Le changement climatique est relié à l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère et de sa capacité oxydante, impliquant le système COV-NOy-HOx-O3. La troposphère tropicale, de l’Afrique de l’Ouest en particulier, joue un rôle critique sur la composition atmosphérique globale pour trois raisons majeures : (1) l’existence d’importantes sources de précurseurs d’espèces photooxydantes, (2) une photochimie active, (3) une activité convective intense en période de mousson. Pour évaluer son rôle, il est nécessaire de bien caractériser ces différents processus et leur interaction. Cette question est au coeur du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dans lequel s’inscrit cette thèse. Ce travail a pour objectif de caractériser et d’évaluer l’impact de la convection nuageuse profonde sur la chimie photooxydante de la troposphère libre en Afrique de l’Ouest, en particulier pour les composés organiques volatils (COV), qui sont d’importants précurseurs d’ozone. Ce travail s’appuie sur les données physico-chimiques recueillies sur les deux avions de recherche français au cours de la campagne d’observation intensive de l’été 2006 de AMMA. Afin de compléter le dispositif instrumental embarqué, une nouvelle instrumentation de mesure indirecte des COV a été d’abord développée. Puis, l’utilisation de traceurs physico-chimiques et la mise en place d’outils diagnostiques appliqués aux COV (profils verticaux de concentrations, rapport de concentration de COV ad hoc, horloge photochimique, réactivité totale vis-à-vis de OH) ont montré que la convection profonde assure un transport vertical rapide et efficace des espèces gazeuses réactives émises près de la surface vers la haute troposphère. Enfin, un modèle photochimique de boîte 0D a permis de renseigner l’évolution de la composition chimique des masses d’air post-convectives. Les simulations montrent que les espèces transportées par la convection participent activement à la chimie et conduisent à une production nette et significative d’ozone dans la haute troposphère. La sensibilité de la production d’ozone aux précurseurs gazeux (COV et NOx) a été également évaluée. / Recent climatic change is tightly linked to the evolution of the chemical composition of the atmosphere and its oxidizing capacity through VOC-NOy-HOx-O3 system. The tropical troposphere, in particular of West Africa, plays a major role in the global atmospheric composition for three major reasons: (1) the existence of important ozone precursor sources, (2) an active photochemistry, (3) an intense convective activity during the monsoon period. To evaluate its role, it is necessary to characterize these processes and their interactions. This is one of the main objectives of the AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analyzes) international program. The present work goes through the frame of AMMA. Its main objective is to characterize and evaluate deep convection impact on the upper troposphere chemistry of West Africa, in particular for volatile organic compounds (VOC). This work is based on the data collected on the two French research aircrafts during the special observation period of AMMA in summer 2006. In order to enhance the instrumental device deployed onboard, a new offline instrumentation for non-methane hydrocarbons (NMHC) measurement was developed. Then, various physical and chemical tracers and several diagnostic tools applied to VOC data (vertical profiles, concentration ratios, photochemical clock, OH reactivity) showed that deep convection provides a fast and effective vertical transfer of reactive species emitted near the surface to the upper troposphere. At last, a photochemical box model 0D was used to simulate the chemical evolution of the composition of postconvective air masses. Simulations showed that reactive species transported by deep convection participate actively to the upper troposphere chemistry and lead to a significant and net ozone production. Ozone production sensitivity to VOC and NOx was also evaluated in the model.

La thèse a été réalisée dans le cadre d’un partenariat entre le laboratoire d’accueil (C2MA, IMT Mines d’Alès), l’entreprise Renault et un contrat Cifre. La prise de conscience de la dégradation de la qualité de l’air s’étend à tous les environnements, que ce soit à l’intérieur ou à l’extérieur. En Asie, cette prise de conscience se traduit par de très strictes réglementations de la qualité de l’air dans l’habitacle automobile. Les constructeurs se doivent de respecter ces nouvelles réglementations afin de pouvoir vendre leurs véhicules dans ces pays où le marché automobile est en pleine croissance (principalement en Chine). C’est dans ce contexte que Renault a décidé d’améliorer la prise en compte de la qualité de l’air habitacle dans le développement de ses véhicules. Les contraintes techniques et la numérisation des outils de travail ont orienté le travail de thèse vers la modélisation de cette qualité de l’air habitacle. Afin de pouvoir tendre vers cet objectif, plusieurs points ont été traités. Tout d’abord, l’émission des matériaux d’habitacle a été caractérisée afin de comprendre quels composés organiques volatils et quels matériaux étaient responsables de la dégradation de la qualité de l’air dans le véhicule. Ensuite, une nouvelle approche expérimentale a été développée permettant une caractérisation plus représentative de l’émission des matériaux dans l’habitacle. Ces travaux ont permis de confirmer l’importance de l’impact des conditions environnementales sur l’émission des matériaux qui avait été observé dans la littérature. L’étude de ces paramètres environnementaux a été traitée tant dans l’application de modèles présentées dans la littérature que de détermination de facteurs expérimentaux permettant une extrapolation maitrisée de la mesure de l’émission des matériaux à la qualité de l’air dans l’habitacle du véhicule. Enfin, une première méthodologie de modélisation a pu être proposée et appliquée à des systèmes simplifiés permettant de montrer la cohérence de la démarche empruntée. / The thesis is the result of a partnership between the C2MA (IMT Mines Alès) laboratory and Renault, a car manufacturer, as part of a Cifre contract. The awareness of air quality pollution spread among all indoor or outdoor environments. In Asia, strict regulations about vehicle interior air quality have been released to answer this social realisation. The car manufacturers must fulfil these requirements to be able to market their products in these countries (mainly in China). In these circumstances, Renault decided to improve the way they consider the vehicle interior air quality during the design of the vehicles. The thesis work concerns the modelling of vehicle interior air quality because of the technical obligations and the digitalisation. Different research question came up to follow this objective. First of all, the emission of passenger compartment’s materials has been characterised to understand what Volatile Organic Compounds (VOC) are responsible of the degradation of air quality inside a car and what are the sources. Then, a new characterisation approach of emission has been developed allowing to get a better toughness and representativeness of the results. These studies showed the significance of environmental conditions on the emission ofmaterials that had been studied in the scientific literature. The study of the impact of these environmental factors on the material’s emission was the next step and two different research axes has been explored: the study and development of the modelling available in the literature and the establishment of experimental factors leading to a mastered extrapolation of the characterisation of material’s emission to vehicle interior air quality. Finally, a first methodology has been proposed and applied to simplified systems showing the consistency of the developed process.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l’industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s’intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d’hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l’action d’enzyme spécifique d’Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d’hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s’agit d’une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l’intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d’acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d’hydrogène et de méthanethiol entraîne l’apparition respective d’une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d’un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d’enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d’un produit rouge). En milieu biologique, l’eau est un interférent majeur. / Microbial contamination of food and biological samples is a big issue in the industry as much as in the medical field. In that context, the present thesis brings innovative solutions. A first explored way is the identification of Salmonella by detecting and measuring the specific metabolomics volatile organic compounds (mVOC) released, H2S and cadaverine. Another new concept is the use of osmogenic substrates able to release mVOC under the action of specific enzyme of Escherichia coli.A first colorimetric sensor able to discriminate H2S from CH3SH was produced, using a nanoporous silicate matrix doped with N,N-dimethyl-p-phenylenediamine and Fe3+ ions. A very acidic medium is needed to stabilize the “key” intermediate of the reaction, the quinonediimine species (QD), which gives with H2S and CH3SH a green and red-brown product, respectively. The fluorimetric sensor of cadaverine is based on the formation of a fluorescent complex between AS-BI demethylated Naphthol and cadaverine and can detect 250 ppb of cadaverine. A proof of concept of osmogenic substrates is given with the detection of p-nitrophenol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) released under the action of Escherichia coli enzymes, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Various nanoporous sensors are produced with tailored pore size, which can detect 100 ppm of the yellow pNP, 100 ppm of the fluorescent β-NA and 100 ppm of the red product issued from the derivation of β-NA with dimethyl-p-aminocinnamaldehyde. In biological media, water remains the major interfering agent.

Les minéraux absorbent la lumière proche des UV (comme TiO2, Fe2O3, MgO) présents dans les aérosols minéraux interagissent avec les gaz traces présents dans l'atmosphère et peuvent initier une nouvelle chimie hétérogène photo-induite potentiellement significative et actuellement peu documentée. Cette thèse vise à aborder différentes questions sur la réactivité des poussières minérales vers les composés organiques et évaluer l'impact de ces interactions sur plusieurs aspects des sciences de l'atmosphère. Nous avons étudié expérimentalement l'interaction physico-chimique d'aérosols minéraux, purs ou revêtus de matériaux organiques/inorganiques avec des gaz traces de plusieurs familles chimiques (alcools, cétones, acides carboxyliques), dans des conditions simulées proches de l'environnement reel (concernant l'humidité, la concentration en phase gazeuse, la longueur d'onde et l'intensité de l'irradiation, la pression et la température) évaluant les effets des conditions ambiantes sur la cinétique de capture et la génération de produits en phase gazeuse. Dans l'ensemble, nos résultats montrent clairement que les reactions photochimique des poussières minérales doit être considéré comme une source de composés réactifs et comme un processus clé affectant leur action sur la nucléation de la glace et les noyaux de condensation des nuages / Minerals that absorb light near UV/Vis present in dust aerosols interact with trace gases in the atmosphere and can initiate a new and potentially significant photo-induced heterogeneous chemistry, which is currently poorly documented. This thesis aims to address different issues of mineral dust reactivity towards organic compounds and, therefore, assesses the impact of these interactions on several aspects of atmospheric sciences. We investigated experimentally the physicochemical interaction of mineral aerosols (synthetic and natural), pure or coated with organic/inorganic materials with trace gases from several chemical families (alcohols, ketones, carboxylic acids, etc.), under simulated conditions close to the real environment (regarding to humidity, concentration in the gas phase, wavelength and intensity of irradiation, pressure and temperature). In a first approach, we studied the uptake of oxygenated organics onto different dust proxies such as SiO2, TiO2 and Arizona test dust (ATD) evaluating the effects of ambient conditions on the uptake kinetics and product generation. Then, we discussed the chemistry of 5 dicarboxylic acids (C4-C8) on ATD particles upon UV-A irradiation monitoring products in the gas phase as well as those whose stay adsorbed on the particulate phase. Lastly, we investigated the influence of nitrate anions on the uptake of acetone on ATD and SiO2 and in the photochemical product formation of glutaric acid on ATD. Overall, our results clearly show that photochemical processing of dust aerosols should be considered as a source of reactive compounds and as a key process affecting their action as ice nucleation and cloud condensation nuclei

Ce travail a pour objectif d'explorer l'efficacité des procédés plasmas à oxyder les hydrocarbures émis à l'échappement moteur lors du démarrage à froid. Nous avons étudié la dégradation d'un composé modèle : l'acétylène. Nous avons montré qu'il était possible de l'oxyder quantitativement par des décharges pauvres en oxygène en utilisant une configuration Fil-Cylindre. Les principaux produits d'oxydation sont CO et CO2. Une étude cinétique a montré que la principale voie d'élimination de l'acétylène est l'oxydation de celui-ci avec l'oxygène atomique. Nous avons également étudié la dégradation de composés plus complexes : le toluène et le naphtalène. La dégradation s'avère plus efficace pour le naphtalène que pour le toluène. Une dernière étude a montré que la nature d'un lit fixe de matériau (Al2O3, TiO2...) au sein de la décharge pouvait affecter les performances du procédé d'oxydation en influençant le mécanisme de propagation de la décharge ou par le biais de la chimie de surface.

Lors de cette thèse, la dégradation atmosphérique de trois COV (composé organique volatil), l'acétone, le phénol et le catéchol, a été étudiée. Ces composés sont considérés comme des composés d'intérêt atmosphérique majeurs du fait de l'importance de leurs sources d'émissions primaires (biogéniques, échappements automobiles ...) ou secondaires (oxydation d'autres COV). Ce travail a été réalisé dans deux laboratoires en utilisant deux dispositifs expérimentaux complémentaires (PC2A- Université de Lille 1, Département Chimie - Environnement – Douai). Les dispositifs utilisés sont le tube à écoulement rapide couplé à la fluorescence induite par laser et la chambre de simulation atmosphérique couplée à la chromatographie en phase gazeuse associée à plusieurs détecteurs (FID, IRTF, SM). L'utilisation conjointe de ces deux dispositifs a permis de mettre en évidence le chemin réactionnel prépondérant de la réaction d'oxydation de l'acétone par le radical OH°. Les études en chambre de simulation atmosphérique des réactions du phénol et du catéchol initiées par les radicaux OH° ont permis de déterminer les constantes de vitesse et de proposer des mécanismes réactionnels aboutissant à la formation des produits observés. Il s'agit de la première étude mécanistique de la réaction catéchol + OH°. Les résultats obtenus ont permis d'évoquer les implications atmosphériques de ces composés (durée de vie et impact environnemental).

La contribution de l’inhalation et de la voie percutanée à l’exposition totale à des composés organiques volatils (COV) présents dans l’eau potable est une problématique qui suscite un intérêt grandissant en santé publique et au niveau réglementaire. Jusqu’à tout récemment, seule l’ingestion était considérée dans l’évaluation du risque des contaminants de l’eau. L’objectif de ce projet était de caractériser l’impact de l’exposition multivoie sur la pharmacocinétique et la dose interne de trois COV : le toluène (TOL), le n-hexane (HEX) et le cyclohexane (CYCLO). À cette fin, un modèle expérimental animal a été utilisé et un modèle toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été adapté pour le TOL. Des rats Sprague-Dawley ont été exposés par voies uniques (inhalation, orale et percutanée) ou simultanées (multivoie) aux solvants. Pour le TOL, les trois voies ont été expérimentées, alors que la voie percutanée n’a pas été retenue pour le HEX et le CYCLO. Des prélèvements sanguins ont permis de caractériser les cinétiques sanguines. Les niveaux sanguins, obtenus lors des expositions multivoies, étaient généralement plus élevés que la somme des niveaux associés aux expositions par voies uniques, fait illustré par le rapport des surfaces sous la courbe expérimentale versus les prédictions (TOL : 1,30 et 2,19 ; HEX : 1,55 ; CYCLO : 0,98 et 0,99). Le modèle TCBP prédit bien la cinétique du TOL lors d’expositions par voies uniques et par multivoies. Les données expérimentales obtenues suggèrent que la dose interne résultant d’une exposition multivoie ne peut pas toujours être prédite par la somme des doses internes obtenues lors d’expositions par voies uniques. Ce phénomène serait explicable par la saturation du métabolisme. La modélisation TCBP est un outil efficace pour l’estimation du risque relatif à l’exposition multivoie aux COV présents dans l’eau potable. / The contribution of dermal and inhalation routes of exposure to volatile organic chemicals (VOCs) in drinking water is increasingly drawing attention. Until recently, ingestion was the only route considered in risk assessment of drinking water contaminants. The general objective of this study was to characterize multi-route exposures on the pharmacokinetics and internal dose of three VOCs: toluene (TOL), n-hexane (HEX) and cyclohexane (CYCLO). Towards this goal, an experimental animal model was developed and a physiologically-based toxicokinetic (PBTK) model was adapted in order to take account route-specific absorption parameters of TOL. Sprague-Dawley rats were given a single dose of VOCs by oral ingestion, inhalation or dermal route. Additional groups of rat were exposed by the three routes simultaneously. In the case of HEX and CYCLO, dermal route was not considered. Blood samples were collected in order to compare kinetics following simple and multiroute exposures. Blood levels obtained following multiroute exposures were generally higher than predictions (i.e., the sum of the blood levels obtained for single route exposures) (as revealed by area under curve ratio: TOL :1,30 et 2,19; HEX : 1,55; CYCLO : 0,98 et 0,99). The PBTK model described adequately the kinetics of TOL in rats following single and multiroute exposures. The results suggest that internal dose arising from multiple routes is not necessarely comparable to the sum of the blood levels obtained for single route exposures. This phenomenon would be attributable to degree of saturation during aggregate exposures. Furthermore, the present study demonstrated that PBTK model can be used to predict/interpret blood levels associated with multiroute exposures to VOCs in drinking water, using toluene as a model substance.

Les recherches menées au cours des dernières années ont permis de mettre en évidence les nombreuses fonctions écologiques des composés organiques volatils (COVs) émis par les plantes. Cette thèse a eu pour objectif d'utiliser ces connaissances dans un cadre de protection des cultures. Nous avons essayé de poser les bases d'une stratégie de type " Push-Pull " contre la mouche du chou (Delia radicum) en utilisant des sources d'odeurs synthétiques (diffuseurs de COVs) ou des sources d'odeurs naturelles (plantes compagnes). A partir d'observations menées en plein champ nous avons sélectionné plusieurs brassicacées présentant des taux d'infestations contrastés vis-à-vis de la mouche du chou. Des expérimentations de laboratoires combinant des études comportementales et des analyses chromatographiques ont permis (i) d'établir un lien entre l'infestation et l'attractivité de certaines plantes (ii) d'identifier de nouveaux COVs potentiellement impliqués dans les prises de décisions comportementales de D. radicum. En parallèle, des études de terrain ont permis de tester l'efficacité de diffuseurs de COVs synthétiques au sein de parcelles expérimentales, que ce soit (i) pour favoriser le recrutement d'ennemis naturels (ii) attirer (composante " Pull ") ou repousser (composante " Push ") la mouche du chou. Enfin, l'utilisation de plantes pièges concentrant le ravageur semble être intéressante pour modifier la répartition de la mouche du chou à l'échelle de la parcelle en vue de protéger des cultures d'intérêt telles que le brocoli.

Cette thèse étudie l’impact de l’Aéroport international de Beyrouth sur la qualité de l’air de Beyrouth et ses banlieues par mesures et modélisation des COVs et NO2. Il s’agit de la première étude qui identifie les signatures des émissions (COVs) issues des avions sous opération réelle. Grâce aux signatures détectées lors de 4 campagnes réalisées, nous constatons que l’aéroport a un impact sur la qualité de l’air de son voisinage, la zone côtière (trajectoire d’atterrissage), et les zones montagneuses. Ces résultats sont confirmés via le modèle ADMS-Airport, utilisé pour la première fois au Moyen-Orient et validé pour les conditions libanaises (r = 0.86). Par ailleurs, les concentrations de 47 COVs ont été mesurées pour la première fois à l'intérieur d’un bâtiment de l'aéroport. Les teneurs en COVs qui sont corrélées au nombre d’avions sont en dessous des valeurs seuils sauf pour l'acroléine alors que la celle de NO2 peut constituer un danger pour la santé. / This work mainly investigated the impact of Beirut Airport on the air quality of Beirut and its suburbs via both measurements and modeling of VOCs and NO2. This is the first study to determine VOC signatures of exhaust emissions from aircraft under real operation. Using these signatures, the impact of the airport activities was tracked in 4 transect campaigns, where it was found that the airport impacts air quality not only in its vicinity, but also on the seashore (landing jet trajectory) and in mountainous areas. These results were confirmed via modeling with ADMS-Airport, implemented for the first time in the Middle East, after being validated in the Lebanese conditions (r = 0.86). As a secondary goal, and for the first time, 47 VOCs were assessed inside an airport building. Measured VOC levels did not present any risks except for acrolein. In the arrivals hall, NO2 levels indicated a health hazard; while a direct relationship was found between aircraft number and VOC concentrations.

Les Composés Organiques Volatils (COV), émis dans l'atmosphère sous différentes formes par les activités industrielles, sont considérés comme des polluants principaux de l'air. Pour le traitement des forts débits de gaz faiblement concentrés en COV, caractéristiques des principales sources de COV industriels, il n'existe que très peu de procédés adaptés et efficaces d'où le plasma non thermique. Sa faible consommation d'énergie et sa grande compacité font du traitement par plasma non-thermique un candidat prometteur. Ma thèse consiste à élaborer et étudier un dispositif de traitement des COV basé sur l'utilisation de décharges à barrière diélectrique de surface, décharges ayant la caractéristique de produire un vent électrique dirigé. Pour ce faire, nous avons conçu et optimisé une pompe plasma chimiquement active, composée d'un assemblage de cellules à surfaces actives, capable d'aspirer et de traiter simultanément de l'air pollué en COV. Il a fallu d'abord travailler sur l'optimisation paramétrique : électrique, géométrique et matériaux, d'une surface active élémentaire. Puis concevoir un canal actif constitué de deux surfaces actives optimales placées en vis-à-vis, pour finalement aboutir à la construction d'une pompe plasma prototype ayant un débit de pompage de 10 Nm3/h. Cette pompe originale par sa capacité de traitement chimique, constitue le prototype d'étude physique et chimique de cette thèse. Elle a permis d'effectuer des essais d'élimination de 5 COV différents injectés dans l'air : acétone, méthyl-éthyle cétone, butyraldéhyde, méthyl-valérate, méthyl-butyrate et d'en évaluer les taux d'abattement respectifs, mais aussi, d'identifier à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, les principaux sous-produits de la dégradation. / The Volatile Organic Compounds (VOC) emitted in the atmosphere by various forms is considered as principal atmospheric pollutant. In order to treat a high flow of gaz with a low concentration, few efficient methods exist like the non-thermal plasma. Its low power consumption and compactness make the non-thermal plasma treatment a promising candidate. My thesis deals with the development and study of a VOC treatment device based on the surface dielectric barrier discharges which have the characteristic of producing an oriented electric wind. To do this, we have designed and optimized a chemically active plasma pump, composed of an assembly of active surfaces, capable of drawing and treating simultaneously the air polluted in VOC. At first, we had to work on the optimization of the following parameters: electrical, geometric and material of an elementary active surface. And then conceive an active channel consisting of two optimal active surfaces disposed in a mirror effect, eventually leading to the construction of a prototype plasma pump having a flow rate approximately equal to 10 Nm3/h. This original pump by its capacity of chemical treatment consists on the physical and chemical prototype of the thesis. It allowed testing the conversion of 5 different VOCs injected into air which are: ketone, methyl ethyl ketone, butyraldehyde, methyl penatanoate, methyl butyrate and evaluate the respective abatement rates, but also identifying the main by-products of degradation, using the gas chromatography coupled to the mass spectrometry.