Contamination des eaux souterraines par les produits pharmaceutiques - Groundwater contamination by pharmaceuticals

La contamination des eaux souterraines par des produits pharmaceutiques , qui appartiennent à la catégorie des contaminants préoccupants (CEC) ou des polluants organiques émergents (EOP), fait l'objet d'une attention croissante dans les domaines de l'ingénierie environnementale , de l' hydrologie et de l'hydrogéochimie depuis les dernières décennies du XXe siècle.

Les produits pharmaceutiques sont soupçonnés de provoquer des effets à long terme dans les écosystèmes aquatiques même à de faibles plages de concentration ( traces ) en raison de leur nature bioactive et chimiquement stable , ce qui conduit à des comportements récalcitrants dans les compartiments aqueux , une caractéristique qui est généralement associée à la difficulté de en dégradant ces composés en molécules inoffensives, à l'instar du comportement des polluants organiques persistants . De plus, la libération continue de produits médicaux dans le cycle de l' eau pose des problèmes de bioaccumulation et de bioamplification . Comme la vulnérabilité des systèmes d' eaux souterraines est de plus en plus reconnue même par l'autorité de régulation ( Agence européenne des médicaments , EMA), les procédures d'évaluation des risques environnementaux (ERE), qui sont requises pour les produits pharmaceutiques, l'autorisation de mise sur le marché et les actions préventives recommandées pour préserver ces environnements.

Au cours des dernières décennies du vingtième siècle, les efforts de recherche scientifique ont été encouragés vers une meilleure compréhension des interactions des mécanismes de transport et d'atténuation des eaux souterraines avec la nature chimique des agents polluants. Parmi les multiples mécanismes régissant la mobilité des solutés dans les eaux souterraines, la biotransformation et la biodégradation jouent un rôle crucial dans la détermination de l'évolution du système (telle qu'identifiée en développant des champs de concentration) en présence de composés organiques , tels que les produits pharmaceutiques. D'autres processus qui pourraient avoir un impact sur le devenir des produits pharmaceutiques dans les eaux souterraines comprennent le transfert de masse advectif - dispersif classique , ainsi que les réactions géochimiques, telles que l' adsorption sur les sols et la dissolution / précipitation .

Un objectif majeur dans le domaine de la protection de l' environnement et de l'atténuation des risques est le développement de formulations mathématiques produisant des prédictions fiables du devenir des produits pharmaceutiques dans les systèmes aquifères , éventuellement suivies d'une quantification appropriée de l'incertitude prédictive et de l'estimation des risques associés à ce type de contamination. .

Produits pharmaceutiques assortis.

Problème général

Les produits pharmaceutiques représentent une menace sérieuse pour les systèmes aquifères en raison de leur nature bioactive, ce qui les rend capables d'interagir directement avec les micro - organismes vivants qui y résident et de produire des phénomènes de bioaccumulation et de bioamplification. Il a été prouvé que la présence de xénobiotiques dans les eaux souterraines nuisait aux équilibres délicats des écosystèmes aquatiques de plusieurs manières, notamment en favorisant la croissance de bactéries résistantes aux antibiotiques ou en provoquant des perturbations sexuelles liées aux hormones chez les organismes vivants dans les eaux de surface. Compte tenu du rôle des systèmes d'eaux souterraines en tant que principales ressources mondiales en eau potable , la capacité des produits pharmaceutiques à interagir avec les tissus humains pose également de graves problèmes en termes de santé humaine. En effet, la majorité des produits pharmaceutiques ne se dégradent pas dans les eaux souterraines, où s'accumulent en raison de leur libération continue dans l'environnement. Ensuite, ces composés atteignent les systèmes souterrains par différentes sources, telles que les effluents d'hôpitaux, les eaux usées et les lixiviats de décharge , qui risquent clairement de contaminer l'eau potable.

Classes pharmaceutiques les plus détectées

Les principales classes pharmaceutiques détectées dans les systèmes d'eaux souterraines du monde entier sont énumérées ci-dessous. La catégorisation suivante est basée sur une perspective médicale et est souvent appelée classification thérapeutique.

Antibiotiques
Eststrogènes et hormones
Anti-inflammatoires et analgésiques
Antiépileptiques
Régulateurs de lipides
Antihypertenseurs
Médias de contraste
Antidépresseurs
Médicaments antiulcéreux et antihistaminiques

Exemples de produits pharmaceutiques souvent détectés dans les eaux souterraines du monde entier.
Classe pharmaceutique	Médicaments
antibiotiques	sulfaméthoxazole , triclosan , lincomycine
oestrogènes et hormones	17-β estradiol , estrone
anti-inflammatoires et analgésiques	diclofénac , paracétamol , ibuprofène
antiépileptiques	carbamazépine
régulateurs de lipides	acide clofibrique
antihypertenseurs	aténolol
antidépresseurs	benzodiazépine
produits de contraste	iopamidol

Aspects chimiques pertinents pour la dynamique des systèmes aquifères

La structure chimique des produits pharmaceutiques affecte le type de processus hydrogéochimiques qui ont principalement un impact sur leur devenir dans les eaux souterraines et elle est strictement associée à leurs propriétés chimiques. Par conséquent, une classification des produits pharmaceutiques basée sur des classes chimiques est une alternative valable pour comprendre le rôle des structures moléculaires dans la détermination du type de processus physiques et géochimiques affectant leur mobilité dans les milieux poreux .

En ce qui concerne la présence de médicaments dans les systèmes aquatiques souterrains, les propriétés chimiques suivantes sont d'un intérêt majeur :

Solubilité dans la phase aqueuse

La solubilité des produits pharmaceutiques dans l'eau affecte la mobilité de ces composés dans les aquifères. Cette caractéristique dépend de la polarité des produits pharmaceutiques , car les substances polaires sont généralement hydrophiles , montrant ainsi une tendance marquée à se dissoudre dans la phase aqueuse , où elles deviennent des solutés . Cet aspect a un impact sur l'équilibre dissolution/précipitation, un phénomène qui est mathématiquement décrit en termes de produit de solubilité de la substance (abordé dans de nombreux livres avec la notation ). ${\style d'affichage K_{S}}$

Lipophilie , souvent mesurée par le coefficient de partage octanol-eau (généralement appelé ) $K_{OW}$

Des valeurs élevées soulignent le caractère non polaire de l'espèce chimique, qui montre plutôt une affinité particulière à se dissoudre dans les solvants organiques. Par conséquent, les produits pharmaceutiques lipophiles sont fortement exposés au risque de bioaccumulation et de bioamplification dans l'environnement, ce qui correspond à leur partage préférentiel avec les tissus organiques des organismes vivants. Les produits pharmaceutiques suffisamment gros sont en effet soumis à des niveaux spécifiques dans la procédure d'évaluation des risques pour l'environnement (ERE) (à fournir pour la demande d'autorisation de mise sur le marché) et sont mis en évidence comme sources potentielles de bioaccumulation et de bioamplification selon les lignes directrices de l' EMA . Les composés lipophiles sont alors insolubles dans l'eau, où ils persistent sous forme de phase séparée de la phase aqueuse. Cela rend leur mobilité dans les eaux souterraines fondamentalement découplée avec les mécanismes de dissolution/précipitation et attribuée au transport moyen du flux (advection et dispersion) et aux mécanismes de réaction médiés par le sol (adsorption). $K_{OW}$ $K_{OW}$

Affinité de sorption sur les sols

Cette caractéristique est exprimée en termes de ce qu'on appelle le coefficient de partage carbone organique-eau , qui est généralement appelé et est une propriété intrinsèque de la molécule. $K_{OC}$

Caractère acide

Le comportement des molécules par rapport aux réactions de dissociation aqueuse est généralement lié à leurs constantes de dissociation acide , qui sont généralement décrites en termes de leurs coefficients. $Pk_{a}$

Affinité aux réactions redox , même dans le contexte des voies métaboliques à médiation bactérienne

La structure moléculaire des xénobiotiques décrit généralement l'existence de plusieurs voies de réaction possibles, qui sont intégrées dans des réseaux de réaction complexes et sont généralement appelées processus de transformation. En ce qui concerne les composés organiques, tels que les produits pharmaceutiques, d'innombrables types de réactions chimiques existent, la plupart impliquant des mécanismes chimiques communs, tels que l' élimination , l' addition et la substitution de groupes fonctionnels . Ces processus impliquent souvent d'autres réactions redox accomplies sur les substrats, qui sont ici représentés par des solutés pharmaceutiques et, éventuellement, leurs produits de transformation et métabolites . Ces processus peuvent ensuite être classés comme biotiques ou abiotiques , en fonction de la présence ou de l'absence de communautés bactériennes agissant comme médiateurs de la réaction. Dans le premier cas, ces voies de transformation sont généralement traitées comme une biodégradation ou une biotransformation dans la littérature hydrogéochimique, selon l'étendue du clivage de la molécule mère en espèces inoffensives hautement oxydées.

Processus de transport et d'atténuation

Le devenir des produits pharmaceutiques dans les eaux souterraines est régi par différents processus. Le cadre théorique de référence est celui du transport réactif des solutés dans les milieux poreux à l' échelle du continuum , qui est typiquement interprété à travers l'équation advective-dispersive-réactive (ADRE). En référence à la région saturée de l'aquifère, l'ADRE s'écrit :

${\frac {\partial }{\partial t}}(\phi C_{W}({\boldsymbol {x}},t))=-\underbrace {\nabla (\phi C_{W}( {\boldsymbol {x}},t){\boldsymbol {v}}({\boldsymbol {x}},t))} _{\text{advection}}+\underbrace {\nabla (\phi {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {x}},t)\nabla C_{W}({\boldsymbol {x}},t))} _{\text{dispersion hydrodynamique}}+\underbrace {R} _ {\text{accumulation}}$

Où représente la porosité effective du milieu, et représentent - respectivement - le vecteur de coordonnées spatiales et la coordonnée temporelle. représente l' opérateur de divergence , sauf lorsqu'il s'applique à , où le symbole nabla signifie gradient de . Le terme désigne alors le champ de concentration de soluté pharmaceutique dans la phase aqueuse (pour les régions non saturées de l'aquifère, l'équation ADRE a une forme similaire, mais elle inclut des termes supplémentaires représentant les teneurs volumétriques et les concentrations de contaminants dans d'autres phases que l'eau), tandis que représente le champ de vitesse. est le tenseur de dispersion hydrodynamique et est typiquement fonction de la seule variable . Enfin, le terme de stockage inclut la contribution d'accumulation ou d'élimination due à tous les processus réactifs possibles dans le système, c'est-à-dire l'adsorption, la dissolution/précipitation, la dissociation acide et d'autres réactions de transformation, telles que la biodégradation. ${\style d'affichage \phi }$ ${\boldsymbol {x}}$ ${\style d'affichage t}$ $\nabla$ ${\style d'affichage C_{W}}$ ${\style d'affichage C_{W}}$ $C_{W}({\boldsymbol {x}},t)$ ${\boldsymbol {v}}({\boldsymbol {x}},t)$ $D({\boldsymbol {x}},t)$ ${\boldsymbol {x}}$ ${\style d'affichage R}$

Les principaux processus de transport hydrologique entraînant la migration des produits pharmaceutiques et des contaminants organiques dans les systèmes aquifères sont :

Les processus géochimiques les plus influents, également appelés processus réactifs et dont l'effet est inscrit dans le terme de l'ADRE, comprennent : ${\style d'affichage R}$

Adsorption sur le sol
Dissolution et précipitation
Dissociation acide et complexation aqueuse
Biodégradation , biotransformation et autres voies de transformation

Advection

Le transport adventif explique la contribution du transfert de masse de soluté à travers le système qui provient du mouvement d' écoulement en vrac . À l' échelle du continuum d'analyse, le système est interprété comme un milieu continu plutôt qu'un ensemble de particules solides ( grains ) et d'espaces vides ( pores ) à travers lesquels le fluide peut s'écouler. Dans ce contexte, une vitesse d'écoulement moyenne peut être généralement estimée, ce qui survient en augmentant les vitesses d'échelle des pores. Ici, les conditions d'écoulement du fluide assurent la validité de la loi de Darcy , qui régit l'évolution du système en termes de vitesse moyenne du fluide, généralement appelée vitesse d' infiltration ou d' advection . Les produits pharmaceutiques dissous dans les eaux souterraines sont transférés dans le domaine avec le débit de fluide moyen et en accord avec les principes physiques régissant toute autre migration de soluté à travers le système.

Dispersion hydrodynamique

La dispersion hydrodynamique identifie un processus qui résulte de la sommation de deux effets distincts. Premièrement, il est associé à la diffusion moléculaire , un phénomène qui est apprécié à l' échelle macro comme conséquence des mouvements browniens à l' échelle micro . Deuxièmement, il inclut une contribution (appelée dispersion mécanique ) résultant de la mise à l'échelle du problème de transport dynamique des fluides du pore à l'échelle du continuum d'investigation, en raison de la mise à l'échelle des vitesses locales non homogènes. Cette dernière contribution n'est donc pas liée à l'occurrence d'un quelconque processus physique à l'échelle du pore, mais n'est qu'une conséquence fictive du choix de l'échelle de modélisation. Dispersion hydrodynamique est ensuite incorporé dans l'équation d' advection-réactif dispersif (ADRE) en supposant un Fickian modèle de fermeture. La dispersion est ressentie à l'échelle macro comme responsable d'un effet de propagation du panache contaminant autour de son centre de masse.

Adsorption sur le sol

Exemples de processus impliqués dans la modélisation hydrogéochimique du transport des écoulements souterrains.

La sorption identifie une réaction hétérogène qui est souvent entraînée par un équilibre thermochimique instantané. Il décrit le processus pour lequel une certaine masse de soluté dissous dans la phase aqueuse adhère à une phase solide (comme la fraction organique du sol dans le cas des composés organiques), étant donc éliminée de la phase liquide. En hydrogéochimie, il a été prouvé que ce phénomène provoque un effet retardé de la mobilité des solutés par rapport au cas où seules l'advection et la dispersion se produisent dans l'aquifère. Pour les produits pharmaceutiques, il peut généralement être interprété à l'aide d'un modèle d'adsorption linéaire à l'équilibre, qui est pleinement applicable à de faibles plages de concentrations. Ce dernier modèle repose sur l'évaluation d'un coefficient de partage linéaire , généralement noté , qui dépend - pour les composés organiques - à la fois du coefficient de partage carbone organique-eau et de la fraction de carbone organique dans le sol. Alors que le premier terme est une propriété chimique intrinsèque de la molécule, le dernier dépend plutôt de l' humidité du sol de l'aquifère analysé. $k_{d}$ $K_{OC}$ $f_{OC}$

La sorption d'oligo-éléments tels que les produits pharmaceutiques dans les eaux souterraines est interprétée par le modèle d'isotherme linéaire suivant :

$C_{S}=k_{d}C_{W}$

Où identifie la concentration adsorbée sur la phase solide et . ${\style d'affichage C_{S}}$ $k_{d}\propto K_{OC},f_{OC}$

La forme neutre des molécules organiques dissoutes dans l'eau est typiquement la seule responsable des mécanismes de sorption, d'autant plus importants que les sols sont riches en carbone organique. Les formes anioniques sont au contraire insensibles aux mécanismes de sorption, tandis que les cations ne peuvent subir d'adsorption que dans des conditions très particulières.

Dissolution et précipitation

La dissolution représente la réaction hétérogène au cours de laquelle un composé solide, tel qu'un sel organique dans le cas des produits pharmaceutiques, se dissout dans la phase aqueuse. Ici, le sel d'origine apparaît sous la forme à la fois de cations aqueux et d'anions, en fonction de la stoechiométrie de la réaction de dissolution. La précipitation représente la réaction inverse. Ce processus est généralement accompli à l'équilibre thermochimique, mais dans certaines applications de modélisation hydrogéochimique, il peut être nécessaire de prendre en compte sa cinétique . À titre d'exemple pour le cas des produits pharmaceutiques, le diclofénac, un anti-inflammatoire non stéroïdien commercialisé sous le nom de diclofénac sodique, subit ce processus dans les eaux souterraines.

Dissociation acide et complexation aqueuse

La dissociation acide est une réaction homogène qui produit la dissociation d'un acide dissous (dans la phase aqueuse) en formes cationiques et anioniques, tandis que la complexation aqueuse dénote son processus inverse. La spéciation aqueuse d'une solution est déterminée sur la base du coefficient, qui varie typiquement entre 3 et 50 (environ) pour les composés organiques, tels que les produits pharmaceutiques. Ces derniers étant des acides faibles et considérant que ce processus est toujours accompli lors de l'atteinte instantanée des conditions d'équilibre thermochimique, il est alors raisonnable de supposer que la forme non dissociée du contaminant d'origine est prédominante dans la spéciation de l'eau pour la plupart des cas pratiques dans le domaine de hydrogéochimie. $Pk_{a}$

Biodégradation, biotransformation et autres voies de transformation

Exemple illustratif de mécanismes possibles de biodégradation microbienne.

Les produits pharmaceutiques peuvent subir des processus de biotransformation ou de transformation dans les systèmes d'eaux souterraines.

Les aquifères sont en effet de riches réserves en minéraux et autres espèces chimiques dissoutes, telles que la matière organique , l' oxygène dissous , les nitrates , les composés ferreux et manganèse , les sulfates , etc, ainsi que les cations dissous, tels que le calcium , le magnésium et le sodium . Tous ces composés interagissent à travers des réseaux réactionnels complexes englobant des processus réactifs de nature différente, tels que la précipitation/dissolution des carbonates , les réactions acido-basiques , la sorption et les réactions redox. En ce qui concerne ce dernier type de processus, plusieurs voies sont généralement possibles dans les aquifères car l'environnement est souvent riche en agents réducteurs (comme la matière organique) et oxydants (comme l'oxygène dissous, les nitrates, les oxydes ferreux et de manganèse, les sulfates, etc.). Les produits pharmaceutiques peuvent également servir de substrats dans ce scénario, c'est-à-dire qu'ils peuvent représenter soit l'agent réducteur, soit l'agent oxydant dans le contexte des processus redox. En fait, la plupart des réactions chimiques impliquant des molécules organiques sont généralement accomplies lors d'un gain ou d'une perte d' électrons , de sorte que l' état d'oxydation de la molécule change le long de la voie réactive. Dans ce contexte, l'aquifère agit comme un « réacteur chimique ».

Il existe d'innombrables types de réactions chimiques que les produits pharmaceutiques peuvent subir dans cet environnement, qui dépendent de la disponibilité d'autres réactifs , du pH et d'autres conditions environnementales, mais tous ces processus partagent généralement des mécanismes communs . Les principales concernent l' addition , l' élimination ou la substitution de groupes fonctionnels . Le mécanisme de réaction est important dans le domaine de la modélisation hydrogéochimique des systèmes aquifères car toutes ces réactions sont généralement régies par des lois cinétiques . Par conséquent, la reconnaissance des mécanismes moléculaires corrects par lesquels une réaction chimique progresse est fondamentale pour modéliser correctement les vitesses de réaction (par exemple, il est souvent possible d'identifier une étape limitant la vitesse dans les réactions à plusieurs étapes et de relier la vitesse de progression de la réaction à celle-ci. étape particulière). La modélisation de ces réactions suit typiquement les lois cinétiques classiques, sauf dans le cas où les réactions impliquant le contaminant sont accomplies dans le cadre du métabolisme bactérien . Alors que dans le premier cas, l'ensemble des réactions est traité comme voie de transformation, dans le second, les termes biodégradation ou biotransformation sont utilisés, selon la mesure dans laquelle les réactions chimiques dégradent efficacement la molécule organique d'origine en composés inoffensifs dans leur état d'oxydation maximal. (c'est-à-dire le dioxyde de carbone , le méthane et l' eau ). Dans le cas des voies de réaction à médiation biologique, qui sont pertinentes dans l'étude de la contamination des eaux souterraines par les produits pharmaceutiques, il existe des lois cinétiques appropriées qui peuvent être utilisées pour modéliser ces processus dans des contextes hydrogéochimiques. Par exemple, les équations de Monod et Michaelis-Menten sont des options appropriées dans le cas de processus de transformation biotique impliquant des composés organiques (tels que des produits pharmaceutiques) comme substrats.

Bien que la plupart des ouvrages hydrogéochimiques traitent de ces processus par le biais de modèles de biodégradation linéaire, plusieurs études ont été menées depuis la deuxième décennie du XXIe siècle, car les premières sont généralement trop simplifiées pour garantir des prédictions fiables du devenir des produits pharmaceutiques dans les eaux souterraines et pourraient biaiser le risque. estimations dans le cadre d'applications d'atténuation des risques pour l'environnement.

Approches de modélisation hydrologique et géochimique

Outils de MODFLOW pour Windows.

La contamination des eaux souterraines par les produits pharmaceutiques est un sujet de grand intérêt dans le domaine de l'ingénierie environnementale et hydraulique, où la plupart des efforts de recherche se sont orientés vers des études sur ce type de contaminants depuis le début du XXIe siècle. L'objectif général de ces disciplines est de développer des modèles d'interprétation capables de prédire le comportement des systèmes aquifères en relation avec l'apparition de divers types de contaminants, parmi lesquels figurent également les médicaments. Un tel objectif est motivé par la nécessité de fournir des outils mathématiques pour prédire, par exemple, comment les champs de concentration de contaminants se développent à travers l'aquifère au fil du temps. Cela peut fournir des informations utiles pour soutenir les processus de prise de décision dans le contexte des procédures d' évaluation des risques environnementaux . À cette fin, plusieurs stratégies et outils interdisciplinaires sont généralement employés, les plus fondamentaux étant énumérés ci-dessous :

Des stratégies de modélisation numérique sont utilisées pour simuler des modèles de transport hydrogéochimique. Quelques exemples de logiciels couramment utilisés sont MODFLOW et PHREEQC , mais il existe de nombreux logiciels disponibles qui peuvent être utilisés.
Des outils d' inférence statistique sont utilisés pour calibrer les modèles hydrogéochimiques disponibles par rapport aux données brutes . Un logiciel largement utilisé est, par exemple, PEST .
Les connaissances en chimie organique constituent une condition préalable fondamentale pour développer des modèles géochimiques à ajuster aux données.
Les expériences à l' échelle du laboratoire ou sur le terrain sont conçues pour obtenir des données brutes, qui sont nécessaires pour étudier le comportement des systèmes aquifères exposés à des composés préoccupants.

Tous ces outils et stratégies interdisciplinaires sont actuellement utilisés pour analyser le devenir des produits pharmaceutiques dans les eaux souterraines.

Voir également

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