Caractérisation intégrée de la matière organique dissoute : recherche d'empreintes physico-chimiques pour tracer les sources de pollutions anthropiques

Abstract

Anthropogenic activities at the scale of a watershed can be very numerous (e.g. agricultural practices, industries, transport, and tourism). These activities generate pressures that result in the input of pollutants to the watercourse (e.g. major elements, organic micropollutants, trace metals). The identification of these sources of pollutants in watercourses remains a challenge to date. Organic matter in its dissolved fraction (DOM) constitutes a complex mixture of molecules whose composition and physicochemical properties depend on its origin, whether natural or anthropogenic, terrigenous or autochthonous, diffuse or point source. Because of its ubiquity, the DOM present in the rivers could be used as a tracer of the anthropic activities and thus of the sources of pollutants at the scale of a catchment. In this context, the objective of this thesis is to identify markers based on physico-chemical properties of DOM (that are characteristic of natural (e.g. terrigenous inputs, autochthonous production) and anthropogenic (e.g. wastewater treatment plant discharges, urban runoff, agriculture and livestock activities) sources at the watershed scale. For this purpose, an original database was built with more than 130 water samples representative of these different sources and analyzed with a wide range of analytical techniques (dissolved organic carbon determination, analysis by UV-Visible spectroscopy and fluorescence excitation-emission, analysis by steric exclusion chromatography coupled with UV and fluorescence detection - HPSEC/UV-fluorescence - , and molecular analysis by liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry - LC-HRMS - ). The exploitation of the database allowed to improve the characterization of DOM with the identification of new optical (HPSEC/UV-fluorescence) and molecular (LC-HRMS) indicators. A protocol for processing complex data from non-targeted LC-HRMS analysis was developed and validated using quality control in order to extract the most relevant molecular compounds to differentiate DOM sources. This work also validated a sampling methodology specific to land-based diffuse sources in relation to land use to build their footprints at the watershed scale. Finally, the integrated multi-analytical and multi-source approach developed in the framework of the thesis allowed the construction of specific fingerprints of the selected sources of DOM (natural, anthropogenic, diffuse, point). The results of this work clearly show that DOM can be considered as a tracer of the origin of the water masses and the associated pollutions in the rivers.Les activités anthropiques à l'échelle d'un bassin-versant peuvent être très nombreuses (e.g. pratiques agricoles, industries, transport et tourisme). Ces activités engendrent des pressions qui se manifestent par l'apport de polluants vers les cours d'eau (e.g. éléments majeurs, micropolluants organiques, métaux traces). L'identification de ces sources de polluants dans les cours d'eau, et plus particulièrement les sources diffuses, reste un réel défi à ce jour. La matière organique dans sa fraction dissoute (MOD) constitue un mélange complexe de molécules dont la composition et les propriétés physicochimiques dépendent de son origine qu'elle soit naturelle ou anthropique, terrigène ou autochtone, diffuse ou ponctuelle. Du fait de son ubiquité, la MOD présente dans les cours d'eau pourrait ainsi être utilisée comme traceur des activités anthropiques et donc des sources de polluants à l'échelle d'un bassin versant. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mettre en évidence des marqueurs basées sur des propriétés physico-chimiques de la MOD (e.g. distribution en poids moléculaire, aromaticité, famille de composés…) qui soient caractéristiques de sources naturelles (e.g. apports terrigènes, production autochtone) et anthropiques (e.g. rejets de stations de traitement des eaux usées STEU, ruissellement urbain, activités d'agriculture et d'élevage) à l'échelle de bassins versants. Pour cela, une base de données originale a été construite avec plus de 130 échantillons d'eau représentatifs de ces différentes sources et analysés avec un large panel de techniques analytiques (dosage du carbone organique dissous, analyse par spectroscopie UV-Visible et excitation-émission de fluorescence, analyse par chromatographie d'exclusion stérique couplée à la détection UV et fluorescence - HPSEC/UV-fluorescence - , et analyse moléculaire par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse haute résolution - LC-HRMS - ). L'exploitation de la base de données a tout d'abord permis d'améliorer la caractérisation de la MOD avec l'identification de nouveaux indicateurs optiques (HPSEC/UV-fluorescence) et moléculaires (LC-HRMS). Un protocole de traitement des données complexes issues de l'analyse LC-HRMS non-ciblée a été développé et validé à l'aide de contrôle qualité afin d'extraire les composés moléculaires les plus pertinents pour différencier les sources de MOD. Ces travaux ont également servi à valider une méthodologie d'échantillonnage spécifique aux sources diffuses terrigènes en lien avec l'occupation des sols. Finalement, l'approche intégrée multi-analytique et multi-sources développée dans le cadre de la thèse a contribué à la construction d'empreintes spécifiques des sources de MOD sélectionnées apriori (naturelles, anthropiques, diffuses, ponctuelles). Les résultats de ces travaux permettent clairement d'envisager la MOD comme traceur de l'origine des masses d'eaux et des pollutions associées dans les cours d'eau