Potentiel oxydant : nouvelles perspectives de mesure en ligne et étude du lien avec la composition chimique des particules atmosphériques

Oxidative potential : new perspectives for online measurement and studying the link with the chemical composition of atmospheric particles

• Auteur / Autrice : Julie Camman
• Direction : Henri Wortham, Gaëlle Uzu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie de l'environnement
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de l'environnement (Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire chimie et environnement (LCE) (Marseille ; ....-2007)
• Jury : Président / Présidente : Jeanne Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Wortham, Gaëlle Uzu, Gilles Forêt, Patrice Coddeville, Didier Voisin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Forêt, Patrice Coddeville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air -- Composition chimique

Produits chimiques

Aérosols atmosphériques

Appareil respiratoire -- Infections

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Particules atmosphériques

Potentiel oxydant

Mesure en ligne

Quantification des sources de PO

Aérosol submicronique

Aérosol organique secondaire

Particulate matter

Oxidative potential

Online analysis

Near-Real-Time measurement

Submicronic aerosol

Secondary organic aerosol

Résumé

La pollution atmosphérique représente un enjeu majeur de santé publique à l'échelle mondiale. Près de 9 millions de décès prématurés sont imputables à la piètre qualité de l'air que nous respirons. Les particules atmosphériques en suspension, plus précisément les espèces réactives de l’oxygène (ROS) véhiculées ou induites par les PM dans l’appareil respiratoire, sont suspectées d’instaurer un contexte inflammatoire conduisant a fortiori à des pathologies cardio-respiro-vasculaires.Les aérosols atmosphériques présentent une diversité de paramètres physico-chimiques qui dépendent de leurs sources d'émission. Ils sont soumis à des transformations chimiques dans l'atmosphère ainsi qu'à des interactions complexes entre composés chimiques. Actuellement, le principal indicateur en matière de règlementation est la concentration massique des particules qui apparait insuffisant pour caractériser leur toxicité. Aussi, une nouvelle métrique prometteuse vise à intégrer d’autres paramètres tels que la composition chimique, la taille, la solubilité ou encore la bioaccessibilité de ces PM : le Potentiel Oxydant (PO). Il s’emploie à quantifier le stress oxydant que peuvent induire les PM dans un milieu pulmonaire en mesurant les ROS. Différents tests complémentaires (acide ascorbique (AA) et dithiothreitol (DTT) dans cette thèse) mimant les multiples familles d’antioxydants pulmonaires sont employés.La contribution relative des sources de PM au PO devient un nouveau challenge. L’étude de la toxicité de l’aérosol submicronique (PM1) suscite par ailleurs un intérêt car les particules fines qui pénètrent plus profondément dans l’appareil respiratoire sont susceptibles de causer davantage de dégâts. La première partie de ce travail de thèse a déterminé la contribution de ces sources au PO sur la ville de Marseille (France) via un modèle de régression linéaire multiple utilisant des sources de PM préalablement résolues par une technique d’analyse factorielle multivariée (« Positive Matrix Factorization »). La méthode sur filtres traditionnellement employée dans l’analyse du PO a été couplée à des mesures en ligne à haute résolution temporelle de la composition chimique détaillé des PM1, ouvrant de nouvelles perspectives sur l’étude de la variation journalière du PO. Selon que la métrique d’observation considérée est la concentration massique ou le PO, la prédominance des sources est redistribuée et certaines sources, comme le nitrate organique secondaire qui contribue beaucoup à la masse, vont peu contribuer au PO. Les sources de PM1 présentant les PO intrinsèques les plus élevés sur ce site sont respectivement l’industrie et les poussières crustales pour le test à l’AA et le sulfate d’ammonium secondaire, le transport maritime et la combustion de biomasse pour le test au DTT.L’intérêt croissant pour les techniques de mesure en ligne à haute résolution a conduit au développement d’un prototype de mesure in situ du PO. Les deux tests AA et DTT ont été intégrés au dispositif « ROS-Online », dont la deuxième partie de cette thèse présente une étude de faisabilité.Pour terminer, nous avons également exploré l'influence de la photooxydation sur le PO des aérosols de type urbain. Cette investigation s'est réalisée à travers deux approches distinctes : tout d'abord par l’analyse du PO des aérosols organiques secondaires générés à partir d'un précurseur d'origine anthropique au sein d'un tube à écoulement, puis par l'analyse en ligne du PO sur des émissions de véhicules qui ont été vieillies au sein d'une chambre de simulation atmosphérique. Les résultats de ces expériences convergent vers une conclusion significative : l'oxydation des particules entraîne une augmentation notable de leur PO.Cette thèse ouvre la voie à de nouvelles méthodes de mesure en ligne du PO et à une meilleure compréhension des sources de PO qui, couplées à des études épidémiologiques, permettront in fine de faire évoluer la règlementation sur la qualité de l’air.

Air pollution is a major public health issue worldwide. Nearly nine million premature deaths are attributable to the poor quality of the air we breathe. Atmospheric particles (PM) -more specifically the reactive oxygen species (ROS) carried or induced by PM in the respiratory system- are suspected of creating an inflammatory context, finally leading to cardiovascular and respiratory pathologies.Atmospheric aerosols have a wide range of physico-chemical parameters, depending on the source from which they are emitted. They are subject to chemical transformations in the atmosphere and to complex interactions between chemical compounds. The main regulatory indicator is currently the mass concentration of particles which does not appear to be sufficient to characterise their toxicity. The oxidative potential (OP) is a promising new metric which aims to incorporate other parameters such as the chemical composition, size, solubility and bioaccessibility of PM. It is designed to quantify the oxidative stress that PM can induce in a pulmonary environment by measuring ROS. Various complementary tests (ascorbic acid (AA) and dithiothreitol (DTT) in this thesis) mimicking several families of pulmonary antioxidants are used.The relative contribution of PM sources to OP is becoming a new challenge. The study of the submicronic aerosols (PM1) toxicity is also of great interest, as fine particles that penetrate more deeply into the respiratory system are likely to cause more damage. The first part of this thesis determined the contribution of PM sources to OP in the city of Marseille (France) using a multiple linear regression model based on PM sources previously resolved using a multivariate factor analysis technique (« Positive Matrix Factorization » technique). The filter method traditionally used in the PM analysis has been coupled with high temporal resolution online measurements of the detailed chemical composition of PM1, opening up new perspectives on the study of daily OP variation. Depending on whether the observation metric considered is PM mass concentration or OP, the predominance of sources is redistributed and certain sources which contributed a lot to mass -such as secondary organic nitrate- contribute little to OP. The PM1 sources with the highest intrinsic OP at this site are the industry and the crustal dust for the AA test and the secondary ammonium sulfate, along with the maritime transport and the biomass burning for the DTT test.Growing interest in high-resolution online measurement techniques has led to the development of a prototype for in situ OP measurement. Both the AA and DTT tests were integrated into the 'ROS-Online' device, for which the second part of this thesis presents a feasibility study. Finally, we also explored the influence of the photooxidation on urban aerosols OP. This investigation was carried out using two distinct approaches: firstly, the OP analysis of secondary organic aerosols generated from an anthropogenic precursor in a flow tube, and secondly the online OP analysis of vehicle emissions that have been aged in an atmospheric simulation chamber. The results of these experiments converge towards a significant conclusion: the oxidation of particles leads to a significant increase in the OP.This thesis paves the way for new online OP measurement methods and for a better understanding of OP sources, which combined with epidemiological studies will ultimately lead to changes in air quality regulations.