Ce travail est une étude expérimentale de la spectroscopie électronique des cations hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) et de leurs agrégats dans des conditions simulant celles régnant dans le milieu interstellaire, froids et totalement isolés. L’objectif principal est d’obtenir des spectres au laboratoire qui puissent être comparés aux spetres des Bandes Diffuses Interstellaires et d’explorer les propriétés des agrégats de PAH. / This work is mainly an experimental study of the electronic spectroscopy of the polycyclic aromatic hydrocarbon cations and their clusters in conditions close to those of the interstellar medium. The aim of this study is to obtain data that can be compared with the spectrum of the diffuse interstellar bands and to explore the properties of PAH clusters.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont des polluants organiques persistants (POP) émis essentiellement par les activités humaines suite à la combustion incomplète de la matière organique (industrie, chauffage, trafic routier...). En raison de leur faible taux de dégradation, de leur toxicité et de leur bioaccumulation, les HAPs font l'objet de plusieurs études d'écotoxicologie. La présente thèse, entreprise dans ce contexte par le biais d'une étude microcosmique se propose d'évaluer l'impact des HAPs sur la microflore et la méiofaune et d'appliquer différentes techniques de bioremédiation (biostimulation, bioaugmentation et combinaison des deux techniques) dans le but de dégrader les HAPs. Nos résultats ont montré que les HAPs sont toxiques aussi bien pour la microflore que pour la méiofaune de la lagune de Bizerte. Sur la microflore, l'effet toxique de ces contaminants s'est manifesté par l'inhibition de l'activité bactérienne à l'interface eau–sédiment et par la modification profonde de la structure des communautés bactériennes. En ce qui concerne la méiofaune, les HAPs ont entrainé une altération de la structure des communautés nématologiques. En effet, nous avons pu caractériser des espèces indicatrices de pollution par les HAPs. Ainsi, l'espèce Spirinia parasitifera dont la densité s'accroît dans tous les microcosmes contaminés par les HAPs paraît être une espèce “opportuniste” à la pollution par les HAPs. Cependant, Oncholaimus campylocercoïdes, fortement dominante dans tous les microcosmes témoins, a diminué de densité dans tous les microcosmes contaminés et a été considérée comme HAP-sensible. En analysant la structure des communautés microbiennes et méiofaunistiques, nous avons observé que la méiofaune joue un rôle structurant dans le maintien d'une communauté microbienne peu sensible aux effets des HAPs. Ce rôle structurant a été moins prononcé dans le cas d'ajout des sels nutritifs par la technique de biostimulation ; technique qui a présenté des effets non significatifs vis-à-vis des communautés nématologiques et a semblé plus efficace dans la minéralisation des HAPs et par conséquent à la réduction de leur effet toxique sur les organismes benthiques. Ces résultats suggèrent que la bioremédiation serait une alternative prometteuse à la dégradation des HAPs. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent organic pollutants (POP) emitted mainly by human activities due to the incomplete combustion of organic matter (industry, heating, traffic ...). Because of their low rate of degradation, their toxicity and their bioaccumulation, PAHs are main of concern in ecological studies. In this context, the objectives of this thesis were to assess the impact of PAHs on the benthic microflora and meiofauna and apply different techniques of bioremediation (biostimulation, bioaugmentation and combination of both treatments) in order to degrade PAHs, using experimental approach with microcosms.Our results showed that PAHs are toxic for microflora but also for meiofauna of Bizerta lagoon. The toxic effects of these contaminants were demonstrated by the inhibition of bacterial activity in the sediment/water interface and by profound changes in the structure of bacterial communities. PAHs provoked significant changes on meiofaunal community with the selection of nematode species that could be proposed as bioindicators of PAH pollution. Thus, Spirinia parasitifera which significantly (p<0.05) increased in PAH contaminated microcosms, suggesting that it is an "opportunistic» species to PAH pollution. In contrast, Oncholaimus campylocercoïdes, strongly dominant in control microcosms, decreased in PAH contaminated microcosms and seemed to be a ‘‘PAH-sensitive'' species.By analyzing the structure of microbial and meiofaunal community, we observed that the structural role of meiofauna on bacteria community structure was still evident even under PAH contamination despite the toxic effects on meiofauna. However, this structural role of meiofauna disappeared when nutrients were added to the sediment resulting in an almost complete removal of PAHs. Biostimulation seemed to be the most effective bioremediation strategy in the reduction of PAH toxic effects on benthic organisms. Overall, these results suggest that bioremediation using nutrient addition is a promising alternative technique for the degradation of PAHs in coastal polluted environments.

Une des découvertes majeures faites par l'astronomie infrarouge est la présence de molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) dans les milieux interstellaires et circumstellaires. Ces macromolécules jouent un rôle essentiel dans la physique et chimie du milieu interstellaire (MIS). Cependant aucune espèce individuelle n'a pu être identifiée jusqu'à présent malgré de nombreuses études observationnelles, des travaux de modélisation et des expériences dédiées en laboratoire. Progresser dans cette identification nécessite de caractériser la nature de ces PAH qui est conditionnée par les processus de formation et d'évolution par photodissociation UV et réactivité chimique. Il s'agit ensuite d'obtenir des signatures spectroscopiques spécifiques. Ces sujets sont abordés expérimentalement dans ce travail en utilisant l'expérience PIRENEA dédiée à l'étude de la physico-chimie interstellaire. Dans la première partie de cette thèse, j'ai mesuré la photodissociation de ces espèces isolées dans le piège à ions de PIRENEA. L'objectif scientifique de cette étude est d'apporter des informations sur le processus de destruction des PAH par irradiation UV-visible et d'évaluer leur contribution à la formation de petits hydrocarbures et d'agrégats carbonés dans le MIS. Un inventaire des espèces produites par photodissociation a été fait pour chacune des molécules considérées et les principales voies de dissociation ont été identifiées. Dans la deuxième partie du travail, je présenterai une étude sur la spectroscopie visible de différents cations PAH et dérivés déshydrogénés réalisée par dissociation multiphotonique. Les résultats expérimentaux ont été comparés à des spectres théoriques obtenus avec un modèle de la théorie de la fonctionnelle de la densité et à des données spectroscopiques mesurées en matrices de gaz rare. Un modèle décrivant la photophysique des ions a été utilisé pour déterminer les sections efficaces d'absorption de certaines espèces étudiées. Ces données peuvent être utiles pour la pré-sélection de candidats aux bandes diffuses interstellaires, bandes qui sont observées en absorption dans le MIS depuis près d'un siècle et qui restent non identifiées.

La pollution des sols par les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) se présente habituellement sous forme de goudrons hydrophobes. Le lavage des sols s'effectue souvent avec des détergents ou des solvants organiques qui présentent des impacts environnementaux non négligeables. Ce travail propose une méthode alternative basée sur l'emploi de molécules cages d'origine naturelle, non toxiques et facilement biodégradables, les β-cyclodextrines qui solubilisent en milieu aqueux des polluants hydrophobes comme les HAP. Une méthode de recyclage des cyclodextrines a été mise au point (baisse des coûts en produits). Des essais ont été menés sur un panel de sols d'anciens sites industriels à l'échelle laboratoire et semi-pilote, avec deux tests concluants du procédé complet en fonctionnement continu. L'utilisation des cyclodextrines sera dans la plupart des cas une meilleure méthode que celles employant les surfactants ou les solvants organiques au regard de la directive IPPC de 1996.

Les activités humaines sont à l'origine de nombreuses pollutions par des hydrocarbures au niveau des écosystèmes, et plus particulièrement au niveau des sols. Afin de préserver la santé humaine et environnementale, il est nécessaire d'éliminer les polluants présents. Dans ce but, les techniques de bioremédiation apparaissent aujourd'hui comme de réelles alternatives aux techniques classiques, invasives et onéreuses. Cependant, l'utilisation optimale de tels procédés nécessite une meilleure connaissance des capacités métaboliques des communautés microbiennes impliquées dans la biodégradation de ces polluants. Dans ce cadre, l'utilisation des biopuces ADN fonctionnelles pour analyser ces écosystèmes semble très appropriée.Cependant, une de ses limitations actuelles est la détermination des sondes, qui ne ciblent que les gènes dont les séquences ont été caractérisées. Pour cela, un outil informatique (Metabolic Design) a été mis au point, afin de déterminer des sondes exploratoires pour biopuces fonctionnelles. L'étude, avec notre biopuce fonctionnelle, des capacités métaboliques de dégradation des HAP de la souche Sphingomonas paucimobilis sp. EPA505 a permis de mettre en évidence la sensibilité et la spécificité des sondes développées, ainsi que leur aspect exploratoire. Puis, nous nous sommes attachés à caractériser les capacités métaboliques des communautés bactériennes d'un sol pollué principalement par des HAP, sans à priori sur les séquences ou les organismes présents, montrant l'efficacité de notre approche.

mémoire (M.Sc.) - Université du Québec à Chicoutimi, 1985. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Maîtrise (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1998. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants ubiquitaires cancérogènes émis dans l’atmosphère sous forme gazeuse ou particulaire et constituent des mélanges complexes issues de sources multiples. Les biomarqueurs d’exposition urinaires sont le plus couramment utilisés pour effectuer la surveillance biologique de l’exposition (SBE) aux HAP, notamment le 1-hydroxypyrène (1-OHP). Sa seule utilisation pour estimer l’exposition aux mélanges de HAP est aujourd’hui controversée. Le 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) est récemment utilisé car il est issu du benzo(a)pyrène (BaP), le seul HAP classé cancérogène certain pour l’homme. Les métabolites monohydroxylés des HAP gazeux les plus abondants sont utilisés pour la SBE. Ce travail a pour objectif de développer et sélectionner un ensemble de biomarqueurs permettant une SBE pertinente et efficace de l’exposition aux HAP tant au niveau professionnel qu’environnemental. Dans un premier temps, les biomarqueurs d’exposition aux HAP cancérogènes (essentiellement contenus dans la phase particulaire) qui sont le 1-OHP et le 3-OHBaP ont été étudiés. La variabilité des mélanges atmosphérique émis, notamment l’abondance relative de la phase gazeuse par rapport à la phase particulaire font que le 1-OHP n’est pas spécifique de l’exposition aux HAP cancérogènes qui sont contenu dans la phase particulaire. En effet, les concentrations urinaires de 1-OHP dépendent des niveaux atmosphériques de pyrène, un HAP non cancérogène émis sous forme gazeuse et particulaire. L’étude de la cinétique d’élimination urinaire du 3-OHBaP a permis de confirmer que le prélèvement d’urine dans le cadre de la SBE en milieu professionnel soit réalisé en fin de poste plus 16h de par la cinétique d’élimination urinaire atypique. Ainsi, il est recommandé de l’effectué en début de poste du dernier jour travaillé. L’étude des modes de correction de la diurèse a confirmé la nécessité de prendre en compte le degré de dilution des urines pour le 1-OHP et le 3-OHBaP et que la correction par la créatinine urinaire est un moyen adapté. La faible abondance urinaire du 3-OHBaP ne permet pas d’effectuer de la SBE dans des milieux professionnels avec de faibles niveaux d’expositions. Dans un deuxième temps, nous avons sélectionné des biomarqueurs pour les faibles expositions professionnelles parmi les différents métabolites monohydroxylés des HAP gazeux. Parmi les métabolites comparés, le 2-hydroxyfluorène et le 2-hydroxyphenanthrène sont ceux qui reflètent au mieux l’exposition professionnelle mais ne sont pas spécifiques de l’exposition aux HAP cancérogènes contenus dans la phase particulaire. Enfin, nous avons développé une méthode de dosage urinaire du (±)trans-anti-BaP-tétraol (Tetraol-BaP) applicable en routine avec un limite de quantification de 0,02 ng/L. Le Tetraol-BaP urinaire est au moins aussi abondant que le 3-OHBaP. Les premières analyses indiquent que le Tetraol-BaP pourrait être un biomarqueur d’exposition intéressant pour estimer le risque cancérogène. En effet, il est plus proche de l’effet toxique que le 3-OHBaP car il est issu des voies de métabolisation toxique du BaP. Ce travail de thèse souligne que l’évaluation de l’exposition aux mélanges de HAP à partir d’un seul métabolite est difficilement interprétable à cause de la variabilité des mélanges émis et propose différents biomarqueurs qui permettraient de caractériser l’exposition à l’échelle du mélange de HAP. / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous carcinogenic pollutants emitted into the atmosphere in complex mixtures constituted of gaseous PAHs and particulate PAHs. Urinary exposure biomarkers are most commonly used in order to perform human biomonitoring (HB) to PAHs, especially the 1-hydroxypyrene (1-OHP) that is considered as the golden standard. However, its use to characterized mixture exposure is controversial. The 3-hydroxybenzo(a)pyrene (3-OHBaP) is recently used because it is a metabolite of the benzo(a)pyrene (BaP), the only PAH classified as carcinogenic to humans. Monohydroxylated metabolites of the most abundant gaseous PAHs are also used to perform HB. The aim of this thesis was to develop and select a set of exposure biomarkers that enables a relevant and effective HB for both environmental and occupational exposures. Firstly, the 1-OHP and the 3-OHBaP which are used as exposure biomarkers of carcinogenic PAHs (mainly contained in the particulate phase) were studied. The variability of the emitted atmospheric mixtures, especially the relative abundance between the gaseous and the particulate phases complicates the use of the 1-OHP to assess specific carcinogenic PAH exposure. Indeed, 1-OHP urinary concentrations depend on atmospheric pyrene concentrations (a non-carcinogenic PAH) which is present in both phases. The study of urinary elimination kinetic of the 3-OHBaP revealed atypical elimination kinetics (as in rats) and confirmed that sampling time should be done 16 hours after the end of the shift. Thus, sampling is recommended at pre-shift of the last day worked. The study of diuresis adjustment confirmed the need to take into account the urine’s degree of dilution and that urinary creatinine adjustment is suitable to correct concentrations of the 1-OHP and the 3-OHBaP. HB in occupational sectors with low exposure can’t be performed with 3-OHBaP due to its low urinary abundance. Secondly, monohydroxylated metabolites of gaseous PAHs were compared to select relevant biomarkers for low occupational exposure. Among the compared metabolites, the 2-hydroxyfluorene and the 2-hydroxyphenanthrene were proposed because they are those that best reflect occupational exposure. However, these two metabolites were not specific of carcinogenic PAH exposure in the particulate phase. Finally, an analytical method of the (±)trans-anti-BaP-tetraol (Tetraol-BaP) was developed for routine application (the limit of quantification was 0,02ng/L). The first urinary analysis indicated that the Tetraol-BaP is at least as abundant as the 3-OHBaP and that it could be a relevant biomarker to assess carcinogenic risk. Indeed, the Tetraol-BaP is a product of toxic metabolism pathways of the BaP, which allows it to be closer to the toxic effect than the 3-OHBaP. This thesis highlights the difficulty to use a single biomarker to assess PAH mixture exposure due to their important variability and suggests different biomarkers that would characterize mixture PAH exposure.

La réhabilitation des sols pollués par les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) est une problématique importante au niveau européen. Afin de développer une technique de bioremédiation, une collection de 30 souches de champignons saprotrophes est constitués à partir d'échantillons de sols historiquement pollués par les HAP provenant du Nord de la France. Ces souches sont caractérisées pour leur capacités de désorption et de dégradation du Benzo[a]pyrène (BaP) en milieu minéral. Quatre souches présentent des taux de dégradation du BaP supérieur à 30% après seulement 9 jours d'incubation en milieu minéral. Des mesures d'activités enzymatiques sur un panel de 14 souches permettent d'observer des concordances intéressantes entre les capacités de dégradation du BaP et des activités enzymatiques extracellulaires ou liées au cytochrome P450. Des essais au laboratoire de bioaugmentation/biostimulation en microcosmes de sols historiquement contaminés en HAP permettent une augmentation d'environ 25% de la dégradation des HAP totaux par rapport aux témoins après inoculation d'une souche de Talaromyceshelicus dans deux sols d'origines et de textures différentes. Le processus d'incorporation du BaP, un HAP à 5 cycles aromatiques, est étudié en microscopie chez une souche de Fusariumsolani. D'après nos résultats, cette molécule serait incorporée dans les cellules fongiques par un processus actif et dépendant du réseau d'actine du cytosquelette. Ce travail de thèse ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour la compréhension des mécanismes de dégradation des HAP par les champignons saprotrophes telluriques et le développement de nouveaux protocoles de bioremédiation fongique des sols. / Recovery of soils polluted by Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) is an important problematic at the European scale. In order to develop a bioremediation technique, a collection of 30 saprotrophic fungal strains is constituted using PAH historically contamined soil samples coming from the north of France. These strains are characterized for their capacity of Benzo[a]pyrene (BaP) desorption and degration in mineral medium. Four strains exhibit BaP degradation rates over 30% after 9 days of incubation in mineral medium. Measurements of enzymatic activities within a panel of 14 strains enable to observe interesting correlations between BaP degradation capacities and extracellular or cytochrome P450-linked enzymatic activities. Lab-scale bioaugmentation/biostimulation experiments in microcosms of PAH historically contamined soils enbale to observe an increase of approximately 25% of the total-PAH degradation compared to the blanks after the inoculation of a strain of Talaromyceshelicus in two soils differing by their origins and textures. The incorporation of BaP, a 5 aromatic rings PAH, is studied through microcopy in the strain Fusariumsolani. According to our results, this molecule would be incorporated in fungal cells through an active mechanism depending on the actin network of the cytoskeleton. This PhD thesis draws new perpectives for the understanding of PAH degradations mechanisms in telluric saprotrophic fungi and for the development of new fungal bioremediation protocols in soils.

Depuis quelques années, un intérêt marqué pour les pigments de cuve a fait son apparition dans la littérature. Longtemps considérés comme des produits destinés exclusivement à la chimie fine industrielle, les pigments sont de plus en plus utilisés en recherche académique. Ils sont produits à l’échelle de la tonne pour des sommes avantageuses et leurs structures complexes permettent d’accéder à des molécules prisées en peu d’étapes synthétiques. La plupart de ces pigments sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques possédant parfois des hétéroatomes, ce qui en fait des molécules de choix pour l’étude de la relation structure-propriété. En conjonction avec le développement des aromatiques polycycliques, l’étude des composés diradicaloïdes ayant des propriétés hors du commun est en plein essor dans la littérature scientifique. Les travaux présentés dans cette thèse rapprochent donc ces deux domaines. Le cœur anthanthrone, un aromatique polycyclique à la réactivité singulière causée par sa géométrie, permet l’exploration de concepts originaux pour la chimie des composés organiques en couche ouverte. Tout d’abord, un composé à base d’anthanthrone a permis le développement d’une nouvelle méthode pour obtenir des molécules diradicalaires. Il est démontré que la congestion stérique des diphénylméthanes et du cœur anthanthrone se faisant face, facilite une transformation structurelle vers une molécule ayant deux électrons non-appariés. Étonnamment, cette transformation peut avoir lieu à l’état solide en appliquant de faibles pressions. Ainsi, il est possible de briser des liens doubles avec ses propres mains à l’aide d’un pilon et mortier. Ensuite, une molécule similaire utilisant les diphénylamines permet aussi l’obtention de composés en couche ouverte lorsque doublement oxydés. Le produit obtenu est donc isoélectronique à son homologue tout carbone. Encore une fois, la géométrie du cœur anthanthrone produit deux systèmes π perpendiculaires, empêchant la recombinaison des radicaux. Pour poursuivre sur ces composés et augmenter la densité de spin, un polymère « polyradical cation » avec des propriétés optoélectroniques intéressantes a été synthétisé. Finalement, le dernier chapitre de cette thèse exploite toujours la géométrie de l’anthanthrone mais dans un contexte complètement différent. Grâce à la structure unique de l’anthanthrone, il est possible d’obtenir une émission induite par agrégation dans la région du proche infrarouge / For several years, a keen interest in vat dyes emerged in the literature. Long considered exclusively for the specialty chemical industry, pigments are increasingly used in academia. They are mass-produced at a low cost and their complex structures allow valued molecules to be obtained in few synthetic steps. Most of these pigments are aromatic polycyclic hydrocarbons (PAHs) sometimes including heteroatoms, making them molecules of choice for the study of structure-property relationship. With the development of PAHs, the study of biradicaloids having outstanding properties is thriving in the scientific literature. The work presented in this thesis brings together these two fields of study. The anthanthrone core, a polycyclic aromatic with a singular reactivity caused by its geometry, allows for the exploration of original concepts for the chemistry of organic open-shell compounds. First of all, anthanthrone-based molecules allowed the development of a new method to obtain open-shell diradicals. It was found that the steric congestion of the diphenylmethane and the anthanthrone core facing each other, facilitate the structural transformation towards a molecule having two unpaired electrons. Surprisingly, this transformation can proceed in the solid state at low pressures. Thus, it is possible to break double bonds with bare hands using a mortar and pestle. Next, similar molecules with diphenylamines also allow the formation of open-shell compounds when doubly oxidized. The obtained products are isoelectronic to their all-carbon counterpart. Again, the geometry of the anthanthrone core produces two perpendicular π-systems, preventing the recombination of the radicals. To follow-up with similar compounds and increase the spin density, a polymer “polyradical cation” possessing intriguing optoelectronic properties was synthesized. Finally, the last chapter of this thesis still exploit the geometry of the anthanthrone dye but in a completely different context. With the unique structure of this core, it is possible to obtain aggregation-induced emission in the near infrared region.