Médicament et environnement

Grâce au progrès de l’analyse physico-chimique, la présence de traces de substances médicamenteuses et de leurs dérivés ou métabolites a été largement établie à l’échelle mondiale, en particulier dans les eaux superficielles et souterraines, dans les eaux résiduaires et dans les sols. Ces résidus s’ajoutent aux nombreuses substances non médicamenteuses liées aux activités humaines, également présentes dans l’environnement.

Selon les substances médicamenteuses et les différentes catégories d’eau, les concentrations retrouvées varient dans une gamme allant du ng L-1 à µg L-1 dans les eaux superficielles, marines et souterraines mais aussi plusieurs centaines de µg L-1 dans les effluents industriels et les eaux résiduaires.

Les sources d’émission sont classées en deux catégories:
– Les sources d’émissions diffuses consécutives aux rejets de substances médicamenteuses et de leurs dérivés dans les urines et les féces de la population humaine et des animaux de compagnie et d’élevage;
– Les sources d’émissions ponctuelles liées aux rejets de l’industrie pharmaceutique, des établissements de soins, des élevages industriels des animaux, etc.

Pour procéder à l’évaluation qualitative et quantitative des risques des ces substances, il faut connaître des relations dose-effet et l’estimation des expositions, s’agissant aussi bien des populations que des écosystèmes.

On dispose actuellement des données sur l’impact significatif de ces substances sur la flore et la faune notamment en matière d’antibiorésistance, mais ces impacts écologiques sont encore insuffisamment évalués ainsi que les risques sanitaires sur l’homme et les animaux. Des études sur les risques pour l’homme et pour l’écosystème liés aux résidus médicamenteux présents dans l’environnement sont recommandés pour comprendre leurs comportements et leurs devenirs dans l’environnement.

HISTORIQUE 

De l’utilisation des plantes comme remèdes à certaines maladies, jusqu’à l’apparition récente des médicaments issus des biotechnologies, l’histoire du médicament est largement associée à la recherche scientifique, qui tente dès le XVI siècle de trouver un remède spécifique pour chaque maladie. Au Moyen-Age et jusqu’au début du XIXème siècle, la guérison des maladies garde un caractère «magico religieux»: on cherche, par exemple, à «extirper le mal» par le biais des saignées (phlébotomie). Cependant, dès le XVIe siècle, Paracelse (alchimiste et medecin suisse né en 1494) a l’intuition de la nécessité d’un médicament spécifique pour chaque maladie. Le XIXème siècle marque une étape nouvelle grâce aux progrès de la chimie et de la physiologie: les chercheurs réussissent à isoler des principes actifs de substances connues. Ainsi, en 1803, la morphine est isolée à partir de végétaux par Friedrich Adam Satürner (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr). C’est grâce à cette capacité à isoler les principes actifs que les molécules médicamenteuses pourront être par la suite synthétisées: après avoir isolé l’acide acétylsalicylique de l’écorce de saule, Charles Frédéric Gerhardt puis Félix Hoffmann vont synthétiser cette molécule en 1853: c’est la naissance de l’aspirine, commercialisée pour la première fois en 1893 (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr) L’ère moderne du médicament débute en 1937 (Laboratoire GlaxoSmithKline, www.gsk.fr), avec la découverte de l’action antibactérienne des sulfamides. En 1929, Flemming découvre la pénicilline (Genopole® , www.genopole.fr). Vient ensuite une phase d’accélération des découvertes. Dans les années 60, les chercheurs mettent au point une nouvelle méthode d’évaluation des médicaments existants, qui va permettre d’élaborer de nouveaux médicaments à partir de ces modèles de médicaments existants (Figure I 1). Aujourd’hui, et pour les années à venir, c’est vers les biotechnologies que s’orientent les recherches autour des médicaments. En effet, grâce à de nouveaux outils puissants (génie génétique, biologie moléculaire, cellules souches, clonage, etc.), les chercheurs possèdent maintenant une approche génétique des pathologies humaines. En effet, les biomédicaments que les entreprises développent aujourd’hui permettent d’imaginer des solutions dans des pathologies pour lesquelles il n’existe pas encore de traitement satisfaisant: cancers, maladies auto-immunes, maladies rares, etc. (Genopole®, Biotechnologie et médicaments du futur, www.genopole.fr).

CLASSIFICATION DES MÉDICAMENTS 

Afin de faciliter leur application thérapeutique, les médicaments ont été classés en différentes familles, subdivisées en groupes et sous-groupes. Les critères de classification sont (Vicens, 2002): (i) le mode d’action, (ii) l’origine, (iii) la nature chimique, (iv) la modalité d’action et (v) le spectre d’action. on trouve quelques classes de médicaments avec quelques exemples de chaque classe (Yala, D et al., 2001; Berogne Bérézin et Dellamonica, 1995).

CONSOMMATION MONDIALE DES MÉDICAMENTS 

LES MÉDICAMENTS À USAGE VÉTÉRINAIRE 

L’utilisation de médicaments à usage vétérinaire ne fait pas l’objet de publications quantitatives. Seules des publications de revues scientifiques présentent des évaluations, en particulier l’article de Kools et al. (2008) qui fournit les tonnages d’antibiotiques, d’antiparasitaires et d’hormones utilisées en Europe . La seconde partie de ce tableau contient des données extrapolées à partir des productions de viande. En complément de ces données, seulement deux pays, la Suède et le Royaume Uni, rapportent des données pour d’autres classes de substances actives: 221 tonnes pour celles destinées au traitement des troubles du métabolisme et du tractus digestif, 120 tonnes pour le traitement des maladies du système nerveux central, 60 tonnes pour le traitement des maladies hématopoïétiques et 52 tonnes pour le traitement des troubles musculo-squelettiques (Kools et al., 2008).

Après l’absorption par l’organisme, les médicaments peuvent être excrétés inchangés ou partiellement métabolisés. Les métabolites hydrophiles éliminés dans les urines peuvent être très nombreux et il est très difficile de les rechercher dans les divers compartiments de l’environnement. Les poissons traités aux antibiotiques éliminent directement les médicaments non métabolisés et les métabolites dans le milieu aquatique tandis que les animaux d’élevage (porcs, bœufs, chevaux, etc.) éliminent ces composés soit directement sur les sols, soit dans lisiers dans lesquels se poursuivent des réactions de transformation. Ces lisiers sont destinés à amender les cultures et les métabolites peuvent alors entrer dans la chaîne alimentaire. Les données sur la transformation de ces molécules dans l’environnement sont rares. Pour les antibiotiques par exemple, la dégradation dépend de plusieurs facteurs: la structure chimique, le pH du milieu, la formation des ligands, la présence de bactéries et aussi de la photodégradation.

Grâce à des tests des germinations, Liu. et al. (2009) ont étudié les effets de six antibiotiques (chlorotétracycline, tétracycline, tylosine, sulfaméthoxazole, sulfamethazine et triméthoprime) sur la croissance des plantes et l’activité bactérienne et enzymatique dans le sol. Les deux sulfonamides (sulfaméthoxazole et sulfamethazine) et le triméthoprime sont avérés les plus toxiques à la croissance des plantes, l’avoine et le riz étant les plus sensibles aux antibiotiques que le concombre. Tous les antibiotiques examinés ont empêché l’activité de phosphatase du sol. Le sulfaméthoxazole, sulfamethazine et triméthoprime ont exercé des effets temporels sur la respiration du sol, tandis que la tétracycline, la chlorotétracycline et la tylosine ont exercé peu d’effet. Ces différences entre les effets toxiques des antibiotiques sont dues à leur comportement différent dans le sol tel que la sorption, la dégradation et la complexation avec les métaux comme dans le cas de tétracycline. Cette complexation a été identifiée par une étude de Verma et al. (2007). Ils ont trouvé que l’addition d’EDTA conduit au relargage d’une partie de la tétracycline, ce qui permet de supposer qu’elle est liée à des ions métalliques. L’influence des rayons UV sur la demi-vie a aussi été mise en évidence dans cette étude. Binh et al. (2007) ont montré aussi le transfert de gènes résistantes dans le sol par l’amoxicilline. En effet, pour comprendre le comportement des médicaments dans le sol, il faut prendre en considération l’ensemble des phénomènes d’effets de matrice des composés organiques et de la lumière sur la dégradation des médicaments, mais les effets de la lumière sont fortement atténués dans les eaux profondes ou les zones peu ensoleillées.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : MÉDICAMENT ET ENVIRONNEMENT : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
I-1. INTRODUCTION
I-2. HISTORIQUE
I-3. CLASSIFICATION DES MÉDICAMENTS
I-4. CONSOMMATION MONDIALE DES MÉDICAMENTS
I-4-1. LES MÉDICAMENTS À USAGE HUMAIN
I-4-2. LES MÉDICAMENTS À USAGE VÉTÉRINAIRE
I-5. LE CONSTAT DE LA CONTAMINATION ENVIRONNEMENTALE
I-5-1. CONTAMINATION DE L’ATMOSPHÈRE
I-5-2. CONTAMINATION DES SOLS
I-5-3. CONTAMINATION DES MILIEUX AQUATIQUES ET DES RESOURCES EN
EAU DOUCE
I-6. LES RISQUES POUR L’ENVIRONNEMENT
I-6-1. IMPACT SUR LES ÉCOSYSTÈMES AQUATIQUES ET TERRESTRES
I-6-2. LES RISQUES POUR L’HOMME
I-6-2-1. Nocivité directe
I-6-2-2. Nocivité indirecte
I-7. LA GESTION DES RISQUES (LÉGISLATION)
I-8. PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES DES ANTIBIOTIQUES
ÉTUDIÉS
I-9. PROCÉDÉS DE TRAITEMENT DES EAUX CONTAMINÉES PAR DES
POLLUANTS MÉDICAMENTEUX
I-9-1. LES PROCÉDÉS CLASSIQUES
I-9-1-1. Procédés biologiques
I-9-1-2. Procédés physiques et physico-chimiques
I-9-1-3. L’incinération
I-9-2. COMPARAISON DES PROCÉDÉS
I-9-3. LES PROCÉDÉS D’OXYDATION AVANCÉE (POA)
I-9-3-1. Réactivité des radicaux Hydroxyles
I-9-3-2. Mécanismes réactionnels et mode d’action des radicaux hydroxyles
I-9-3-3. Constantes cinétiques de réactions entre •OH et composés organiques
I-9-4.GÉNÉRATION DES RADICAUX •OH: PROCÉDÉS D’OXYDATION AVANCÉE
I-9-4-1. Procédés d’ozonation
I-9-4-1-1. Ozonation
I-9-4-1-2. Peroxonation (H2O2/O3)
I-9-4-2. Procédé Fenton (Fe2+/H2O2)
I-9-4-2-1. Facteurs influençant l’efficacité du procédé Fenton
I-9-4-2-2. Les inconvénients du système Fenton
I-9-4-3. Procédés photochimiques
I-9-4-3-1. Photolyse de H2O2
I-9-4-3-2. Photolyse de O3
I-9-4-3-3. Photo-peroxonation O3/H2O2/UV
I-9-4-3-4. Photo-Fenton (photocatalyse homogène)
I-9-4-3-5. Photocatalyse hétérogène (TiO2/UV)
I-9-4-3-6. Irradiation par les ultrasons (Sonolyse)
I-9-4-4. Méthodes électrochimiques
I-9-4-4-1. Oxydation anodique
I-9-4-4-2. Electrochimie indirecte: électro-Fenton
I.10. CONCLUSION
CHAPITRE II : PROTOCOLES EXPÉRIMENTALES ET MÉTHODES ANALYTIQUES
II-1. PRODUITS CHIMIQUES
II-2. LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL
II-3. LES TECHNIQUES ANALYTIQUES
II-3.1. ANALYSE PAR CHROMATOGRAPHIE LIQUIDE À HAUTE PERFORMANCE
(CLHP)
II-3-1-1. Analyse des antibiotiques
II-3-1-2. Analyse des produits intermédiaires
II-3-1-3. Détermination des constantes cinétiques
II-3-1-4. Analyse des acides carboxyliques
II-3.2. ANALYSE PAR CHROMATOGRAPHIE IONIQUE
II-3.3. ANALYSE DU CARBONE ORGANIQUE TOTAL (COT)
II-3.4. MESURE DE LA TOXICITÉ
CHAPITRE III : ÉTUDE DE LA CINÉTIQUE DE DÉGRADATION DES ANTIBIOTIQUES SULFAMÉTHOXAZOLE (SMX), AMOXICILLINE (AMX) ET SULFACLOROPYRIDAZINE (SCP)
III-1. INTRODUCTION
III-2. ÉTUDE DES PARAMÈTRES INFLUENTS L’OXYDATION DES
ANTIBIOTIQUES ÉTUDIÉS
III-2-1. EFFET DE LA CONCENTRATION DU CATALYSEUR Fe(II) SUR LA
CINETIQUE D’OXYDATION DE SULFAMÉTHOXAZOLE (SMX)
III-2-2. EFFET DU COURANT APPLIQUÉ
III-2-2-1. Cas de sulfamethoxazole (SMX)
III-2-2-2. Cas de l’amoxicilline (AMX)
III-2-2-3. Cas de la Sulfachloropyridazine (SCP)
III-2-2-4. Interprétation de l’effet du courant
III-2-3. EFFET DE LA NATURE DE L’ANODE SUR LA CINÉTIQUE DE
DÉGRADATION. COMPARAISON ENTRE LES ANODES Pt ET BDD
III-2-4. EFFET DE LA CONCENTRATION D’ANTIBIOTIQUE TRAITÉ
III-2-4-1. Cas du SMX
III-2-4-2. Cas de l’AMX
III-2-4-3. Cas de la SCP
III-2-5. EFFET CATALYTIQUE ET / OU CO-CATALYTQIQUE DU Cu(II)
III-3. DÉTERMINATION DES CONSTANTES DE VITESSE APPARENTES
ET ABSOLUES
III-4. IDENTIFICATION DES INTERMÉDIAIRES AROMATIQUES AU
COURS DE LA DÉGRADATION OXYDATIVE
III-5. CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE

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