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Barbara F. Günthardt, Matthew Moy de Vitry et Marius Neamtu (de gauche à droite)

Médailles de l'ETH pour Barbara Günthardt, Matthew Moy de Vitry et Marius Neamtu

18 octobre 2021 | Claudia Carle und Andri Bryner

La chimiste de l'environnement Barbara F. Günthardt et les deux ingénieurs de l'environnement Matthew Moy de Vitry et Marius Neamtu ont reçu la médaille de l'ETH pour leurs thèses de doctorat. Les toxines végétales, les inondations urbaines et les courants compliqués étaient les sujets abordés. Nous les félicitons chaleureusement !

La chimiste de l'environnement Barbara F. Günthardt reçoit la médaille de l'ETH pour sa thèse de doctorat sur les toxines végétales. Elle a non seulement mis au point des méthodes de quantification de ces substances, mais a également constitué une base de données et identifié les plantes émettrices pour chaque substance.

Constitution d'une base de données sur les substances végétales toxiques

Lorsqu'il est question de micropolluants dans l'eau, la plupart des gens pensent avant tout aux pesticides, aux produits pharmaceutiques ou aux produits chimiques provenant des ménages et de l'industrie. Mais il existe également des milliers de substances d'origine végétale qui sont toxiques. Dans sa thèse, Barbara F. Günthardt a rassemblé environ 1600 de ces substances provenant de plus de 800 plantes et leurs effets sur l'environnement aquatique et les a recherchées dans les plans d'eau. Elle reçoit aujourd'hui la médaille de l'ETH pour son approche systématique et soigneusement élaborée.

À partir d'une base de données récemment constituée, le doctorant a classé par ordre de priorité environ 500 toxines en fonction de leur longévité, de leurs propriétés physico-chimiques et de leur fréquence d'apparition. Elle a publié un article distinct à ce sujet dans le Journal of Agricultural and Food Chemistry de l'ACS [1] et dans Science of the Total Environment [2]. En outre, la base de données TPPT (pour Toxic Plant-PhytoToxin) est disponible gratuitement sur le site web d'Agroscope [3].

Dans le cadre de sa thèse, Barbara Günthardt a ensuite mis au point une méthode analytique permettant de quantifier les 134 phytotoxines les plus importantes dans des échantillons à l'aide de la spectrométrie de masse à haute résolution. Elle a également appliqué immédiatement sa méthode sur le terrain et a examiné des échantillons provenant de 20 cours d'eau. Elle a pu publier un article à ce sujet dans un numéro spécial de la revue Chimia sur "la chimie et l'environnement" [4]. Günthardt a mis l'accent sur l'étude des alcaloïdes de la pyrrolizidine. Ces substances sont présentes dans environ 6 000 plantes dans le monde, qui les utilisent pour se protéger des agressions. Certains d'entre eux ont un effet toxique pour le foie, génotoxique ou cancérigène sur les animaux. Le chercheur a découvert que l'herbe grise envahissante Senecio inaequidens était le principal agent responsable dans les échantillons provenant des cours d'eau suisses - dans certains cas avec des concentrations considérables. Günthardt a également pu publier un article à ce sujet dans la revue Environmental Science and Technology [5].

Les 4 publications de la thèse intitulée "A Systematic Assessment of the Aquatic Exposure to Phytotoxins" sont disponibles en accès libre dans DORA. La thèse elle-même https://doi.org/10.3929/ethz-b-000488067 est actuellement toujours sous embargo. Les travaux ont été supervisés conjointement par le Dr Thomas Bucheli (Agroscope) et le Prof. Juliane Hollender (Eawag et ETH). La plupart des travaux ont été réalisés à Agroscope, tandis que Barbara Günthardt a pu utiliser le matériel d'échantillonnage et les instruments d'analyse à haute résolution de l'Eawag.

Prévision des inondations

Matthew Moy de Vitry reçoit le prix pour sa thèse intitulée "Public Surveillance and the Future of Urban Pluvial Flood Modelling" [6] avec le professeur Max Maurer du département de gestion des eaux urbaines. L'objectif de son travail était d'améliorer la prévision des inondations dans les villes et donc, à terme, de pouvoir mieux protéger la population et les infrastructures. Comme les modèles utilisés pour les prévisions n'étaient auparavant pas assez fiables en raison du manque de données pour l'étalonnage et la validation, il a développé des approches innovantes et rentables pour des sources de données supplémentaires - telles que les images et les vidéos des caméras de surveillance du trafic ou des médias sociaux. Matthew a déjà été récompensé pour ce travail par le prix Otto Jaag pour la conservation de l'eau en novembre 2020.

"J'aimerais beaucoup découper la médaille de l'EPF en morceaux et la partager avec les nombreux collègues qui ont rendu ce travail possible, explique Matthew, c'est-à-dire les superviseurs, les techniciens, les coauteurs et toutes les personnes qui contribuent à l'atmosphère particulière de l'Eawag." Depuis qu'il a terminé sa thèse, Matthew a travaillé comme développeur web et data scientist chez Hades Technologies AG, une spin-off de l'ETH, qui développe des modèles de données capables de détecter automatiquement les dommages dans les égouts grâce à l'apprentissage automatique.

Mieux comprendre les écoulements turbulents

Marius Neamtu reçoit la médaille de l'ETH pour sa dissertation "Objective Coherent Structures Near the Turbulent/Non Turbulent Interface in a Stably Stratified Turbulent Flow" [7] avec le Prof. Markus Holzner (Eawag/WSL) au département des eaux de surface. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des écoulements turbulents. Ces flux sont omniprésents dans la nature et dans les applications industrielles, comme la fumée qui s'échappe d'une cheminée. Dans de nombreux écoulements turbulents (par exemple, les jets libres turbulents, les sillages et les couches limites), le fluide sans tourbillon provenant de l'environnement est continuellement entraîné dans la région turbulente à travers une interface pointue, appelée interface turbulente/non-turbulente. Ce phénomène, appelé mélange turbulent, a un effet direct sur la formation et le développement des écoulements turbulents. Marius a particulièrement étudié le rôle des structures tourbillonnaires dans ce processus. Pour déchiffrer ces structures tourbillonnaires dans les écoulements turbulents, il a appliqué de nouvelles méthodes mathématiques et a montré comment ces structures influent sur le mélange turbulent. Cela constitue une base importante pour mieux modéliser les flux turbulents - par exemple, les courants océaniques et les effets climatiques associés. 

"J'ai été très surpris que mon travail soit récompensé par la médaille de l'ETH", déclare Marius, "car j'avais plutôt en tête ce que j'aurais pu faire de mieux. Je me sens très honoré de recevoir ce prix et je suis reconnaissant à tous ceux qui ont contribué à ce travail." Il prévoit d'investir l'argent du prix dans sa formation continue. Marius travaille aujourd'hui comme ingénieur de projet au sein de la société Holinger à Zurich, où il est responsable de la planification de grands projets internationaux d'approvisionnement en eau.

La médaille de l'ETH, dotée d'un prix de 2000 francs suisses, est décernée chaque année à des thèses de doctorat exceptionnelles. Alors que Marius Neamtu et Matthew Moy de Vitry ont déjà reçu leurs médailles lors de la cérémonie de doctorat en été, le passage de témoin à Barbara Günthardt aura lieu début 2022.

Photo de couverture: Eawag

Publications originales

[1]

Comprehensive toxic plants-phytotoxins database and its application in assessing aquatic micropollution potential

The production of toxic plant secondary metabolites (phytotoxins) for defense is a widespread phenomenon in the plant kingdom and is even present in agricultural crops. These phytotoxins may have similar characteristics to anthropogenic micropollutants in terms of persistence and toxicity. However, they are only rarely included in environmental risk assessments, partly because a systematic overview of phytotoxins is missing. Here, we present a newly developed, freely available database, Toxic Plants-PhytoToxins (TPPT), containing 1586 phytotoxins of potential ecotoxicological relevance in Central Europe linked to 844 plant species. Our database summarizes phytotoxin patterns in plant species and provides detailed biological and chemical information as well as in silico estimated properties. Using the database, we evaluated phytotoxins regarding occurrence, approximated from the frequencies of Swiss plant species; environmental behavior based on aquatic persistence and mobility; and toxicity. The assessment showed that over 34% of all phytotoxins are potential aquatic micropollutants and should be included in environmental investigations.
Günthardt, B. F.; Hollender, J.; Hungerbühler, K.; Scheringer, M.; Bucheli, T. D. (2018) Comprehensive toxic plants-phytotoxins database and its application in assessing aquatic micropollution potential, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66(29), 7577-7588, doi:10.1021/acs.jafc.8b01639, Institutional Repository

[2]

Aquatic occurrence of phytotoxins in small streams triggered by biogeography, vegetation growth stage, and precipitation

Toxic plant secondary metabolites (PSMs), so-called phytotoxins, occur widely in plant species. Many of these phytotoxins have similar mobility, persistence, and toxicity properties in the environment as anthropogenic micropollutants, which increasingly contaminate surface waters. Although recent case studies have shown the aquatic relevance of phytotoxins, the overall exposure remains unknown. Therefore, we performed a detailed occurrence analysis covering 134 phytotoxins from 27 PSM classes. Water samples from seven small Swiss streams with catchment areas from 1.7 to 23 km2 and varying land uses were gathered over several months to investigate seasonal impacts. They were complemented with samples from different biogeographical regions to cover variations in vegetation. A broad SPE-LC-HRMS/MS method was applied with limits of detection below 5 ng/L for over 80% of the 134 included phytotoxins. In total, we confirmed 39 phytotoxins belonging to 13 PSM classes, which corresponds to almost 30% of all included phytotoxins. Several alkaloids were regularly detected in the low ng/L-range, with average detection frequencies of 21%. This is consistent with the previously estimated persistence and mobility properties that indicated a high contamination potential. Coumarins were previously predicted to be unstable, however, detection frequencies were around 89%, and maximal concentrations up to 90 ng/L were measured for fraxetin produced by various trees. Overall, rainy weather conditions at full vegetation led to the highest total phytotoxin concentrations, which might potentially be most critical for aquatic organisms.
Günthardt, B. F.; Hollender, J.; Scheringer, M.; Hungerbühler, K.; Nanusha, M. Y.; Brack, W.; Bucheli, T. D. (2021) Aquatic occurrence of phytotoxins in small streams triggered by biogeography, vegetation growth stage, and precipitation, Science of the Total Environment, 798, 149128 (11 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2021.149128, Institutional Repository

[3]

Base de données sur les plantes toxiques et les phytotoxines

[4]

"Is there anybody else out there?" - First insights from a suspect screening for phytotoxins in surface water

To protect themselves, plants can produce toxic secondary metabolites (phytotoxins) that appear with widely varying structures and negative effects. These phytotoxins often show similar properties as known aquatic micropollutants in terms of mobility, persistence, toxicity, and possibly also ecotoxicity. However, their occurrence in surface waters remains largely unknown, which is also due to unknown ability of available screening approaches to detect them. Therefore, we performed a target and suspect screening based on a persistence-mobility prioritization for phytotoxins in small Swiss creeks using high resolution mass spectrometry. In total, three of 26 targets were detected, three of 78 suspects tentatively identified, and six suspects fully confirmed by reference standards. To the best of our knowledge, it is the first time that three different plant secondary metabolite classes are detected in the same surface water sample. Estrogenic isoflavones were detected at 73% of the sites with formononetin as main toxin, which is in agreement with previous studies. Furthermore, pyrrolizidine alkaloids and the indole alkaloid gramine were detected. Especially pyrrolizidine alkaloids might be critical due to their production by various plants including the invasive Senecio inaequidens, and their known importance in food and feed safety. Based on these first screening results, different phytotoxin classes should be assessed for their ecotoxicological effects and considered in future water monitoring.
Günthardt, B. F.; Schönsee, C. D.; Hollender, J.; Hungerbühler, K.; Scheringer, M.; Bucheli, T. D. (2020) "Is there anybody else out there?" - First insights from a suspect screening for phytotoxins in surface water, Chimia, 74(3), 129-135, doi:10.2533/chimia.2020.129, Institutional Repository

[5]

Retrospective HRMS screening and dedicated target analysis reveal a wide exposure to pyrrolizidine alkaloids in small streams

Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are found to be toxic pollutants emitted into the environment by numerous plant species, resulting in contamination. In this article, we investigate the occurrence of PAs in the aquatic environment of small Swiss streams combining two different approaches. Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are toxic secondary metabolites produced by numerous plant species. Although they were classified as persistent and mobile and found to be emitted into the environment, their occurrence in surface waters is largely unknown. Therefore, we performed a retrospective data analysis of two extensive HRMS campaigns each covering five small streams in Switzerland over the growing season. All sites were contaminated with up to 12 individual PAs and temporal detection frequencies between 36 and 87%. Individual PAs were in the low ng/L range, but rain-induced maximal total PA concentrations reached almost 100 ng/L in late spring and summer. Through PA patterns in water and plants, several species were tentatively identified as the source of contamination, with Senecio spp. and Echium vulgare being the most important. Additionally, two streams were monitored, and PAs were quantified with a newly developed, faster, and more sensitive LC−MS/MS method to distinguish different plant-based and indirect human PA sources. A distinctly different PA fingerprint in aqueous plant extracts pointed to invasive Senecio inaequidens as the main source of the surface water contamination at these sites. Results indicate that PA loads may increase if invasive species are sufficiently abundant.
Günthardt, B. F.; Wettstein, F. E.; Hollender, J.; Singer, H.; Harri, J.; Scheringer, M.; Hungerbühler, K.; Bucheli, T. D. (2021) Retrospective HRMS screening and dedicated target analysis reveal a wide exposure to pyrrolizidine alkaloids in small streams, Environmental Science and Technology, 55, 1036-1044, doi:10.1021/acs.est.0c06411, Institutional Repository

[6]

Public surveillance and the future of urban pluvial flood modelling

Motivation and objective
Urban pluvial flooding is an issue of increasingly critical importance due to climate change and urbanization. However, the numerical models used for flood forecasting and risk mitigation suffer from a pronounced lack of monitoring data, which affects model accuracy. Monitoring data are necessary so the models, which contain undefined parameters, can be calibrated and validated against real flood events. In particular, it is important that the models are able to reproduce flood behavior in and around buildings, where the most damage is caused. However, conventional flow and water level sensors reach their limits in public spaces like streets due to irregular topography, moving obstacles, and the risk of vandalism. It has been suggested that surveillance cameras and social media could provide the necessary surface flooding data at a fraction of the cost of conventional sensors. The objective of this thesis is to explore how trend-like data can be extracted from surveillance footage and assimilated to boost the reliability of urban pluvial flood models. [...]

Motivation und Zielsetzung
Urbane regenbedingte Überschwemmungen sind aufgrund des Klimawandels und der Urbanisierung von immer größerer Bedeutung, aber den numerischen Modellen zur Hochwasservorhersage und Risikominderung mangelt es an Überwachungsdaten, was die Modellgenauigkeit einschränkt. Überwachungsdaten sind notwendig, damit die Modelle, welche unsichere Parameter enthalten, gegen echte Hochwasserereignisse kalibriert und validiert werden können. Insbesondere ist es wichtig, dass die Modelle das Überschwemmungsverhalten in und um Gebäude herum nachbilden können, wo die meisten Schäden verursacht werden. Herkömmliche Strömungs- und Wasserstandsensoren stoßen jedoch im öffentlichen Raum, wie Straßen, aufgrund unregelmäßiger Topographie, beweglicher Hindernisse und der Gefahr von Vandalismus an ihre Grenzen. Deswegen gibt es Interesse für alternative Datenquellen wie Überwachungskameras und soziale Medien, aus denen Oberflächenabflussdaten zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Sensoren gewonnen werden könnte. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie trendartige Daten aus Überwachungsbildern extrahiert und assimiliert werden können, um die Zuverlässigkeit von Überschwemmungsmodellen zu erhöhen. [...]
Moy de Vitry, M. (2019) Public surveillance and the future of urban pluvial flood modelling, 143 p, doi:10.3929/ethz-b-000397587, Institutional Repository

[7]

Neamtu-Halic, Marius M. (2020). Objective Coherent Structures Near the Turbulent/Non-Turbulent Interface in a Stably Stratified Turbulent Flow (Doctoral dissertation, ETH Zurich). https://doi.org/10.3929/ethz-b-000476303

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