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Micropollutants (MPs) represent an important environmental and health issue. Identifying their sources and then reducing their discharges is the strategy used in France to fight against water pollution. This is also the approach implemented in the Regard project (Reduction and management of micropollutants in the Bordeaux metropolis). The first phase of the project aimed to carry out a territorial, global and integrated diagnosis combining both chemical and biological analyses of the natural environment and the sewerage network from the discharge points (wastewater treatment plant, separate stormwater overflow, by-pass) to the emission sources (domestic, industrial, hospital and stormwater). In addition, a social characterization of the sources was carried out in order to understand the practices, products and uses at the origin of MP discharges and to identify decisive actions to reduce these discharges. The strengths of this diagnostic assessment are the complementary of various approaches (engineering and social sciences, chemical and biological analyses, wastewater and stormwater studies) and the large number of sampling sites. The second phase of the project was to ensure the implementation of reduction actions to test and evaluate their impacts from the environmental (effectiveness in reducing the quantity, diversity and effect of MPs), social (appropriation and satisfaction of solutions) and economic (to guide public action) points of view. The best results have been achieved with (i) the “water families challenge” action on the domestic source, (ii) mechanical rat control actions, defoaming of tennis courts and grassing of cemeteries for the community source, and (iii) the treatment action of separate stormwater in real conditions on a pilot scale. This feedback on what has been achieved to date should help communities interested to implement such an approach in order to avoid the same “mistakes” and, on the contrary, to directly implement actions that give significant reduction results.; Les micropolluants (MP) représentent un enjeu environnemental et sanitaire important. Identifier leurs sources pour ensuite réduire leurs rejets est la stratégie privilégiée au niveau français pour lutter contre cette pollution. C’est aussi la démarche qui a été mise en oeuvre dans le projet Regard (réduction et gestion des micropolluants sur la métropole bordelaise). La première phase du projet correspondait ainsi à la réalisation d’un diagnostic territorial, global et intégré couplant à la fois des analyses chimiques et biologiques du milieu naturel et du réseau d’assainissement depuis les points de rejets (station de traitement des eaux usées, exutoires pluviaux, by-pass) jusqu’aux sources d’émission (domestique, industrielle, hospitalière et pluviale). En complément, une caractérisation sociale dessources a été faite afin de comprendre les pratiques, les produits et les usages à l’origine des rejets de MP et d’identifier des leviers d’action pour réduire ces rejets. Les points forts de ce diagnostic sont la complémentarité des approches (sciences de l’ingénieur et sciences sociales, analyses chimiques et biologiques, étude des eaux usées et pluviales) et le nombre important de sites d’étude. La seconde phase du projet correspondait à la mise en oeuvre d’actions de réduction pour les tester et les évaluer du point de vue environnemental (efficacité pour réduire la quantité, la diversité et l’effet des MP), social (appropriation et satisfaction vis-à-vis des solutions) et économique (aide à l’orientation de l’action publique). Les actions ayant eu les meilleurs résultats sont (i) l’action « Familles EAU Défi » sur la source domestique, (ii) les actions de dératisation mécanique, de démoussage des terrains de tennis et d’enherbement des cimetières pour la source collectivité et (iii) l’action de traitement des eaux pluviales strictes en conditions réelles à l’échelle d’un pilote. Le présent retour d’expérience sur ce qui a été fait doit aider les collectivités qui souhaiteraient effectuer une telle démarche à ne pas commettre les mêmes « erreurs » et, au contraire, à mettre en oeuvre directement les actions qui donnent des résultats satisfaisants.

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Le récepteur humain Pregnane X Receptor (hPXR, NR1I2) est impliqué dans la biosynthèse, la distribution et le métabolisme de stéroïdes, d’acides biliaires et de xénobiotiques, parmi lesquels de nombreux pesticides. Quand des xénobiotiques se lient au hPXR, ce complexe forme un hétérodimère avec le récepteur X des rétinoïdes (RXR) et induit l’expression de gènes de détoxication comme les gènes codant pour les enzymes de phase I (CYP), de phase II (conjugaison) ou des protéines de transport (transporteurs de la famille ABC), résultant en une clairance des stéroïdes, des drogues et xénobiotiques par le foie et l’intestin (Timsit et al, 2007). L’activation de hPXR a été associée à des interactions médicamenteuses, la perturbation endocrinienne, la chimiorésistance, la croissance et l’agressivité de cancers du côlon et du foie (Planque et al, 2016 ; Wang et al, 2011 ; Kodama et al, 2015 ; Pondugula et al, 2016). Des études récentes ont révélé l’activité hPXR d’échantillons environnementaux de milieux aquatiques comme les effluents urbains et industriels, les eaux de surface et les sédiments de rivière (Creusot et al, 2011 ; Dagnino et al, 2012). Comparativement au PXR humain, il apparaît que le PXR de poisson zèbre (zfPXR) est activé par un plus faible nombre de pesticides (Ekins et al, 2008 ; Krasowski et al, 2011 ; Milnes et al, 2008) et que certains d’entre eux ont une meilleure affinité pour zfPXR que pour hPXR, suggérant d’importantes différences entre les deux récepteurs. De plus, les rôles du PXR dans le métabolisme du poisson ne sont pas encore pleinement élucidés. Dans ce contexte, nous avons cherché à caractériser les interactions entre les pesticides et le PXR chez l'homme et le poisson zèbre et à étudier le rôle de zfPXR dans le métabolisme du poisson. À cette fin, nous avons testé l'activité PXR d'échantillons environnementaux et de pesticides à l'aide de lignées cellulaires luminescentes exprimant soit hPXR soit zfPXR. Les pesticides les plus puissants ont ensuite été testés pour leur capacité à réguler l'expression des gènes cibles de PXR et à agir sur la prolifération cellulaire et la résistance aux médicaments dans ces cellules. Ces travaux seront combinés à des approches de modélisation (zfPXR) et de cristallographie (hPXR) pour étudier les interactions structurelles des pesticides avec hPXR et zfPXR, et à une approche in vivo utilisant le poisson zèbre pour étudier les effets des pesticides sur les gènes régulés par PXR. Dans l'ensemble, nos données permettent de mieux comprendre le rôle et les mécanismes d'action du PXR chez l'homme et le poisson zèbre et mettent en évidence des différences inter-espèces pour une meilleure évaluation des risques d'exposition aux pesticides pour la santé humaine et l'environnement.

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Depuis des années, l‘identification des molécules responsables des perturbations endocriniennes repré-sente un réel enjeu environnemental, sanitaire et sociétal. De nombreuses études se focalisent sur les stations d’épuration comme vecteurs de perturbateurs endocriniens vers le milieu aquatique. Cependant, une attention bien moindre est accordée aux installations de stockage des déchets qui sont pourtant le réceptacle final de nombreux produits manufacturés et par conséquent de dizaine de milliers de molécules organiques. Ces sites sont propices à la formation d’effluents très complexes nommés lixiviats qui résultent de la percolation d’eau au travers des mas-sifs de déchets. Les lixiviats de déchets sont notamment connus pour être riches en contaminants organiques di-vers dont certains ont un caractère oestrogénique. Ces effluents bruts peuvent potentiellement engendrer une con-tamination du milieu naturel, et en particulier des eaux souterraines, en cas de rupture des membranes d’étanchéi-té ou de transferts diffusifs à travers ces dernières. D'autre part une contamination des eaux de surface est égale-ment possible si les procédés de traitement des lixiviats mis en oeuvre avant rejet dans le milieu naturel ne sont pas totalement efficaces vis-à-vis des polluants présents dans les lixiviats. Différentes directives européennes im-posent donc un suivi d’un certain nombre de molécules afin de mieux maitriser la contamination de ces effluents et, par conséquent, des impacts environnementaux et sanitaires associés. Cependant le choix des molécules à rechercher représente un véritable challenge. En effet, la complexité de ces matrices et le nombre réduit de composés recherchés en analyse chimique de routine, rendent difficile une identification des composés responsables de l’oestrogénicité de ces effluents. Dans ce contexte, les méthodes dites bio-analytiques, comme l’analyse dirigée par les effets (EDA), pourraient représenter des outils de choix pour identifier les composés actifs au sein de ces mélanges environnementaux. Le premier objectif de cette étude a été d’évaluer la présence de composés oestrogéniques dans des lixi-viats de déchets à différentes phases de traitement (non traité, aéré et traité par charbon actif ou osmose inverse) et donc l’efficacité de ces traitements à abattre les molécules oestrogéniques. Le second objectif a été d’utiliser une analyse dirigée par les effets pour identifier les composés actifs au sein du lixiviat ayant engendré la plus forte induction oestrogénique (260 ng-EEQ/L). Le fractionnement de cet ex-trait a permis d’isoler quatre fractions actives. Une fraction (fraction 15) explique à elle seule plus de 80 % de l’acti-vité de l’ensemble des fractions combinées. L’injection d’une solution contenant différents composés étalons a mis en évidence l’élution en fraction 15 d’un composé à la fois connu pour être présent dans les lixiviats et capable d’induire des effets oestrogéniques : le bisphénol A. Enfin, des analyses en LC-MS/MS ont permis de quantifier respectivement 3,5 et 0,25 mg de bisphénol A dans les F15 et F16. Ce composé explique à lui seul 88% de l’activi-té oestrogénique globale. La mise en oeuvre d’une méthodologie dirigée par les effets tend donc à indiquer que le bisphenol A issus principalement de la dégradation de certains plastiques, représente le principal contributeur à l’activité oestrogénique du lixiviat étudié.

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Mechanism-based in vitro and in vivo bioassays are increasingly used as part of integrated bio-analytical strategies, for the monitoring of both classical and emerging chemical contaminants in the aquatic environment. Here, we describe such an approach based on the combination of in vitro screening biological tools and physic-chemical methods and used to detect and identify endocrine disruptive chemicals (EDCs) in different environmental matrices such as effluents, sediment or surface waters. The developed approach is exemplified by the determination of steroid and xenobiotic activities profiles in various wastewater effluents and the further chemical identification of active compounds using bioassay-directed analysis. Eventually, the complementary use of innovative in vivo screening assays using zebrafish provide further useful information on the biological impact of active contaminants or samples, hence improving significantly chemical hazard assessment of analyzed samples., Les systèmes aquatiques sont aujourd’hui contaminés par une multitude de polluants organiques, qui contribuent à l’altération de l’état chimique et écologique des écosystèmes. Actuellement, la surveillance de la qualité chimique des eaux est principalement réalisée au travers d’analyses chimiques ciblant des composés définis comme prioritaires ou pertinents (par exemple, liste des substances prioritaires - Directive-cadre sur l’eau, 2000/60/CE). Néanmoins, du fait de la grande diversité des familles de contaminants présents et des multiples transformations qu’ils subissent dans le milieu, ces analyses ciblées ne donnent qu’une image partielle de la contamination, et donc du danger (éco)toxique associé. D’autres approches, dites bioanalytiques, sont aujourd’hui disponibles et opérationnelles pour répondre aux enjeux de la surveillance de l’état chimique des eaux (effluents, rivières, etc.). En effet, l’utilisation de bioessais in vitro et in vivo, basés sur le mécanisme d’action moléculaire des substances, permet une détection sensible et pertinente du point de vue (éco)toxicologique de polluants actifs au sein de matrices environnementales (c’est-à-dire le profilage toxicologique). La combinaison de ces bio essais à des méthodes physico-chimiques d’analyse au sein de stratégies intégrées (notamment analyses dirigées par l’effet ou Effect Directed Analysis - EDA) permet l’identification chimique des contaminants effectivement responsables de l’activité biologique mesurée. L’ensemble fournit in fine un diagnostic intégré de la qualité chimique renseignant sur l’identité et sur le mode d’action des composés. Dans un contexte de surveillance, ces approches tendent à s’imposer comme la base de nouvelles stratégies qui permettent de caractériser l’occurrence et les effets (éco)toxicologiques des polluants chimiques

The aim of this thesis was to develop and to evaluate an effect directed analysis (EDA) approach, combining in vitro bioassays and chemical analysis for the characterization of aquatic systems contamination by endocrine disrupting chemicals (EDCs) and their identification. For integrative contamination assessment, new in vitro tools have been developed and evaluated for the detection of emerging pollutants, and then integrated in a multi-bioassays approach. In particular, the human pregnane X receptor (PXR) based bioassay provided further information on bioactive contaminants and thereby enhanced the environmental diagnostic as regard to classical biological target (e.g. estrogen (ER), androgen (AR) or aryl hydrocarbon receptors (AhR)). Such multi-receptors approach allowed determining novel integrative toxicity profiles in sediment and surface water. Overall, our results demonstrated the need to integrate other biological target than ER and AhR, and to assess contamination partitioning for a better hazard/risk assessment. For such purpose, combined use of polar organic compound integrative sampler and in vitro bioassays provided suitable tools to assess active hydrosoluble chemicals in surface water. Finally, in order to identify the compounds responsible for the detected activities, the multi-receptors approach has been integrated in EDA strategy applied to two river sites under different chemical pressures (urban/agricultural and pharmaceutical). To tackle this challenge, extraction and fractionation methods were developed and evaluated in order to encompass a diversity of active chemicals that are detected by in vitro bioassays. The EDA approach allowed determining partial contribution of priority pollutants in biological responses as well as the identification of new EDCs.; L’objectif général de cette thèse concerne la mise en place et l’évaluation d’une approche de type effect directed analysis (EDA), couplant bioessais in vitro et analyses physico-chimiques, pour la caractérisation de la contamination des milieux aquatiques par les perturbateurs endocriniens (PE) et leur identification. De nouveaux outils in vitro ont été développés et intégrés à une approche multi-bioessais pour la détection de polluants émergents afin de permettre un large diagnostic de la contamination par les PE. Parmi eux, le bioessai basé sur le pregnane X receptor humain s’est avéré complémentaire des cibles classiquement étudiées (e.g. récepteurs des œstrogènes (ER), des androgènes (AR) ou des hydrocarbures aromatiques (AhR)). Combinés, ces bioessais ont permis de déterminer des profils intégrés de la contamination inédits dans le sédiment et les eaux de surface, mettant en lumière la nécessité de considérer d’autres cibles biologiques que ER et AhR et de s’intéresser à l’ensemble des compartiments du milieu aquatique pour une meilleure évaluation de la contamination. En particulier, l’utilisation combinée de ces nouveaux outils à des capteurs passifs de type POCIS (polar organic compound integrative sampler) s’est révélée pertinente pour évaluer la contamination de la colonne d’eau par des composés hydrosolubles. Enfin, une démarche EDA, intégrant ces bioessais et des méthodes physico-chimiques d’extraction et de fractionnement adaptées, a été validée pour l’identification des composés détectés. Son application sur deux sites soumis à des contaminations chimiques différentes (mixte urbaine/agricole et pharmaceutique) a permis d’évaluer la contribution des polluants cibles, dont les prioritaires, dans les réponses des bioessais et d’identifier de nouveaux PE.

The aim of this thesis was to develop and to evaluate an effect directed analysis (EDA) approach, combining in vitro bioassays and chemical analysis for the characterization of aquatic systems contamination by endocrine disrupting chemicals (EDCs) and their identification. For integrative contamination assessment, new in vitro tools have been developed and evaluated for the detection of emerging pollutants, and then integrated in a multi-bioassays approach. In particular, the human pregnane X receptor (PXR) based bioassay provided further information on bioactive contaminants and thereby enhanced the environmental diagnostic as regard to classical biological target (e.g. estrogen (ER), androgen (AR) or aryl hydrocarbon receptors (AhR)). Such multi-receptors approach allowed determining novel integrative toxicity profiles in sediment and surface water. Overall, our results demonstrated the need to integrate other biological target than ER and AhR, and to assess contamination partitioning for a better hazard/risk assessment. For such purpose, combined use of polar organic compound integrative sampler and in vitro bioassays provided suitable tools to assess active hydrosoluble chemicals in surface water. Finally, in order to identify the compounds responsible for the detected activities, the multi-receptors approach has been integrated in EDA strategy applied to two river sites under different chemical pressures (urban/agricultural and pharmaceutical). To tackle this challenge, extraction and fractionation methods were developed and evaluated in order to encompass a diversity of active chemicals that are detected by in vitro bioassays. The EDA approach allowed determining partial contribution of priority pollutants in biological responses as well as the identification of new EDCs.; L’objectif général de cette thèse concerne la mise en place et l’évaluation d’une approche de type effect directed analysis (EDA), couplant bioessais in vitro et analyses physico-chimiques, pour la caractérisation de la contamination des milieux aquatiques par les perturbateurs endocriniens (PE) et leur identification. De nouveaux outils in vitro ont été développés et intégrés à une approche multi-bioessais pour la détection de polluants émergents afin de permettre un large diagnostic de la contamination par les PE. Parmi eux, le bioessai basé sur le pregnane X receptor humain s’est avéré complémentaire des cibles classiquement étudiées (e.g. récepteurs des œstrogènes (ER), des androgènes (AR) ou des hydrocarbures aromatiques (AhR)). Combinés, ces bioessais ont permis de déterminer des profils intégrés de la contamination inédits dans le sédiment et les eaux de surface, mettant en lumière la nécessité de considérer d’autres cibles biologiques que ER et AhR et de s’intéresser à l’ensemble des compartiments du milieu aquatique pour une meilleure évaluation de la contamination. En particulier, l’utilisation combinée de ces nouveaux outils à des capteurs passifs de type POCIS (polar organic compound integrative sampler) s’est révélée pertinente pour évaluer la contamination de la colonne d’eau par des composés hydrosolubles. Enfin, une démarche EDA, intégrant ces bioessais et des méthodes physico-chimiques d’extraction et de fractionnement adaptées, a été validée pour l’identification des composés détectés. Son application sur deux sites soumis à des contaminations chimiques différentes (mixte urbaine/agricole et pharmaceutique) a permis d’évaluer la contribution des polluants cibles, dont les prioritaires, dans les réponses des bioessais et d’identifier de nouveaux PE.

Bio-analytical approaches that combine in vitro biological tools and chemical analyses have been developed and used to identifying endocrine disrupting chemicals (EDCs) and dioxin-like compounds in environmental matrices such as effluents, surface waters or river sediments. By using a panel of in vitro bioassays based on cultured reporter cell lines, our study revealed the presence of multiple endocrine active chemicals (i.e. chemicals that interfere with estrogen, androgenic and pregnane X receptors) and dioxin-like compounds in sediments from various French river sites. Chemicals analyses of several EDCs including steroid hormones, mycotoxins, UV-screens, alkylphenols, parabens, pesticides and PAHs confirmed multiple contamination at the most active sites as determined by the bioassays. On the basis of toxic-equivalent concentrations (TEQs), an overall good correlation was noted between biological and chemical approaches. For instance, PAHs were found as major contributors to the dioxin-like activities while the natural steroid estrogens, estradiol and estrone, explained most of the estrogenic activities. However, at the most impacted sites, targeted chemical analyses were only partly explicative of the biological activities measured in the samples suggesting that non analyzed pollutants were also present in the samples. Indeed, fractionation of the samples (RP-HPLC) and testing of the fractions with the bioassays revealed the presence of other unknown estrogenic chemicals that remain to be identified., De nombreuses études font état de la présence dans l’environnement aquatique de substances toxiques de classes chimiques et d’origines très diverses. En marge des polluants chimiques toxiques persistants dans l’environnement (e.g. dioxines, HAPs, PCBs, métaux, pesticides organochlorés…), pour lesquels des méthodes analytiques sont relativement bien établies, l’émergence de nouveaux types de contaminants, comme les médicaments, les produits cosmétiques ou les composés issus des activités domestiques complexifie l’évaluation de la qualité chimique des milieux aquatiques. La surveillance en routine de ces substances est confrontée à différents problèmes : quelles substances et comment les surveiller ? La Directive européenne sur l’eau (DCE) n’a que partiellement répondu au problème en définissant une liste de 41 substances prioritaires. En effet, au regard des milliers de substances présentes dans le milieu, scientifiques et gestionnaires de l’environnement s’accordent à penser que cela reste insuffisant pour établir une évaluation réaliste du risque pour l’environnement. La multiplicité de ces polluants, présents le plus souvent à de faibles concentrations et pour lesquels peu d’information (éco)toxicologique est disponible, pose clairement la question du risque associé aux expositions chroniques des faibles doses et des mélanges complexes et de l’évaluation de ce risque. À l’interface entre approches analytiques pures et bioessais classiques d’écotoxicité, le développement de nouvelles approches bio-analytiques de détection basées sur les mécanismes de toxicité peut avantageusement complémenter, voire dans certains cas remplacer les outils existants.