New methods of analysis of chlordecone transformation products to study the ability of living organisms to attack this recalcitrant pesticide
Nouvelles méthodes d'analyse des produits de transformation de la chlordécone afin d'étudier les capacités du vivant à attaquer ce pesticide récalcitrant
Résumé
Chlordecone (CLD, C10Cl10O2H2) is an organochlorine pesticide used extensively in the French West Indies (FWI) from 1972 to 1993. Physico-chemical properties of CLD render it poorly soluble in water, highly hydrophobic and persistent in the environment. Concentrations above 1 mg/kg in FWI soil and above potability and potabilization limits (0.1 µg/L and 0.5 µg/L) in environmental waters from FWI are still found. Its bioconcentration throughout the food chain leads to contamination of the FWI population, with major health consequences due to CLD chronic toxicity in humans. Recently, several research teams have succeeded in chemically and microbiologically degrading CLD into various transformation products (TPs), which have been identified and classified into 7 families. More than 20 TPs have been detected in environmental samples, demonstrating the existence of an active natural degradation of CLD in FWI. Quantifying CLD TPs is therefore of paramount importance for assessing environmental pollution, investigating the most favorable conditions to induce natural CLD degradation and optimizing (bio)remediation processes.My PhD research work consisted in developing new, simple, rapid and robust analytical protocols for detecting and quantifying the various families of CLD TPs in different matrices. Several extraction methods were selected, depending on the nature of the sample. For surface water and groundwater, a Solid Phase Microextraction (SPME) protocol was developed for the analysis of CLD and its TPs, as well as other organochlorines known to be present in the FWI. An interlaboratory trial was organized with two other laboratories that used different extraction and analysis protocols (e.g. liquid-liquid extraction) validated our SPME method on 30 environmental waters. This study highlighted the fact that additional analytical efforts are still required to accurately analyze several CLD TPs. The QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Efficient, Rugged and Safe) method was selected for its ease of use, low cost and fast operation for 2 matrices: digestates from the methanization of organic waste contaminated with CLD and sediments from the James River (USA) polluted by massive emissions from the CLD production plant at Hopewell. The analytical protocol optimized for the methanogenic digestates enabled to demonstrate the highly significant degradation of CLD in thermophilic methanogenic conditions. For the first time, the use of the QuEChERS method allowed the quantitative monitoring of TPs formation, shedding new light on this particular biotransformation. This result paves the way for transferring this remediation strategy to the FWI. It will be necessary to adapt the analytical protocol to achieve field concentration levels (< 10 µg/L). Analysis of James River sediments required lowering the detection limit to 1 µg/kg or even lower. It meant developing a protocol combining extraction, purification and concentration steps. For this purpose, several techniques were examined: QuEChERS extraction, SPE (Solid Phase Extraction) purification and SPME. At this stage, the promising results obtained needed to be completed in order to obtain an analytical protocol perfectly suited for the performance required on this complexe matrix.The protocols for analyzing CLD and its TPs developed during my PhD work are simpler, faster, greener and less expensive than the methods already used for the analysis of CLD. The present work must obviously be complemented by a toxicological study of each type of CLD TPs. Together, these insights will be essential both for a complete assessment of the pollution in progress, and for the development of effective remediation strategies.
La chlordécone (CLD, C10Cl10O2H2) est un pesticide organochloré utilisé massivement aux Antilles françaises de 1972 à 1993. Les propriétés physico-chimiques de la CLD lui confèrent une faible solubilité dans l'eau, une grande hydrophobicité et un caractère persistant dans l'environnement. Des concentrations supérieures au mg/kg dans le sol et aux seuils de potabilité et de potabilisation des eaux (0.1 µg/L et 0.5 µg/L) sont encore retrouvées. Sa bioconcentration tout au long de la chaîne alimentaire engendre une contamination de la population antillaise ayant des conséquences sanitaires importantes dues à la toxicité chronique avérée de la CLD chez l'Homme. Récemment, plusieurs équipes ont réussi à dégrader la CLD de manière chimique et microbiologique formant différents produits de transformation (PTs) répartis en 7 familles. Plus de 20 PTs ont été détectés dans des échantillons environnementaux montrant qu'une dégradation naturelle de la CLD était déjà en cours. La quantification des PTs de la CLD revêt une importance capitale à la fois pour évaluer la pollution de l'environnement, pour étudier les conditions les plus propices à la dégradation naturelle de la CLD mais aussi pour optimiser les procédés de (bio)remédiation.Mon travail de thèse a consisté à mettre au point de nouveaux protocoles d'analyse simples, rapides et robustes pour détecter et quantifier les diverses familles de PTs de la CLD dans différentes matrices. Plusieurs méthodes d'extraction ont été retenues selon la nature de l'échantillon. Pour les eaux de surface et souterraines, un protocole SPME (Solid Phase Microextraction) a été développé pour l'analyse de la CLD, de ses PTs, mais aussi d'autres organochlorés présents aux Antilles. Un essai de comparaison inter-laboratoires avec 2 autres laboratoires qui appliquaient des protocoles d'extraction et d'analyse différents (par exemple, l'extraction liquide-liquide) ont permis de valider notre méthode SPME sur 30 échantillons d'eaux environnementales. Cette étude a montré que des efforts analytiques restaient à accomplir pour l'analyse fiable de certains PTs. La méthode QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Efficient, Rugged and Safe) a été retenue pour sa simplicité de mise en œuvre, son faible coût et sa rapidité sur deux matrices : des digestats issus de la méthanisation de déchets organiques contaminés à la CLD et des sédiments de la James River (USA) polluée à cause de rejets massifs de l'usine de production de la CLD. Le protocole optimisé pour les digestats méthanogènes nous a permis de montrer la dégradation très significative de la CLD en condition méthanogène thermophile. Pour la 1ère fois, grâce à la méthode QuEChERS, le suivi quantitatif de la formation des PTs a été réalisé, apportant un nouvel éclairage sur cette biotransformation. Ce résultat ouvre la voie à une adaptation de cette stratégie de remédiation aux Antilles. Il faudra alors adapter le protocole pour atteindre les concentrations réelles (< 10 µg/L). Pour les sédiments de rivière, l'objectif était de mesurer des niveaux de concentration environnementale encore plus bas (≤ 1 µg/kg). Cela nécessitait le développement d'un protocole combiné d'extraction-purification-concentration. Différentes techniques ont été étudiées : l'extraction QuEChERS, la purification par SPE (Solid Phase Extraction), et la SPME. À ce stade, les résultats prometteurs obtenus nécessitent encore d'être finalisés pour aboutir à un protocole adapté au cahier des charges fixé pour cette matrice complexe.Les protocoles d'analyse de la CLD et ses PTs développés durant ma thèse ont pour avantages d'être plus simples, plus rapides, plus verts et moins onéreux que les méthodes déjà utilisées pour la CLD. Ce travail devra bien sûr être complété par une étude de la toxicité de chaque type de PTs. Ensemble, ces connaissances seront essentielles à la fois pour l'évaluation complète de la pollution en devenir mais aussi pour le développement de stratégies de remédiation efficaces.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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