Urban pollutants have been identified as a significant source of environmental pollution, posing a risk to human health, the environment, and are toxic to flora and fauna. Highways are recognised as one of the key sources of pollution, from both vehicles, and surrounding infrastructure. A number of studies have investigated accumulation of sediment and the associated pollutants on highways, and the runoff generated as a result of rainfall. Car parks share many potential contributory sources of pollutants with highways, but there is a lack of studies regarding car parks, despite them being identified as a significant percentage of urban land use. A series of experiments were undertaken in order to develop an understanding of the characteristics of car park sediment. The physical and chemical characteristics of sediment were analysed at different stages throughout the drainage system. Firstly on the sediment accumulated on car park surfaces, followed by that mobilised and transported into a channel drain during simulated rainfall events. Finally, potential treatment of pollutants within sediment in a channel was quantified. The physical and chemical characteristics of car park sediment was shown to be similar during both the accumulation (build-up) and wash-off stages, suggesting that the accumulated sediment is generally mobilised and transported to the channel drain (wash-off). Furthermore, both the physical and chemical characteristics of the sediment were shown to be similar to those found on highways, thorough the build-up and wash-off phases. Finally, potential treatment of organic pollutants (PAH) by biodegradation was demonstrated, but not comprehensively proved.

Les estuaires sont des zones de transition entre les eaux fluviales et les océans soumis à de fortes contraintes d’origine anthropique, telles que la pollution chimique. Pourtant, les estuaires sont d’une importance écologique primordiale, et sont notamment des zones de nourricerie ou de reproduction pour de nombreuses espèces. Le Flet européen Platichthys flesus est un modèle souvent utilisé comme espèce sentinelle dans les estuaires. Le but de ces travaux est d’explorer les mécanismes de réponse du Flet européen à la contamination chimique, afin éventuellement d’identifier de nouveaux biomarqueurs. Il a donc été choisi de mener cette étude par une approche de protéomique par électrophorèse en deux dimensions. Les protéines différentiellement accumulées en réponse à la pollution ont été identifiées par MALDI TOF-TOF. Ces études par protéomique ont été complétées par des mesures ciblées de transcription de gènes. Tout d’abord, des flets juvéniles issus d’un élevage ont été contaminés expérimentalement avec deux doses d’un cocktail de HAP et PCB (concentration retrouvée dans la Seine, et 10 fois celle-ci). Après 29 jours de contamination, le métabolisme énergétique paraît dérégulé. Des protéines impliquées dans les défenses anti-oxydantes et la détoxification sont accumulées dans le foie des poissons contaminés. Les résultats nous ont conduit à poser l’hypothèse de l’implication de la BHMT dans un cycle aboutissant à la production de GSH, et qui pourrait donc participer à la détoxification ou aux défenses anti-oxydantes. Ensuite, les profils protéiques de foies de poissons issus de 3 estuaires de la Manche ont été comparés. Les profils protéiques des foies de poissons de la Seine et de la Tamar, 2 estuaires présentant des profils de contamination différents, se sont révélés différents des profils protéiques des foies des poissons de la Canche. Des différences moins marquées entre les profils protéiques des foies de poissons de la Seine et de la Tamar pourraient refléter les différences entre les contaminants présents dans ces estuaires. / Estuaries are important areas highly susceptible to anthropogenic degradations such as pollution. Estuarine species have to cope not only with environmental constraints inherent to estuarine habitats, but also with the presence of contaminants, the occurrence of hypoxic events or with waters warming. The European flounder Platichthys flesus is considered as a sentinel species in estuarine water quality monitoring. This study investigates the molecular mechanisms allowing the European flounder to cope with these different stress factors, both in environmental and experimental conditions, in order to eventually identify potential biomarkers of the response to contamination. A proteomic approach using 2-dimensional electrophoresis followed by MALDI TOF-TOF mass spectrometry allowed us to identify differentially expressed proteins in flounder livers, and then to better understand the mechanisms and a pathway implied in the response of flounder to environmental constraints. These observations were completed by targeted markers analyses by qPCR and enzymatic activity measurements. First, farm flounders were experimentally contaminated with two concentrations of PAH/PCB cocktails (concentrations found in the Seine and ten times this concentration). After 29 days of contamination, energetic metabolism was deregulated in contaminated flounder livers. Proteins involved in anti-oxidative defenses and detoxification were also accumulated. We suggest that BHMT could be implied in a pathway leading to the production of GSH allowing detoxification and anti-oxidative defense. Then, Flounders were fished in contrasted estuaries along the French Atlantic coast. The liver proteomic patterns of Flounders from the Seine (France) and the Tamar (UK), two estuaries displaying different contamination patterns, and from the Canche (France), were compared to characterize the proteins differentially expressed between these sites. Proteome profiles reflected the contamination patterns in each estuary.

Notre travail de thèse a porté sur les modalités de dépôts de PGE et HAP sur le fourrage à partir d’un bio-accumulateur (ray-grass). Les cinétiques du dépôt de PGE et HAP sur les plants de ray-grass exposé en bordure d’autoroute ont montré que l’essentiel de la contamination s’effectue durant les premières semaines d’exposition, et aussi que ces contaminants restent fixés au ray-grass au moins cinq semaines après son retrait de l’autoroute. L’étude de l’influence des conditions du trafic a montré un faible impact de l’autoroute sur la contamination du ray-grass en PGE et HAP par rapport à une route nationale, suggérant que le dépôt de PGE et HAP sur le ray-grass est beaucoup plus lié aux propriétés de leurs émissions par les véhicules que par le nombre de véhicules. La spatialisation de l’exposition du fourrage en PGE et HAP à l’échelle parcellaire a révélé une diminution significative des concentrations de Pd, Rh et HAP du ray-grass avec l’éloignement de la source d’émission. / Our thesis work concerned the methods of PGE and PAH deposits on fodder using a bio-accumulator (ryegrass). The deposit kinetics of PGE and PAH on ryegrass exposed in the vicinity of a highway showed that the main part of the contamination is carried out during the first weeks of exposure, and also that these contaminants remain fixed on the ryegrass at least five weeks after its removal from the highway. The study of the traffic conditions influence showed a weak impact of the highway on the ryegrass contamination by PGE and PAH compared to a rural road, suggesting that the PGE and PAH deposits on the ryegrass are much more related to the emission properties from the vehicles than to the number of vehicles. The spatialization of the fodder exposure in PGE and PAH on a fodder plot scale revealed a significant reduction of the Pd, Rh and PAH concentrations of the ryegrass with the distance of the emission source.

Ce travail de thèse a eu pour objectif une meilleure caractérisation, au niveau moléculaire, de l’aérosol organique atmosphérique, en lien avec les composés polyaromatiques. Cette étude s’est articulée autour de deux approches différentes mais complémentaires. Une étude de terrain conduite à Grenoble a permis d’appréhender les niveaux de concentration, la variabilité saisonnière et la répartition gaz/particule des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), oxy-HAP (OHAP) et nitro-HAP (NHAP), pendant une année entière. Ce travail de terrain a aussi permis d’appréhender les sources primaires et secondaires des OHAP et NHAP ainsi que de proposer des molécules marqueurs de ces processus de formation. Une étude complémentaire conduite en chambre de simulation atmosphérique a, quant à elle, eu pour but l’investigation de la formation d’aérosol organique secondaire (AOS), suite à la photooxydation du naphtalène et du 2-méthylnaphtalène. L’identification de la formation de produits organosoufrés de type organosulfates et sulfonates, à partir de la photooxydation de HAP gazeux, a été mise en évidence pour la première fois lors de cette thèse, ce qui a permis de proposer ces composés comme des marqueurs de formation d’AOS à partir des HAP. La capacité de ces AOS à absorber le rayonnement UV-Visible a été appréhendée et les molécules responsables de cette absorption ont été identifiées. Une caractérisation chimique poussée de l’AOS a mis en évidence sa dépendance aux différentes conditions expérimentales (type de particules d’ensemencement, acidité et humidité relative) et a conduit à l’identification et à la proposition de nouvelles voies réactionnelles. / This PhD work deals with a better characterization, at the molecular level of the organic atmospheric aerosol in relation to polycyclic aromatic compounds (PACs), and has been structured using two different but complementary approaches. Field measurements were conducted in Grenoble (France) and concentration levels, seasonal variability and gas/particle partitioning distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), oxy-PAHs (OPAHs) and nitro-PAHs (NPAHs) have been investigated for one whole year. This field study allowed to a better understanding of primary vs secondary sources of OPAHs and NPAHs and specific molecular markers related to different sources have been identified. A complementary study was carried out using an atmospheric smog chamber, in order to investigate the formation of secondary organic aerosol (SOA) from the photooxidation of naphthalene and 2-methylnaphthalene, two of the most abundant PAHs in the gas-phase. The formation of organosulfates and sulfonates, from the oxidation of gaseous PAHs, has been highlighted for the first time in this work and these compounds have been proposed as potential SOA markers of PAH photooxidation. UV-Visible absorption of SOA generated during these experiments was investigated and led to the identification of specific molecules responsible for this absorption. A wide chemical characterization of SOA was performed and emphasized its dependence on many experimental factors (nature of seed particles, relative humidity and seed acidity) and allowed to propose some new chemical reaction pathways.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés organiques présents dans l’ensemble des compartiments environnementaux. Dans l’atmosphère, leurs sources sont à la fois naturelles (feux de biomasse, éruptions volcaniques) et anthropiques (industrie, transport, chauffage résidentiel). Une fois émis, sous forme gazeuse ou adsorbés à la surface de particules atmosphériques, les HAP sont susceptibles d’être impliqués dans des processus physico-chimiques tels que la photodégradation et/ou des réactions d’oxydation avec différentes espèces radicalaires. Du fait de leur toxicité avérée, ces composés font l’objet de différentes réglementations, législations françaises et européennes. Concernant le compartiment atmosphérique, seul le benzo(a)pyrène présente aujourd’hui des seuils d’émission à respecter. Afin de faire évoluer ces textes et de mettre en place des mesures de réduction d’émissions, diverses approches ont été développées dans le but de différencier leurs sources dans l’atmosphère. L’approche moléculaire, basée sur les profils moléculaires et les rapports de concentrations, permet d’apporter des informations quant à leurs origines. En revanche, elle souffre de biais induits par les conditions de formation des HAP (température, conditions environnementales…) et par les processus physico-chimiques dans lesquels ils sont impliqués. L’objectif principal de ce travail est de mettre en place une méthodologie de traçage de sources des HAP particulaires par une approche isotopique. Le développement du protocole analytique a été réalisé pour déterminer la composition isotopique moléculaire des HAP particulaires par GC/C/IRMS. Il a été montré que la réactivité des HAP sous l’action d’oxydants (O3, NO2, OH) et/ou de la lumière solaire n’induisait pas de variation significative de la composition isotopique moléculaire des HAP. Cette méthodologie a ainsi pu être appliquée sur des échantillons naturels, prélevés sur des sites caractérisés par des sources spécifiques. Il a été montré que les 13C/12C des HAP, en complément de données moléculaires, permettent de différencier les origines de ces composés. Par exemple, les caractéristiques moléculaires et isotopiques de HAP issus de la combustion de plusieurs espèces de bois d’origine méditerranéenne ont été déterminées en appliquant cette méthodologie à des échantillons collectés directement à l’émission. Enfin, dans le cadre de l’étude de la pollution et de ses impacts dans le Bassin d’Arcachon, les apports atmosphériques en HAP ont été mesurés par l’approche moléculaire couplée à d’autres outils (rétrotrajectoires, oxydants, roses des vents…) afin de compléter le diagnostic environnemental. / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are carcinogenic compounds, present in all the compartments of the Environment. In the atmosphere, their sources are both from natural (biomass burning, volcanic emissions...) and anthropogenic (transport, industry, residential heating...) origins. Once emitted in the atmosphere, PAH are distributed between the gaseous or particulate phases and may be involved in different physico-chemical processes such as photodegradation, radical-initiated oxidations... Due to their carcinogenicity, PAH emissions are nowadays subjected to various regulations from France and more largely, European Union. In the atmosphere, benzo(a)pyrene has been selected as representative of the PAHs because of its high toxicity. In order to improve regulations involving emission reductions, several methodologies have been developed to perform source apportionment. The most commonly used in the literature is the molecular approach, based on molecular profiles and particular ratios. Nevertheless, conditions of PAH formation and physico-chemical processes affect these characteristic values. The main objective of this work was to develop a new methodology of particulate-PAH source tracking based on the molecular isotopic composition. The development of analytical procedure was performed to determine 13C/12C of PAHs by GC/C/IRMS. The study of the impact of PAH reactivity in the presence of O3, NO2, OH and/or solar radiations shows that no significant isotopic fractionation is induced on their isotopic compositions. Molecular isotopic approach was applied on natural particles, collected at different specific sites: 13C/12C of PAHs and molecular data allow differentiating particulate-PAH sources. Therefore, determinations of molecular and isotopic characteristics have been undertaken by applying this methodology on particulate-PAHs emitted during the combustion of fifteen Mediterranean woods. Finally, molecular approach coupled with different parameters (back-trajectories, oxidant concentrations, wind roses...) enables to measure the levels of PAH concentrations in the atmosphere in order to evaluate their impacts as a source of pollution in the Arcachon Bay.

Several different mechanisms leading to the formation of (substituted) naphthalene and azanaphthalenes were examined using theoretical quantum chemical calculations. As a result, a series of novel synthetic routes to Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and Nitrogen Containing Polycyclic Aromatic Compounds (N-PACs) have been proposed. On Earth, these aromatic compounds originate from incomplete combustion and are released into our environment, where they are known to be major pollutants, often with carcinogenic properties. In the atmosphere of a Saturn’s moon Titan, these PAH and N-PACs are believed to play a critical role in organic haze formation, as well as acting as chemical precursors to biologically relevant molecules. The theoretical calculations were performed by employing the ab initio G3(MP2,CC)/B3LYP/6-311G** method to effectively probe the Potential Energy Surfaces (PES) relevant to the PAH and N-PAC formation. Following the construction of the PES, Rice-Ramsperger-Kassel-Markus (RRKM) theory was used to evaluate all unimolecular rate constants as a function of collision energy under single-collision conditions. Branching ratios were then evaluated by solving phenomenological rate expressions for the various product concentrations. The most viable pathways to PAH and N-PAC formation were found to be those where the initial attack by the ethynyl (C2H) or cyano (CN) radical toward a unsaturated hydrocarbon molecule led to the formation of an intermediate which could not effectively lose a hydrogen atom. It is not until ring cyclization has occurred, that hydrogen elimination leads to a closed shell product. By quenching the possibility of the initial hydrogen atom elimination, one of the most competitive processes preventing the PAH or N-PAC formation was avoided, and the PAH or N-PAC formation was allowed to proceed. It is concluded that these considerations should be taken into account when attempting to explore any other potential routes towards aromatic compounds in cold environments, such as on Titan or in the interstellar medium.

Cette thèse a été réalisée avec l'Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay sur la ligne AILES du centre de rayonnement synchrotron SOLEIL. L'objet de cette thèse est la spectroscopie à haute résolution dans l'infrarouge lointain de molécules possédant un intérêt pour l'astrophysique. Deux groupes de molécules distincts ont été abordés : des molécules hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) et des petites molécules protonées. Les spectres de rotation-vibration de ces différentes molécules ont été enregistrés avec un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier qui utilise le rayonnement synchrotron extrait par la ligne AILES comme source de continuum infrarouge.Concernant les molécules d'HAPs, les bandes infrarouge lointain (IRL) de la quinoxaline, la quinazoline, le [1,5]-naphthyridine, le [1,6]-naphthyridine et l'indole ont été obtenus à température ambiante dans une cellule à long parcours optique. Nous avons analysé les structures rotationnelles extrêmement denses des bandes IRL les plus intenses par la technique des combinaisons de différence car chaque mode possède une densité spectrale particulièrement importante. Des calculs DFT anharmoniques ont également été effectués afin de guider nos analyses. Les résultats préliminaires obtenus avec le dispositif Jet-AILES mis en place sur la ligne AILES concernant les molécules de fluorène et de phénanthrène, qui sont des molécules d'HAPs avec trois cycles aromatiques, sont également présentés.Pour les molécules protonées, les spectres ont été obtenus dans une cellule à décharge de type « cathode creuse ». Cette cathode pouvant être refroidi à l'azote liquide a été développé au cours de cette thèse. Les spectres de rotation-vibration de six molécules (H3+, N2H+, HCO+, ArH+, KrH+ et XeH+) ont été enregistrés dans l'infrarouge moyen (1400-4000 cm-1) ainsi que le spectre de rotation pure dans l'infrarouge lointain de quatre d'entre-elles (N2H+, ArH+, KrH+, XeH+). L'analyse des spectres des molécules de KrH+ et de XeH+, possédant de nombreuses transitions appartenant à plusieurs espèces isotopiques présentes en abondance naturelle, a été réalisée en utilisant un Hamiltonien de type Dunham pour traiter simultanément l'ensemble des isotopes. Des résultats préliminaires prometteurs en termes de sélectivité et de de sensibilité sont également présentés, avec la mise en place d'un système de détection synchrone associé à une modulation de la concentration des espèces réactives produites dans la cellule à décharge.Les résultats présentés dans ce manuscrit pourront aider à la détection et à la quantification d'espèces présentes dans le milieu interstellaire par comparaisons avec des données d'observation astronomique. / This thesis was conducted with the “Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay” on the AILES beamline at the synchrotron facility SOLEIL. The subject of this thesis deals with the high-resolution spectroscopy of molecules in the far infrared which have an astrophysical interest. Two different groups of molecules were investigated: polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and light protonated molecules. The rotation-vibration spectra of these molecules have been recorded with a Fourier transform infrared spectrometer using the synchrotron radiation extracted by the AILES beamline as an infrared continuum source.Concerning PAH molecules, the spectra of quinoxaline, quinazoline, [1,5]-naphthyridine, [1,6]-naphthyridine and indole were obtained at room temperature with a long optical path cell. The rotationally resolved vibrational bands were analyzed by the ground state combination differences technique because each mode has a particularly large spectral density. Anharmonic DFT calculations were also performed to support our analysis. Preliminary results obtained with the supersonic jet experiment available on the AILES beamline (Jet-AILES) on the fluorene and phenanthrene molecules with three aromatic rings.For the protonated molecules, the spectra were recorded using a discharge cell in a "hollow cathode" configuration. The cathode which can be cooled down to liquid nitrogen temperature has been developed during this thesis. The spectra of rotation-vibration of six cations (H3+, N2H+, HCO+, ArH+, KrH+ and XeH+) were recorded in the mid-infrared (1400 to 4000 cm-1) and the pure rotational spectrum in the far infrared for four of them (N2H+, ArH+, KrH+, XeH+). The KrH+ and XeH+ spectra which contained many transitions belonging to several isotopologues in natural abundance have been analyzed with a Dunham Hamiltonian to treat all isotopologues. Promising preliminary results in terms of selectivity and sensitivity are also presented concerning the establishment of a phase sensitive detection system associated with a concentration modulation of the reactive species produced in the discharge cell.The results reported in this manuscript could be used to allow the detection and the quantification of species present in the interstellar medium by comparison with astronomical observation data.

Polyaromatic hydrocarbons (PAHs) are contaminants synthesized through incomplete combustion of carbon based substances. PAHs are known to be photodynamic and toxicity increases exponentially when in contact with ultraviolet radiation (UV). The effect of UV absent recovery periods and potential for latent toxicity during photo-induced toxicity are previously unknown and are not included within the toxicity model. Results of equal interval tests further support the current reciprocity model as a good indicator of PAH photo-induced toxicity. Interval test results also indicate a possible presence of time-dependent toxicity and recovery thresholds and should be included into toxicity risk assessments. Moreover, results of latent effects assays show that latent mortality is a significant response to PAH photo-induced toxicity and should be included into toxicity risk assessments. The present research demonstrates that UV exposure time rate is a significant driving force of PAH photo-induced toxicity.

Polyaromatic hydrocarbons (PAHs) are oil derived toxic and persistent pollutants prevalent across the oceans from pelagic waters to coral reefs. The Great Barrier Reef (GBR) in Australia and the Red Sea are important oligotrophic marine ecosystems susceptible to oil contamination. This Ph.D. dissertation aims to advance our understanding on PAH tolerance, accumulation dynamics and trophic transfer in oligotrophic ecosystems where those aspects remain poorly explored. In this dissertation, a new, highly-sensitive method combining stable carbon isotope labelling and cavity ring-down spectroscopy (CRDS) was developed to quantify PAH accumulation and applied in a series of ex situ food chain experiments with two representative PAHs, 13C-phenanthrene and 13C-pyrene. The experiments conducted with Acropora millepora – a common reef-building coral in the GBR, showed faster accumulation of both PAHs by dissolved uptake, although dietary exposure caused more consistent accumulation. Phenanthrene was not toxic to the coral photosystem II in either exposure mode but biomagnification increased with increasing food-chain complexity. In contrary, pyrene led to loss of symbionts accompanied by reduction in photosynthetic efficiency and coral bleaching, especially via dietary uptake. Also, microbial communities and food webs are relevant components of oligotrophic waters. We identified contrasting sensitivities among key autotrophic and heterotrophic microbial populations in the chronically oil exposed Red Sea to a mixture of 16 PAHs recognized as priority pollutants. The differential tolerance pointed towards localized selection for resistant strains in some populations. Some PAH toxicity thresholds approached ambient PAHs concentrations suggesting that any increase in pollution loads will hold consequences for these important microbial groups and their ecological functions.

The effect of ultra-high temperature (UHT) on production of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) on the surface of beef steaks was determined. Beef steaks were treated with five treatments, raw, UHT, UHT/grill marks, UHT/grill marks/microwave, and charcoal grilled. Four PAHs, benzo[a]pyrene, benz[a]anthracene, benzo[b]fluoranthene, and benzo[k]fluoranthene, were quantified. High performance liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography (GC) were used to purify and analyze the PAH extracts, respectively. Levels of PAH found on charcoal-grilled steaks were higher than those observed in the literature. A balanced incomplete block design was used to analyze the data. There were no significant differences among the treatments in the production of the benzofluoranthenes. There were significant increases in production of benzo[a]pyrene and benz[a]anthracene when grill marks were applied to the UHT steak. Microwaving significantly decreased the levels of benzo[a]pyrene and benz[a]anthracene. The production of these PAHs on UHT/grill mark/microwave steak did not differ significantly from the charcoal-grilled steak in the levels of PAH quantified.