Recherche

Le problème de la contamination environnementale devient de plus en plus complexe : il y a 30 ans, le registre CAS comptait 10⁷ composés, aujourd'hui nous en avons dépassé 10⁸ et si la tendance se poursuit, il y en aura environ 10⁹ d'ici 2040. Si le nombre de composés dans le registre CAS peut être utilisé comme moyen d'évaluer l'étendue de la diversité de la contamination environnementale, on se rend compte que nous sommes confrontés à des défis importants. À ce nombre croissant de composés, il convient d'ajouter leurs produits de transformation potentiels (dégradation, métabolites), un élément émergent à prendre en compte dans l'évaluation des risques environnementaux. La présence dans l'environnement de fragments de polymères synthétiques d'une taille comprise entre 5 millimètres et 1 micromètre, appelés collectivement microplastiques, est un autre problème émergent qui s'ajoute à la charge totale des contaminants organiques dans l'environnement.

C'est pourquoi mon sujet de recherche porte sur l'étude des contaminants à l'état de traces (concentrations < 1 ppb) dans l'environnement. En raison des propriétés physicochimiques (constante de partage octanol-eau, constante de Henry, etc.) de ces contaminants organiques à l'état de traces (TrOC), une partie considérable de ces composés se retrouve dans les milieux aquatiques et terrestres. Nous avons démontré que la contamination des eaux de surface par des TrOC tels que les antibiotiques est un phénomène mondial et que des facteurs économiques, tels que l'insuffisance ou l'absence d'infrastructures de collecte des eaux usées, peuvent aggraver ce problème (Segura et al., 2015). Cependant, à ce jour, l'impact de l'exposition aux mélanges de TrOC sur le biote n'est pas encore bien compris.

Le Laboratoire de chimie environnementale et analytique de l'Université de Sherbrooke a pour objectif d'étudier la présence, la transformation environnementale et la toxicité des TrOC. Plus précisément, mon groupe s'intéresse au développement et à l'application de nouvelles techniques visant à faciliter le processus d'identification des TrOC et de leurs produits de transformation dans les eaux environnementales. Je m'intéresse également à la recherche de nouveaux biomarqueurs permettant de mesurer les effets subtils (sublétaux) des TrOC chez une espèce fréquemment utilisée en écotoxicologie, la puce d'eau Daphnia magna.

L'étude des TrOC dans l'environnement présente de nouveaux défis en raison de leur faible concentration, de leur diversité, de leur devenir environnemental inconnu et du manque de données écotoxicologiques. Par conséquent, mon programme de recherche s'articule autour de trois axes principaux qui visent à répondre aux questions suivantes :

Axe n° 1. Présence : Quels autres TrOC sont présents dans les eaux environnementales et à quelles concentrations ?
Axe n° 2. Destin environnemental : Quels sont les produits de transformation des TrOC dans le milieu aquatique et comment améliorer leur identification ?
Axe n° 3. Toxicité : Quels sont les biomarqueurs les plus sensibles de l'exposition de D. magna aux TrOC ?

Présence

La présence d'un grand nombre de contaminants dans l'environnement n'a pas été détectée pendant des années en raison de l'insuffisance des méthodes d'extraction et de détection. Par conséquent, nos efforts de recherche dans ce domaine se sont concentrés sur l'identification des TrOC par des méthodes non ciblées. Ces méthodes utilisent la masse précise et les spectres de masse en tandem obtenus par spectrométrie de masse à haute résolution pour identifier la présence de TrOC dans l'environnement.

C'est pourquoi mon groupe s'intéresse à l'amélioration des méthodes non ciblées. Cependant, l'application généralisée de ces méthodes est limitée par le niveau de fiabilité des données rapportées. Dans de nombreuses publications, les structures sont attribuées à des masses précises avec peu de soutien expérimental (dans certains cas, sur la base de la masse précise uniquement). Le chemin qui mène de la masse précise à la structure moléculaire est long et sinueux, en particulier lorsqu'on travaille à des concentrations infimes dans des matrices complexes. Il est donc impératif de développer de nouvelles approches pour acquérir des informations structurelles à partir des composés observés afin d'identifier correctement les nouveaux TrOC et leurs produits de transformation.

Depuis 2013, mon groupe de recherche se concentre sur l'amélioration de l'identification des TrOC dans l'environnement. L'identification correcte et rapide des petites molécules organiques à l'état de traces dans l'environnement est une tâche complexe qui n'a pas encore trouvé de solution efficace. Par exemple, pour un ion hypothétique de m/z 300,1234 de composition possible C_0-100H_0-100N_0-10O_0-10F_0-5P_0-5S_0-5Cl_0-5Br_0-5I_0-5Na_0-1, il existe 266 formules différentes avec une précision de masse de 5 mDa et entre 0 et 20 insaturations. De plus, chacune de ces formules peut avoir plusieurs isomères, ce qui signifie que le nombre de structures possibles pour une masse précise donnée peut être très élevé.

Afin de procéder à une identification des contaminants avec un bon niveau de certitude à l'aide de méthodes non ciblées, il est essentiel d'utiliser des techniques pouvant fournir des informations complémentaires sur la composition et la structure du composé d'intérêt. Sur la base du système de niveaux de confiance proposé par Schymanski et al. en 2014, nous avons développé une boîte à outils de techniques permettant de résoudre les contraintes qui limitent l'attribution de niveaux de confiance plus élevés aux composés détectés. Nous avons systématiquement étudié et appliqué de nouvelles approches pour l'identification des TrOC dans l'environnement : l'échange hydrogène-deutérium post-colonne (Eysseric et al., 2016), précision spectrale (Eysseric et al., 2017), spectrométrie à mobilité différentielle (Psutka et al., 2018) et technique combinatoire d'identification par spectroscopie de masse en tandem (Eysseric et al., 2021). Cette boîte à outils d'expériences peut être utilisée dans les eaux de surface à des concentrations environnementales. Nous avons également mené une étude qui a permis d'identifier certaines limites de l'analyse non ciblée (Segura et al., 2019), telles que l'étape de préconcentration par extraction en phase solide et la séparation chromatographique.

Nous avons démontré qu'il est possible de concevoir des expériences basées sur la spectrométrie de masse qui peuvent fournir des informations complémentaires sur la formule et la structure des TrOC inconnus. Par exemple, nous avons montré qu'il est possible de mesurer la précision spectrale du profil isotopique (c'est-à-dire la proximité du profil théorique pour une formule donnée) des contaminants organiques à des concentrations environnementales dans les eaux de surface et d'utiliser ces informations pour attribuer, dans certains cas, une formule sans ambiguïté (Eysseric et al., 2017). Cette approche élimine de nombreuses formules moléculaires possibles pour une masse précise donnée. Ensuite, à l'aide de la technique d'échange hydrogène-deutérium post-colonne que nous avons mise au point, nous pouvons identifier le nombre d'atomes d'hydrogène labiles dans une molécule donnée sans modifier la méthode de chromatographie liquide utilisée (Eysseric et al., 2016). La détermination du nombre d'hydrogènes échangeables dans une molécule nous permet d'éliminer les isomères fonctionnels possibles. Une collaboration avec Scott Hopkins (Université de Waterloo) a montré que la spectrométrie à mobilité différentielle peut être utilisée pour séparer les isomères de position d'un produit de transformation d'un TrOC (Psutka et al. 2018). Enfin, nous avons démontré qu'une technique informatique basée sur un algorithme de fragmentation combinatoire des ions précurseurs permettait de cribler rapidement les TrOC à des concentrations environnementales dans des échantillons d'eau de surface (Eysseric et al., 2021). Cette dernière contribution aura un impact majeur dans le domaine, car la principale limite des méthodes non ciblées actuelles réside dans le nombre restreint de composés répertoriés dans les bases de données empiriques de spectrométrie de masse en tandem (moins de 20 000 composés). La technique que nous proposons n'utilise pas de base de données empirique, mais la base de données PubChem (plus de 960 000 composés) pour générer des spectres de masse en tandem théoriques.

Toutes ces contributions permettront de réduire le temps nécessaire à l'identification d'un composé inconnu de quelques mois à quelques jours. Cela aura un impact majeur dans mon domaine et dans d'autres domaines intéressés par l'identification de petites molécules organiques présentant un intérêt écotoxicologique à de faibles concentrations.

Notre intérêt pour les microplastiques se concentre sur leur présence dans les sédiments fluviaux. Plus précisément, nous voulons comprendre comment les microplastiques interagissent avec d'autres TrOC et leurs propriétés (type de polymère, taille, forme, etc.).

Devenir

Les TrOC sont des substances qui peuvent être transformées dans l'environnement ou dans les stations d'épuration par des facteurs abiotiques et biotiques. Les produits de transformation des TrOC peuvent conserver, voire augmenter leur activité biologique par rapport aux composés d'origine. Il est donc impératif de comprendre leur devenir dans l'environnement, c'est-à-dire comment ils se comportent lorsqu'ils sont rejetés dans les cours d'eau ou les sols agricoles. Nos recherches dans ce domaine se sont concentrées sur l'identification des produits de transformation des TrOC.

L'étude des produits de transformation de petites molécules organiques par LC-HRMS est une tâche complexe. La présence de contaminants de laboratoire et d'autres interférences entraîne la détection d'une multitude de pics dans les échantillons, ce qui rend le processus d'identification très long. Pour remédier à ce problème, nous avons développé une nouvelle méthode innovante d'identification des produits de transformation à l'aide de la plateforme en ligne XCMS. Nous l'avons ensuite appliquée à l'étude des produits de réaction de l'ozonolyse de la lévofloxacine, un antibiotique fréquemment détecté dans l'environnement (Segura, et al. 2015). Ces travaux ont démontré qu'il est possible de cribler rapidement les produits de transformation générés dans des expériences contrôlées en laboratoire. Cette méthode a déjà été appliquée dans le cadre d'une étude menée en collaboration avec Environnement et Changement climatique Canada pour l'identification des produits de transformation du diclofénac et du sulfaméthoxazole (Poirier-Larabie et al., 2016).

Nous avons également exploré l'application de méthodes électrochimiques (électrolyse, réaction de Fenton, etc.) pour reproduire en laboratoire la transformation abiotique et biotique du triméthoprime, un antibiotique fréquemment détecté dans l'environnement (Lecours et al., 2018). Nos résultats ont démontré que les produits d'oxydation du triméthoprime, générés par les différentes méthodes électrochimiques, étaient identiques aux métabolites (mammifères et bactériens) et aux produits de dégradation des processus d'oxydation avancés utilisés dans les stations d'épuration des eaux usées rapportés dans la littérature. La transformation de petites molécules organiques par des méthodes électrochimiques a été peu étudiée dans les sciences de l'environnement et peut nous aider à mieux comprendre la transformation abiotique et biotique des TrOC dans l'environnement. Le couplage de l'électrochimie à la HRMS pour étudier les produits de transformation est une technique intéressante dans les situations où la matrice utilisée est complexe et où les risques d'interférence avec la méthode de détection sont élevés (par exemple, les milieux de culture biologiques). Nos travaux dans cet axe de recherche ont donc permis de développer des outils intéressants pour améliorer notre compréhension du devenir des TrOC dans le milieu aquatique.

Nous nous intéressons également au devenir des microplastiques dans les sédiments, en particulier à la formation de nouveaux groupes fonctionnels à leur surface qui peuvent affecter leur interaction avec d'autres TrOC, ainsi que leur transport et leur toxicité.

Toxicité

L'une des principales difficultés dans l'étude des effets des TrOC sur le biote réside dans le fait qu'à des concentrations environnementales, leurs effets néfastes ne sont pas facilement mesurables, mais peuvent être cumulatifs et même irréversibles à long terme. Ternes et Daughton ont qualifié ce phénomène d'« effets subtils ». Ces changements peuvent passer inaperçus, car ils ne se manifestent de manière détectable et irréversible qu'après plusieurs générations. Il est donc important de mettre au point de nouveaux bioessais plus sensibles qui nous permettent d'identifier les effets subtils en peu de temps. L'approche que nous proposons est basée sur la métabolomique, la science qui consiste à identifier et à quantifier tous les métabolites d'une espèce. Notre hypothèse est qu'il est possible d'identifier les métabolites clés pour la survie d'une espèce qui peuvent être utilisés comme biomarqueurs des effets nocifs des TrOC en peu de temps et à de faibles concentrations.

Pour tester cette hypothèse, nous avons concentré nos efforts de recherche sur la quantification des métabolites essentiels à la survie d'une espèce modèle, la puce d'eau Daphnia magna. Cette espèce, largement utilisée en écotoxicologie, occupe une place importante dans les écosystèmes lacustres (consommateur primaire, source de nourriture pour les poissons) et est également facile à cultiver en laboratoire. Nous avons identifié les ecdystéroïdes et les acides rétinoïques comme biomarqueurs potentiels des effets nocifs des contaminants, compte tenu de leur rôle essentiel pour la survie et la reproduction de D. magna. Nous avons donc procédé à la mise au point d'une méthode sensible de quantification de trois ecdystéroïdes (ecdysone, 20-hydroxyecdysone et ponastérone A) et de deux acides rétinoïques (acide 9-cis rétinoïque et acide tout-trans rétinoïque) chez les daphnies (Venne et al., 2016). Nos résultats ont démontré que la 20-hydroxyecdysone était quantifiable (19 ± 8 pg par individu) chez les daphnies adultes, mais que les autres analytes étaient inférieurs à la limite de détection avec moins de 25 daphnies. Nous avons poursuivi ce travail en exposant les daphnies à différents mélanges de TrOC couramment détectés dans l'environnement, tels que les produits pharmaceutiques et les pesticides. Nous avons démontré que les changements de concentration de 20-hydroxyecdysone étaient quantifiables dans ces tests et que les concentrations de cet ecdystéroïde étaient significativement différentes dans les groupes exposés par rapport aux groupes témoins lorsque les daphnies étaient exposées à 1000 ng L-1 de TrOC. Ces résultats suggèrent que la 20-hydroécdysone pourrait être un biomarqueur très sensible de l'exposition à certains TrOC, en particulier ceux capables de modifier le métabolisme lipidique.

Ces contributions démontrent que la surveillance des métabolites est une approche intéressante pour mieux comprendre les effets des TrOC sur les espèces aquatiques. De plus, nos études ont révélé que la toxicité des mélanges de TrOC doit être étudiée de manière systématique, car des résultats ayant des effets contraires (suppression, augmentation) sur les concentrations de 20-hydroecdysone ont été observés. Par conséquent, les techniques de métabolomique environnementale mises au point par mon laboratoire nous permettront d'étudier une nouvelle dimension des informations sur l'impact, au niveau moléculaire, de la contamination environnementale sur la survie de cette espèce aquatique.

Autres projets

Devenir des produits pharmaceutiques dans les effluents hospitaliers après traitement par oxydation à l'air humide (en collaboration avec le CTTÉI)

Devenir des pesticides chez les abeilles mellifères