In recent years, the air quality of Kinmen-Xiamen region has deteriorated gradually, and PM10 was always the worst air quality indicator. Particularly, high PM10 concentration has been observed in spring and winter. The objective of this study was to characterize the chemical properties of atmospheric aerosol particles sampled at Xiamen Bay located at the west coast of Taiwan Strait by sampling atmospheric particles and using chemical mass balance (CMB) receptor model for source apportionment, which indicated the difference of background and episode periods. Furthermore, this study applied HYSPLIT model to figure out the transportation routes of polluted air mass by backward trajectory. Seven particulate matter (PM) sampling sites at Xiamen Bay, three sites at Kinmen Island and four sites at metro Xiamen, were selected for this particular study. Particulate matter sampling included regular and intensive sampling. Intensive sampling was conducted to collect PM2.5 and PM2.5-10 with dichotomous samplers in the spring and winter of 2008 and 2009, while regular sampling was conducted to collect PM10 with high-volume samplers twice a month since March 2008. Results from PM sampling indicated that atmospheric particles had a tendency to accumulate in Xiamen Bay all year round, particularly in spring and winter. Five sampling sites inside the Xiamen Bay had relatively higher PM concentration than two sampling sites outside the Xiamen Bay. It suggested that local emission at the Xiamen Bay was superior to long-range transportation from the Northeastern Monson. A superimposition phenomenon was regularly observed during the episodes at Xiamen Bay. The most abundant water-soluble ionic species of PM were SO42-, NO3-, and NH4+ at Xiamen Bay, the major chemical species of PM were secondary aerosols (i.e. (NH4)2SO4 and NH4NO3). Crustal elements (e.g. Ca, Mg, Fe, and Al) and anthropogenic elements (e.g. Zn and Pb) dominated the chemical species of particles. Backward trajectory results indicated that polluted air mass originated from Asian continent moved directly to Kinmen-Xiamen region in winter and spring, while air mass originated from the southwestern and southeastern ocean did not pass polluted region in summer, which result in better air quality of Kinmen-Xiamen region in summer than those in winter and spring. Results from CMB receptor modeling showed that the major sources of atmospheric PM10 at Kinmen-Xiamen region were soil dust, secondary aerosol, petroleum industry, motor vehicle exhanst, iron and steel industry, cement industry, Diesel vehicle exhanst marine aersols, and vegetative burning. The stationary sources were the major contributor accounting for approximately 50% of PM10 in Kinmen. It suggested that atmospheric particles were mainly originated from cross-boundary transport rather than local emission sources since there are no such kinds of industrial factories in Kinmen.

The pseudo-spectral time domain (PSTD) and discrete dipole approximation (DDA) are two of the most popular methods to model the single-scattering properties of ice crystals and aerosols. Both methods solve for Maxwell’s equations. The PSTD method uses a Fourier pseudo-spectral method and a finite-difference method to compute the spatial and temporal derivatives of electromagnetic fields. The DDA method uses an electromagnetic integral equation in the frequency domain to calculate the single-scattering properties. We used a spherical model for this study because the analytical solution was given by the Lorenz-Mie theory. Previous studies have found that at refractive indices between 1.2 and 1.5, PSTD computed the single-scattering properties of spherical particles faster for large size parameters, while DDA was more computationally efficient at small size parameters; however, these previous studies did not consider absorptive cases. The purpose of this study was to expand the range of refractive indices to include absorptive cases and to determine which method was more efficient for computing the single-scattering properties of atmospheric particles within set criteria. The PSTD and DDA methods were systematically assessed in this study for 31 different realistic complex refractive indices. Similar to the previous studies, it was found that PSTD was more efficient than DDA for particles with large size parameters. The results in this study were consistent with the previous studies for non-absorptive to moderately absorptive particles. However, for strongly absorptive cases, DDA was more efficient than PSTD at all size parameters for the absorptive particles. It was also determined that the efficiencies of the two methods were dependent on both the real and imaginary parts of the complex refractive index. The significance of this study was to improve our understanding of the capabilities of the PSTD and DDA methods for computing single-scattering properties.

Dans le cadre de la politique de réduction des émissions de gaz toxiques tels que les composés organiques volatils (COV) et les oxydes d'azote (NOx), cette étude portait sur la mise au point de catalyseurs exempts de métaux nobles, efficaces pour l'élimination simultanée des COV (propène) et des NOx en présence d'un excès d'oxygène (milieu pauvre). Deux traitements ont été envisagés : d'une part nous avons étudié la réaction d'oxydation totale du propène et d'autre part les réactions simultanées d'oxydation du propène et de réduction des NOx. Le choix s'est reporté sur les matériaux hydrotalcites qui, après calcination, permettent d'obtenir un mélange d'oxydes ayant des propriétés intéressantes en catalyse. Dans un premier temps, des catalyseurs massiques à base de Cu, de Mg et de Al ont été synthétisés par voie hydrotalcite. Nous avons pu mettre en évidence que les espèces cuivriques sous formes de petits agrégats de CuO très dispersés à la surface sont actifs pour la réduction des NOx alors que les ions CU²⁺ sous forme de cristallites de CuO sont plus actifs dans l'oxydation du propène. Afin d'améliorer les performances catalytiques de ces catalyseurs, l'incorporation de l'élément Fe dans ces matériaux a été réalisée. Pour la réaction de réduction des NOx en présence de C₃H₆, la coexistence du fer et du cuivre dans un même matériau décale la fenêtre de température de conversion des NOx vers de plus basses températures mais également diminue la conversion de NO. Par ailleurs, en vue d'accroître les valeurs de conversion de NOx, le catalyseur qui convertit le mieux les NOx a été promu par des métaux alcalins. Cs et Na ont montré un effet promoteur tandis que K a exercé un effet inhibiteur dans la réaction de réduction des NOx. Dans la dernière partie de ce travail, une introduction à l'oxydation catalytique des suies et à l'élimination simultanée du propène et des NOx en présence de suies a été envisagée. Une autre partie du travail de thèse a concerné les particules atmosphériques qui ont été collectées au Liban durant une tempête désertique provenant du désert Arabe, le but étant d'évaluer le changement morphologique et chimique qui peut avoir lieu au cours du transport à longue distance. La caractérisation de ces particules par microcopie électronique à balayage couplée à un Spectromètre à Dispersion d'Energie a montré que les grosses particules sont riches en oxydes métalliques (notamment en Si, Al, Mg, Fe, Ca...). Sur les particules fines et ultrafines nous avons pu mettre en évidence la formation d'oligomères d'organonitrates et d'organosulfates. Or, ces organonitrates proviennent de la réaction entre les COV et les NOx. / This thesis was done within the politics of reducing the emissions of toxic gases such as volatile organic compounds (VOC) and nitrogen oxides (NOx). This study aimed to optimize efficient catalysts, prepared in the absence of noble metals, for the simultaneous elimination of VOC (propylene) and NOx under excess of oxygen (lean condition). Hydrotalcite solids were chosen because of the interesting properties of the oxides obtained by their calcination. Two treatments were performed : on the one hand the propylene oxidation alone, on the other propylene oxidation and NOx reduction simultaneously. Cu, Mg and Al - based catalysts were prepared by the hydrotalcite route. The as-prepared solids were proven to be efficient in the NOx reduction due to the presence of small aggregates of well dispersed CuO on the surface. However the CU²⁺ ions in the forms of crystallites were active in the propylene reaction. In order to improve the catalytic activity, Fe element was then incorporated into the solids to substitute a part or all of the Al element and the effects were studied. In the selective catalytic reduction of NOx by the C₃H₆ the introduction of iron species into the structure lowered the temperature of complete C₃H₆ conversion but also reduced the NOx conversion. Moreover, in order to improve the NOx conversion, the catalyst that exhibited the best reduction of NOx was promoted by alkaline letals. Cs and Na showed a promoting effect while K displayed an inhibotory effect. Finally, an introduction to soot oxidation and the simultaneous elimination of propylene and NOx in the presence of soot was conducted. Another part of this work concerned atmospheric particles collected in Lebanon during dust-rich days originating from the Arabian Desert. Transformations in the morphology and chemical composition of aerosols were assessed by Scanning Electron Microscopy (SEM) equipped with an Energy Dispersive X-ray system. The results showed that coarse particles are rich in metal oxides (Si, Al, Mg, Fe, Ca...). However, over fine and ultrafine particles, the formation of organonitrates and organosulfates oligomers was observed. Yet, organonitrates sprung from the reaction between VOC and NOx.

Ce travail a eu pour objectif d’étudier l’oxydation hétérogène de composés aromatiques polycycliques (CAP) adsorbés sur des particules solides, exposés à des oxydants troposphériques. Après adaptation et validation des protocoles analytiques, deux aspects ont été abordés : les cinétiques de dégradation avec O3, NO2 et OH dans un premier temps, puis l’étude des produits d’oxydation formés au cours de ces réactions. Les constantes de vitesse mesurées ont permis de comparer les différences de réactivité entre les composés étudiés (pyrène, 1-nitropyrène, 1-hydroxypyrène, 9,10-anthraquinone). L’influence de différents paramètres sur la réactivité (nature des particules, concentration en HAP…) a aussi été étudiée. Enfin, la détermination des produits d’oxydation et leur quantification, quand cela a été possible, a permis de mieux comprendre le devenir de ces composés particulaires dans l’atmosphère, à travers les mécanismes réactionnels proposés. / This work deals with the study of the atmospheric heterogeneous oxidation of polycyclic aromatic compounds (PACs) adsorbed on particles. After the development and the validation of the different analytical procedures, degradation kinetics and oxidation products were investigated for the reactions of NO2, OH and O3 with pyrene, 1-nitropyrene, 1-hydroxypyrene and 9,10-anthraquinone. The measured rate constants allowed to compare the reactivity of the different compounds. The influence of some parameters on the reactivity (nature of particles, PAC concentration…) has also been studied. Finally, the corresponding oxidation products were also measured, and quantified when possible, allowing to a better understanding of the fate of particulate PACs in the atmosphere, through the proposed chemical mechanisms.

Les pesticides sont un sujet d’actualité suscitant de nombreuses interrogations. Lors de leur épandage, une partie des pesticides sont émis dans l’atmosphère, important vecteur de dissémination. Ils se répartissent dans les différentes phases de l’atmosphère dont notamment la phase particulaire par la multiplication des usages de pesticides semi-volatils. Ils s’adsorbent à la surface des particules atmosphériques et sont soumis à des processus photochimiques régissant leur devenir. Actuellement, les estimations de la dégradation atmosphérique des pesticides ne prennent en compte que la phase gazeuse. Afin d’appréhender leur devenir et leurs impacts sur la santé et l’environnement, la réactivité hétérogène de 8 pesticides (cyprodinil, deltaméthrine, difénoconazole, fipronil, oxadiazon, pendiméthaline, perméthrine et tétraconazole) adsorbés à la surface de particules modèles a été étudiée. Ce travail s’est centré sur la détermination des temps de vie de ces 8 pesticides en présence d’humidité vis-à-vis du rayonnement solaire, de l’ozone (O3) et des radicaux hydroxyles (OH). Pour un ensoleillement moyen, les temps de vie en phase particulaire varient de 1 à 68 jours. Pour une concentration moyenne de 40 ppb d’O3 et de 10^6 molécule.cm^-3 en radicaux OH, les temps de vie sont respectivement compris entre 8 et plus de 35 jours et entre 24 à plus de 54 jours. La réactivité en phase particulaire est donc beaucoup plus lente qu’en phase gazeuse et confirme la nécessité de prendre en compte cette phase. Par l’identification des produits de dégradation, des mécanismes réactionnels mettent en évidence la formation de composés potentiellement plus toxiques que leurs précurseurs. / Pesticides represent a topic which raise an important number of questions. During their application, one fraction of the pesticides is emitted in the atmosphere, an important dissemination vector. In the atmosphere, pesticides are partitioned between different phases. However, due to increased use of semi-volatile pesticides, they are mostly enriched in the atmospheric particulate phase. They are adsorbed on the surface of atmospheric particles and undergo photochemical processes which govern the fate of pesticides in the atmosphere. Currently, the atmospheric fate of pesticides is based only on gas-phase reactivity. In order to properly understand the fate of pesticides and their impact on human health and on the environment, heterogeneous reactivity of 8 pesticides (cyprodinil, deltamethrin, difenoconazole, fipronil, oxadiazon, pendimethalin, permethrin and tetraconazole) adsorbed on the surface of silica particles, is evaluated. This work deals with the determination of lifetimes of these 8 pesticides under solar light irradiation, ozone (O3) and hydroxyl radicals (OH), in presence of humidity. With a daily average sunshine, the lifetimes of the pesticides in the particle phase are between ca. 1 day and 68 days. For an average mixing ratio of 40 ppb of O3 and 10^6 cm^-3 of OH radicals, the lifetimes span between 8 and more than 35 days and 24 and more than 54 days, respectively. This study shows that the reactivity in the particle phase is slower than in the gas phase and confirm the necessity to be taken into account. Degradation products are identified and reaction mechanism is proposed bringing to light the formation of compounds more toxic than their precursors.

Les particules atmosphériques sont responsables de 3,2 millions de morts par an, cette mortalité faisant suite à des cardiopathies, bronchopathies ou encore des cancers. De nombreuses études épidémiologiques et mécanistiques associent l’augmentation de la prévalence des cancers pulmonaires avec l’exposition à la pollution atmosphérique et aux particules fines (PM2.5), d’où leur classification très récente comme cancérogène avéré pour l’homme par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC groupe 1). Les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la pathogénicité pulmonaire des polluants atmosphériques restent encore très controversés, ceci étant notamment lié à l’utilisation de modèles de culture cellulaire très éloignées des conditions in vivo. De plus, les PM2.5 présente une complexité physico-chimique (taille, nombre, morphologie et composition chimique) et une grande variabilité temporelle. En effet, ces particules sont constituées de nombreux polluants toxiques organiques, notamment des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ou encore des métaux, et ce à des teneurs parfois importantes. La complexité de leur composition rend les données toxicologiques difficilement interprétables, d’autant plus que la majorité des études toxicologiques publiées jusqu’à récemment ont souvent négligé la détermination de leur caractéristiques physico-chimiques.Mon projet de thèse a pour objectif d’évaluer le rôle des PM2.5, prélevées sur un site urbain (Lille), dans la cancérogenèse pulmonaire et ce, par une approche pluridisciplinaire qui permettra d’établir un lien étroit entre la physico-chimie et la toxicologie de ces particules.La première partie de mon projet est consacrée aux prélèvements des PM2.5, à Lille, au cours de deux saisons contrastées, et à l’évaluation de leurs principales caractéristiques physico-chimiques, à savoir leur granulométrie, leur composition chimique (métaux et HAP) ou encore leur bioaccessibilité dans des milieux de culture cellulaire ou des fluides bronchiques.La seconde partie consiste au développement d’un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines, issues de sujets sains et de patients atteints de Broncho-Pneumopathies Chroniques Obstructives (BPCO), différentiées à l’interface air/liquide, puis exposées de manière réitérée à des concentrations relativement faibles des PM2.5 prélevées à Lille. Ce modèle innovant permet de mieux intégrer un certain nombre de facteurs liés à la préexistence d’un état inflammatoire chronique et d’obtenir un état de différenciation cellulaire le plus proche possible des conditions d’exposition in vivo. Sur ce modèle cellulaire, après exposition, le phénotype inflammatoire, l’état de stress oxydatif ainsi que les modifications génétiques et épigénétiques sont étudiés.Les résultats de ce travail contribueront par une approche pluridisciplinaire à mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à la toxicité voire la cancérogénicité des PM2.5, et à expliquer pourquoi les individus atteints de BPCO sont plus sensibles que les sujets sains à l’exposition à long terme à des niveaux usuels de PM2.5. / Atmospheric particles are responsible for 3.2 million deaths per year, this mortality is due to heart diseases, bronchial diseases or cancers. Numerous epidemiological and toxicological studies associate the lung cancer prevalence increase with exposure to air pollution and particularly fine particulate matter (PM2.5). PM2.5 were recently classified as carcinogen to humans by International Agency for Research in Cancer (IARC group 1). Cellular and molecular mechanisms involved in air pollutants pulmonary pathogenicity are still very controversial. This is particularly related to the use of cell culture models far from in vivo conditions. In addition, PM2.5 have a physico-chemical complexity (size, number, morphology and chemical composition) and a high temporal variability. Indeed, these particles contain many toxic organic pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), or metals, and sometimes at significant levels. The complexity of their composition makes the toxicological datas difficult to interpret, especially as the majority of toxicological studies published until recently have often overlooked the determination of their physicochemical characteristics.My thesis project aims at assessing the role of PM2.5, sampled on an urban site (Lille), in lung carcinogenesis through a multidisciplinary approach which will establish a tight connection between chemistry and toxicology of these particles.The first part of my project consisted of the PM2.5 sampling, in Lille, during two contrasting seasons, and the evaluation of their main physical and chemical characteristics, as their size, chemical composition (metals and PAHs ) or their bioavailability in cell culture media or bronchial fluids.The second part consisted of the development of human bronchial epithelial cells from healthy subjects and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD), differentiated in air / liquid interface conditions, and exposed to repeated low concentrations of PM2.5 collected in Lille. This innovative model better integrates a number of factors related to the pre-existence of a chronic inflammatory state and gets the closest cell differentiation state possible to the in vivo exposure conditions. On this cellular model, after exposure, the inflammatory phenotype, the oxidative state as well as genetic and epigenetic status were studied.Using a multidisciplinary approach, the results of this work will contribute to better understand the molecular mechanisms related to PM2.5 toxicity or carcinogenicity, and to explain why COPD patients are more sensitive than healthy people to PM2.5 long term exposure.

Les particules d’aérosol sont une composante essentielle de l’atmosphère, et cette importance s’amplifie lors d’une éventuelle libération dans l’atmosphère de matières radioactives sous forme particulaire. En effet, pour améliorer la connaissance autour de la contamination des sols consécutive à une émission de particules, il est important d’étudier le rabattement des particules par la pluie sous le nuage. Dans ce but, des expériences sont menées à l’échelle microphysique (expérience BERGAME) pour quantifier l’efficacité des gouttes de pluie à collecter les particules. Ceci permet au final d’améliorer la modélisation du lessivage des aérosols atmosphériques par la pluie à méso-échelle. Le modèle utilisé est DESCAM qui décrit de manière détaillée les distributions granulométriques en masse et en nombre des particules pour chaque type d’aérosol et des hydrométéores et calcule leur évolution due aux processus microphysiques nuageux. L’expérience BERGAME a été dimensionnée et construite pour mesurer l’efficacité de collecte car les mesures de ce paramètre se sont avérées en désaccord avec les modèles classiques de la littérature pour les gouttes de pluie d’un diamètre supérieur au millimètre. Un montage optique a été imaginé pour tenter de comprendre quels mécanismes de collecte sont négligés dans les modèles standards. Un nouveau modèle d’efficacité de collecte pour les gouttes d’un diamètre de 2 mm est alors proposé prenant en compte pour les grosses gouttes une recirculation turbulente dans le sillage de la goutte capable d’augmenter de façon importante la capture des petites particules. Les nouvelles efficacités de collecte ainsi mesurées et paramétrées sont ajoutées au modèle de nuage DESCAM. Des modifications significatives sur la modélisation du lessivage par DESCAM sont observées, ouvrant ainsi la voie à une amélioration de la modélisation de la contamination des sols par les modèles de dispersion atmosphérique. / Aerosol particles are an important component of the atmosphere and are of great concern in the case of an accidental release of radioactive particles. To better understand ground contamination due to a particle release in the vicinity of an accident, it is important to study the particle scavenging associated with rain. To achieve this objective during this thesis, an experiment at the microphysical scale (BERGAME experiment) was developed and the modelling of the washout was improved at mesoscale. The model used was DESCAM : a microphysics model that describes the bin size distributions for aerosol particles and hydrometeors and calculates their evolution due to microphysical cloud processes. The BERGAME experiment was designed and built to measure the collection efficiencies which disagree with theoretical calculation. Using an optical method, it was shown that those discrepancies were due to rear capture. A new model of collection efficiencies for the 2 mm drops was proposed that takes into account for big raindrops the turbulent circulation occurring downstream increasing significantly the capture of small particles. The corrected collection efficiencies were implemented in the DESCAM model. By this way, significant modifications of the modelling were observed and studied. This is an important step toward an accurate modelling of the ground contamination in atmospheric dispersion models.

The scope of this dissertation was to enhance our knowledge regarding the potential effects that emissions and climate change could have on air pollutants (e.g., particulate matter, ozone, Hg), in order to design effective strategies for improving air quality. A 3-D chemical transport model, PMCAMx-2008, was applied over Europe to evaluate the response of PM2.5 to 50% reduction in emissions of precursor gases (SO2, NH3, NOx, VOCs) and anthropogenic primary OA (POA). A summer and a winter simulation period were used, to investigate also the seasonal dependence of the PM2.5 response to emissions changes. Reduction of NH3 emissions seems to be the most effective control strategy for reducing PM2.5, in both periods, resulting in a decrease of PM2.5 up to 5.1 μg m-3 and 1.8 μg m-3 during summer and winter respectively. The SO2 reduction is more effective during summer, especially over Balkans. The anthropogenic POA control strategy reduces total OA, in both periods, mainly in urban areas close to its emissions sources. The reduction of NOx emissions reduces PM2.5 during the summer period, causing although an increase of ozone (O3) concentration in major urban areas and over Western Europe. Additionally, the NOx control strategy actually increases PM2.5 levels during the winter period. PMCAMx-2008 was also applied over Europe, to quantify the individual effects of the major meteorological parameters on PM2.5 levels. Our simulations cover three periods, representative of different seasons (summer, winter, and fall). PM2.5 appears to be more sensitive to temperature changes compared to the rest meteorological parameters in all seasons. PM2.5 generally decreases as temperature increases, although the predicted response is spatially variable, ranging from -8% K-1 to 7% K-1. The predicted responses of PM2.5 to absolute humidity are also quite variable, ranging from -1.6% %-1 to 1.6% %-1. A decrease of wind speed (keeping constant the emissions), increases all PM2.5 species due to changes in dry deposition (approximately 10%) and dispersion. In addition, the wind speed effects only on sea salt emissions could be significant for PM2.5 concentrations in coastal areas. Increases in precipitation have a negative effect on PM2.5 due to increases in wet deposition. Regarding the relative importance of each of the meteorological parameters in a changed future climate, the projected precipitation changes are expected to have the largest impact on PM2.5 levels, with changes up to 2 μg m-3. PMCAMx-2008 was used as part of the GRE-CAPS modeling system, to investigate the effects of climate change on PM2.5 and O3 levels in Greece. Summertime periods are simulated both for the present (2000s) and the future (2050s). Our results suggest that climate change will generally decrease PM2.5 in Greece, by 1.1 μg m-3 (5%) on average. However the predicted changes are quite variable in space, ranging from -20% to 20%. Higher levels of O3 are predicted in the future over Greece (4.5% on average). The higher future temperatures determine to a large extent the predicted O3 response Finally, the GRE-CAPS was applied over the eastern United States to study the impact of climate change on the concentration and deposition of mercury. Summer and winter periods (300 days for each) are simulated, and the present-day model predictions (2000s) are compared to the future ones (2050s). On average, atmospheric Hg2+ levels are predicted to increase in the future by 3% in the summer and 5% in winter respectively. However, the predicted concentration changes of Hg2+ vary significantly in space, ranging from -20% to 40%. Particulate mercury, Hg(p) has a similar spatial response to climate change as Hg2+, while Hg0 levels are not predicted to change significantly. Mercury deposition is also predicted to change in the future, with variable changes, ranging from -50% to 50%. The predicted response is mainly attributed to the spatially variable changes of rainfall in the future and the accompanying changes in mercury wet deposition. / Η κατανόηση των φυσικών και χημικών διεργασιών της ατμόσφαιρας καθώς και η μελέτη των αλληλεπιδράσεων του κλίματος και των εκπομπών, με τις συγκεντρώσεις των ρύπων (π.χ. ατμοσφαιρικά σωματίδια, όζον, Hg),αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών μείωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ένα τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς, το PMCAMx-2008, χρησιμοποιήθηκε για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η μείωση κατά 50% των εκπομπών των κυριότερων πρόδρομων αέριων ενώσεων (SO2, NH3, NOx, ανθρωπογενών πτητικών οργανικών ενώσεων) και των πρωτογενών οργανικών σωματιδίων που προέρχονται από ανθρωπογενείς πηγές (POA), στην συγκέντρωση των ατμοσφαιρικών σωματιδίων διαμέτρου έως 2.5 μm (PM2.5) στην Ευρώπη. Προσομοιώθηκαν δύο περίοδοι (καλοκαίρι και χειμώνας), προκειμένου να ελεγχθεί και η εποχιακή εξάρτηση της απόκρισης των PM2.5. Η μείωση των εκπομπών NH3 φαίνεται να είναι η πιο αποτελεσματική στρατηγική μείωσης των PM2.5, κατά την διάρκεια και των δύο περιόδων, μειώνοντας την συγκέντρωσή τους έως 5.1 μg m-3 το καλοκαίρι και 1.8 μg m-3 τον χειμώνα. Η μείωση των εκπομπών SO2 είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική το καλοκαίρι κυρίως στα Βαλκάνια, ενώ η μείωση των εκπομπών POA μειώνει την συγκέντρωση των οργανικών και τις 2 περιόδους, κυρίως σε αστικές περιοχές. Η στρατηγική μείωσης των NOx μειώνει τα PM2.5 το καλοκαίρι, προκαλώντας ωστόσο αύξηση του όζοντος (O3) στην Δυτική Ευρώπη και τα μεγάλα αστικά κέντρα. Επιπρόσθετα, τον χειμώνα αυξάνει και τα PM2.5 στις περισσότερες περιοχές της Ευρώπης. Το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε επίσης για να μελετήσουμε την επίδραση που έχουν διάφορες παράμετροι της μετεωρολογίας στις συγκεντρώσεις των PM2.5 καλύπτοντας τρεις περιόδους προσομοίωσης (καλοκαίρι, χειμώνας και φθινόπωρο). Τα PM2.5 είναι περισσότερο ευαίσθητα σε αλλαγές της θερμοκρασίας σε σχέση με τις υπόλοιπες παραμέτρους. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση των PM2.5 και τις τρεις περιόδους. Ωστόσο, οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι μεταβλητές και κυμαίνονται από -8% K-1 έως 7% K-1. Μεταβλητές αλλαγές των PM2.5 προβλέπονται και με αύξηση της απόλυτης υγρασίας, που κυμαίνονται από -1.6% %-1 έως 1.6% %-1. Η μείωση της ταχύτητας του ανέμου (χωρίς αλλαγή στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι) αυξάνει τα PM2.5 κυρίως λόγω μείωσης της ξηρής εναπόθεσης (περίπου 10%) και των διεργασιών μεταφοράς. Αντίστοιχα οι αλλαγές στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι (λόγω μείωσης του ανέμου κατά 10%) επηρεάζουν σημαντικά τα PM2.5 κυρίως στις θαλάσσιες περιοχές. Η αύξηση της βροχόπτωσης αυξάνει τον ρυθμό υγρής εναπόθεσης, οδηγώντας σε μείωση της συγκέντρωσης των PM2.5. Με βάση τις εκτιμώμενες αλλαγές της κάθε μετεωρολογικής παραμέτρου για το μέλλον, οι αλλαγές στην βροχόπτωση αναμένεται να έχουν την σημαντικότερη επίδραση στα PM2.5, οδηγώντας σε αλλαγές των συγκεντρώσεων τους έως 2 μg m-3. Για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η κλιματική αλλαγή στις συγκεντρώσεις των PM2.5 και του Ο3, το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε σαν μέρος ενός συστήματος μοντέλων, του GRE-CAPS, το οποίο εφαρμόστηκε πάνω από την Ευρώπη, εστιάζοντας στην Ελλάδα. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για την εποχή του καλοκαιριού. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως οι συγκεντρώσεις των PM2.5 στην Ελλάδα προβλέπεται να μειωθούν στο μέλλον, 1.1 μg m-3 (5%) κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές και κυμαίνονται από -20% έως 20%. Η συγκέντρωση του O3 αυξάνει στην Ελλάδα 4.5% κατά μέσο όρο, με την αύξηση της θερμοκρασίας να καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόκριση του στην αλλαγή του κλίματος. Τέλος, το σύστημα μοντέλων GRE-CAPS εφαρμόσθηκε στις ανατολικές ΗΠΑ για την μελέτη της επίδρασης της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση και εναπόθεση του υδραργύρου. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για δύο περιόδους, καλοκαίρι και χειμώνας. Κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, η συγκέντρωση του Hg2+ στο μέλλον αυξάνεται κατά 3% το καλοκαίρι και 5% τον χειμώνα. Ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές, και κυμαίνονται από -20% έως 40%. Η επίδραση της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση των πρωτογενών σωματιδίων υδραργύρου, Hg(p) είναι παρόμοια με εκείνη του Hg2+, ενώ αντίθετα δεν προβλέπονται σημαντικές αλλαγές στην συγκέντρωση του Hg0. Η αλλαγή του κλίματος επηρεάζει σημαντικά και την εναπόθεση του υδραργύρου. Ωστόσο, οι αλλαγές δεν είναι ομοιόμορφες και κυμαίνονται από -50% έως 50%. Η αλλαγή της υγρής εναπόθεσης του Hg, λόγω αλλαγής της βροχόπτωσης, φαίνεται να εξηγεί την απόκριση της εναπόθεσης του Hg, στις περισσότερες περιοχές.

Ce travail a eu pour objectif l’étude de la dégradation hétérogène d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et de polybromo diphényles éthers (PBDE) en présence d’oxydants atmosphériques. La réactivité du benzo[a]pyrène et du dibenzo[a,l]pyrène pour les HAP et du BDE 153 (hexabromé) et du BDE 209 (décabromé) pour les PBDE, a été étudiée lorsqu’ils sont adsorbés sur des particules minérales modèles (des particules de silice) et exposés à l’ozone, au dioxyde d’azote ou aux radicaux hydroxyles. L’extraction et l’analyse de ces composés ont été optimisées. Le suivi de l’évolution de la concentration en composé adsorbé en fonction de son temps d’exposition à l’oxydant a permis de déterminer les paramètres cinétiques de chaque composé, pour chaque oxydant. L’influence de la concentration particulaire et de la structure moléculaire sur la réactivité a ainsi été évaluée et débattue. L’identification des produits de réactions majoritaires a été effectuée pour les réactions des HAP avec le dioxyde d’azote et les radicaux hydroxyles et les réactions des PBDE avec les radicaux hydroxyles. Enfin, l’étude de la génotoxicité des extraits de particules pour différents temps d’exposition aux oxydants a été réalisée. Cette étude regroupe une approche cinétique, une approche mécanistique et une approche toxicologique. / This work deals with the heterogeneous degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and polybromo diphenyls ethers (PBDE) with various atmospheric oxidants. The reactivity of Benzo[a]pyrene (BaP) and dibenzo[a,l]pyrene (DalP) for PAH and BDE 153 and BDE 209 for PBDE, had been studied when they are adsorbed on a model of mineral particles (silica particles) and exposed to ozone, nitrogen dioxide and hydroxyl radical. Extraction and analyse of compounds were optimised. For all studied reactions, kinetic parameters were obtained following the remaining concentration of compound for different exposure times. Influence of the particle loading and molecular structure on the reactivity had been evaluated and discussed. Identification of the main degradation products was made for the reaction of PAH with nitrogen dioxide and hydroxyl radical and for the reaction of PBDE with hydroxyl radical. Then, the genotoxicity of the particle extracts was made for different exposure times. This study talks about kinetics, mechanistic and genotoxicity.

[pt] Este trabalho teve como objetivo caracterizar química e morfologicamente material particulado (PM2.5 e PM10) coletado na zona sul e oeste da cidade de Rio de Janeiro e na região metropolitana, utilizando técnicas como a Cromatografia de íons (CI), Espectrometria de Massas com Plasma Indutivamente Acoplado (ICPMS) e a Microscopia Eletrônica de Varredura acoplada ao Espectrômetro de RaiosX por Dispersão de Energia (MEV-EDX). Além disso, foram realizados ensaios toxicológicos com C. elegans para avaliar os efeitos da exposição ao material particulado (MP), nas diferentes frações de tamanho. Concentrações médias anuais de PM2.5 entre 7,40 +/- 3,96 (micrograma)m-3 e 17,4 +/- 7,38 (micrograma) m-3 foram medidas durante os anos 2015 e 2018, as quais foram inferiores ao padrão intermediário da qualidade do ar, estabelecido pelo CONAMA, registando-se as maiores médias anuais durante o 2016, ano em que foram realizados os Jogos Olímpicos. Resultados das análises químicas mostraram que o MP em todos os pontos de coleta estava constituído principalmente por espécies iônicas como Cl- , NO3 - , Na+ e SO4 2- e elementos como V, Ni, Cu, Cd, Sn e Pb, sendo determinadas apenas variações significativa (p menor que 0,05) nas concentrações de SO4 2- , NO3 - , Na+ , Cu e Sn, entre os períodos estudados. Através dos resultados das análises de MEV-EDX as partículas atmosféricas se classificaram segundo sua morfologia – Fuligem, esféricas, biológica e minerais- e segundo sua composição elementar – partículas com teor de enxofre, de cloro e de ferro -. Finalmente, efeitos tóxicos foram observados pela exposição ao PM10 e PM2.5 em organismos C. elegans, alterando parâmetros fisiológicos (e.g. crescimento e reprodução) e promovendo respostas dos mecanismos antioxidantes, como resultado do estresse oxidativo gerado por espécies presentes no MP. / [en] This work aimed to characterize chemically and morphologically particulate matter (PM2.5 and PM10) collected in the south and west zones of the city of Rio de Janeiro and in the metropolitan region, using techniques such as ion chromatography (IC), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and Scanning electron microscopy- energy dispersive spectrometry (SEM-EDX). Annual mean concentrations of PM2.5 between 7,40 +/- 3,96 microgram m-3 e 17,4 +/- 7,38 microgram m-3 were measured during the years 2015 and 2018, which were lower than the intermediateair quality standard established by CONAMA, with the highest annual averages recorded during 2016, the year in which the Olympic Games were held. In addition, toxicological tests were performed with C. elegans to evaluate the effects of exposure to particulate matter (PM) in the different size fractions. Results of the chemical analysis showed that PM at all collection sites consists mainly of ionic species such Cl- , NO3 - , Na+ and SO4 2- and elements such as V, Ni, Cu, Cd, Sn and Pb, being determined only significant variations (p less than 0,05) in the concentrations of SO4 2- , NO3 - , Na+ , Cu, and Sn, between the studied periods. Based on the results of the SEM-EDX analysis, atmospheric particles were classified according to their morphology – Soot, spherical, biological and minerals- and according to their elemental composition – particles with sulfur, chlorine and iron content. Finally, toxic effects were observed by exposure C. elegans organisms to PM10 and PM2.5, altering physiological parameters (e.g growth and reproduction) and promoting antioxidant mechanisms responses, as a result of oxidative stress generated by compounds present in the PM.