Particule fines et ultrafines issues de la combustion de carburants pétroliers et biocarburants de seconde génération : Etude comparative de caractéristiques physico-chimiques et toxicologiques in vitro

Fine and ultrafine particles issued from oil fuels and second-generation biofuels combustion : a comparative study of the physicochemical and in vitro toxicological characteristics

• Auteur / Autrice : Ana Teresa Juarez Facio
• Direction : Jean-Marie Vaugeois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moleculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 24/06/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Aliments Bioprocédés Toxicologie Environnements / ABTE
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Monteil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Vaugeois, Christelle Monteil, Denis Bemer, Sophie Achard, Jérôme Yon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Françoise Pons, Dominique Courcot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocarburants

Pollution atmosphérique -- Effets physiologiques

Polluants atmosphériques

Particules (matière)

Tests de toxicité in vitro

Mots clés libres

In vitro

Beas-2b

NHBE

Particules fines et ultrafines

Émissions essence

B2G

In vitro

Beas-2b

NHBE

Fine and ultrafine particles

Gasoline emissions

B2G

Résumé

La pollution particulaire constitue aujourd’hui un enjeu sanitaire majeur et est associée au développement de maladies respiratoires et cardiovasculaires. Parmi les différentes fractions, les particules fines (PF) et plus encore les particules ultrafines (PUF), soulèvent une préoccupation croissante. En raison de leur taille, elles peuvent atteindre les voies respiratoires profondes provoquant des conséquences sur la santé à court et à long terme. En milieu urbain, le trafic routier est leur principal émetteur. Aujourd’hui, les transports automobiles utilisent majoritairement des carburants fossiles, carburants qui ne sont pas renouvelables. De ce fait, le développement de nouveaux carburants comme les biocarburants de seconde génération (B2G) pourraient contribuer à diminuer l’utilisation des carburants fossiles et leurs émissions toxiques. Malheureusement, en termes d’effets sanitaires, il existe encore très peu d’études qui s’intéressent aux produits de combustion de ces nouveaux biocarburants.Par conséquent, l’objectif général de ce travail est d’évaluer la toxicité de particules fines et ultrafines produites lors de la combustion de carburants pétroliers et de biocarburants de seconde génération (B2G), pour des conditions de combustion et d’exposition parfaitement contrôlées, représentatives de l’exposition humaine. La première partie de mon travail de thèse a été consacrée au développement d’un protocole d’exposition de cellules pulmonaires adapté à l’étude de particules de combustion, produites de façon reproductible et standardisée, et représentatives de particules issues du trafic routier. Ce protocole a permis la génération et la caractérisation de ces particules ainsi que l’exposition simultanée aux cellules en culture. Une fois validé, ce protocole a permis l’étude du profil de réponse toxique de particules ultrafines riches en carbone organique. La dernière partie de ce travail a été dédiée à l’étude comparative de l’influence du carburant utilisé sur la composition physico-chimique et le profil de réponse toxique observé après exposition aux particules fines et ultrafines.Le développement du protocole d’exposition a permis d’explorer les effets toxicologiques de PUF avec une haute teneur en composés organiques, sur deux modèles de cellules épithéliales bronchiques : le modèle différencié NHBE ainsi que la lignée BEAS-2B. Dans des conditions non cytotoxiques, les deux modèles montrent une induction de la réponse antioxydante et inflammatoire. De plus, le métabolisme des xénobiotiques a également été fortement induit sur la lignée BEAS-2B.Les résultats de l’étude comparative des carburants fossiles et B2G sur la lignée BEAS-2B à des doses d’expositions proches de conditions réelles, montrent également une réponse des marqueurs du stress oxydant, de l’inflammation et du métabolisme des xénobiotiques. Cette réponse est observée principalement 3 h après exposition.L’ensemble de ces résultats démontre l’effet des PF et PUF dans des conditions d’exposition contrôlées sur la réponse antioxydante et inflammatoire ainsi que sur le métabolisme de xénobiotiques. Ces résultats permettront de mieux comprendre l’avenir de nouveaux carburants.

Particulate pollution represents a major health issue and is associated with the development of respiratory and cardiovascular diseases. Among the different fractions, fine particles (FP) and ultrafine particles (UFP) are of growing concern. Due to their size, FP and UFP can reach the deeper airways. In urban areas, they are emitted principally by road traffic. Today’s transports depend mainly on fossil fuels, which are not renewable. As a result, the development of new fuels such as second-generation biofuels (B2G) should help to reduce the use of fossil fuels and their toxic emissions. Unfortunately, in terms of health effects, there are still very few studies about the combustion products of these new biofuels.Hence, the objective of this work is to evaluate the toxicity of FP and UFP produced during the combustion of fossil fuels and second-generation biofuels (B2G), under controlled combustion and exposure conditions. The first part of my thesis was devoted to the development of a lung cell exposure protocol adapted to the study of² combustion particles, produced in a reproducible and standardized manner. These particles were representative of road traffic emissions. This protocol allowed the generation and characterization of these particles as well as the simultaneous in vitro exposure. Then, toxicologic response of organic UFP were studied. The last part of this work was the comparative study of the physico-chemical and in vitro toxicological characteristics of FP and UFP from fossil fuels and B2G combustion.The development of the exposure protocol allowed to explore the toxicological effects of UFP with a high content of organic compounds, on two bronchial epithelial models: the differentiated model NHBE as well as the BEAS-2B line. Under non-cytotoxic conditions, both models show an induction of the antioxidant and inflammatory response. In addition, the metabolism of xenobiotics was also induced on the BEAS-2B line. The results of the comparative study between fossil fuels and B2G on the BEAS-2B line at exposure dose close to real conditions also show an alteration in markers of oxidative stress, inflammation, and xenobiotic metabolism. This response is observed mainly 3 h after exposure.Taken together, these results demonstrate the effect of PF and PUF under real exposure conditions on the antioxidant and inflammatory response as well as on the metabolism of xenobiotics. These results will provide a better understanding of the future of new fuels.