Bioréacteur à membrane externe pour le traitement d'effluents contenant des médicaments anticancéreux: élimination et influence du cyclophosphamide et de ses principaux métabolites sur le procédé.

THÈSE

En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par L’institut National Polytechnique de Toulouse
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, & Procédés
Spécialité : Génie des Procédés et de l’environnement

Présentée et soutenue par

Luis Fernando Delgado Zambrano
Ingénieur de l’ENSGTI de Pau

Le 17 février 2009

Titre : Bioréacteur à membrane externe pour le traitement d'effluents
contenant des médicaments anticancéreux: élimination et
influence du cyclophosphamide et de ses principaux métabolites
sur le procédé.

Jury

M. Michel Roques Professeur, ENSGTI, Pau Président
me Professeur, Université de Montpellier I M Christelle Wisniewski Rapporteur
Maître de conférences (HDR), Université Paul M. Benoît Marrot Rapporteur
Cézanne d’Aix-Marseille
meM Sylvia Parathoen Ingénieur – Pall Exekia Examinateur
M. Yvan Racault Directeur de Recherche, Cemagref, Bordeaux Examinateur
Directeur de Recherche CNRS, LGC, Toulouse M. Pierre Aimar Examinateur
me Chargé de Recherche CNRS, LGC, Toulouse M Claire Albasi Directrice

Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique, UMR CNRS 5503
Résumé

La problématique concernant la présence et les risques potentiels liés aux micropolluants dans
l’environnementestdevenueunepréoccupationd’actualité.Aujourd’hui,lesstationsd’épurationnesont
pasenmesuredetraiterdemanièreadéquatecenouveautypedepollution.Danslecadredecettethèse,
l’applicationdelatechnologiedesbioréacteursàmembraneaétéenvisagéeafind’évaluerleurpotentiel
pour la dégradation d’un médicament anticancéreux" le cyclophosphamide (CP). Les objectifs de cette
étude sont d’une part évaluer le potentiel des bioréacteurs à membrane pour la dégradation du
cyclophosphamide,ainsiquepourl’éliminationdesatoxicité,d’autrepartrechercherl’effetduCPetde
sesmétabolitessurlesperformancesglobalesduprocédéetsurl’activitédelabiomasseépuratriceainsi
quesurlespropriétésphysico'chimiquesdelaliqueurmixteetlesconséquencessurlecolmatage.Deux
âges de boues ont été évalués, 50 jours lors de la première campagne et 70 jours lors de la deuxième.
L’éliminationduCPetdumétabolite4'Keto'CPdurantlesdeuxcampagnesexpérimentalesestd’environ
80%pourlesdeuxcomposés.Lesprocessusd’adsorptionetdebiodégradationcontribuentàl’élimination
duCPdel’eaurésiduairetraitée.LecocktaildeCPetcesmétabolitesauxconditionsopératoiresétudiées
n’a pas d’influence significative sur l’élimination globale de la DCO et de l’azote total. Cependant, la
toxicitéducocktaildescomposéspharmaceutiquessurlaboueactivéemodifielescaractéristiquesdela
matricebiologique"UnediminutiondelaproductiondebouesduBÀMR1CPparrapportauBÀMR2
contrôleestobservée.LaprésenceduCPetsesprincipauxmétabolitesstimulelesmécanismesdesurvie
et de production des EPS avec une production légèrement plus forte des polysaccharides que des
protéines.esrésultats
ettentnvidenceueaéponseesouesctivéesesBÀMuisaillementst
dépendantedelaprésencedecesmolécules.Cetteétudedémontreaufinall’intérêtdesBÀMpourtraiter
ceype’effluents,timiteraollutionrelarguéeanse
ilieuaturel.

Mots
lefs"$yclophosphamide,ioréacteur
embrane,
icropolluants,auésiduaire


Abstract

Inospitalrharmaceuticalischarges,utlson?astewaterreatmentlantsndmoreenerallynhe
aquatic environment, toxics pollutants have been identified. Some pharmaceuticals are not completely
eliminatedinthemunicipalwastewatertreatmentplantsandaredischargedascontaminantsintoreceiving
waters.@hepplicationf
embraneioreactorrocessisnvestigatedere?ithheaimfvaluatinghe
potentialforremovalofcyclophosphamide(CP).Inthisstudy,twomembranebioreactors(MBR)were
operated:oneoftheMBRservedasacontrol,whereastotheotherCPanditsmainmetaboliteswere
continuouslyadded.Twosludgeretentiontimeswereassessed,50daysand70days.RemovalofCPina
MBR and its effects on the membrane performance, COD and total nitrogen (TN) removal efficiency
were studied. CP and 4'Ketocyclophosphamide removals up to 80% were achieved under studied
operatingconditions.Thesludgeadsorptionandbiodegradation(cometabolism)playanimportantrolein
theprocessofCPremoval.CPanditsmetabolitestoxicitydonotalterCODandtotalnitrogenremoval
efficiencyofMBRs.However,itinducesamodificationfthebiologicalsuspendedsolidsandindoingo
amodificationonthemembranefouling:adecreaseintheproductionofsludgeMBRCPcomparedto
MBR control is observed; the presence of CP and its main metabolites stimulates mechanisms of
protectionandproductionofEPSwithaslightlyhigherproductionofpolysaccharidesthanproteins.The
results underline that the response of activated sludgeto shear stress is dependent on the presence of
thesemolecules.ThisstudydemonstratestheinterestofMBRtotreatthistypeofeffluentandreducethe
pollutionreleasedntohenvironment.


Keywords:Cyclophosphamide;
embraneioreactor;micropollutants;?astewater.




Remerciements


Durant ces trois années de thèse, j’ai rencontré de nombreuses personnes qui m’ont aidé à
mener à bien ce travail de recherche. Je tiens à remercier toutes celles qui ont participé d’une
manière ou d’une autre à accomplir l’un de mes rêves : m’initier à la recherche scientifique.
La liste est assez longue et ma mémoire est plutôt courte, alors j’espère n’oublier personne.

Je remercie :

Claire Albasi qui m’a accueilli au sein de l’équipe BàM dans le département BIOSYM du
laboratoire de Génie Chimique et qui a encadré cette thèse. Qu’elle trouve ici l’expression de
ma profonde gratitude pour ses conseils, sa disponibilité, son aide et son infinie patience,
ainsi que pour la confiance qu’elle m’a toujours apportée.

Sylvie Schetrite d’avoir suivi avec beaucoup d’intérêt mon travail, de son aide, ses conseils,
ses encouragements, sa disponibilité et de son soutien immense aux moments les plus
difficiles durant ces trois années de thèse.

Alain Zarragoitia, mon ami, de sa bonne humeur, de son optimisme, des échanges très
intéressant à propos de « la vie et de la science ». Je tiens à le remercier tout
particulièrement de son logiciel Respiroexpert qui m’a permis de réduire considérablement le
temps nécessaire pour analyser les résultats de respirométrie.

Les stagiaires dont les travaux ont directement contribué à cette étude : Camille « la petite
fille », Anoys « le fou », Ingrid « Catalana », Ingrid « française », « Juan Tren le
vietnamien », Lenaic, Max « le québécois », Amalia « la roumaine », Chadeli, Carlos « le
vénézuélien », Awatef...

Cette thèse s’appuie sur des notions balayant un large panel des champs disciplinaires
comme le génie des procédés, la microbiologie, l’écotoxicologie et la chimie analytique. Je
souhaite donc remercier :

• Les partenaires du projet ANR « Toxeaubàm » :
Sylvia Paranthoen, Jacques Guibaud et Alain Balaire (Pall Exekia)
pour leur aide dans l’aspect génie des procédés,
Virginie Faucet-Marquis et Annie Pfohl-Leszkowicz pour l’aspect
écotoxicologie,
Bénédicte Marion, Christophe Dorandeu et Michel Audran pour
l’aspect chimie analytique,
Sylvie Hansel, Annie Pfohl-Leszkowicz et Marcel Castegnaro pour
l’aspect pharmacologie,
Christel Causserand et Wang Li pour l’aspect génie des procédés –
traitement tertiaire.

• Catalina Avella, Tatiana Görner et Philippe Donato du laboratoire
Environnement et Minéralurgie de l’université de Nancy pour leur
collaboration permettant une étude approfondie des substances polymériques
extracellulaires.

ii• Les permanents du département BIOSYM du laboratoire de Génie Chimique :
Pierre Strehaiano, Patricia Taillandier, Marion Alliet, Régine Basseguy,
Cédric Brandam, Audrey Devatine, Claire Joannis-Cassan pour l’aspect
microbiologie - génie de procédés, et pour leurs conseils qui m’ont permis de
mener à bien mon exposé de soutenance de thèse.

Je remercie les assistants ingénieur et les techniciens du laboratoire de génie chimique pour
l’aide technique qui m’ont apporté durant toute la durée de mon étude : Bernand, Ignace,
Christine Rey Rouch, Alain Muller, Jean Pierre Monna, Alain Phili