Analyse et comportement de perturbateurs endocriniens en station d’épuration d’eaux usées domestiques

Analysis and behaviour of endocrine disrupting compounds in wastewater treatment plant

¹ École des Mines de Nantes, GEPEA UMR CNRS 6144, 4, rue Alfred Kastler, BP 20722, 44307 Nantes Cedex 3, France
² Institut Départemental d’Analyse et de Conseil de Loire-Atlantique, route de Gâchet, BP 80603, 44306 Nantes Cedex 3, France
³ Université de Montpellier 2, LGPEB UMR CIRAD 016, place Eugène Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 5, France
⁴ École de Chimie de Rennes (ENSCR), UMR CNRS 6226, « Sciences Chimiques de Rennes », avenue du Général Leclerc, 35700 Rennes, France

Auteurs de correspondance : ronan.colin@cg44.fr catherine.faur@univ-montp2.fr valerie.hequet@emn.fr pierre.le-cloirec@ensc-rennes.fr

Reçu : 21 Novembre 2007
Accepté : 20 Mai 2008

Résumé

Une procédure analytique associant la chromatographie liquide et la spectrométrie de masse en tandem (CL-SM/SM) a été développée pour la détermination d’hormones stéroïdes, d’alkylphénols et du bisphénol A dans des eaux chargées en matières organiques (eaux usées domestiques). Deux protocoles d’extraction en phase solide ont été développés pour les hormones et les phénols sur cartouches C18 et OASIS HLB, respectivement. Pour les hormones, une purification sur silice a également été mise au point. Les limites de détection obtenues dans les effluents d’une station d’épuration (STEP) sont inférieures à 0,3 ng.L^-1 pour les hormones stéroïdes et 11 ng.L^-1 pour les phénols. Ainsi, des mesures de concentration des composés cibles ont été réalisées à chaque étape du traitement d ’ une filière classique d ’épuration des eaux usées domestiques de la région nantaise. Les résultats ont révélé le rejet de certains perturbateurs endocriniens dans le milieu récepteur parmi lesquels l’estrone, le nonylphénol et le bisphénol A. L’analyse des performances de la STEP et particulièrement du traitement biologique (bassins de boues activées) montrent cependant une efficacité élevée pour de nombreux composés. Les performances du bioréacteur à boues activées ont été mises en avant de nombreuses fois ces dernières années et, pour une meilleure compréhension des mécanismes d’élimination, des essais de biodégradabilité et de sorption sur des boues activées ont été réalisés sur deux polluants représentatifs (17 -estradiol et bisphénol A). Les résultats ont été analysés d’un point de vue cinétique de sorption et de dégradation par les microorganismes, puis comparés aux conditions opératoires généralement appliquées aux STEP françaises. Ainsi l’élimination plus faible du bisphénol A (environ 30 %) a pu être expliquée, d’une part par sa capacité moindre à s’adsorber sur les boues activées et d’autre part par une longue période d’adaptation des microorganismes (environ 4 jours) pour débuter sa dégradation dans les conditions du test.

Abstract

Industrialization and the intensive use of domestic chemical products lead to the spreading of various substances considered as emerging pollutants. Thus, the scientific community has focused its attention the past ten years on their fate in the environment. Among them, some compounds can interfere with the normal endocrine functions of wildlife and possibly humans by mimicking or antagonizing the effects of hormones, by altering the pattern of synthesis and metabolism of hormones and by modifying hormone receptor levels. These substances, called Endocrine Disrupting Compounds (EDC), are defined as “exogenous substances that causes adverse health effects in an intact organism, or its progeny, consequent to change in endocrine function” (European Commission, 1996). Monitoring these compounds in water is of great importance and several studies have been conducted in order to quantify them at very low levels. Gas and liquid chromatography tandem mass spectrometry (GC and LC-MS/MS) represent the appropriate analytical tools for determination of endocrine disrupters in water. In this work, a Liquid Chromatographic tandem Mass Spectrometric (LC-MS/MS) method has been developed for the determination of four steroids, four alkylphenolic compounds and the bisphenol A in wastewaters. Two Solid Phase Extraction (SPE) procedures were developed on C18 and OASIS HLB cartridges for steroid hormones and phenolic compounds, respectively. A purification clean-up protocol was developed for steroid estrogens analysis due to the complex matrix. Limits Of Detection (LOD) obtained were lower than 0.3 ng·L^-1 for steroids and 11 ng·L^-1 for phenols. Investigation in a domestic Wastewater Treatment Plant (WTP) was realized by determining the concentrations of the 9 Endocrine Disrupting Compounds (EDC) at each step of the treatment. The activated sludge bioreactor showed the higher removal rates compared to the other treatments. However significant differences were observed with values ranging between 15% for octylphenol (OP) and 98% for 17 -estradiol (E2). In order to get a better understanding of removal mechanisms, these concentration measurements were compared to sorption and biodegradation tests performed in a previous study on two representatives EDC: the 17 -estradiol and the bisphenol A (BPA). Degradation experiments, performed according to the standardized method of Sturm, showed that E2 and BPA were easily biodegraded by the microorganisms of the activated sludge bioreactor of a WTP. However, a lower adsorbability of the BPA (only 30% adsorbed onto inactivated sludge in 180 min) and a longer adaptation time for the microorganisms to begin its degradation (4 days against 2.5 days for the E2) could explain the lower removal rate of this compound in a bioreactor.