Apis mellifera Linnaeus (1758) è un insetto eusociale conosciuto in tutto il mondo sia per la produzione di miele sia per il suo ruolo di impollinatore, uno dei servizi ecosistemici fondamentali per la biodiversità del pianeta. Durante la sua attività di foraggiamento, l’ape è esposta agli inquinanti ambientali tra cui il particolato atmosferico aerodisperso (PM). Il particolato atmosferico può depositarsi sul corpo dell’insetto e infine contaminare anche i prodotti apistici come polline e miele. Il PM può avere diverse dimensioni (es. PM10, PM2.5, PM0.1), composizione chimica, morfologia e fonti di emissione (naturale o antropica). Nel presente elaborato di tesi, tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM-EDX) sono state utilizzate per caratterizzare la contaminazione da PM di origine antropica del corpo dell’ape e dei suoi prodotti (Capitolo 2 e Capitolo 3) e analisi molecolari per studiare gli eventuali effetti sub-letali sul microbiota intestinale di api esposte ai PM per via orale (Capitolo 4). / Apis mellifera Linnaeus (1758) order Hymenoptera family Apidae, is a eusocial insect widely known for its role in pollination, a fundamental ecosystem service for plant biodiversity and ultimately for the planet. During flight and foraging activity, the honey bee can collect airborne particulate matter (PM) on their own body, especially on the forewings, and can also contaminate bee products as pollen and honey. Particulate matter can originate from natural or anthropic sources, and is characterised by size (e.g., PM10, PM2.5, PM0.1), chemical composition, and morphology. In this thesis, honey bee, pollen and honey were used as bioindicator of PM – from coarse to ultrafine – in industrial areas of the Po Valley, Italy (Chapter 2 and Chapter 3). The (sub-lethal) effects of Titanium dioxide – a widespread airborne PM1 pollutant – on the honey bee through oral exposure was then investigated (Chapter 4). The technique used to analyse the PM contaminating bees and bee products is the scanning electron microscopy (SEM) coupled with X-ray spectrometer (EDX). EDX spectra allowed us to obtain chemical information from specimens, while backscattered-electron (BSE) imaging and elemental mapping provided both compositional and topographic information of PM.

Grâce à des études de processus in vitro, on a pu montrer que les effets sanitaires des particules atmosphériques (aérosols) sont principalement attribués à leur potentiel inflammatoire via les espèces oxydantes qu’ils véhiculent : métaux et molécules organiques, principalement. Les maladies déclenchées diffèrent ensuite régionalement selon les mélanges spécifiques des différentes sources de pollution, la durée d’exposition et la susceptibilité des personnes. Les paramètres clefs à quantifier sont donc la bioaccessibilité (fraction potentiellement réactive de l’aérosol) et la capacité oxydante intrinsèque des aérosols afin de prédire leur toxicité. A cette fin, des tests non invasifs, c’est-à-dire effectués sur le mélange de polluants lui-même et non pas sur l’individu, ont été récemment développés (Cho et al. 2005; Sauvain et al. 2009; Denys et al. 2009; Li et al. 2003; Uzu et al. 2011). Peut-on les utiliser en l’état alors que la composition chimique des aérosols diffère drastiquement en fonction de l’environnement? On sait notamment que les bactéries présentes dans l’air sont capables d’abaisser la capacité oxydante des nuages, en est-il de même pour les particules (Vaïtilingom et al. 2012)? Peut-on relier ces tests à certaines espèces caractérisées chimiquement et/ou à des sources spécifiques de PM (Particulate Matter) ? Ce sont des questions préalables au développement d’une évaluation systématique des effets sanitaires des polluants atmosphériques, qui sont l’objet de programmes de recherche très actifs dans de nombreux groupes internationaux, mais encore très peu abordés en France. Elles doivent être prises en compte avant que ne soit développées des campagnes à grande échelle (risque sanitaire, épidémiologie...) qui pourront être mises en oeuvre en partenariat avec les réseaux de mesure de la qualité de l’air dans les années à venir (Kelly and Fussell 2012).Ce projet de thèse vise à mettre en place de nouveaux outils caractérisant la qualité de l’air et son impact biologique, avec les objectifs suivants :-Optimiser et valider un test d’évaluation du potentiel oxydant des aérosols suivant différents types de mélanges ;-Relier ces « proxy » de l’impact sanitaire à la chimie des particules et à la part attribuable des PM selon leurs sources. / In vitro studies have shown that the health effects of airborne particles (aerosols) are mainly attributed to their inflammatory potential due to the oxidative species they carry on: mostly metals and organic molecules. Diseases triggered then, regionally differ depending on the specific mixtures of different sources of pollution, duration of exposure and susceptibility of individuals. Key parameters to investigate are the bioaccessibility (reactive fraction of the aerosol) and the PM (Particulate matter) oxidative potential to predict aerosol toxicity. To this end, non-invasive tests, that is to say made on the mixture of pollutants itself and not on human or cells, have recently been developed (Cho et al 2005, Sauvain et al 2009, Denys et al 2009, Li et al 2003, Uzu et al 2011). Can we use them evenly, since the chemical composition of aerosols differs drastically between regional areas? We know that such bacteria present in the air are able to lower the oxidative capacity of clouds. Is it the same for particles (Vaïtilingom et al. 2012)? Can we connect these tests to some species or specific sources of identified PM? These preliminary questions need to be addressed before developing a systematic assessment of health effects of air pollutants, which are the subject of very active research programs in many international groups, but poorly discussed in France. They must be taken into account before being developed for large-scale campaigns (health risk, epidemiology...) that can be implemented in partnership with the networks of air quality measurment in the coming years (Kelly and Fussell 2012).This PhD project aims to develop new tools characterizing the air quality and its biological impact, with the following objectives:- Optimize and validate a test evaluation of oxidative potential of aerosols following different types of mixtures;- Connect the "proxy" of the health impact of chemicals and particles attributable PM according to their origin.

La pollution atmosphérique est un problème de santé publique. En 2013, le Centre International de Recherche sur le Cancer a classé la pollution de l'air, ainsi que les particules fines (PM₂.₅), de taille inférieure à 2,5 µm, comme cancérogène de groupe I pour l'homme. Les PM₂.₅ ont la capacité de pénétrer en profondeur dans l'appareil respiratoire. En se déposant au niveau des alvéoles pulmonaires, elles entraînent une réponse inflammatoire importante notamment via la libération de médiateurs de l'inflammation et des vésicules extracellulaires (EV) par les cellules immunitaires infiltrantes ou résidentes. Dans ce contexte, ce projet de thèse comportait deux objectifs majeurs : i) déterminer les caractéristiques chimiques des PM₂.₅ collectées en milieu industrialo-urbain, en identifier les origines et la variabilité saisonnière de leur composition chimique ; ii) étudier la réponse et les EV produites par les macrophages suite à l'exposition aux PM₂.₅ et observer les effets des EV sur les cellules pulmonaires.Pour cela, des macrophages primaires ont été exposés aux PM₂.₅ prélevées à Dunkerque et leur réponse cellulaire (stress oxydant, inflammation, polarisation, miARN) a été mesurée. Les EV produites en réponse à cette exposition ont été isolées et caractérisées. Enfin, des cellules épithéliales pulmonaires, les BEAS-2B, ont été exposées aux EV libérées en réponse à l'exposition aux PM₂.₅ et les effets de cette exposition (inflammatoire, stress oxydant, miARN) ont été mesurés. Nous avons mis en évidence une inflammation et une réponse anti-oxydante dans les macrophages, ainsi qu'une modification de leur polarisation. Les PM₂.₅ entrainent une libération plus importante d'EV. / Air pollution is a major public health problem. In 2013, The International Agency for Research on Cancer classified air pollution and fine particle (PM₂.₅), with size lower than 2.5 µm, as carcinogenic to humans (group I). PM₂.₅ are able to penetrate deeply in lungs. When PM₂.₅ settle in pulmonary alveolar, they lead to strong inflammatory response, with inflammatory mediators ans extracellular vesicles release by infiltrating or resident immune cells. In this context, this thesis included two major aims : i) evaluate the physico-chemical characteristics of PM₂.₅ sampled in an industrial-urban site, identify their origin and study the seasonal variability of their composition ; ii) investigate the cellular response and EV produced by macrophages in response to PM₂.₅ and study EV's effects on epithelial cells. To achieve this, macrophages are exposed to PM₂.₅ collected in Dunkerque, and cellular response (oxidative stress, inflammation, polarization, miRNA) was quantified. EV released in response to PM₂.₅ exposition was isolated and characterized. Finally, epithelial cells, BEAS-2B, are exposed to EV released by exposed and non exposed macrophages to evaluate effects from this exposure (inflammation, oxidative stress, miRNA). We observed inflammation and anti-oxidant response in macrophages after PM₂.₅ exposure, as well as polarization modification. PM₂.₅ lead to increased number of EV by macrophages.

L'exposition à la pollution atmosphérique, notamment aux particules fines (PM₂.₅), représente un risque majeur pour la santé dans le monde entier, et d'autant plus dans les pays en développement.Le Nord du Liban est ainsi affecté par plusieurs sources de pollution d'origine anthropique, urbaine et industrielle. Pourtant, dans cette région, aucune étude ne s'est intéressée à l'impact des PM₂.₅ sur la santé publique. Il faut également souligner que les mécanismes de toxicité des PM₂.₅ ne sont pas totalement identifiés. Le but de ce travail est d'étudier la nature et l'impact sanitaire de la pollution atmosphérique particulaire dans le Nord du Liban. Nous avons procédé à une enquête épidémiologique, et prélevé des particules fines que nous avons caractérisées sur les plans physico-chimiques et toxicologiques. Deux régions ont été considérées dont une est située à proximité d'activités industrielles. L'étude épidémiologique et de perception menée dans les deux zones du Nord du Liban (310 questionnaires/zone traitée), a montré une relation entre gêne, maladies respiratoires et proximité des industries. Cette enquête a ainsi confirmé l'intérêt de mener une étude toxicologique dans cette région. Afin de renforcer les connaissances sur la toxicité pulmonaire des aérosols atmosphériques particulaires avec une attention toute particulière portée à l'étude de certains des mécanismes d'action suspectés d'être impliqués dans la cancérogénécité, les caractéristiques physico-chimiques et toxicologiques des particules fines (PM₂.₅₋₀.₃) prélevées sur les deux sites ont été étudiées. Les particules collectées ont montré une composition similaire sur les deux sites concernant les espèces majeures. La contribution des activités industrielles a été mise en évidence par des teneurs légèrement plus élevées de certains éléments traces, d'HAP et surtout par une teneur jusqu'à 100 fois plus élevée en dioxines. Nos résultats ont mis en évidence l'influence de nombreuses sources de combustion (diesel, essence, charbon et biomasse) ; la combustion de déchets et d'autres procédés industriels sont également suspectées. Un potentiel génotoxique et mutagène plus prononcé a été mis en évidence pour les particules collectées sur le site sous influence industrielle par rapport aux particules provenant du site sous influence rurale, à l'aide du test d'Ames en milieur liquide et le SOS chromotest. Les effets observés sont très probablement influencés par la fraction organique des particules. Afin d'approfondir la recherche des mécanismes génotoxiques des PM, des cellules bronchiques humaines (BEAS-2B) ont été exposées à différentes concentrations de particules. Les mécanismes de toxicité, tels que l'activation métabolique des HAP(CYP1A1) et les cassures double-brins (quantification de yH2AX par cytométrie de flux et in-cell western), ont été induits par les deux échantillons de PM₂.₅₋₀.₃ avec un effet plus prononcé pour les particules industrielles. Par ailleurs, les PM ont montré une tendance à perturber le fonctionnement du système de réparation de l'ADN (par l'expression des gènes OGG1, NTH1, APE1, NUDT1, DNMT1, MGMT, XPA et XRRC1, et l'expression des protéines PARP1, DNMT1 et OGG1). Les mécanismes de réparation des dommages de l'ADN ont ainsi été réprimés jusqu'à 48h d'exposition aux PM, notamment aux PM₂.₅₋₀.₃ collectées sous influence industrielle, et réactivés après 72h d'exposition. Ces dommages concernent les adduits encombrants à l'ADN, et ceux causés par le stress oxydant, des cassures des brins d'ADN et la méthylation. Nos résultats suggèrent des mécanismes d'action mutagènes, génotoxiques et épigénétiques impliqués dans la cancérogénécité des particules fines, en partie liés à la composition de la fraction organique. / Exposure to air pollution, especially fine particulate matter (PM₂.₅), remains a major health risk, mainly in the developing countries. Northern Lebanon is affected by several sources of anthropogenic, urban and industrial pollution. However, no studies have examined the impact of PM₂.₅ on public health in this region. In addition, it should be noted that the toxicity mechanisms of PM₂.₅ are not fully identified. The aim of this work is to study the composition and the health impact of the atmospheric particulates in Northern Lebanon. An epidemiological survey was performed and fine particles were extracted and characterized physico-chemically and toxicologically. This study was conducted in two sites, one of which is influenced by industrial activities. Perception and epidemiological survet, conducted in two areas in Northern Lebanon, rural and industrial (310 treatable questionnaires/area), showed a relationship between annoyance, respiratory diseases and living in proximity to industrial activities. Moreover, results confirmed the interest in conducting a toxicological study in this region. Hence, to contribute to fulfill the gap of knowledge about the pulmonary toxicity of particulate matter and the mechanisms of action involved in the carcinogenicity, the study of physicochemical characteristics and toxicological endpoints of PM₂.₅₋₀.₃ from both sites were performed. Physicochemical analyses of the collected particles evidenced similar characteristics in major species. In particular, we have shown slightly higher levels of PAHs and trace metals and up to 100 times higher dioxins concentrations at the vicinity of industries. Our results evidenced the influence of numerous combustion sources (diesel, gasoline, coal and biomass burning) ; waste combustion and other industrial processes are also suspected. A more pronounced genotoxic and mutagenic potential was evidenced after exposure to particles collected at the vicinity of industries when compared to the rural ones, using the Ames fluctuation test and SOS chromotest. The effects of the collected particles are probably related to their organic composition. In order to assess the underlying toxic mechanisms, human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) were then exposed to different concentrations of the sampled PM₂.₅₋₀.₃. Genotoxicity mechanisms such as metabolic activation of organic compounds (CYP1A1) and consecutive DNA damages such as DNA strands breaks (yH2AX quantification by flow cytometry analysis and in-cell western assay) were induced by the two samples of PM₂.₅₋₀.₃ , with a more pronounced effect of industrial particles. Moreover, PM showed tendency to alter the DNA repair process (OGGI, NTH1, APE1, NUDT1, DNMT1, MGMT, XPA, XRRC1 gene expression and PARP1, DNMT1, OGG1 proteins expression). DNA repair mechanisms were repressed up to 48h of exposure to PM especially to the industrial influenced PM₂.₅₋₀.₃ and reactivated after 72h of exposure. The DNA damages involve bulky DNA adducts, oxidative stress damages, DNA strand breaks and methylation. These results suggest mutagenic, genotoxic and epigenetic mechanisms of action involved in the carcinogenicity of fine particles, partly related to their organic composition.

Particulate matter in the ambient air of down-town New Orleans, LA, is not currently recorded by any government, state, or private organization. This research quantified particulate matter (PM) and its metal concentration in ambient air of the New Orleans Historic District. Both, PM10 (PM less than 10 micron in size) and PM2.5 (PM less than 2.5 micron in size) were quantified by gravimetric analysis using an Andersen Dichotomous Sampler (Series 240). Posterior to gravimetric analysis, the filters were analyzed with a fluorescent test method using an Innov-X Portable XRF Analyzer (Model A-6500). This study demonstrated that the ambient air of the New Orleans Historic District is in compliance with the National Ambient Ai Quality Standards regarding contamination of particulate matter and Lead.

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La combustion de la biomasse est l’une des sources majoritaires de particules atmosphériques en périodes hivernales dans les vallées alpines, et particulièrement en vallée de l’Arve où des dépassements des seuils européens sont très régulièrement observés. Ceci a conduit à la mise en place d’un large programme de remplacement des dispositifs de chauffage au bois les moins performants dans le cadre d’une des actions du Plan de Protection de l’Atmosphère, le Fond Air Bois. Le projet DECOMBIO (DÉconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l’Arve) a ainsi été mis en place en octobre 2013 afin de mesurer l’impact de cette politique de rénovation des appareils de chauffage au bois sur la qualité de l’air. C’est dans ce programme que s’inscrivent ces travaux de thèse dont l’objectif principal est de valider les méthodologies mises en place en routine pour permettre une déconvolution rapide de la combustion de la biomasse et mettre en relation les éventuels changements observés avec les avancées des remplacements de dispositifs de chauffage au bois domestiques.Pour mener à bien ce travail, trois sites, représentant les différentes situations de la vallée de l’Arve, ont été instrumentés (Marnaz, Passy et Chamonix) afin de suivre en continu, et tout au long du projet DECOMBIO, l’évolution des concentrations atmosphériques du Black Carbon (BC) et des traceurs moléculaires permettant de distinguer la contribution de la combustion de la biomasse des autres types de combustion. Un important jeu de données a été acquis entre novembre 2013 et octobre 2014 grâce à des prélèvements réguliers sur filtre permettant une caractérisation très fine de la composition chimique des particules atmosphériques. L’utilisation de l’approche statistique « Positive Matrix Factorization » (PMF) a permis de mieux appréhender les différentes sources entrant en jeu dans les émissions de particules au sein de cette vallée avec notamment un intérêt particulier pour les émissions de la combustion de la biomasse. Le développement de cette méthodologie d’attribution et de quantification des sources de particules basé sur l’utilisation de traceurs organiques spécifiques, de contraintes particulières appliquées à ce modèle et de données de déconvolution de la matière carbonée constitue une avancée importante dans la définition des facteurs sources issus de ce modèle.Les méthodologies développées au cours de ce travail, permettant une amélioration des connaissances et des contributions des sources, constituent donc des outils directement utilisables par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA), notamment pour l’évaluation quantitative des mesures prises pour améliorer la qualité de l’air dans le cadre de Plans de Protection de l’Atmosphère, entre autres celui de la vallée de l’Arve. / Biomass burning is one of the major sources of atmospheric particles during wintertime in Alpine valleys, and more especially in the Arve valley where exceedances of the European regulated limit value are regularly observed. This situation led to the establishment of an important program of replacement of old wood stoves with new ones as part of an action of an Atmospheric Protection Plan (APP), the “Fonds Air Bois”. The research program DECOMBIO (“DÉconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l’Arve”) has been set up in October 2013 to estimate the impact of this wood stoves renewal policy on air quality. This thesis works be incorporated within this program and have for main objective to validate methodologies used in routine to enable a fast deconvolution of the biomass burning source and to compare any observed changes with progress of wood stove changeout.To complete this work, three sites, representing the different situations of the Arve valley, were instrumented (Marnaz, Passy and Chamonix) to monitor the continuing evolution of atmospheric concentrations of Black Carbon (BC) and molecular markers enabling to distinguish between the biomass burning contribution and that of other types of combustion. A large dataset was acquired between November 2013 and October 2014 thanks to regular filter samples enabling a vast chemical characterization of PM10. The use of statistical analysis “Positive Matrix Factorization” (PMF) has led to an enhanced appreciation of particle emission sources within this valley with a focus on biomass burning emissions. The development of this methodology of identification and source apportionment based on the use of specific organic markers, specific constraints and data from carbonaceous matter deconvolution is an important progress in definition of factors from this model.The developed methodologies during this work, enabling an improvement of knowledges and source apportionment, are tools directly usable by French Accredited Associations for Air Quality Monitoring, especially for the quantitative assessment of actions introduced to improve air quality as part of Atmospheric Protection Plans, for example the one in the Arve valley.

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