Chapitre II : Étude de l’influence de la nature de la MOD sur les processus d’adsorption
3.4 Caractérisation de l’adsorption du sulfaméthoxazole par les particules en matrices d’interactions
Pour l’étude de l’adsorption du sulfaméthoxazole (SMX) par les particules, il a été décidé de travailler avec du SMX marqué au 14C. Cela représente l’avantage de ne pas avoir à développer un lourd protocole expérimental de purification et d’analyse par des techniques chromatographiques dans la mesure où l’analyse se fait par la mesure de l’émission de particules β provenant de la désintégration radioactive du SMX. La méthode validée pour une molécule marquée peut être adaptée à d’autres molécules car c’est la radioactivité émise par la molécule marquée qui est quantifiée et non la molécule elle-même. Une limite de cette technique est qu’on ne peut pas travailler avec des mélanges de molécules car il n’est pas possible de distinguer deux molécules marquées.
3.4.1Préparation des échantillons et analyse du sulfaméthoxazole marqué
au carbone 14
Les analyses du SMX marqué par 14C ont été réalisées en collaboration avec Benoit
Vallee du Laboratoire Croissance, Réparation et Régénération Tissulaires (CRRET) de l’UPEC.
3.4.1.1
Préparation du matériel et précautions de manipulations
Même si la demi-vie du 14C est longue et ne présente pas de risques majeurs (pénétration
β est faible de <0,3 mm pour le 14C) (Guide de radioprotection CNRS), la manipulation de produits radioactifs demande de travailler dans des conditions spécifiques de sécurité. Toutes les manipulations de molécules radiomarquées ont été faites dans un laboratoire accrédité (le CRRET), dans une salle destinée aux produits radioactifs. Au cours des manipulations des tests de « frotti » sont réalisés dans le laboratoire accrédité afin de vérifier s’il y a une contamination radioactive de la zone de travail. Des blouses et des gants spécifiques ont été utilisés pour la manipulation de produits radioactifs.
L’analyse des micropolluants marqués au carbone 14 demande un protocole de nettoyage du matériel adapté à la décontamination de produits radioactifs. Tout le matériel de laboratoire (kit de filtration, flaconnage, seringues, fioles, béchers) servant au traitement des échantillons a subi plusieurs étapes de lavages. La première étape de lavage consiste à tremper le matériel dans un bain au détergent (TFD 4, environ 5%) pendant 24 heures. Plusieurs bains sont réalisés jusqu’à l’obtention d’une valeur en radioactivité inférieure à la limite de
quantification de l’appareil. Une fois les lavages effectués, le matériel est rincé à l’eau ultra- pure (18.2MΩ.cm, Elga-Purelab). Les déchets de matériel radioactif et les solutions de rinçage dont la valeur de radioactivité est supérieure à la LQ de l’appareil, sont récoltés pour être traités par une entreprise spécialisée.
Des tests de filtration et d’adsorption ont été réalisés afin de vérifier quel flaconnage et quel type de filtre étaient le plus adaptés pour la réalisation des isothermes d’adsorption. Les résultats sont présentés en Annexe 6.2. Nous avons montré que le polypropylène (PP) et le verre sont compatibles avec l’analyse du SMX.
3.4.1.2
Quantification des molécules marquées au carbone 14 par
scintillation liquide
La mesure de ces molécules marquées est possible car même si les propriétés chimiques d’un isotope radioactif sont identiques à celles de l’isotope stable, le radio-isotope est instable. Cette instabilité provoque la désintégration de ces radio-isotopes qui se traduit par l’émission de rayonnements. Il suffit alors de disposer d’outils de détection appropriés pour quantifier ces radio-isotopes. Les radio-isotopes les plus couramment employés sont: 14C, 3H (tritium), 32P, 35S, etc. Le choix du radio-isotope a été réalisé en fonction de sa demi-vie. La demi-vie, ou
période, est le temps requis pour que la moitié des isotopes se soit désintégrée. Par exemple certains isotopes ont une demi-vie très longue, ainsi celle du 14C qui est de 5760 ans. Les isotopes de demi-vie courte (jours) sont très instables et pratiquement inutilisables dans un laboratoire ordinaire.
Le Carbone-14 a été choisi dans cette étude car c’est un isotope très stable, avec une demi-vie de plus de 5000 ans, et fréquemment utilisé Höltge and Kreuzig, 2007; Hou et al., 2010; Nam et al., 2015). Il émet des particules β moyennement énergétiques, ce qui le rend utile pour les expériences de comptage. L'unité officielle de radioactivité du Système International est le becquerel (Bq). Cette unité représente le nombre de désintégrations par seconde. L'unité de mesure de la quantité de radioactivité la plus utilisée est le curie (Ci). Elle représente le nombre de décompositions radioactives dans un 1 g de radium, c'est-à-dire 2.22 x 1012 décompositions par minute (DPM). L'activité spécifique est la quantité de radioactivité par unité de masse d'une molécule contenant le radio-isotope. Elle est normalement exprimée en mCi/mmol.
Afin d’étudier les interactions entre le SMX et les particules du milieu récepteur, la méthode d’analyse de désintégration de radio-isotope par scintillation liquide a été choisie pour la mesure du SMX marqué par le 14C.
3.4.1.3
Validation de la méthode d’analyse du SMX marqué par le 14C
Le protocole utilisé au CRRET a été adapté à notre cas d’étude d’interaction en solution aqueuse après une étude bibliographique (Farías et al., 2011; Höltge and Kreuzig, 2007; Houet al., 2010; Nam et al., 2015). Cette étude bibliographique nous a permis de sélectionner les
réactifs, la concentration en micropolluants et les volumes utilisés.
Le SMX [phenyl ring-14C(U)] fourni par American Radiolabeled Chemicals (ARC) a
été choisi dans le cadre de cette étude. Il présente une activité spécifique (As) de 77 mCi.mmol- 1 à une concentration (C
r) de 0,1 mCi.ml-1. Afin de connaître la concentration en mg.L-1 le calcul
Équation 18
xbyfb_z1_{xb = c ∗ ~ ∗ 1000|
Deux solutions étalon de 14C-SMX ont été préparées dans l’eau ultra-pure à partir d’une
solution mère (329 mg.L-1). Pour l’analyse, 100 µ L d’échantillon sont mis dans des puits de plaques (24 puits - PerkinElmer) avec 600 µ L de cocktail scintillant (Ultima Gold™ - PerkinElmer) et sont analysés dans le scintillateur liquide Wallac MicroBeta TriLux de la marque PerkinElmer. Une gamme a été préparée afin d’avoir une concentration de 0 à 60 µg.L-
1. Au total 5 gammes ont été analysées, la bonne répétabilité (5%) et un coefficient de
corrélation de 0,99 démontrent que cette méthode est robuste. L'évaluation des performances de la méthode analytique a été faite selon la norme XP T-90-210 (1999), sur 5 répétabilités de gamme préparées à différents moments et par des utilisateurs différents. La linéarité du modèle de régression a été validée sur notre gamme d'étalonnage avec un test de Cochran acceptable à 99 %.
Figure 59 : Gamme d’étalonnage du 14C-SMX réalisée avec le scintillateur liquide Wallac MicroBeta
TriLux (Perkin Elmer)
Afin de déterminer les limites de détection et quantification, dix blancs (eau ultra-pure) ont été analysés. L’écart type a été déterminé sur ces mesures et multiplié par 10 afin d’obtenir la limite de quantification. Elle est ici de 50 CPM, ce qui, en concentration massique, correspond à 0,36 µg.L-1.
Les incertitudes sur les concentrations en SMX ont été évaluées à l’aide de mesures répétées sur des points de gamme et en utilisant l’Équation 16. L’incertitude sur la concentration en SMX a été évaluée à 3,5 %.
3.4.2Interactions entre le SMX et les particules
L’étude de l’adsorption du SMX a été réalisée avec les matrices organiques (Seine-Aval et acides fulviques) et minérales (eau synthétique et eau ultra–pure), préparées/échantillonnées en novembre 2014. Le protocole de préparation et de caractérisation des matrices a été décrit précédemment (Chapitre II :3.4.1).
L’ajout de SMX a respecté les mêmes ordres d’ajout que pour les ETM et les HAP. Les matrices minérales ont été enrichies en même temps en particules et en SMX. Le volume des
échantillons est de 10 ml. Pour les matrices organiques, un pré-équilibre de 3 jours entre la MOD et les particules a été réalisé avant l’ajout du SMX. Une fois préparés, les échantillons ont été mis sous agitation à 150 rpm.min-1 dans du flaconnage en polypropylène à l’abri de la lumière pendant différentes durées (24-168 heures). À la fin des interactions, les échantillons ont été filtrés avec des filtres seringue (PP) et 100 µL du filtrat ont été mis dans les puits des plaques de comptage avec 600 µ L du cocktail scintillant (Ultima Gold™ - PerkinElmer) et analysés en scintillation liquide. Les échantillons ont été réalisés en duplicata et l’analyse en triplicata.
3.4.2.1
Influence du temps d’interaction sur l’adsorption du SMX
Afin de connaître le temps nécessaire à l’atteinte de l’équilibre d’adsorption du SMX par les différentes particules, une cinétique d’adsorption a été réalisée à une concentration fixe en SMX (10 µg.L-1) et en particule (100 mg.L-1 pour la goethite et de 500 mg.L-1 pour la MMT
et le quartz), pour trois temps d’interaction (24, 72 et 168 heures). Les cinétiques d’adsorption ont été réalisées pour les matrices minérales (eau ultra-pure et eau synthétique) et organiques (acides fulviques et Seine-Aval) à pH 8.
3.4.2.2
Isothermes d’adsorption simplifiées à pH 4
Les isothermes simplifiées à pH 4 ont été réalisées pour deux concentrations en SMX, 1 et 10 µg.L-1 pour la goethite (100 mg.L-1), la MMT et le quartz (500 mg.L-1). Ces isothermes d’adsorption ont été réalisées dans les matrices organiques acides fulviques et Seine-Aval. Afin de mettre en évidence l’adsorption du SMX par les particules, le pourcentage d’adsorption du SMX a été calculé (Chapitre II :3.2.3.3).
L’incertitude sur ce pourcentage d’adsorption a été évaluée comme précédemment (Chapitre I :3.3.5.2) à 8,1 %.
4
Résultats et discussion
L’objectif du chapitre 2 est de caractériser l’influence de la nature de la MOD sur l’adsorption des contaminants par les particules du milieu récepteur. Les résultats sont présentés en 4 paragraphes. Le premier concerne la caractérisation des matrices utilisées pour chacune des expérimentations, le deuxième concerne les résultats obtenus pour les ETM, le troisième présente les résultats obtenus pour les HAP et le dernier ceux obtenus pour le SMX