Développement d'outils analytiques pour la quantification et l'étude isotopique des composés organiques issus des feux de biomasse dans l'environnement

Development of analytical tools for the quantification and isotopic study of organic compounds from biomass burning in the environment

• Auteur / Autrice : Amel Nouara
• Direction : Richard Sempéré, Christos Panagiotopoulos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut méditerranéen d'océanologie (MIO) (Marseille ; Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Madeleine Goutx
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Delort
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Kerherve, Christine Hatté

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière organique particulaire

Chromatographie

Biomasse -- Combustion

Analyse par dilution isotopique

Mots clés libres

Feux de biomasse

Anhydrosucres

Analyses isotopiques spécifiques de carbone (CSIA)

EA-IRMS et EA-AixMICADAS

Chromatographie préparative HPLC-RI

Chromatographie ionique HPAEC-PAD

Biomass burning

Anhydrosugars

Compound specific carbon isotope analysis (CSIA)

EA-IRMS and EA-AixMICADAS

Preparative chromatography (HPLC-RI)

Ionic chromatography (HPAEC-PAD)

Résumé

La pollution émise par les feux de biomasse (biomass burning; BB) reste un problème majeur de santé publique et du changement climatique. Afin d’améliorer notre compréhension sur l’origine et le devenir des composés issus des BB dans l’environnement, nous avons élaboré des nouvelles méthodes analytiques (isotopiques & chromatographiques) permettant de détecter les anhydrosucres ainsi qu’un ensemble de sucres les plus abondants dans les écosystèmes naturels. La première méthode développée a permis d’effectuer des mesures isotopiques à l’échelle moléculaire des sucres par EA-IRMS (δ13C) et/ou EA-AixMICADAS (∆14C) après leur purification préalable par HPLC-RI. Nos résultats ont montré la présence d’anhydrosucres dans la matière organique particulaire marine (POM) avec une signature isotopique terrestre (δ13C <−26.2‰). De plus, la signature en radiocarbone du lévoglucosane (∆14C = 33‰) issu des particules totales suspendues atmosphériques (TSP), indique sa production récente dans l’environnement. La chromatographie HPAEC-PAD est la deuxième méthode développée dans ce travail pour la caractérisation de 17 sucres simples. Cette méthode a permis la première quantification des anhydrosucres dans la POM et la matière organique à haut poids moléculaire (HMWDOM) marines à hauteur de 2% et 3% du total des sucres détectés, respectivement. D’autre part, les émissions issues des BB ont été étudiées dans les aérosols de la Mer Méditerranée par un suivi des variations annuelles des anhydrosucres. Les résultats de cette étude ont montré la forte contribution des émissions issues des BB (13%) au pool de carbone organique dans les particules PM10 qui arrivent dans le bassin Méditerranéen.

Biomass burning (BB) pollution is a major concern for public health and climate change. In order to improve our understanding on the origin and fate of compounds related to BB in the environment, we have developed new analytical methods (isotopic and chromatographic methods) allowing the detection of anhydrosugars as well as a broader panel of sugars in natural ecosystems. The first developed method allowed to perform for the first time compound specific isotopic measurements of individual sugars by EA-IRMS (δ13C) and/or EA-AixMICADAS (∆14C) after purification by HPLC-RI. Our results showed the presence of anhydrosugars in the marine particulate organic matter (POM) sample with a terrestrial isotopic signature (δ13C <26.2‰), indicating an external terrestrial input to marine environment. In addition, the radiocarbon signature of levoglucosan (∆14C = 33‰) from total suspended atmospheric particles (TSP) sample indicates a modern age, suggesting its recent synthesis in the environment. The HPAEC-PAD chromatography is the second method developed in the frame of this study and provided a full analysis of 17-simple sugars. This method allowed for the first time the quantification of anhydrosucres in the marine POM and high molecular weight dissolved organic matter (HMWDOM), that represent 2% and 3% of total sugars detected, respectively. In a complementary study, the emissions from BB have been also studied in aerosols from the Mediterranean Sea by monitoring the annual variations of anhydrosugars. The results of this study highlight the important contribution of BB emissions (up to 13%) to organic carbon pool in the PM10 particles arriving in the Mediterranean basin.