Les résidus pharmaceutiques dans les eaux : un problème d'attribution de source

Les résidus pharmaceutiques atteignent les eaux de surface par plusieurs voies : les effluents de stations d'épuration (STEP) recevant des eaux usées domestiques et hospitalières, les rejets directs d'effluents hospitaliers non traités dans les pays où cette pratique subsiste, le ruissellement depuis les zones d'épandage de lisier contenant des résidus d'antibiotiques et d'hormones vétérinaires, et la lixiviation depuis les cimetières de médicaments non utilisés enfouis.

Dans un bassin versant urbanisé et agricole, ces sources coexistent et leurs contributions relatives varient selon les saisons, les pratiques locales et l'hydraulique du bassin. La pharmacocinétique des molécules dans les STEP et dans le milieu naturel modifie les concentrations et peut masquer certaines sources. Une investigation fondée sur les seules concentrations ne peut pas, dans la plupart des cas, attribuer de façon robuste la charge observée à une source particulière.

Apport des isotopes stables du carbone

La CSIA du carbone (delta ¹³C) pour les résidus pharmaceutiques repose sur le même principe que pour les pesticides : la composition isotopique de la molécule reflète les matières premières et les conditions de synthèse, et varie selon le fabricant et le pays de production. Des études ont montré que l'ibuprofène, le diclofénac et la carbamazépine produits par différentes voies de synthèse présentent des valeurs de delta ¹³C significativement différentes.

Cette variabilité peut être exploitée pour distinguer les médicaments d'origine hospitalière (souvent approvisionnés par des filières spécifiques avec des fournisseurs identifiables) des médicaments d'origine domestique (issus du marché de détail avec une plus grande diversité de fabricants). En milieu hospitalier, la standardisation des approvisionnements tend à homogénéiser la signature isotopique des résidus rejetés.

Isotopes de l'azote et du soufre comme traceurs complémentaires

Le delta ¹⁵N est particulièrement pertinent pour les antibiotiques de la famille des sulfonamides et des tétracyclines, dont la structure moléculaire comporte plusieurs groupements azotés. Les antibiotiques vétérinaires excrétés dans le lisier s'accumulent dans les sols agricoles et atteignent les nappes phréatiques avec des signatures delta ¹⁵N modifiées par la nitrification et la dénitrification microbiennes du milieu pédologique. Cette transformation modifie la signature de façon prévisible, ce qui permet de retracer le chemin parcouru depuis l'exploitation agricole.

Le delta ³⁴S est informatif pour les médicaments contenant du soufre (sulfamides, thiazolidines, certains antidiabétiques). Les sources de soufre dans l'environnement (soufre atmosphérique d'origine industrielle, soufre des roches sédimentaires, soufre des engrais soufrés) présentent des signatures delta ³⁴S distinctes qui impriment leur marque sur les molécules pharmaceutiques au cours de leur transport.

Le cas des hormones : une application émergente

Les estrogènes naturels (estradiol, estrone) et synthétiques (éthinylestradiol) rejetés dans les eaux usées présentent des signatures delta ¹³C qui permettent, dans des conditions analytiques optimales, de distinguer les hormones d'origine humaine des phytostérols végétaux dégradés qui peuvent constituer des interférents chimiques dans les analyses de routine. Cette discrimination est importante pour les études épidémiologiques aquatiques, notamment concernant la féminisation des poissons observée en aval des STEP.

Contraintes analytiques spécifiques

Les concentrations de résidus pharmaceutiques dans les eaux de surface sont généralement de l'ordre du nanogramme au microgramme par litre. La CSIA requiert des concentrations minimales de l'ordre du microgramme par litre en carbone de composé cible pour une précision analytique satisfaisante. Cela impose des facteurs de préconcentration élevés (100 à 1000x) et des procédures d'extraction par phase solide optimisées pour éviter le fractionnement isotopique lors de l'étape de préparation.

Par ailleurs, les matrices eaux usées et eaux de surface contiennent une grande diversité de matière organique dissoute susceptible d'interférer avec la séparation chromatographique. La purification des extraits avant injection GC-IRMS ou LC-IRMS est une étape critique que les laboratoires spécialisés ont progressivement standardisée au cours des dix dernières années.

À retenir
  • Le delta ¹³C composé-spécifique peut discriminer les sources pharmaceutiques selon le fabricant et la voie de synthèse.
  • Le delta ¹⁵N trace les antibiotiques vétérinaires excrétés dans les effluents d'élevage.
  • Le delta ³⁴S apporte une information complémentaire pour les médicaments soufrés.
  • Les contraintes de préconcentration sont plus importantes que pour les pesticides en raison des concentrations environnementales plus faibles.
  • La méthode s'applique à l'attribution de source dans les bassins versants mixtes urbain-agricoles.