Thèse Etude de la Pollution des Eaux Usées par les Pfas et de leur Relargage dans l'Atmosphère H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : SOFTMAT - Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes Direction de la thèse : Fabrice COLLIN Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-08-30T23:59:59 Les PFAS (substances per et polyfluoroalkylées), surnommés « polluants éternels » en raison de leur très grande stabilité, sont des contaminants quasi ubiquitaires produits massivement depuis les années 1940 pour leurs propriétés tensioactives et leur résistance chimique et thermique. Ils se retrouvent en particulier dans les flux d'eaux usées domestiques et industrielles. Les stations d'épuration ne sont pas des sources primaires mais peuvent concentrer et relarguer des PFAS. Elles peuvent ainsi contribuer indirectement à la contamination des milieux récepteurs et à l'exposition humaine par l'eau potable, les aliments et les poissons. Les PFAS sont également détectés dans l'air, sous formes particulaire et gazeuse, en milieu urbain comme en zones peu anthropisées. Le projet de thèse vise à développer des méthodes analytiques robustes pour caractériser les PFAS dans les eaux usées et étudier leur relargage atmosphérique à proximité. Les objectifs comprennent l'optimisation des extractions en matrice aqueuse, l'échantillonnage et l'extraction dans l'air, l'analyse ciblée par GC/MSMS et LC/MSMS, et la mise en place de méthodologies non ciblées par ces deux mêmes techniques couplées. La méthode prévoit le choix d'un ou deux sites en région toulousaine pour les prélèvements des eaux usées et l'échantillonnage de l'air à proximité, une revue bibliographique exhaustive sur les techniques d'échantillonnage et d'extraction (SPE, LLE, DMLLE, microextraction, ultrasons, microondes) en milieu liquide et gazeux, et la sélection de solutions automatisables. L'objectif est d'aboutir à une chaîne automatisée d'extraction et d'analyse par LC/MS-MS et GC/MS-MS. L'efficacité sera évaluée à l'aide des 20 standards PFAS utilisés dans la directive européenne 2020/2184. L'analyse sera ensuite étendue pour le dosage de 52 PFAS couramment retrouvés dans l'environnement en particulier. Une approche complémentaire d'analyse non ciblée sera mise en oeuvre par UPLC/HRMS et GC/HRMS. Le traitement des données sera optimisé à la fois par des outils propriétaires et libres (Compound Discoverer, mzMine, MSDial, KNIME). Les workflows développés permettront la détection et l'identification de PFAS inconnus, complétant ainsi les méthodes ciblées et améliorant la compréhension du relargage atmosphérique depuis les eaux usées. Appelées « polluants éternels » en raison de leur grande stabilité chimique, les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) sont des contaminants environnementaux presque ubiquitaires [1]. Depuis les années 1940, les PFAS sont produits en grandes quantités par l'industrie chimique en raison d'une combinaison de propriétés utiles sur le plan commercial, incluant une stabilité thermique, une stabilité chimique et un comportement tensioactif [2]. Ces propriétés ont conduit à leur large utilisation dans les procédés industriels (par exemple la fabrication de produits papetiers, la production d'équipements électroniques, le placage des métaux, ainsi que l'extraction de pétrole et de gaz) et à leur incorporation dans des produits tels que les mousses antiincendie, les ustensiles de cuisine antiadhésifs, les produits de soins personnels, les peintures et les textiles résistants aux taches [3]. En raison de leur utilisation intensive, les PFAS peuvent être retrouvés dans les flux des eaux usées domestiques ou industrielles [4]. Bien que les stations d'épuration (STEP) ne soient pas des sources primaires de PFAS, les fortes concentrations de PFAS rejetées par les STEP via les effluents traités, les bio-solides, les aérosols issus de l'aspersion des eaux usées et la volatilisation [5] peuvent entraîner des concentrations élevées dans les milieux récepteurs et contribuer à l'exposition humaine par la consommation d'eau potable contaminée, de produits agricoles et de poissons [6]. Dans l'atmosphère, ils sont présents sous forme particulaire ou gazeuse, dans l'environnement marin [7], dans de grandes villes européennes [8], ou dans des zones faiblement influencées par l'activité humaine [9]. Les méthodes d'échantillonnage des PFAS dans l'environnement doivent être adaptées aux milieux analysés [10,11]. Les méthodes les plus classiques pour l'extraction des PFAS en milieu liquide restent l'extraction sur phase solide (SPE) avec des variantes miniaturisées ou l'extraction liquide-liquide (LLE), ainsi que la microextraction dispersive (DMLLE), les ultra-sons ou les micro-ondes. Pour l'échantillonnage de l'air [12], l'extraction s'effectue le plus souvent en utilisant des échantillonneurs passifs sur une durée conséquente. De nouveaux adsorbants sont aussi régulièrement décrits dans la littérature qui peuvent augmenter la sélectivité d'extraction.
La détection et la quantification des PFAS dans les différents environnements restent particulièrement difficile, en particulier car le nombre de PFAS est estimé à plus de 5000 et, à l'heure actuelle, seule une très faible fraction est connue. Le manque de standards et de méthodes analytiques robustes est une difficulté supplémentaire pour la quantification par des approches conventionnelles ciblant des composés spécifiques. A l'heure actuelle, la très grande partie des publications sur la détection et la quantification des PFAS utilise deux types de spectrométrie de masse [11] : la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse pour l'analyse des PFAS volatils et semi volatils et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) pour l'analyse des PFAS ioniques (acides carboxyliques et sulfonates), souvent en tandem (MS/MS) [13,14]. Cette dernière technique est celle de référence pour les eaux usées et les boues. Ces méthodes, dites ciblées, couvrent cependant une très petite partie de l'ensemble des PFAS rejetés dans l'environnement. C'est la raison pour laquelle les méthodes dites non ciblées [15] (non-targeted analysis ou non-targeted screening) connaissent actuellement un essor considérable, en particulier pour la détection des PFAS. Elles permettent de détecter, d'identifier, voire de quantifier [16], des molécules inconnues ou inaccessibles par des méthodes ciblées (e.g. pas de standard). Elles se basent sur la spectrométrie de masse à haute résolution, en couplage chromatographie liquide (LC-HRMS) ou gazeuse (GC-HRMS) [17]. Les méthodes d'acquisition dépendantes (DDA, Data Dependent Analysis) et indépendantes (DIA, Data Independent Analysis) des données sont déjà appliquées avec succès dans les sciences omiques, mais leur application à l'analyse environnementale, beaucoup plus complexe, reste un challenge. Le but de la thèse est le développement de méthodes analytiques robustes pour l'analyse des PFAS dans les eaux usées et dans l'air, de manière à étudier leur relargage dans l'atmosphère.
Les objectifs de la thèse sont les suivants :
- Mise au point de l'extraction des PFAS dans les eaux usées
- Echantillonnage des PFAS dans l'air et extraction
- Analyse des PFAS par GC/MS-MS et LC/MS-MS conventionnelle
- Développement de méthodologies par LC/HRMS et GC/HRMS pour l'analyse non-ciblée des PFAS Echantillonnage des PFAS - Un ou deux sites d'échantillonnage de la région toulousaine seront identifiés pour le prélèvement des eaux usées. En parallèle, une demande sur l'air environnant sur ces sites est aussi prise en compte. Pour l'analyse de l'air ambiant, ATMO Occitanie devrait être un partenaire pour l'échantillonnage des PFAS dans l'air. Une étude bibliographique exhaustive sera réalisée en début de thèse. Elle portera en particulier sur les techniques d'échantillonnage dans l'eau et dans l'air, puis l'extraction et la purification des PFAS. Elle permettra la sélection de quelques techniques qui seront ensuite appliquée pour le reste de la thèse. Il existe des solutions SPE automatisables chez différents fournisseurs, l'étude bibliographique nous aidera dans ce choix. En parallèle, d'autres techniques seront testées. L'objectif est de développer une méthode entièrement automatisée pour l'extraction, le nettoyage et l'injection LC-MS/MS des PFAS. Par ailleurs, nous testerons également la robustesse des méthodes d'extraction par comparaison avec d'autres techniques utilisant des polymères innovants issus de travaux de recherche ou des techniques très utilisées comme la DMLLE (voir contexte - état de l'art). L'efficacité de l'extraction sera évaluée par quantification des 20 PFAS standards introduits dans les échantillons à des doses connues (spiking) par la méthode de référence.
Développement instrumental, analyses ciblées des PFAS - le laboratoire départemental 31 Eva (LD31Eva) est accrédité COFRAC pour l'analyse de 20 PFAS (Directive Européenne 2020/2184) dans les eaux douces, minérales et carbo-gazeuses, par couplage HPLC/MS-MS. Le développement instrumental sur LC/MS-MS consistera en une extension du nombre de PFAS ciblés à 62 au lieu des 20 actuels, et son application à l'analyse des eaux usées. L'analyse des PFAS par GC/MS-MS sera à également à mettre.
Mise en place d'une stratégie d'analyse non ciblée des PFAS - Pour complémenter l'analyse ciblée décrite précédemment, une stratégie d'analyse non-ciblée (Non-Targeted Analysis) sera aussi mise en place dans le cadre de cette thèse. Les analyses seront réalisées en spectrométrie de masse haute résolution en couplage chromatographie liquide (UPLC/HRMS) sur un appareil accessible auprès d'une des plateformes de MetaToul. Le traitement des données sera réalisé à l'aide de logiciels à la fois propriétaires (Compound Discoverer, ThermoScientific) et libres (mzmine, ms-dial, Knime Analytics, ...) pour le développement des workflows analytiques. Les résultats obtenus par les différentes approches seront comparés.