INTRODUCTION
L'eau est une source indispensable à toute forme de
vie. Cette dépendance inévitable conduit à la notion de
patrimoine commun à tous les organismes vivants (Laouameur, 2021). 1%
seulement du volume total d'eau douce de la planète est facilement
accessible et utile pour l'homme soit 0,025% du volume total d'eau de la
planète (Deoliveira,2019). Cette eau utile subit les plus fortes
pressions par les activités humaines dont l'impact a déjà
amorcé d'importantes variations environnementales, entrainant de
répercussions sur les besoins de écosystèmes ainsi que sa
disponibilité pour l'usage humain (Sorower,2020).
Cela souligne les enjeux fondamentaux : le premier est celui
de la préservation des ressources, le second concerne les risques
inhérents à la présence des composés partiellement
actifs dans l'environnement et des écosystèmes. (Laoumeur,2021 ;
Mompelat et al.,2009 ;Humetal,2006).
La contamination par les antibiotiques est l'un des
problèmes mondiaux. La présence de ces contaminants dans
l'environnement pose une menace pour la santé humaine et nuit les
écosystèmes aquatiques et terrestres car ils s'accumulent dans
l'eau, les sols et sédiments.
En général, les produits pharmaceutiques sont
largement utilisés pour traiter ou prévenir les maladies en
médecine humaine et vétérinaire et les antibiotiques font
partie des produits pharmaceutiques les plus importants et les plus
utilisés leur présence même à des très
faibles concentrations dans l'eau a attiré l'attention des scientifiques
en raison des risques sur l'environnement et la santé humaine. Le
métronidazole est l'un des antibiotiques commerciaux les plus importants
au monde avec une consommation annuelle au marché mondial estimé
à 100000 et 200000 tonnes. Il est également utilisé comme
traitement thérapeutique dans le domaine de la médecine humaine
et vétérinaire, la concentration de cet antibiotique dans les
eaux usées est estimée à 1,8 à 9,4ug/L dans les
eaux usées hospitaliers (Deoliveira,2020).
Généralement, l'élimination de ce
composé n'est pas complète, elle est causée par leur
résistance à la biodégradation, donc la rétention
des produits de ce type est considérée comme une technologie dans
les stations de traitement de l'eau.
Cette étude s'inscrit dans une problématique
globale de la préservation de la ressource en eau face au danger que
peuvent générer les produits pharmaceutiques et plus
spécifiquement le métronidazole.
Pour ce faire, différentes techniques ont
été utilisées pour l'élimination de certains
polluants solubles dans les effluents industriels, hospitaliers, domestiques.
Elles sont différentes les unes par rapport aux autres et peuvent
être citées à titre d'illustration : l'adsorption, la
flottation, l'électrocoagulation, la précipitation, les
échanges d'ions, l'extraction liquide-liquide, la filtration
membranaire...(Bouzid,2015). L'adsorption s'est avérée comme une
option
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économiquement viable et fiable, en raison de son
faible coût d'exploitation (Salaa,2021). Le principe de base est le
transfert des solutés nocifs de la phase liquide à la surface des
adsorbants solides grâces à des attractions
intermoléculaires (Moyo et al., 2014)
Plusieurs adsorbants sont utilisés dans le traitement
de ces eaux, le choix d'argile comme adsorbant se justifie par le fait qu'elle
est une matière première très abondante de la croûte
terrestre (Jalil et al.,2013). Les argiles sont des matériaux
peu onéreux et facilement accessibles qui présentent
d'excellentes propriétés d'échanges de cations et qui
peuvent être utilisés pour adsorber des contaminants.
La présente étude s'inscrit dans le cadre d'une
valorisation des argiles, particulièrement l'argile camerounaise de la
zone de Mindif dans la région de l'Extrême-Nord.
L'objectif général de ce travail est de
réduire, voire éliminer le Métronidazole en solution
aqueuse à partir de l'argile.
De manière spécifique, nous nous proposons :
y' De préparer l'argile sodique et l'argile pontée
à partir de l'argile brute ; y' D'utiliser la méthodologie de la
surface de réponse pour étudier et déterminer les
paramètres maximum d'adsorption tels que : le pH, la masse
et le temps d'équilibre ; y' D'étudier quelques isothermes
d'adsorption et modèles cinétiques.
Les hypothèses qui peuvent être formulées
sont :
+ L'argile brute, l'argile sodique, l'argile pontée
adsorbent le métronidazole en solution aqueuse ;
+ les paramètres expérimentaux (????,
temps de contact et la masse de l'adsorbant) influencent sur l'adsorption du
métronidazole ;
+ Les isothermes et modèles cinétiques connues
décrivent le processus d'adsorption.
Ainsi ce travail est présenté de la manière
suivante :
Le premier chapitre porte sur la revue de la
littérature, il aborde les généralités sur les
argiles, les phénomènes d'adsorption, les résidus
médicamenteux et les plans d'expérience. Le deuxième
chapitre présente le matériel et les méthodes
utilisés tout le long de ce travail, il élucide les protocoles
expérimentaux, ainsi que la matrice d'expérience. En fin, le
troisième chapitre porte sur les résultats et discussion.
: REVUE DE LA LITTERATURE
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I.1. Généralité sur les produits
pharmaceutiques
Les produits pharmaceutiques sont largement utilisés
pour prévenir et traiter les maladies (Salaa,2021 ;Tiwari et
al.,2017). Ces composés sont classés par
catégorie en tant que polluants émergents, en raison de leur
stabilité et effets néfastes sur la santé humaine et la
vie aquatique (Stadlmair et al.,2018). Les principales sources de la
pollution pharmaceutique sont les déchets des usines, de
médicaments, la santé, les centres, les ménages et les
pharmacies (Chantogra et al.,2019). Les produits pharmaceutiques sont
généralement présents dans l'eau en mélanges, ce
qui étend leur temps de résidence et augmente le risque de
migration (Liu et al.,2019). Ces groupes peuvent être toxiques
même à de faibles concentrations, en raison de l'effet de
coopération (Shaob et al.,2016). Les principaux produits
pharmaceutiques sont les antibiotiques, anti-inflammatoires non
stéroïdiens, régulateurs de lipides, â-bloquants et
hormones (Kanajaraju et al.,2O18).
I.1.1. L'origine des molécules pharmaceutiques
dans les eaux
La présence de composés pharmaceutiques dans les
eaux peut s'expliquer par 4 voies d'entrée :
-La première voie, majoritaire, est celle de
l'excrétion (domestique) des médicaments et de leurs
métabolites après utilisation par les patients.(Tiphanie et
al.,2012). La molécule est administrée au patient,
absorbée et métabolisée par son organisme pour être
excrétée puis rejetée dans les eaux usées qui
seront traitées en station d'épuration (STEP). La quantité
retrouvée dans les eaux dépend donc, pour cette voie d'apport, de
la consommation faite par la population. Celle-ci vieillissant et augmentant,
les quantités consommées, et rejetées, ne font que
croître. De plus, selon (Mountague,2001), 50 à 90 % d'un
médicament absorbé est excrété sous forme
inchangée. -La seconde voie d'apport est constituée par les
rejets des établissements de soins. C'est une source particulière
de contamination car les eaux usées de ces établissements ont un
profil spécifique et contiennent en quantité plus importantes des
antibiotiques, des anti-infectieux, des produits de contraste iodés et
des anticancéreux. Elle a été estimée à
travers plusieurs études à environ 20 % de l'ensemble des
apports. Les effluents n'étant pas traités sur place, ces rejets
se retrouvent dans les STEPs.
-La troisième voie d'apport est constituée par
les rejets des médicaments non utilisés à l'évier
ou dans les toilettes (Voulvoulis et al.,2005).
-La dernière voie d'apport concerne les effluents des
industries qui produisent les différentes molécules
pharmaceutiques. Ce type de production fait l'objet d'un contrôle
sévère de ses
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effluents après traitement dans les pays
développés ; ce n'est pas encore le cas dans les pays
émergents où sont fabriqués beaucoup de
génériques.
Toutes les différentes classes thérapeutiques
sont retrouvées dans les eaux usées mais
les quantités sont différentes en fonction de la
consommation, du niveau de métabolisation
de la molécule et du taux de dilution dans les eaux
usées urbaines
I.1.2. Caractéristiques et effet toxicologique de
produits pharmaceutiques
Les produits pharmaceutiques sont des produits chimiques
utilisés pour diagnostiquer, traiter, changer et prévenir des
maladies. La définition est étendue aux services
vétérinaires et peut également être appliquée
aux drogues illicites (Daughton et al.,1999). Une grande
variété de médicaments, y compris les antibiotiques,
hormones de synthèse, anti-inflammatoires, statines et ichtyotoxines
sont produits et consommés, certains en milliers de tonnes par an
(Metcalfe et al.,2003). Les produits pharmaceutiques sont des
contaminants chimiques en raison des caractéristiques suivantes
(Langford et al.,2007):
(a) Ils peuvent être formés par d'innombrables
molécules complexes qui varient en terme de poids moléculaire,
structure, fonctionnalité et forme ;
(b) Ils ont la capacité de passer via les membranes
cellulaires et sont donc relativement persistants;
(c) Il s'agit de molécules polaires comportant plus
d'une charge et leur degré d'ionisation, entre autres
caractéristiques, dépend du pH du milieu ;
(d) Ils sont lipophiles et certains sont
modérément solubles dans l'eau ;
(e) Des nombreux groupes des médicaments peuvent
persister dans l'environnement pendant plus d'un an ; d'autres peuvent
persister pendant plusieurs années et devenir biologiquement actifs en
raison de leur accumulation ;
(f) Après administration, les molécules sont
absorbées dans le corps humain, distribuées et soumises à
des réactions métaboliques qui peuvent modifier leur structure
chimique.
Ces substances ont suscité une grande
inquiétude, car après leur consommation, des traces ou des
métabolites sont excrétés et atteignent les sources d'eau,
soit directement, soit après un traitement inefficace (Kummerer,2001).
Même si les concentrations de produits pharmaceutiques dans les eaux de
surface sont faibles, leur présence et persistance menace la vie
aquatique et terrestre, et leur effet ne doit pas être ignoré,
même s'il est très difficile à estimer à long terme
(Asghar et al.,2018). De nombreuses études ont proposé
des traitements pour les éliminer efficacement, tels que la
nanofiltration et osmose inverse (Kamrami et al.,2018), la
photocatalyse , l'ozonisation (Wang et al.,2017) et l'adsorption
(Alvarez et al.,2017).
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I.1.3. Fréquence de détection et
contamination des environnements aquatiques
La contamination de tous les milieux aquatiques par les
produits pharmaceutiques est de mieux en mieux connue, du fait d'une
bibliographie qui connaît une croissance significative. En effet, si
« seulement » 500 études étaient publiées en
2000, avec pour objectif de caractériser ces contaminations dans les
compartiments aquatiques, plus de 2500 ont été publiées en
2010 sur le sujet (Fatta-Kassinos et al., 2011).
Les eaux concernées sont de plusieurs natures et il est
nécessaire d'évaluer les niveaux de contaminations de chacun des
compartiments aquatiques. Les premières analyses ont été
réalisées dans des stations d'épuration, lieu
privilégié pour la compréhension de la dégradation
des produits pharmaceutiques. Tout d'abord, les produits pharmaceutiques
excrétés convergent vers les installations épuratoires qui
permettent d'intégrer le signal d'un bassin versant, d'une ville ou d'un
quartier. D'autre part, parce que les rejets de ces stations, souvent
pollués par des produits pharmaceutiques, donnent des informations sur
l'efficacité des traitements appliqués ainsi que sur le niveau de
contamination des eaux, qui seront par la suite rejetées dans
l'environnement. Le niveau de contamination des eaux naturelles va
également être anormalement élevé dans certains cas
précis.
On peut notamment prendre l'exemple des effluents
hospitaliers, qui, du fait de la surconsommation de produits pharmaceutiques
dans les hôpitaux par rapport à une population classique,
impliquent des concentrations nettement plus élevées par rapport
à la « normale » et/ou contribuent fortement aux occurrences
en produits pharmaceutiques par rapport aux effluents domestiques en cas de
mélange (Ort et al.,2010a).
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A titre d'exemple, certains médicaments comme la
codéine ou le métronidazole ont des occurrences à
plusieurs mg.L-1 dans ce type d'eaux (Verlicchi et al., 2010) soit des
concentrations environ 1000 à 10000 fois plus élevées que
pour une eau usée considérée comme classique (Deblonde et
al., 2011 ; Nikolaou et al., 2007 ; Petrie et al.,
2013).
La pollution engendrée par les usines de fabrication de
médicaments constitue une autre source majeure de rejets de produits
pharmaceutiques dans l'environnement (Larsson, 2014). Plusieurs études
mettent en avant le vecteur de pollution majeure que représentent ces
industries à partir de l'exemple d'une usine très importante en
Inde, dont les effluents contaminent les lacs en aval. On retrouve des
occurrences des concentrations de plusieurs mg.L-1 d'antibiotiques dans ces
lacs, située en aval de la manufacture (Fick et al., 2009).
Les flux extrapolés sont tout aussi significatifs. A
titre d'exemple, le flux de 44 kilogrammes de ciprofloxacine rejetés
dans les eaux naturelles chaque jour, équivaut à 5 ans de
consommation pour un pays comme la Suède (Larsson, 2014).
Ces deux exemples de concentrations ponctuelles très
élevées sont donc potentiellement très
problématiques, notamment par rapport à d'éventuels
phénomènes de résistance des communautés
bactériennes, engendrées par une exposition significative et
chronique à ce type de polluants (Kristiansson et al.,
2011).
I.1.4. Les risques de contamination pour
l'homme
Les principes actifs de médicaments appartiennent aux
substances les mieux analysées de la toxicologie humaine. Dans le cadre
de l'autorisation de médicaments, un principe actif ne sera pas
seulement analysé sur son efficacité thérapeutique, mais
aussi sur un grand nombre d'effets secondaires non souhaités.
D'après l'avis unanime des experts, aujourd'hui, tout danger aigu est
exclu pour la santé de voir apparaître de tels effets secondaires
par la consommation d'eau potable polluée (Keil, 2008). D'après
les études menées depuis les années 1980, des
résidus de médicaments sont présents à des doses
très faibles dans les eaux de surface ou souterraines
(inférieures à 100 ng/L) et dans les eaux traitées
(inférieures à 50 ng/L) (Besse et Garric, 2007). Compte tenu des
connaissances actuelles, ces niveaux d'exposition n'entraînent pas de
risques pour la santé humaine (Besse et Garric, 2007), car ils sont
largement inférieurs aux doses thérapeutiques minimales, ainsi,
il a été montré que la dose absorbée par la
consommation d'eau durant toute une vie reste bien inférieure à
une dose thérapeutique quotidienne (Budzinski et Togola, 2006 ;
Kümmerer, 2004).
Aujourd'hui, il reste encore difficile d'évaluer le
risque sanitaire des résidus médicamenteux présents dans
l'eau potable. Effectivement, les doses trouvées restent faibles
même si les molécules sont nombreuses. Les valeurs toxicologiques
disponibles sont définies
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sur la base d'une exposition aigüe à une seule
molécule alors que nous sommes exposés sur le long terme à
beaucoup de médicaments et polluants en même temps. Les effets
d'une exposition chronique à plusieurs substances de façon
simultanée ne sont donc pas évalués.
Pour l'instant, peu d'études se sont penchées
sur la question (Besse, 2010 ; Keil, 2008). Cependant, l'une d'elles a
récemment révélé que la présence
d'antidépresseurs et de psychotropes dans l'eau potable pouvait activer
l'expression de gênes associés à l'autisme. Leur
consommation ayant augmenté de façon spectaculaire ces 25
dernières années, des scientifiques américains ont
cherché à savoir si les faibles concentrations retrouvées
dans l'eau potable pouvaient affecter le développement du foetus. Ils
ont ainsi exposé des poissons d'eau douce à un mélange
d'antiépileptiques et d'antidépresseurs à de très
faibles doses pendant 18 jours. À l'issue de cette expérience,
ils ont constaté que pas moins de 324 gènes, associés
à l'autisme humain, avaient altéré par ces petites doses
de médicaments. Les poissons exposés avaient aussi tendance
à paniquer et se comportaient différemment de ceux non
exposés (Budzinski et Togola, 2006). Un des risques pour l'homme est
l'ingestion de résidus d'antibiotiques par les poissons et coquillages
commercialisés avec le risque de perturber la flore intestinale normale.
Cette ingestion concerne aussi les viandes et peut aussi générer
des problèmes d'allergie et de toxicité qui sont difficiles
à diagnostiquer (Haguenoer, 2010). Un des problèmes posé
est celui de la sécurité alimentaire car il peut se produire une
colonisation du tube digestif humain par des bactéries
résistantes aux certains antibiotiques. Le danger principal est bien la
sélection des bactéries résistantes susceptibles de se
transmettre à l'homme par l'alimentation ou du transfert des
gènes de résistance, comme en témoignant les
décès observés au Danemark avec une souche de S.
typhimurium DT104 provenant d'une viande de porc contaminée ou
l'épidémie d'infections à Campylobacter
résistants aux quinolones aux Etats-Unis (Haguenoer, 2010). Cette
nocivité indirecte a déjà eu pour conséquence une
restriction drastique de l'utilisation des antibiotiques en aquaculture dans de
nombreux pays (Haguenoer, 2010).
(Colette-Bregand et al ., 2009) ont rapporté
des recherches importantes sur les bactéries résistantes aux
antibiotiques par l'effet de contamination des milieux aquatiques.
I.1.5. Toxicités et impact sur la faune et la
flore
Les études cherchant à démontrer la
toxicité des produits pharmaceutiques sur les êtres vivants sont
de deux types. Premièrement, des études de létalité
(ou toxicité aigüe) durant lesquelles un organisme va être
soumis à une concentration croissante de polluants jusqu'à la
mort. Le second type correspond à des études d'observation ou de
simulation du milieu naturel (toxicité chronique), à des gammes
de concentration en produits pharmaceutiques du même ordre de grandeur
que les occurrences maximales constatées dans l'environnement
(Bousaffir,2015).
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Le métronidazole est l'un des antibiotiques les plus
utilisés dans le monde départ ses propriétés anti
bactériennes et parasitaires. Cependant, son rejet dans la nature
constitue une source de pollution. A la suite de ce travail, nous
présentons cet antibiotique qui fait l'Object de notre étude.
I.1.6. Métronidazole (définition et
utilisation)
Le métronidazole une substance pharmacologique active
au niveau de l'organisme ; établie à l'origine des indications
thérapeutiques. Son dosage est établi en fonction de l'âge
du patient (enfant, adulte). La plupart du temps, présente en
très faible proportion dans le médicament par rapport aux
excipients (Bogaert,2009). Le métronidazole est un antibiotique et
antiparasitaire appartenant aux nitroimidazoles. Il inhibe la synthèse
des acides nucléique et est utilisé pour le traitement des
infections liées à des bactéries anaérobies ainsi
qu'à des protozoaires. Il peut également être
administré pour traiter la diarrhée due à
Entamoebahistolytica, Giardia lamblia ou Clostridium. Le métronidazole
peut être utilisé pour traiter les infections vaginales ou
diverses types d'infections bactériennes. (Saada,2020)
Le métronidazole est offert sous forme de
comprimés à 250 mg et de capsules à 500 mg, de
crèmes et suppositoires vaginaux et d'une crème pouvant
être appliquée sur la peau. Au besoin, le métronidazole
peut être administré par voie intraveineuse (dans les veines). La
dose recommandée de métronidazole varie en fonction du type
d'infection traitée et peut être pris avec ou sans nourriture
(Saada,2020).
I.1.7. Toxicité de
Métronidazole
Le métronidazole est un dérivé
synthétique de la série des imidazoles connu initialement comme
antiparasitaire actif sur les amibes et les trichomonas. Le
métronidazole est un anti infectieux de la famille des
nitro5-imidazoles. Cependant ce produit à une excellente activité
sur la plupart des bactéries anaérobies (Flabou,2003).
Le métronidazole aux propriétés
anti-inflammatoires et antibactériennes est l'un des antibiotiques les
plus utilisés dans le monde. Cet antibiotique appartient à la
famille des nitroimidazoles et est prescrit dans le traitement des maladies
infectieuses. Il est également utilisé comme agent
antiparasitaire dans les aliments à base de poulet et de poisson (Nasseh
et al.,2019 ;Bahrami et al.,2015). La structure du
métronidazole est en forme d'anneau et, en raison des lésions
lymphocytaires, est potentiellement cancérigène et
mutagène pour l'homme. Le Centre international de recherche sur le
cancer (CIRC) a signalé des mutations mortelles, la
cancérogénicité et la génotoxicité du
métronidazole pour les animaux, mais sa
cancérogénicité pour l'homme n'a pas encore
été prouvée. Une faible dégradabilité et une
solubilité élevée dans l'eau sont deux
caractéristiques de cet antibiotique, ce qui rend difficile voire
impossible son élimination de l'eau par les méthodes
conventionnelles (Andrés et al.,2002)
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