L'influence des paramétrisations chimiques et météorologiques sur les concentrations de polluants calculées avec un modèle de qualité de l'air est étudiée. L'influence des différences entre deux mécanismes chimiques de la phase gazeuse sur la formation d'ozone et d'aérosols en Europe est faible en moyenne. Pour l'ozone, les fortes différences observées localement proviennent principalement de l'incertitude associée à la cinétique des réactions d'oxydation du monoxyde d'azote (NO) d'une part et de la représentation des différents chemins d'oxydation des composés aromatiques d'autre part. Les concentrations d'aérosols sont surtout influencées par la prise en compte des précurseurs majeurs d'aérosols secondaires et le traitement explicite des régimes chimiques correspondant au niveau d'oxydes d'azote (NOx). L'influence des paramétrisations météorologiques sur les concentrations d'aérosols et leur répartition verticale est évaluée sur l'Île de France par comparaison à des données lidar. L'influence de la paramétrisation de la dynamique de la couche limite atmosphérique est importante ; cependant, c'est l'utilisation d'un modèle de canopée urbaine qui permet d'améliorer considérablement la modélisation de la répartition verticale des polluants / The influence of chemical mechanisms and meteorological parameterizations on pollutant concentrations calculated with an air quality model is studied. The influence of the differences between two gas-phase chemical mechanisms on the formation of ozone and aerosols in Europe is low on average. For ozone, the large local differences are mainly due to the uncertainty associated with the kinetics of nitrogen monoxide (NO) oxidation reactions on the one hand and the representation of different pathways for the oxidation of aromatic compounds on the other hand. The aerosol concentrations are mainly influenced by the selection of all major precursors of secondary aerosols and the explicit treatment of chemical regimes corresponding to the nitrogen oxides (NOx) levels. The influence of the meteorological parameterizations on the concentrations of aerosols and their vertical distribution is evaluated over the Paris region in France by comparison to lidar data. The influence of the parameterization of the dynamics in the atmospheric boundary layer is important ; however, it is the use of an urban canopy model that improves significantly the modeling of the pollutant vertical distribution

De manière générale, l'inhalation de particules entraîne des réactions inflammatoires et des réactions d'oxydo-réduction responsables de la dégradation des matrices biologiques qui exercent, de plus, un fort impact cardio-vasculaire. La combustion du bois est une source majeure de composés organiques semi-volatils, parmi lesquels les méthoxyphénols (MPs), tels que le coniféryl aldéhyde (CA), le syringaldéhyde (SR), ou l'acétosyringone (AS). Les MPs sont néanmoins peu étudiés dans la littérature alors que la toxicité d'autres composés également issus de la combustion de la biomasse, tels que le monoxyde de carbone, les suies et les hydrocarbures polyaromatiques est intensivement étudiée. Ce travail a montré par GC/MS que le vieillissement en atmosphère simulée (ozone, rayonnements lumineux) dégrade le CA en produits secondaires moins cytotoxiques, évalués sur des fibroblastes en culture, mais préserve le taux atmosphérique de SR et AS, de toxicité avérée. Un dispositif original de production de MPs particulaires (Ø~50nm, N~7E4particules/cm3, m~5µg/m3) en atmosphère contrôlée a été validé et permet la 1ièreétude in vivo des MPs. L'exposition chez le rat (1-3mois) montre une modification des défenses antioxydantes et des changements cardiaques principalement avec AS, puis CA et un peu moins pour SR. Des processus adaptatifs sont démontrés après 5mois d'exposition.Par ailleurs, il a été montré in vitro sur des adénocacinomes pulmonaires A549 en culture, que le CA induit une destructuration du tapis cellulaire et l'apoptose (caspase 3) mais pas d'effet pro-inflammatoire (IL8, Cox-2). En conclusion, ce travail contribue à étudier l'impact des MPs in vitro et in vivo. / In general, inhalation of particles is at the origin of inflammatory and oxidative reactions who are responsible of the degradation of biological cellular constituents, and could have a strong cardiovascular impact. The wood combustion is a major source of semivolatile organic compounds such as the methoxyphenols (MPs) including coniferyl aldehyde (CA), syringaldehyde (SR), or acetosyringone (AS). The MPs are however few studies into literature while toxicity of other compounds also from biomass combustion, as carbon monoxide, soot and polycyclic aromatic hydrocarbon are intensively studies.This work has shown by GC/MS that aging in simulated atmosphere (ozone + light rays) degraded CA in secondary products less cytotoxic, studies on fribroblastes culture but keep the atmospherical level of SR and AS which have a toxicity proved.A device of MPs particle production original by atomization, with a check system (height, composition, weight) and exposition flow continuous (Ø~50 nm, N~7E4 particles/cm3, m~5 µg/m3) adapted to little animals, was developed and validated, allowed the first study in vivo with these molecules. Between 1 and 3 month of exposition to rat Wistar, show modified antioxidant defences and cardiac modification (ischaemia/reperfusion) principally with AS, then CA and less SR. The adaptatives processes (remodeling) are demonstrated after 5 month of exposition.Furthermore, it is showed in vitro on lung adenocacinum cell lines (A549), CA induced a monolayer destructuration and apoptosis (caspase 3) but no effect proinflammatory (IL8, Cox-2 and iNOS).To conclude, this work contributes to study the impact of MPs in vitro and in vivo.

Le moteur essence à allumage par compression (GCI), reposant sur la combustion partiellement prémélangée de l'essence (GPPC), peut potentiellement assurer des opérations efficaces et propres. Le moteur GCI s'est avéré efficace à forte charge, mais l'indice d'octane élevé de l'essence limite considérablement les opérations à faible charge. Le présent travail étudie le potentiel de l'utilisation de l'ozone, fort agent oxydant, pour améliorer la réactivité de l'essence et permettre le fonctionnement à faible charge de GCI. L'ozone peut être produit on board en équipant le moteur d'un générateur d'ozone, sans impact dramatique sur le coût du moteur et sur la complexité du contrôle du moteur. Les essais effectués avec un moteur monocylindre ont montré que l'ozone favorise la combustion HCCI de l'essence, permettant d'étendre la limite d’auto-inflammation et de réduire la température minimale nécessaire de celle-ci. Les diagnostics optiques ont montré que ces propriétés sont liées à une prolifération radicale accrue, amenées par des réactions à basse température induites par l'ozone. En parallèle, le processus de combustion GCI a été étudié dans des conditions de faible charge. Sans ozone, la température d'admission doit être considérablement augmentée pour permettre l'auto-inflammationdes mélanges essence-air pauvres. De plus, les résultats indiquent que le monoxyde d’azote (NO) contenu dans les gaz brûlés résiduels peut, dans certaines conditions, favoriser fortement la combustion GCI. Ensuite,l'effet de l'ozone a été étudié dans des conditions d'injection directe GCI. Les résultats démontrent qu’une stratégie avec double injection est nécessaire pour maximiser l’effet promoteur de l’ozone et pour contrôler le processus de combustion GCI. Enfin, l'utilisation d’une forte concentration d’ozone a permis d’atteindre des opérations à faible charge en mode GCI, avec des faibles émissions de NOx et de suie, et cela, sans avoir besoin d'augmenter la température ou la pression d'admission. / Gasoline Compression Ignition (GCI) engine, relying on Gasoline Partially Premixed Combustion (GPPC) has potential for efficient and clean operations. GCI engine showed to be effective at high load, however, the highoctane number of gasoline dramatically limits low load operations. The present work investigates the potential of using ozone, a strong oxidizing agent, to improve gasoline reactivity and enabling low load GCI operation.Ozone can be produced in-situ and on-demand by equipping the engine with an ozone generator, without a dramatic impact on the engine cost and the engine control complexity. Experiments in a single cylinder engine showed that ozone promotes gasoline HCCI combustion, making possible to extend the lean limit and reducing the minimum temperature needed for autoignition. Optical diagnostics showed that these properties are related to an increased radical proliferation related to ozone-induced low temperature reactions. In parallel, GCI combustion process was investigated under low load conditions. Without ozone, the intake temperature should be considerable increased to enable auto ignition of lean gasoline-air mixtures. Moreover, results indicated that the NO contained into residual burnt gases can strongly promote GCI low load combustion. Finally, the effect of ozone was investigated under GCI direct-injection conditions, demonstrating that low load GCI operation with low NOx and Soot emission can be achieved by seeding the intake of the engine with ozone without needing of increasing the intake charge temperature or boosting the intake pressure.

Les plantes sont soumises durant leur vie à de nombreux stress environnementaux. Face à ces contraintes, les végétaux ont développé au cours de l'évolution différentes stratégies. La plus emblématique est la mise en place du métabolisme spécialisé, représenté par une grande diversité chimique et fonctionnelle. Bien que ce métabolisme soit de plus en plus étudié ces dernières années, de nombreuses lacunes persistes à son propos, liées notamment (i) à la complexité des modifications métabolomiques engendrées par la perception de stress, (ii) aux coûts et avantages que ces métabolites imputent à la plante les accumulant, et (iii) aux voies métaboliques menant à cette diversité de composés. Pour appréhender ces différentes problématiques, nous avons adopté une stratégie combinant des approches de phytochimie, de biologie moléculaire et de génétique. Dans un premier temps, nous avons étudié les changements métaboliques globaux engendrés par l’application de deux stress environnementaux, l’ozone et la blessure mécanique, sur une plante modèle au laboratoire, le panais, en fonction du temps. Les résultats de ces travaux nous ont permis d’identifier 40 métabolites différentiellement accumulés dans ces conditions, dont certaines furocoumarines. Par la suite, nous avons focalisé notre étude sur ces molécules en évaluant leurs profils d’accumulation, en condition de stress par blessures mécaniques, par la biais d’analyses différentielles. A partir de ces données, nous avons initié la recherche et l'identification de gènes candidats potentiellement impliqués dans cette voie à partir de plusieurs banques transcriptomiques et génomiques de panais. La fonction des gènes sélectionnés a été évalué par des approches d'expression hétérologue dans la levure. En parallèle de ces travaux, nous avons développé une stratégie destinée à mieux comprendre le coût métabolique de la synthèse de métabolites spécialisés. Pour ce faire, nous avons adapté aux furocoumarines une technique de clonage multigénique permettant de transférer dans une plante, et en une seule opération, plusieurs gènes impliqués dans la même voie de biosynthèse. Cette méthode nous a permis d'initier la génération de lignées stables ayant intégré les deux premiers gènes de la voie. Ces plantes seront comparées à des plantes sauvages et permettront ainsi d’étudier les coûts métaboliques et physiologiques de l’introduction de cette nouvelle voie de biosynthèse ainsi que ses bénéfices en termes de défense de la plante. / Plants are subjected to many environmental stresses during their life. Faced with these constraints, plants have developed different strategies during their evolution. The most emblematic is the establishment of a specialized metabolism, represented by a great chemical and functional diversity. Although this metabolism has been studied more and more in recent years, many gaps remain, related in particular (i) to the complexity of the metabolomic changes generated by the perception of stress, (ii) to the costs and benefits that these metabolites impute to the producing plant, and (iii) to the metabolic pathways leading to the diversity of compounds. To cope with these different issues, we adopted a strategy combining approaches of phytochemistry, molecular biology and genetics. First, we studied global metabolic changes caused by the application of two environmental stresses, ozone and mechanical wounding, on parsnip. The obtained results allowed us to identify 40 metabolites differentially accumulated under these conditions, including some furocoumarins. Subsequently, we focused our study on these molecules by evaluating their accumulation profiles under mechanical wounding stress condition, using differential analyzes. From this data, we initiated the search and identification of candidate genes potentially involved in this pathway based on transcriptomic and genomic parsnip libraries analyses. The function of the selected genes was evaluated by heterologous expression approach in yeast. In parallel to this work, we have developed a strategy to better understand the metabolic cost of specialized metabolites synthesis. To do this, we have adapted a multigene cloning method to furocoumarines, allowing to transfer several genes involved in the same pathway in a plant, in a single operation. This method allowed us to initiate the generation of stable lines having integrated the first two genes of the pathway. These plants will be compared to wild plants and will thus allow to study the metabolic and physiological costs of the introduction of this new biosynthetic pathway and its benefits in terms of plant defense.

La fermeture du bilan d'ozone troposphérique nécessite de mieux <br />connaître l'importance du transport vertical depuis les principaux <br />réservoirs: la couche limite atmosphérique et la stratosphère. Les <br />études de cas permettent de mettre en évidence les mécanismes entrant en <br />jeu et leur efficacité, mais leur impact sur le bilan ne peut-être <br />évalué qu'à partir d'analyses climatologiques. L'exposé est donc divisé <br />en deux grandes parties.<br />La première porte sur des études de cas à partir des mesures LIDAR ozone <br />effectuées pendant la campagne ESCOMPTE. La méthodologie repose sur une <br />analyse des données collectées par une approche hybride lagrangienne <br />associant des analyses météorologiques globales, et des modèles de <br />dynamique méso-échelle, de chimie-transport et de photochimie <br />lagrangienne. L'objectif étant d'identifier la part de la variabilité <br />observée imputable aux processus transport et, le cas échéant, à la <br />production photochimique d'ozone dans la troposphère.<br />Dans une deuxième partie, nous proposons une évaluation de l'importance <br />respective du transport depuis la couche-limite et depuis la région de <br />la tropopause sur le bilan d'ozone troposphérique à travers une analyse <br />climatologique. Un algorithme multivariable de classification des <br />couches d'ozone mesurées par sondage est présenté, et comparé à une <br />approche trajectographique. Cet algorithme est ensuite appliqué aux <br />données collectées depuis une trentaine d'années en Europe afin <br />d'analyser la variabilité saisonnière, géographique et interannuelle des <br />processus de transport vertical ainsi que leur influence sur le bilan <br />d'ozone troposphérique. La variabilité du mélange turbulent dans la <br />troposphère et ses conséquences sur la persistance des couches sera <br />aussi évoquée.

Les troubles reliés à la dépression, l’épuisement professionnel et l’anxiété sont de plus en plus répandus dans notre société moderne. La consommation croissante d’antidépresseurs dans les différents pays du monde est responsable de la récente détection de résidus à l’état de traces dans les rejets urbains municipaux. Ainsi, ces substances dites « émergentes » qui possèdent une activité pharmacologique destinée à la régulation de certains neurotransmetteurs dans le cerveau suscitent maintenant de nombreuses inquiétudes de la part de la communauté scientifique. L’objectif principal de ce projet de doctorat a été de mieux comprendre le devenir de plusieurs classes d’antidépresseurs présents dans diverses matrices environnementales (i.e. eaux de surfaces, eaux usées, boues de traitement, tissus biologiques) en développant de nouvelles méthodes analytiques fiables capables de les détecter, quantifier et confirmer par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-QqQMS, LC-QqToFMS). Une première étude complétée à la station d’épuration de la ville de Montréal a permis de confirmer la présence de six antidépresseurs et quatre métabolites N-desmethyl dans les affluents (2 - 330 ng L-1). Pour ce traitement primaire (physico-chimique), de faibles taux d’enlèvement (≤ 15%) ont été obtenus. Des concentrations d’antidépresseurs atteignant près de 100 ng L-1 ont également été détectées dans le fleuve St-Laurent à 0.5 km du point de rejet de la station d’épuration. Une seconde étude menée à la même station a permis l’extraction sélective d’antidépresseurs dans trois tissus (i.e. foie, cerveau et filet) de truites mouchetées juvéniles exposées à différentes concentrations d’effluent dilué traité et non-traité à l’ozone. Un certain potentiel de bioaccumulation dans les tissus (0.08-10 ng g-1) a été observé pour les spécimens exposés à l’effluent non-traité (20% v/v) avec distribution majoritaire dans le foie et le cerveau. Une intéressante corrélation a été établie entre les concentrations de trois antidépresseurs dans le cerveau et l’activité d’un biomarqueur d’exposition (i.e. pompe N/K ATPase impliquée dans la régulation de la sérotonine) mesurée à partir de synaptosomes de truites exposées aux effluents. Une investigation de l’efficacité de plusieurs stations d’épuration canadiennes opérant différents types de traitements a permis de constater que les traitements secondaires (biologiques) étaient plus performants que ceux primaires (physico-chimiques) pour enlever les antidépresseurs (taux moyen d’enlèvement : 30%). Les teneurs les plus élevées dans les boues traitées (biosolides) ont été obtenues avec le citalopram (1033 ng g-1), la venlafaxine (833 ng g-1) et l’amitriptyline (78 ng g-1). Des coefficients de sorption expérimentaux (Kd) calculés pour chacun des antidépresseurs ont permis d’estimer une grande sorption des composés sertraline, desméthylsertraline, paroxetine et fluoxetine sur les solides (log Kd > 4). Finalement, un excellent taux d’enlèvement moyen de 88% a été obtenu après ozonation (5 mg L-1) d’un effluent primaire. Toutefois, la caractérisation de nouveaux sous-produits N-oxyde (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) par spectrométrie de masse à haute résolution (LC-QqToFMS) dans l’effluent traité à l’ozone a mis en lumière la possibilité de formation de multiples composés polaires de toxicité inconnue. / Mood disorders such as depression, burn-out and anxiety have increased in our modern society. Increasing amounts of antidepressant prescriptions around the world are now suspected to be the main cause of the recent detection of traces of antidepressant residues within urban wastewaters. These so-called “emerging” substances that possess pharmacological activity towards neurotransmitter regulation in the brain have raised serious concerns from the scientific community. The initial goal of the study was to better understand the fate of various classes of antidepressants present in different environmental matrices (e.g. surface waters, wastewaters, treatment sludge, and biological tissues) by developing novel reliable analytical methods that can detect, quantify and confirm antidepressants using high performance liquid chromatography coupled to tandem-mass spectrometry (LC-QqQMS,LC- QqToFMS). A preliminary study completed at the Montreal sewage treatment plant (STP) confirmed the presence of six antidepressants and four N-desmethyl metabolites in raw sewage (2 – 330 ng L-1). For this primary treatment (physico-chemical), low removal rates (≤ 15%) were obtained. Concentrations of antidepressant close to 100 ng L-1 were also detected directly in the St. Lawrence River at 0.5 km of the effluent outfall. A second study conducted at the same STP allowed the selective extraction of antidepressants in three biological tissues (e.g. liver, brain, and filet) dissected from juvenile brook trouts previously exposed to diluted untreated and treated effluents with ozone. Bioaccumulation of antidepressants was readily observed in fish tissues (0.08-10 ng g-1) for the specimens exposed to untreated effluent (20% v/v), with major distribution in liver and brain. During experiments, a significant correlation was established between the concentrations of three antidepressant detected in brain tissues and the activity of a selected biomarker of exposition (e.g. an N/K ATPase pump involved in the serotonin regulation) measured within dissected synaptosomes from trout exposed to effluents. Investigation of estimated treatment removal efficiencies from various Canadian STPs operating different disinfection modes showed that secondary treatments (biological) were more efficient than primary (physico- chemical) to remove antidepressants (mean removal rates : 30%). The highest amounts detected in treated sludge (biosolids) were obtained respectively with citalopram (1033 ng g-1), venlafaxine (833 ng g-1), and amitriptyline (78 ng g-1). Experimental calculated sorption coefficients (Kd) of each antidepressant predicted fairly good sorption capacities for sertraline, desmethylsertraline, paroxetine, and fluoxetine to solid matters (log Kd > 4). Finally, an excellent mean removal rate of 88% was obtained after ozonation (5 mg L-1) of a primary effluent. However, the characterization of new N-oxide side-products (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) in ozonized effluent by high-resolution mass spectrometry (LC-QqToFMS) highlighted the possibility of formation of multiple polar compounds with unknown toxicity.

Notre thèse s’inscrit dans le cadre de la compréhension des mécanismes d’inactivation de microorganismes, principalement des spores bactériennes, suite à un traitement à l’ozone. Les objectifs généraux, au départ, étaient de mettre en place une stratégie expérimentale dans le but de déterminer les espèces et les phénomènes impliqués dans les mécanismes d’inactivation des spores en combinant diverses techniques pluridisciplinaires. Rappelons que les récentes avancées en stérilisation par plasma sont principalement dues aux études menées sur les mécanismes d’inactivation des microorganismes. Dans ce contexte, en nous appuyant sur une synthèse des études publiées dans la littérature scientifique, nous avons élaboré une étude expérimentale en deux étapes : l’étude de la stérilisation à l’ozone en milieu sec puis en milieu humide. Au cours de ces études, nous avons principalement étudié la cinétique d’inactivation des microorganismes, les dommages occasionnés à ces derniers par de tels traitements et nous avons identifié les espèces responsables de l’inactivation pour, enfin, proposer un mécanisme d’inactivation en spécifiant le rôle et l’importance des différents phénomènes en jeu. L’originalité de notre approche s’appuie sur la corrélation faite entre ces deux types de traitement (ozone sec et humidifié) ainsi que la diversité et la complémentarité des moyens de caractérisation utilisés. Dans un second volet, nous avons mis en évidence pour la première fois la possibilité de conférer à une surface de Pétri de polystyrène (PS) une importante activité biocide suite à un traitement à l’ozone. Nous avons mené une étude de caractérisation des propriétés de ces surfaces démontrant, principalement, leur grande efficacité biocide sur une large gamme de microorganismes, l’importance de l’interaction microorganismes/surface traitée, l’existence de la rémanence biocide, les modifications physico-chimiques induites en surface… L’étude des modifications physico-chimiques et microbiologiques nous a permis d’approcher les mécanismes d’inactivation en identifiant, de manière non exhaustive, les phénomènes impliqués. Enfin, nous avons examiné l’applicabilité de cette méthode à divers types de polymères montrant que le degré d’activité biocide induite dépend de la nature du substrat. / The thesis deals with the inactivation mechanisms of microorganisms (mainly endospores) after an ozone treatment. The general objective of this work was to provide an experimental strategy to identify the phenomena and chemical species involved in microorganism inactivation mechanism using multidisciplinary techniques. Recall that the recent advances in plasma sterilization are mainly due to comprehensive studies dealing with the inactivation mechanisms of microorganisms. In this context, based on a review of published studies, we proposed a two-step experimental study of ozone sterilization in both dry and humid media. In the course of this work, we have examined the inactivation kinetics of some microorganisms, their damage after treatments; we have also identified the chemical species responsible for inactivation, and proposed an inactivation mechanism (for each type of ozone treatment) by describing the importance and role of the different implicated phenomena. The originality of our approach rests on the correlation achieved between the dry and humid ozone treatment, and by the diversity and complementarity of the characterization techniques used. In a second part, we show for the first time the possibility to confer biocide activity to surfaces of polystyrene (PS) Petri dishes after their exposure to ozone. A characterization study of these treated surfaces mainly shows a high inactivation efficacy on various microorganisms, the importance of the microorganisms/treated-surface interaction, the biocide persistence of the treated surfaces and physico-chemical modifications. The study on physico-chemical and microbiological changes gives us elements for identifying the phenomena involved in the inactivation mechanisms. Finally, we have shown the possibility to confer biocide properties to polymeric surfaces in general with the same experimental process observing that the biocide efficacy depends on the nature of the polymer. / Une partie du travail a mené a un dépôt de brevet.

Ozone, being an unstable molecule, is believed to be one of the strongest oxidant agents known to man. Rapid growth in the application of ozone — both as disinfectant and as form of alternative medicine — led to questions about the effects of uncontrolled ozone exposure and inhalation, whether intentional or unintentional, on the human body. This study specifically focussed on examining, identifying and substantiating the respiratory effect of acute exposure (10 min or less) to considerably higher ozone concentrations than reported on before (19.5 ± 0.5 ppm). Respiratory tissue of rodents (Duncan–Hartley guinea pigs of both sexes and Male Wistar rats) was subjected to ozone by utilising three distinctly diverse models of ozone introduction: (a) in vitro exposure, (b) in vivo exposure, and (c) ex vivo by employing an isolated lung perfusion model which allows for real–time, breath–by–breath data acquisition of ozone’s effect on respiratory mechanics. The effect of ozone on the isolated trachea in the presence of various drugs with well–known effects, including methacholine, isoproterenol and ascorbic acid was also examined. The results found in this study identified two direct effects on the isolated trachea due to ozone exposure: (1) a definite contraction of the isolated trachea immediately after exposure to ozone, and (2) a clearly visible and significant hyper responsiveness of the isolated trachea to irritants, e.g. methacholine. Although ozone has a negative effect on the trachea, it was concluded that ozone has no adverse effect on muscarinic acetylcholine receptors. An apparent EC50 value of ozone on the trachea was established by two different methods as (2.77 ± 0.02) x 10–3 M and (2.10 ± 0.03) x 10–3 M, respectively. Ozone furthermore displayed an attenuation of the beneficial pharmacological response of –sympathomimetic drugs (i.e. isoproterenol), while isoproterenol itself has a relaxing effect on the ozone–induced contraction of the isolated trachea. Indomethacin pre–treatment of isolated tracheal tissue significantly (77%) reduced the ozone–induced contraction of tracheal smooth muscle, suggesting that COXproducts of arachidonic acid play a prominent role in the development of pulmonary function decrements consequent to acute high–dose ozone exposure. Ascorbic acid exhibited a meaningful prophylactic effect on ozone–induced contraction of both isolated tracheal tissue and in the isolated lung perfusion model, emphasising the major role antioxidants play in both the epithelium lining fluid (ELF) of the respiratory system and in plasma throughout the body in protecting against the destructive effects of ozone. Surprisingly, pre–treatment with ascorbic acid did not prevent hyper responsiveness of isolated tracheal preparations to methacholine after a 10 min ozone (19.5 ± 0.5 ppm) exposure. In the lung perfusion model, the presence of ascorbic acid in the perfusion medium did, however, significantly reduce the magnitude and rate of decline in lung compliance after ozone exposure (46% decline with ascorbic acid versus 96% in the control study without ascorbic acid). Examination of a lung perfusion model exposed to ozone (19.5 ± 0.5 ppm O3; 5 seconds) presented a significant decline in lung compliance (95.6% within 2 min), tidal volume (70%) and maximum inspiratory flow (71.2%), with an ensuing reduction in lung elasticity and severely hampered breathing pattern. Microscopic examination after acute high–dose inhalation studies did not display any significant cellular damage, oedema or inflammation after acute high–dose ozone exposure. This suggests that significant cellular injury and inflammation is possibly not the causative factor of early breathing difficulty experienced after acute high–dose ozone inhalation, as these symptoms and particularly the result of inflammatory precursors, is believed to probably only set in at a later stage. Although the potential advantages of ozone in certain fields of medicine are not disputed, ozone, depending on its concentration and cumulative dose, can be either therapeutic or toxic. Observations in this study emphasised that even short bursts of high–dose ozone inhalation have deleterious effects on respiratory health and care should be taken not to jump to conclusions regarding ozone’s medical application without relevant scientific evidence. It must be stressed that high–dose inhalation of ozone should be avoided at all cost – especially by those with existing airway diseases. / Thesis (Ph.D. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

Ozone, being an unstable molecule, is believed to be one of the strongest oxidant agents known to man. Rapid growth in the application of ozone — both as disinfectant and as form of alternative medicine — led to questions about the effects of uncontrolled ozone exposure and inhalation, whether intentional or unintentional, on the human body. This study specifically focussed on examining, identifying and substantiating the respiratory effect of acute exposure (10 min or less) to considerably higher ozone concentrations than reported on before (19.5 ± 0.5 ppm). Respiratory tissue of rodents (Duncan–Hartley guinea pigs of both sexes and Male Wistar rats) was subjected to ozone by utilising three distinctly diverse models of ozone introduction: (a) in vitro exposure, (b) in vivo exposure, and (c) ex vivo by employing an isolated lung perfusion model which allows for real–time, breath–by–breath data acquisition of ozone’s effect on respiratory mechanics. The effect of ozone on the isolated trachea in the presence of various drugs with well–known effects, including methacholine, isoproterenol and ascorbic acid was also examined. The results found in this study identified two direct effects on the isolated trachea due to ozone exposure: (1) a definite contraction of the isolated trachea immediately after exposure to ozone, and (2) a clearly visible and significant hyper responsiveness of the isolated trachea to irritants, e.g. methacholine. Although ozone has a negative effect on the trachea, it was concluded that ozone has no adverse effect on muscarinic acetylcholine receptors. An apparent EC50 value of ozone on the trachea was established by two different methods as (2.77 ± 0.02) x 10–3 M and (2.10 ± 0.03) x 10–3 M, respectively. Ozone furthermore displayed an attenuation of the beneficial pharmacological response of –sympathomimetic drugs (i.e. isoproterenol), while isoproterenol itself has a relaxing effect on the ozone–induced contraction of the isolated trachea. Indomethacin pre–treatment of isolated tracheal tissue significantly (77%) reduced the ozone–induced contraction of tracheal smooth muscle, suggesting that COXproducts of arachidonic acid play a prominent role in the development of pulmonary function decrements consequent to acute high–dose ozone exposure. Ascorbic acid exhibited a meaningful prophylactic effect on ozone–induced contraction of both isolated tracheal tissue and in the isolated lung perfusion model, emphasising the major role antioxidants play in both the epithelium lining fluid (ELF) of the respiratory system and in plasma throughout the body in protecting against the destructive effects of ozone. Surprisingly, pre–treatment with ascorbic acid did not prevent hyper responsiveness of isolated tracheal preparations to methacholine after a 10 min ozone (19.5 ± 0.5 ppm) exposure. In the lung perfusion model, the presence of ascorbic acid in the perfusion medium did, however, significantly reduce the magnitude and rate of decline in lung compliance after ozone exposure (46% decline with ascorbic acid versus 96% in the control study without ascorbic acid). Examination of a lung perfusion model exposed to ozone (19.5 ± 0.5 ppm O3; 5 seconds) presented a significant decline in lung compliance (95.6% within 2 min), tidal volume (70%) and maximum inspiratory flow (71.2%), with an ensuing reduction in lung elasticity and severely hampered breathing pattern. Microscopic examination after acute high–dose inhalation studies did not display any significant cellular damage, oedema or inflammation after acute high–dose ozone exposure. This suggests that significant cellular injury and inflammation is possibly not the causative factor of early breathing difficulty experienced after acute high–dose ozone inhalation, as these symptoms and particularly the result of inflammatory precursors, is believed to probably only set in at a later stage. Although the potential advantages of ozone in certain fields of medicine are not disputed, ozone, depending on its concentration and cumulative dose, can be either therapeutic or toxic. Observations in this study emphasised that even short bursts of high–dose ozone inhalation have deleterious effects on respiratory health and care should be taken not to jump to conclusions regarding ozone’s medical application without relevant scientific evidence. It must be stressed that high–dose inhalation of ozone should be avoided at all cost – especially by those with existing airway diseases. / Thesis (Ph.D. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

Suite à la signature du Protocole de Montréal en 1987, la concentration atmosphérique des substances destructrices d’ozone (ODS) est en baisse. La couche d’ozone montre des signes de récupération (Morgenstern et al. 2008a). Toutefois, l’émission des gaz à effet de serre (GHG) est en augmentation et devrait affecter au cours du 21ème siècle la distribution et les niveaux d’ozone dans l’atmosphère terrestre. En particulier, la modélisation du climat futur montre des signes d’accélération de la circulation de Brewer-Dobson transportant l’ozone de l’équateur vers les pôles. L’ozone est un constituant chimique important de l’atmosphère. Bien que nocif dans la troposphère, il est essentiel à la vie sur Terre grâce à sa capacité d’absorption d’une grande partie du rayonnement ultraviolet (UV) provenant du Soleil. Des modifications dans sa variabilité temporelle ou géographique impliqueraient des changements d’intensité du rayonnement UV à la surface de la Terre (Hegglin et al. (2009), Bais et al. (2011)). Le rayonnement UV à la surface affecte toute la biosphère. Les interactions entre rayonnement UV et écosystèmes terrestres et aquatiques sont nombreuses. Ces interactions ont des effets sur les cycles biogéochimiques et engendrent des rétroactions positives et négatives sur le climat (Erickson III et al., 2015a). La capture du CO2 atmosphérique par photosynthèse des plantes terrestres en est un exemple (Zepp et al., 2007a). Dans l’océan la pompe biologique du CO2 par la photosynthèse du phytoplancton est aussi directement affecté par la variabilité du rayonnement UV (Hader et al., 2007a). Pour l’homme le rayonnement UV est nécessaire car il participe à la photosynthèse de la vitamine D (Holick et al., 1980), mais une surexposition à des niveaux d’intensité élevés du rayonnement UV est la cause principale du développement de cancer de la peau (Matsumura and Ananthaswamy, 2004). L’objectif de ce travail de thèse est d’analyser l’évolution possible du rayonnement UV au cours du 21ème siècle, en particulier aux tropiques sud, dans le cadre des modifications climatiques attendues. Une première partie de ce travail consiste à modéliser le rayonnement UV en ciel clair dans les tropiques grâce au modèle TUV (Madronich et al., 1998) et à comparer les résultats aux mesures sols réalisées à la Réunion. Cette première partie permet l’utilisation future du modèle aux tropiques avec un bon niveau de confiance. La sensibilité du modèle de transfert radiatif en fonction de différents paramètres d’entrée est analysée (section efficace d’absorption de l’ozone,spectre extraterrestriel du soleil, ...). Les sorties du modèle sont ensuite validées à partir de mesures UV spectral au sol obtenues grâce à un spectromètre BENTHAM DM300n. Un filtrage ciel-clair des données au sol est opéré à partir de mesures de flux et de l’algorithme de Long and Ackerman (2000). Les projections climatiques des indices UV (Mc Kinlay and Diffey, 1987) sont réalisées par la suite. Pour cela, on utilise les sorties de plusieurs modèles de Chimie-Climat participant à l’exercice d’inter-comparaison CCMI (Chemistry Climate Model Initiative), couplées aux modèle TUV, validé en première partie dans les tropiques. L’exercice CCMI consiste à projeter le climat et la chimie Terrestre jusqu’en 2100 selon différents scénarios. Ces sorties décrivant la chimie et physique de l’atmosphère servent d’entrée au modèle de transfert radiatif, on obtient alors le rayonnement UV jusqu’en 2100 pour différents scénarios. Une première analyse comparative de l’UV obtenue pour quatre scénarios d’émissions (RCP2.6/4./6.0/8.5, Meinshausen et al., 2011) est effectuée. La fin du travail consiste à étudier l’impact des ODS, GHG et aérosols sur l’évolution du rayonnement UV au cours du 21ème siècle, avec un focus particulier sur les tropiques de l’hémisphère sud. / Following the 1987 Montreal Protocol, atmospheric concentrations of ozone-depleting substances are decreasing. The ozone layer shows signs of recovery. Nonetheless, greenhouse gases emissions (GHG) are rising et should affect the ozone distribution in the atmosphere. Ozone is an important due to his ability to absorb ultraviolet (UV) radiation. The goal of this work is to analyse the possible evolution of UV radiation through the 21st century, particularly in the tropics, for possible climate modification. The first part of this work is to UV in clear-sky in the tropics with the TUV (Madronich et al., 1998) model and to compare against ground-based observations made on Reunion Island. This validation allows the utilisation of TUV in the tropics with a good confidence level. The sensitivity of the model is analysed for multiple parameters. Modelling output is validated against spectral ground-based measurement. Climate Projection of UVI (Mc Kinlay and Diffey, 1987) are then realized with the use of output from model participating in the CCMI ( Model Initiative) exercise and the TUV model. CCMI output describes the chemistry and physics of the atmosphere through the 21st century for four climate scenarios (RCP2.6/4.5/6.0/8.5), they are used as input for the TUV model in order to obtain UV radiation. ODS, GHG and aerosols impact on UVI evolution is analysed.