se forment lorsque la matière organique dissoute (MOD) réagit avec des désinfectants, générant des composés réglementés comme les trihalométhanes (THMs) et les acides haloacétiques (HAAs). Cependant, les SPDs non réglementés, tels que les THMs/HAAs iodés et les sous-produits azotés comme les haloacétonitriles (HANs) et haloacétamides (HAMs), présentent des risques sanitaires plus élevé, comme l'ont montré des études sur des cellules d'ovaire de hamster chinois. De nombreuses études fractionnent la MOD avec des membranes ou des résines pour identifier quelles fractions réagissent à la chloration, mais les résultats restent variables. Cette thèse présente une méta-analyse comparant la réactivité des fractions de MOD vis-à-vis des SPDs (non)réglementés. La méta-analyse montre que les composés hydrophobes sont 10-20% plus réactifs que les hydrophiles pour la formation de THMs et HAAs dans les eaux à forte absorption UV à 254nm (>2). Dans les eaux à faible SUVA254, les réactivités sont similaires. Cependant, les composés hydrophiles sont 20-80% plus réactifs vis-à-vis des SPDs non réglementés. Ni la durée de la chloration ni la dose ne modifient ce ratio, mais une augmentation du facteur de capacité de la colonne le fait. Les fractionnements membranaire d'ultrafiltration ne peuvent pas toujours séparer clairement les fractions, entraînant des résultats incohérents pour les différents groupes de SPDs. Pour résoudre cela, une nouvelle méthode de fractionnement par membrane a été développée, validée par chromatographie d'exclusion de taille (HPSEC-TOC). Le HPSEC-TOC montre une fiabilité accrue avec des limites de détection de 19.0 µgC L-1 et une conservation des échantillons optimisée (maximum deux semaines à 4°C). La méthode HPSEC-TOC s'est avérée fiable pour analyser les fractions de MOD dans des eaux (non) traitées. La MOD a été fractionnée en trois poids moléculaires (PM) : élevé (>20kDa), moyen (0.3-20kDa) et faible (<0.3kDa). Un outil mathématique a été développé pour optimiser le protocole membranaire et garantir des résultats constants. Appliqué à des eaux de surface sur trois saisons, le fractionnement a produit des fractions contenant jusqu'à 50% de composés à PM élevé, plus de 80% de PM moyen et des composés à PM faible. Des tests de chloration et chloramination (24h, 1mgCl2 L-1) ont été effectués pour évaluer la formation de THMs, HAAs, HANs, HAMs et nitrosamines. Les résultats montrent que la fraction de PM moyen est globalement la plus réactive. Cependant, la fraction de PM faible est très réactive vis-à-vis des THMs di-iodés et voit sa réactivité augmenter avec le degré de chloration dans les familles HAAs, HANs et HAMs. La fraction à PM élevé est la moins réactive, sauf pour l'acide iodoacétique et le chloroacétonitrile. La spectroscopie de fluorescence a révélé que les propriétés chimiques des précurseurs varient selon les fractions et les méthodes de désinfection, suggérant des mécanismes complexes. Une approche spécifique à chaque site est recommandée pour identifier les SPDs les plus préoccupants selon leur toxicité et concentration. Enfin, cette thèse explore l'impact des espèces réactives de l'oxygène sur les voies de l'inflammation et du stress oxydatif induites par les HAAs et HAMs. Dans les cellules d'adénocarcinome colorectal humain (Caco-2), les concentrations létales varient de 12µM pour l'iodoacétamide et l'acide iodoacétique à 47mM pour le dichloroacétamide. Des cellules intestinales de patients atteints de cancer colorectal, de Crohn et de témoins sains ont aussi été exposées. Les HAAs ont induit des réponses inflammatoires et du stress oxydatif dans les cellules proches des tissus cancéreux, tandis que les HAMs ont induit ces effets dans tous les types de cellules. Ces résultats suggèrent un lien potentiel entre les SPDs et le développement de maladies inflammatoires de l'intestin, bien que des validations supplémentaires via le séquençage ARN soient nécessaires.

Résumé traduit

Disinfection by-products (DBPs) form when dissolved organic matter (DOM) in water reacts with disinfectants, leading to regulated compounds such as trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs). However, unregulated DBPs like iodinated THMs/HAAs, and nitrogenous DBPs, such as haloacetonitriles (HANs) and haloacetamides (HAMs), pose higher health risks, as studies with Chinese Hamster Ovary cells have shown. To control DBP formation in tap water, researchers focus on identifying DBP precursors by fractionating DOM using resins or membranes, though results vary widely. In this thesis, a meta-analysis compares the reactivity of DOM fractions towards (un)regulated DBPs. The meta-analysis reveals that hydrophobic compounds exhibit 10-20% higher reactivity to both THM and HAA formation compared to hydrophilic compounds in waters with high specific ultraviolet absorbance at 254nm (SUVA254 >2). In waters with low SUVA254, both hydrophobic and hydrophilic compounds have equal reactivity. However, hydrophilic compounds are 20-80% more reactive towards unregulated DBPs. Neither chlorination time nor dose alters this reactivity ratio, but an increase in column capacity factor does. Additionally, dead-end ultrafiltration membranes may not always separate fractions sharply, leading to inconsistent results for DBP formation across groups. To address this, a novel membrane fractionation method was developed. This method was first validated using a size exclusion chromatographic approach (HPSEC) to ensure reliability, considering key factors such as detection limits (19.0µgC dm-3) and the importance of preserving samples for a maximum of two weeks at 4°C. Inorganic carbon removal was achieved by acidifying the sample to pH 6 and purging it with N2. The HPSEC-TOC method proved reliable for DOM fraction analysis in both treated and untreated water sources. Using this method, DOM was separated into three molecular weight (MW) fractions: high (>20kDa), medium (0.3-20kDa), and low (<0.3kDa). A mathematical tool was developed to optimize the protocol and predict the diafiltration factor for each fraction, ensuring consistent results. The method was applied to surface water across three seasons, yielding a fraction up to 50% high MW compounds, a fraction over 80% medium MW compounds, and a fraction containing only low MW compounds. Chlorination and chloramination tests (24h, 1mgCl2 L-1 residual) on these fractions assessed the formation of THMs, HAAs, HANs, HAMs, and nitrosamines. Results showed that the medium MW fraction had the highest overall reactivity. However, the low MW fraction was highly reactive toward di-iodinated THMs, and its reactivity increased with increasing chlorine atoms in the HAA, HAN, and HAM families. The high MW fraction showed the lowest reactivity towards most DBPs, except iodoacetic acid and chloroacetonitrile. Fluorescence spectroscopy further revealed that DBP precursors' chemical properties vary by fraction and disinfection method, suggesting complex reaction mechanisms. A site-specific strategy is recommended to identify the most concerning DBPs, considering both their toxicity and concentration. Finally, the thesis explores the impact of reactive oxygen species on inflammation and oxidative stress pathways induced by HAAs and HAMs. In human colorectal adenocarcinoma (Caco-2) cells, lethal concentrations ranged from 12µM for iodoacetamide and iodoacetic acid to 47mM for dichloroacetamide. Primary intestinal epithelial cells from donors with colorectal cancer, Crohn's disease, and healthy controls were also exposed to HAAs and HAMs. HAAs triggered oxidative stress and inflammatory responses in cells adjacent to cancerous tissue, while HAMs induced these effects across all cell types. These findings suggest a potential link between DBP exposure and inflammatory bowel disease development, although further validation through RNA sequencing is needed.