Study of the degradation of pesticides by direct photolysis- structural identification and potential toxicity
Etude de la dégradation par photolyse directe de pesticides - Caractérisation structurale et toxicité potentielle des photoproduits
Résumé
Pesticides belong to the large family of organic pollutants. In general, they are intended to fight against crop pests. Distribution of pesticides in nature creates pollution in DIFFERENT compartments of the biosphere (water, soil and air) and can induce acute toxic effects on human beings of the terrestrial and aquatic living biomass. It is now shown that some pesticides are endocrine disruptors and are particularly carcinogenic and mutagenic effects in humans. Pesticides can undergo various processes of transformation in the natural life cycle (biodegradation, volatilization, solar radiation ...) or following applied in the sectors of natural water purification and treatment stations sewage treatment. The presence of degradation products of pesticides in our environment is even more alarming that their structures and potential toxicities generally unknown. Molecules belonging to two families of pesticides were selected for this study: herbicides, represented by metolachlor, and fungicides represented by procymidone, pyrimethanil and boscalid. The first part of the thesis focused on the development of an analytical strategy to characterize the structures of compounds from degradation by photolysis of pesticides. The second part focused on estimating the toxicity of degradation products using a test database in silico. Identification of degradation products was achieved through two complementary analysis techniques: the gas chromatography coupled to a mass spectrometer "multi-stage" (GC-MSn) and liquid chromatography coupled to a tandem mass spectrometer (LC-MS/MS). The estimation of the toxicity of the degradation products was performed using the TEST program QSAR recently developed to try to predict the toxicity of molecules. The strategy of the structural elucidation of degradation products of pesticides studied is based on studying of the mechanisms of fragmentation of parent molecules of the degradation products. The molar mass of parent molecules was clarified by the identification of mass-to-charge (m /z) of the pseudo molecular ions obtained using different modes of ionization in mass spectrometry: electronic ionization (EI) and chemical ionization (CI) in GC-MS and electrospray ionization (ESI) in LC-MS. The strategy used for the structural elucidation of degradation products has been very effective; most of the chemical structures of the products formed have been elucidated. A kinetic study was performed to visualize the appearance and disappearance of degradation products during the photolysis and gave us an idea of the rate of disappearance of the parent compound for each pesticide. The results showed that the photolysis méthalochlore, procymidone and boscalid were degraded under UV light after a while releasing degradation products with structures close or different from the parent molecules. While, pyrimethanil presented a high stability during 8 hours of irradiation (remaining amount after irradiation is 60%) and gave degradation products with moderate amounts. Regarding the estimation of the toxicity, most identified degradation products are equivalent or greater than those of the original molecules toxicities. The chemical analysis methods used and the estimated toxicities of the identified degradation products are proven complementary and indispensable for highlighting the presence of other toxic pollutants that emerge in the real environment without control.
Les pesticides appartiennent à la grande famille des polluants organiques. Ils sont destinés à lutter contre les parasites des cultures au sens large.La diffusion des pesticides dans la nature engendre une pollution des différents compartiments de la biosphère (eau, sol et atmosphère) et peut induire des effets toxiques aigus sur les êtres vivants de la biomasse terrestre et aquatique. Il est aujourd'hui démontré que certains pesticides sont des perturbateurs endocriniens et présentent en particulier des effets cancérogènes et mutagènes chez l'être humain. Les pesticides peuvent subir différents processus de transformation dans le cycle biologique naturel (biodégradation, volatilisation, irradiation solaire...) ou suite aux traitements appliqués dans les filières de potabilisation des eaux naturelles et dans les stations de retraitement des eaux usées. La présence de produits de dégradation de pesticides dans notre environnement est d'autant plus alarmante que leurs structures et leurs toxicités potentielles demeurent généralement inconnues. Des molécules qui appartiennent à deux familles de pesticides ont été choisies pour cette étude : les herbicides, représentés par le metholachlore, et les fongicides, représentés par la procymidone, le pyrimethanil et le boscalid. Le premier volet de la thèse a porté sur le développement d'une stratégie analytique permettant de caractériser les structures de composés issus de la dégradation par photolyse de ces pesticides. Le deuxième volet a porté sur l'estimation de la toxicité des produits de dégradation à l'aide d'une base de test in silico. L'identification des produits de dégradation a été réalisée grâce à deux techniques d'analyses complémentaires : la chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse "multi étapes" (GC-MSn) et la chromatographie en phase liquide couplée à un spectromètre de masse en tandem (LC-MS/MS). L'estimation de la toxicité des produits de dégradation a été réalisée grâce au programme T.E.S.T. QSAR récemment développés pour tenter de prévoir la toxicité des molécules. La stratégie d'élucidation structurale des produits de dégradation des pesticides étudiés est basée sur l'étude des mécanismes de fragmentation des molécules mères des produits de dégradation. La masse molaire des molécules mères a été précisée par l'identification des masses sur charge (m/z) des ions pseudo moléculaires obtenus à l'aide des différentes modes d'ionisations en spectrométrie de masse : ionisation électronique (EI) et ionisation chimique (CI) en GC-MS et ionisation par électronébulisation (ESI) en LC-MS. La stratégie utilisée pour l'élucidation structurale des produits de dégradation est avérée très efficace, la plupart des structures chimiques des produits formés ayant été élucidées. Une étude cinétique a été réalisée pour visualiser l'apparition et la disparition des produits de dégradation durant la photolyse et pour donner une idée sur le taux de disparition de la molécule mère pour chaque pesticide. Les résultats de photolyse ont montré que le méthalochlore, le procymidone et le boscalid ont été dégradés sous irradiation après un certain temps en libérant des produits de dégradation avec des structures proches ou différentes des molécules mères. Tandis que le pyrimethanil a présenté une grande stabilité pendant 8 heurs d'irradiation (quantité restante après irradiation est de 60%) et a donné des produits de dégradation avec des quantités modérées. Concernant l'estimation de la toxicité, la plupart des produits de dégradation identifiés présentent des toxicités équivalentes ou plus importantes que celles des molécules d'origine. Les méthodes chimiques d'analyses utilisées et l'estimation de toxicités des produits de dégradations identifiés sont avérées complémentaires et indispensables pour mettre en évidence la présence d'autres produits polluants toxiques qui émergent dans l'environnement sans vrai contrôle.
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