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Demande de doctorant 2012 LTHE Equipe TransPORE
Sujet : Etude du rôle des cations métalliques dans le transfert de polluants pharmaceutiques dans
les sols. Cas de l’antibiotique Sulfomethoxazole (SMX)
Ecole doctorale : Terre Univers Environnement, Université Joseph Fourier Grenoble.
Encadrants : Jean Martins ; Co Encadrants : Lorenzo Spadini, Marie-Christine Morel
Mots clés : Eau et Sols, Géochimie.
Mots-Clefs : Produits pharmaceutiques, Antibiotiques, Sols, Colloïdes, Transfert réactif, Spéciation.
Description du projet :
Introduction : La dissémination des produits pharmaceutiques (PP) dans les milieux naturels constitue un
problème sociétal désormais reconnu. On sait d’après la littérature, que les PP ont pénétré tous les
compartiments de l’environnement. La grande majorité des travaux scientifiques concerne la détection de
polluants émergeants dans les eaux usées et naturelles souterraines et de surface. Un nombre beaucoup plus
limité d’études concerne la détection de polluants organiques dans les sols, bien que ceux-ci constituent une
source importante de polluants pharmaceutiques. En effet, leur origine provient de la déjection des animaux
traités ou de l’utilisation pour les cultures de fumiers d’origine animale. Cette présence dans les sols révèle des
questions inquiétantes concernant l’adaptation spontanée de la microflore des sols (résistances aux
antibiotiques, mutations), le transfert entre compartiments (transfert éolien, nappes souterraines) et le risque
d’ingestion pour l’être humain (inhalation de poussières, chaîne alimentaire…).
Objectifs : L’objectif principal du travail de thèse proposé sera d’étudier le transfert réactif dans les sols naturels
de composés pharmaceutiques modèles. Pour cela, le candidat cherchera à acquérir une bonne connaissance
de la chimie des interactions des substances analysées avec les solutés (la concentration des bivalents majeurs
et la matière organique dissoute en particulaire) et les solides (phases minérales du sol). Des fonctions
chimiques précises (fonction sulfonamides, cycles,… ) des molécules modèles seront identifiées comme
« actrices « des phénomènes de rétention. Ces résultats à plus long terme serviront de base à l’établissement
d’un modèle, outil de prédiction sur le comportement et le devenir de ces produits. L’acquisition d’une base de
données sur ces fonctions permettra de comparer, voire de prédire le transport d’autres molécules organiques
(Polluant Organiques Persistants, produits phytosanitaires…) dans des milieux similaires.
Déroulement de la thèse :
Spéciation chimique des polluants modèles (Ibuprofen, Sulfamethoxazole) en présence de composés dissous des eaux naturelles (matière organique modèle simple et complexe, ions majeurs, éléments traces, colloïdes). Cette étape se fera par une caractérisation systématique en réacteur fermé des constantes thermodynamiques permettant la description du système. Utilisation d’outils d’analyse chimiques tels que : titrimétrie, Spectrométries UV, Raman, IR, OrbitrapMS). Etude des facteurs de contrôle de la mobilité de ces composés dans des sols naturels en fonction des paramètres chimiques décrits plus haut. Nous prendrons en compte en particulier le transfert de ces composés par les particules solides mobiles des sols, les colloïdes, connus comme le vecteur dominant des polluants en milieux aquatique. Ces expériences se feront en batch et en colonne. Amorce de développement d’un protocole analytique permettant l’obtention des paramètres de rétention pour une large variété de substance pharmaceutique en vue de l’obtention de données pouvant être utilisées dans le cadre de la prédiction de la rétention de ces polluants.
Profil du candidat : Chimiste ayant de bonnes connaissances du fonctionnement des sols et des eaux
naturelles, et ayant des expériences en analytique environnementale. Des connaissances en programmation ou
du moins modélisation seraient un plus.
Title: Role of metallic cations on the transfer of Reactive Transfer of pharmaceutical
products in soils. The case of the antibiotic Sulfometoxazole (SMX)
Key word : Water and Soil, Geochemistry.

Project Description:
Introduction: The dissemination of pharmaceutical products (PP) in natural soils and waters is nowadays
recognized as a problem of societal concern. It is known that PP penetrated all environmental compartments.
The majority of scientific publications relate to the detection of emerging pollutants in sewage, surface and
groundwaters. Much less studies are dedicated to the assessment of these pollutants in soils, despite the fact
that soils (i) trap these pollutants and (ii) simultaneously act as a source for their further dissemination. The
dispersion of faecal matter from treated farm animals are the main source of PP in rural areas. The presence of
PP’s in soils questions the potentially harmful spontaneous adaptation of soil bacterial populations (resistance to
antibiotics, mutations.). Moreover, the transfer of PP’s from polluted soils via the atmosphere (eolian transfer),
groundwaters (infiltration) or via the food chain constitutes an evident risk for the human target. The study of the
interactions of the PP’s with the soil constituents appears thus to be of importance with respect to both, scientific
interest and societal concern.
Objectives: The principal objective is to measure and model the reactive transfer of specific PP’s in soils, that is
the retention of PP’s dependent on the determining chemical and physical parameters. For this, the candidate
will determine the interactions of the PP’s with dissolved solutes such as Ca++ (major ion) Cu++,(strongly
complexing trace elemental cation), Al+++ (floculant used in waste water engineering), malonic and humic acids
(organic matter proxies), and solid soil compounds (iron oxides, clays). In homogeneous (clean, simple)
systems, the functional groups of the target PP molecules (sulfonamides, carboxylates…) involved in the
retention reactions will be investigated in using spectroscopic and titrimetric measures, thus to determine ‘true’
thermodynamic constants, which allow the prediction of the interactions independently from the solution
concentrations. In heterogeneous complex systems apparent constants will be determined. The obtained
knowledge will be evaluated in soil column transfer experiments. The long term objective is to establish a
generalized protocol allowing the assessment of the potential retention of wanted PP’s in soils combining both,
structural and thermodynamic data and specific batch and column experiments.
Follow-up of the thesis:
In batch reactors, the chemical speciation of specific target PP (Sulfamethoxazole, Ibuprofen) with dissolved and solid compounds representative for surface and soil waters will be performed, alongside spectroscopic studies This will allow the determination of the thermodynamic constants, and the PP reactive units involved in the complexation reactions. Applied methods : Titrimetry, UV, IR & Raman spectroscopy, eventually Orbitrap mass spectroscopy. In column-based lixiviation experiments, study of the factors controlling the mobility of these compounds percolating through the soil column. A particular focus will be dedicated to the comparative assessment of the dissolved versus the particulate (colloidal) flux of the PP’s. The necessary parameters for the desciption of the speciation in this dynamic system (dissolved and particulate organic matter, dissolved metal concentrations, pH, Eh, alkalinity) will be determined. These data will be modelled in the frame of a PhreeqC reactive transport model. This work will be used as a primary base for the develpment of a generalized protocol allowing the determination of retention parameters for a large variety of different PP’s. Their retention will be predicted and measured on the basis of a combined theoretical and experimental basis.
Desired candidate profile : A soil chemist with a good base knowledge in soil biocheochemistry and
environmental analytics, bringing with him the knowledge and necessary pleasure for programming and testing
chemical and physical models best fits the need of this project.

Source: http://www.obs.ujf-grenoble.fr/ecdoc/sujets-de-these/392.pdf