Les particules fines atmosphériques (PF) sont capables de pénétrer dans les poumons où certains composés transportés peuvent interagir avec les cellules pulmonaires et atteindre la circulation sanguine. L'exposition aux PF affecte particulièrement les populations sensibles telles que les personnes agées. Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'identification des effets des PF sur les lymphocytes T humains (LT) tout en visant à déterminer des biomarqueurs liés à l'exposition et à évaluer la variation de la réponse cellulaire en fonction de l'âge. Des LT ont été isolés de prélèvements sanguins de 91 volontaires appartenant à trois classes d'age (20-30, 45-55, 70-85 ans) puis exposés ex vivo pendant 72h à 45 µg/µl de PF collectées à Dunkerque. Les étapes d'isolement, purification et activation des LT ont d'abord été optimisées. Suite à la caractérisation de la population échantillonnée, une population d'étude homogène a été sélectionnée ( 10 sujets / classe d'âge). Nous avons mis en évidence une induction génique d'enzymes impliquées dans l'activation métabolique des HAP identifiés dans l'échantillon de PF. La caractérisation du profil des Lt a permis de proposer un profil mixte Th1/Th2 causé par l'exposition. L'étude transcriptomique des miARN a mis en évidence une surexpression de miR-124-3p impliqué dans la régulation de plusieurs fonctions au niveau du système immunitaire et de miR-1290 impliqué dans plusieurs types de cancer. Quant à l'influence de l'âge, une surexpression des gènes codant pour les enzymes antioxydantes (NQO1 et HMOX1), une augmentation de la concentration des cytokines (IL-4 et IL-13) ainsi qu'une modification du profil d'expression de certains miARN ont été notées chez les sujets les plus âgés. / Atmospheric fine particulate matter (FP) are able to enter the lungs where some compounds can interact with lung cells and reach the bloodstream . Exposure to FP affects in particular susceptible populations such as the elderly. This thesis is part of a project aiming to identify the effects of FP on human T lymphocytes (LT) while attempting to determine biomarkers related to exposure and to evaluate the variation of the cellular response as a function of age. LT were isolated from blood samples of 91 volunteers belonging to three age groups (20-30, 45-55, 70-85 years) then exposed ex vivo for 72h to 45 µg/µl of FP collected in Dunkirk. The steps of isolation, purification and activation of LT were first optimized. Following the characterization of the sampled population, a homogeneous study population was selected (10 subjects/age class). We have demonstrated an induction of the genes coding for the enzymes involved in the metabolic activation of PAH identified in the PF sample. Characterization of the LT profile made it possible to propose a mixed th1/th2 profile cause by the exposure. Teh transcriptomic study of miRNAs revealed an overexpression of miR-124-3p involved in the regulation of several functions in the immune system and miR-1290 involved in several types of cancer. As for the influence of age, overexpression of the genes coding for the antioxidant enzymes (NQO1 and HMOX1), an increase in the concentration of cytokines (IL-4 and IL-13) as well as a modification of the expression profile of some miRNAs were noted on the elderly.

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.

The promulgation of revised standards for atmospheric fine particles (PM2.5) by the US EPA has sparked renewed interest in the ability to accurately measure and characterize suspended atmospheric particulate matter. Semi-volatile material (SVM), consisting of ammonium nitrate and semi-volatile organic material (SVOM), is not accurately measured by EPA accepted methods such as the Federal reference method (FRM) or Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM). However, SVM is often a major fraction of urban aerosols. Recent advances in atmospheric sampling instrumentation allowed for the semi-continuous characterization of urban PM2.5, including SVM. The Filter Dynamic Measurement System (FDMS) was shown to measure total PM2.5 mass including semi-volatile species. Validation of the FDMS was performed by comparison with the particle concentrator-Brigham Young University organic sampling system (PC-BOSS) and the real-time total ambient mass sampler (RAMS). Semi-continuous ambient particulate concentrations of sulfate, nitrate and ammonium ion were measured by a newly developed Dionex instrument which was field tested and validated for the first time in Fresno, CA. Either a modified Sunset Laboratory carbon monitor, collocated with a conventional Sunset carbon monitor employing a common inlet, or the newly developed dual-oven Sunset monitor allowed for the semi-continuous determination of both nonvolatile and semi-volatile organic material. This was the first attempt to characterize both nonvolatile and semi-volatile fractions of an urban aerosol in a semi-continuous manner using all semi-continuous instruments. A suite of instruments for semi-continuous PM2.5 monitoring was recommended including, an R&P FDMS for the measurement of PM2.5 mass, a dual-oven Sunset monitor for the measurement of nonvolatile and semi-volatile carbonaceous species, and a Dionex GP-IC for the measurement of inorganic species. A TEOM monitor is also recommended to measure nonvolatile PM2.5 mass. Using these instruments, semi-continuous mass closure was obtained for the first time during a study conducted in Riverside, CA. The advantage of using semi-continuous sampler data in the application of source apportionment was elucidated. Local aerosols are often impacted by short-term pollution episodes that cannot be temporally resolved using integrated samplers. One-h averaged data applied to source apportionment models was shown to increase the power of the model to predict sources, both primary and secondary, that exhibit diurnal short-term episodes.

Submitted by IARA BURIOLA TREVISAN null (iara_buriola@hotmail.com) on 2016-02-11T21:26:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertação mestrado Iara B Trevisan.pdf: 1661968 bytes, checksum: 0ef9c6c9bf0a83ca5bd7671b9b047766 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-02-12T16:50:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 trevisan_ib_me_prud.pdf: 1661968 bytes, checksum: 0ef9c6c9bf0a83ca5bd7671b9b047766 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-12T16:50:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 trevisan_ib_me_prud.pdf: 1661968 bytes, checksum: 0ef9c6c9bf0a83ca5bd7671b9b047766 (MD5) Previous issue date: 2016-01-26 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Introdução: A colheita da cana-de-açúcar precedida pela queima noturna expõe trabalhadores a altas concentrações de poluentes que somados aos efeitos da jornada de trabalho acarreta o aumento do trabalho cardiorrespiratório, ocasionando alterações multissistêmicas. Apesar das grandes evidências dos efeitos deletérios da exposição ao material particulado (MP), ainda tem sido dada pouca atenção aos efeitos das exposições ocupacionais a longo prazo. Objetivos: Esta dissertação teve como objetivos: avaliar os sintomas nasais, parâmetros hemodinâmicos e perfil inflamatório nasal e sistêmico de cortadores de cana-de-açúcar expostos à queima de biomassa ao longo de uma safra canavieira. Métodos: Foram avaliados no artigo I 41 indivíduos e no artigo II 45 indivíduos, cortadores de cana-de-açúcar do gênero masculino de uma usina de açúcar e álcool, divididos em grupos de acordo com o hábito tabagístico. Para avaliação da frequência e intensidade dos sintomas nasais foi aplicado questionário de sintomas respiratórios e para avaliação dos parâmetros hemodinâmicos foi registrado valores de pressão arterial (PA), frequência cardíaca (FC) e respiratória (f). Para análise do perfil inflamatório nasal (IL-6, IL-10 e IL-4) foi coletado amostras de lavado nasal e para análise de perfil inflamatório sistêmico (TNF-α, IL-6, IL-8 e IL-10) e contagem total de monócitos e neutrófilos foram realizados coletas de sangue venoso. As avaliações ocorreram durante a pré-safra (março), meio da safra (julho) e final da safra (outubro) de 2014. Resultados: Durante o meio da safra houve aumento significativo da frequência e intensidade dos sintomas espirros, congestão nasal além do aumento de relatos na dificuldade para respirar. Em relação a PA, FC e f todos os participantes apresentaram alterações significativas durante a safra. Na análise do perfil inflamatório houve alterações significativas a nível sistêmico para IL-8 e contagem de neutrófilos que obteve aumento no meio da safra seguido de um decréscimo ao final safra. Conclusões: Conclui-se que cortadores de cana-de-açúcar apresentam aumento na frequência e intensidade de sintomas nasais assim como alterações nos parâmetros hemodinâmicos principalmente no meio da safra. Além disso, todos os cortadores apresentaram diminuição de IL-8 e número de neutrófilos a nível sistêmico devido a exposição repetida ao MP. / Introduction: The harvest of sugarcane preceded by night burning exposes workers to high concentrations of pollutants added to the effects of the workday causes increased cardiorespiratory work, causing alterations multisystem. Despite the great evidences of the deleterious effects of exposure to particulate matter (PM), still has been given little attention to the effects of long-term occupational exposures. Objective: This Master’s thesis aimed to evaluated nasal symptoms, hemodynamic parameters and nasal and systemic inflammatory profile of sugarcane cutters exposed to biomass burning along a sugarcane harvest. Methods: Were evaluated in article I 41 individuals and in article II 45 individuals, sugarcane cutters, male cutters from a sugar and alcohol plant divided into groups according to smoking habit. To evaluate the frequency and intensity nasal symptoms was questionnaire applied of respiratory symptoms and to evaluate the hemodynamic parameters was registered blood pressure (BP), heart rate (HR) and respiratory (f). For analysis of the nasal inflammatory profile (IL-6, IL-10 and IL-4) was collected nasal lavage and for analysis of the systemic inflammatory profile (TNF-α, IL-6, IL-8 and IL-10) and total count monocytes and neutrophils from venous blood were performed. The evaluations occurred during the pre-harvest (March), middle of harvest (July) and end of harvest (October) in 2014. Results: During the middle of harvest there was a significant increase in the frequency and intensity of symptoms sneezing, nasal congestion beyond the increase in reports of difficulty in breathing. In relation the BP, HR and RR all participants showed significant alterations during the harvest. For analysis of inflammatory profile there were significant changes in systemic levels for IL-8 and neutrophil counts that had an increase in middle of harvest followed by a decrease at the end of harvest. Conclusions: Conclude that sugarcane cutters have increased in frequency and intensity of nasal symptoms, as well as changes in hemodynamic parameters, mainly in the middle of harvest. In addition, all cutters showed a decrease in IL-8 and neutrophil counts at systemic level at the end of harvest due to repeated exposure to PM. / FAPESP: 2014/08029-0

Presented thesis deals with the evaluation of air quality in Ostrava industrial area, especially with regard to highly concentrated suspended particles and sorbed on them toxic polyaromatic hydrocarbons. Their above-limit concentrations are the main cause of negative effects on the health of humans and other organisms in one of the most outstanding European "hot- spot"regions, in the industrial agglomeration of Ostrava. The first part of the work is devoted to the evaluation of pollutant concentrations and contributions of identified types of air pollution sources in the wider influence area of a large industrial source in the Ostrava region. It was confirmed the concentrations of all pollutants show very significant inter-seasonal differences between the warm and cold parts of the year. The measured concentrations of PAHs in the cold season were 3 to 5 times higher than in the warm season. Less pronounced differences in concentration levels were seen between day and night samples. The air-pollution load was highest at the Radvanice site, compared to Vratimov and the background area of Poruba. The pollution caused by suspended particles originating from the emissions of the industrial complex in the annual scale contributes significantly to the resulting air quality image on the site, but is not an exclusive source. Other identified sources of the contributions to the PM2.5 concentrations are regional sources and operating seasonally sources (local heating). The second part of the thesis is an assessment of the character and regularities of air mass transmission in the ground-level layer of the troposphere in the Czech-Polish border area, as regional and long-range pollution transport plays a significant role, manifested in the resulting reduced air quality. The contribution of cross-border pollution sources is an important component of often alarming concentrations of atmospheric pollutants, especially during winter smog situations. It was shown within the northeast steady flow is dominated by the shift of higher concentrations of suspended particles from Poland to the Czech Republic. On the other hand, with the opposite prevailing direction of steady flow, particle concentrations on the Polish side of the territory are not increasing dramatically. At least half the year there are situations with variable wind direction, or low flow velocities during which the entire area on both sides of the border there are maximum concentrations of particles, including sorbed polyaromatics with the most serious health effects.

Health is closely related to air pollution, with increasing evidence showing the consequences of longand short-term exposure to, in particular, fine particulate matter (PM2.5). In 2008, the European Union adopted a directive (directive 2008/50/EC) to improve air quality and to regulate a number of air pollutants, including PM2.5, in the member states. This directive has recently been assessed by a socalled “fitness check”. The aim of this thesis is to analyse how air quality regarding fine particulate matter has developed in Sweden between 2000 and 2018 and to examine possible future scenarios for stricter requirements in renewed EU legislation, based on the outcomes of the “fitness check”. Data are analysed from monitoring stations throughout Sweden with a focus on the last ten years up to 2018. Average urban exposure levels are estimated to compare them with the average exposure index (AEI) defined in the directive and source sectorsfor PM2.5 are identified to determine the potential for measures to reduce concentrations. The results show that Sweden is not challenged by the current EU legislation, neither exceeding the current annual limit value of 25 µg/m3 nor requiring a reduction of the urban exposure levels. However, Sweden will need to take further initiatives if requirements are tightened up, for example if a daily ceiling of 25 µg/m3 is implemented or the annual limit decreased to 10 µg/m3 , both values based on WHO’s latest recommendations. Rural and urban concentrations show an exponentially decreasing trend from southern to northern Sweden. It is concluded that PM2.5 is dominated by long-distance transportation, but with significant local contributions in urban areas. Overall, concentrations reduced during the period studied, which is mainly due to a reduction in international emissions, occasionally combined with individual local measures. PM2.5 concentrations are, however, above natural background levels, which makes it worthwhile to decrease them further, with local action considered to be of particular importance from a health perspective. / Luftkvalitet är en viktig faktor inom hälsa, eftersom ett stort antal negativa effekter på kroppen har fastställts vid exponering av ökade halter partiklar (PM, eng. ”particulate matter”), bland annat, i luft. Både kort- och långtidsexponering av fina partiklar (PM2.5) har dokumenterade hälsofarliga konsekvenser, därför fastställde den Europeiska unionen under 2008 ett direktiv (direktiv 2008/50/EC) för att förbättra luftkvaliteten och reglera ett antal luftföroreningar, bland annat PM2.5-koncentrationerna i medlemsländerna. För att undersöka implementeringen av direktivet utfördes nyligen en så kallad ”fitness check”. Detta arbete ska analysera hur luftkvalitet i samband med fina partiklar har utvecklats i Sverige under perioden 2000 till 2018. Utöver det undersöks möjliga framtidsscenarier för skärpta krav i ett reviderat EU-direktiv vilka är baserade på slutsatserna från denna ”fitness check”. Data från mätstationer i hela Sverige används med fokus på de sista tio åren fram tills 2018. Genomsnittliga urbana exponeringshalter är uppskattade för att jämföra dessa med exponeringsindexet (AEI, eng. ”average exposure index”) som är definierat i direktivet. Källområden för PM2.5 är identifierade för att uppskatta behovet av potentiella åtgärder för att reducera koncentrationen av fina partiklar. Resultaten visar att Sverige når målsättningen i den befintliga EU-lagstiftningen eftersom varken årsmedelvärdet av 25 µg/m3 eller taket för exponeringsindexet överskrids vid mätstationerna. Om kraven skulle skärpas, till exempel vid implementeringen av ett dygnsgränsvärde av 25 µg/m3 eller om det årliga gränsvärdet skulle sänkas till 10 µg/m3 (i enlighet med WHO:s senaste rekommendationer), kommer det krävas ytterligare åtgärder. Den regionala och urbana koncentrationen uppvisar en exponentiellt avtagande trend från södra till norra Sverige. Slutsatsen kan dras att PM2.5 är dominerad av långdistanstransporter, dock med synliga lokala tillskott i de urbana områdena. Sammanfattningsvis har koncentrationerna reducerats under den observerade perioden, vilket framförallt kan antas vara baserat på en reducering av internationella emissioner, i vissa fall kombinerat med lokala åtgärder. PM2.5 koncentrationerna är fortfarande högre än den naturliga förekomsten, därför är det relevant ur ett hälsoperspektiv att även reducera dem i framtiden, framförallt på lokal nivå.

Die Urbanisierung und Ausbreitung von Siedlungsgebieten führt unweigerlich zur Beeinträchtigung der daran angrenzenden Ökosysteme. Haupteinflussfaktoren sind häufig Abwassereinleitungen bzw. Entlastungen, die eine stoffliche und hydraulische Belastung für natürliche Lebensräume darstellen. Um diese zu begrenzen und betroffene Ökosysteme besser zu schützen, ist die Kenntnis der im Abwasser transportierten Inhaltsstoffe von entscheidender Bedeutung. Ziel der Arbeit war es daher, das Systemverständnis der Abwasserzusammensetzung über die Standard-Analyseparameter hinaus zu erweitern, durch den Einsatz von in situ UV-/Vis-Messtechnik ergänzt durch die Bestimmung pharmazeutischer Spurenstoffe. Der einfache lineare Kalibrieransatz zur Beschreibung der Abflussbedingungen Trocken- und Allwetter im Mischwasserkanal wurde durch das ODR-Verfahren (Ordinary Distance Regression) ergänzt, um die Varianzhomogenität der zugrundeliegenden Messdaten zu berücksichtigen und präzisere Abschätzungen zu liefern. Neben der Kalibrierung für die Parameter TSGes, oTSGes, CSBGes, CSBmf, TOC und DOC erfolgte zusätzlich die Beschreibung der Fraktion feiner Partikel von 0,45 µm bis 63 µm als TS63 und oTS63, da diese als Träger von Schadstoffen fungieren und ein Nachweis durch das DWA-A 102 gefordert wird. Für die insgesamt 16 Kalibrierungen wurden die Wellenlängen 230nm, 300nm und 732,5nm verwendet. Die Bestimmtheitsmaße reichen dabei von 0,43 (TS63 – Allwetter) bis 0,92 (oTS63 – Trockenwetter). Durch zeitlich hochaufgelöste Messungen wurde der Tagesverlauf der Fracht von 12 pharmazeutischen Spurenstoffen des häuslichen Schmutzwasserabflusses bestimmt. Der Verlauf zeigt insbesondere für Clarithromycin, Gabapentin und Metoprolol einen wiederkehrenden Tagesgang im Schwankungsbereich des 1,5- bis 4-fachen der mittleren Tagesfracht, wobei weitere Stoffe um das 1,5- (Clarithromycin) bis 5-fache (Pregabalin, Telmisartan) der mittleren Tagesfracht schwanken. Für die untersuchten pharmazeutischen Spurenstoffe Citalopram (Rohprobe: 28%, <63µm: 21%) und Telmisartan (Rohprobe: 22%, <63µm: 27%) konnten Anhaftungen an den Feststoffen nachgewiesen werden. Diese fanden vorrangig an der Fraktion <63µm statt. Eine Korrelation zu den untersuchten nass-chemischen Analyseparametern konnte jedoch nicht hergestellt werden.:Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis xi 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Grundlagen 5 2.1 Abwassercharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Herkunft und Anfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Beschaffenheit und Beschreibung von Summenparametern . . . . . . 7 2.2 Feststoffe im Kanalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Auswirkung von Niederschlagsabflüssen in Mischwasserkanälen . . . . 9 2.2.2 Feinfraktion TS63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Optische Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Störeinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Anwendung zur Beschreibung von Abwasserparametern . . . . . . . . 16 2.3.4 Verfahren zur Kalibrierung von Online-Spektrophotometern . . . . . 18 2.4 Pharmazeutische Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.1 Relevante Kinetik und Ausscheidungswege . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.2 Priorisierung umweltrelevanter Arzneimittel . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.3 Feststoffaffinität & Sorptionspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.4 Bewertung und Beschreibung ausgewählter Stoffe . . . . . . . . . . . 24 3 Material 33 3.1 Einzugsgebiet der Messstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 iii Inhaltsverzeichnis 3.2 Equipment im Messstationsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Online-Spektrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Probenehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.3 Durchfluss- und Füllstandsmessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Aufbau und Anordnung des Messequipments . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 Methode 41 4.1 Datenerhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.1 Probenahmekonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.2 Probengewinnung am Standort MS 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.1.3 Durchführung der nass-chemischen Analysen . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.1 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.2 Interquartilsabstand (IQR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.3 Gradientenfilterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.4 Glättung mittels LOWESS und gleitendem Mittelwert . . . . . . . . 48 4.3 Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3.1 Lineare Einfachregression (OLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.3.2 Orthogonale Einfachregression (ODR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3.3 Bewertung der Modellgüte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.4 Formulierung von Modellunsicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.2 Ermittlungsmethode A der Standardunsicherheit . . . . . . . . . . . 55 4.4.3 Ermittlungsmethode B der Standardunsicherheit . . . . . . . . . . . . 56 4.4.4 Ermittlung der kombinierten Standardunsicherheit . . . . . . . . . . 56 4.4.5 Ermittlung der erweiterten Unsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.5 Pharmazeutische Spurenstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5.1 Auswahl der Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5.2 Bestimmung pharmazeutischer Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.3 Berechnung pharmazeutischer Tagesdosen auf Basis gemessener Konzentrationen im Schmutzwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5 Ergebnisse 61 5.1 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.1 Überblick und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.2 Datenvorbereitung des Durchfluss- und Füllstandssignals . . . . . . . 61 5.1.3 Separation von Regenwetterzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2 Vorbetrachtungen zur Kalibrierung des Spektrophotometers . . . . . . . . . 66 5.3 Ermittlung der geeignetsten Wellenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4 Kalibrierung und Validierung durch Datenaufteilung . . . . . . . . . . . . . 69 5.4.1 Feststoffgehalt gesamt (TSGes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.2 Feststoffgehalt < 63 µm (TS63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.4.3 Weitere Kalibrierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Inhaltsverzeichnis iii 5.5 Vorbetrachtungen der weiterführenden Validierung . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.1 Datenzuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.2 Durchfluss- und Füllstandskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.6 Weiterführende Validierung durch Mischproben . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.6.1 Feststoffgehalt gesamt (TSGes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.6.2 Feststoffgehalt < 63 µm (TS63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.6.3 Weitere Validierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7 Pharmazeutische Spurenstoffanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7.1 Vorbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7.2 Adsorptionsverhalten im Schmutzwasser . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.7.3 Korrelation zu nass-chemischen Analyseparametern . . . . . . . . . . 91 5.7.4 Tagesgang pharmazeutischer Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.7.5 Errechnete DDD im Tagesverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6 Diskussion 103 6.1 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.1.1 Probenvorbereitung und Analyse des TS63 . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.1.2 Datenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.2 Kalibrierung und Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.1 Bewertung der Kalibrierung und Validierung durch Datenaufteilung . 105 6.2.2 Bewertung der weiterführenden Validierung . . . . . . . . . . . . . . 107 6.3 Pharmazeutische Spurenstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7 Schlussfolgerungen und Ausblick 115 Literaturverzeichnis 119 Anhang 135 A Anhang zu Kapitel 4 – Methode 135 A.1 Voruntersuchung zur pharmazeutischen Spurenstoffbestimmung . . . . . . . 135 A.2 Handlungsanweisung zur Probenvorbereitung am ISI . . . . . . . . . . . . . 138 A.3 Angabe der Unsicherheit nach ISO (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 B Anhang zu Kapitel 5 – Ergebnisse 141 B.1 Niederschlagsabflussbeziehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 B.1.1 Auswertung des Durchflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 B.1.2 Auswertung der Fließgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 B.2 Weitere Kalibrierungen und Validierungen durch Datenaufteilung . . . . . . 144 B.2.1 Organischer Feststoffgehalt gesamt (oTSGes) . . . . . . . . . . . . . . 144 B.2.2 Organischer Feststoffgehalt < 63 µm (oTS63) . . . . . . . . . . . . . . 146 B.2.3 Chemischer Sauerstoffbedarf gesamt (CSBGes) . . . . . . . . . . . . . 148 B.2.4 Chemischer Sauerstoffbedarf membranfiltriert (CSBmf) . . . . . . . . 151iv Inhaltsverzeichnis B.2.5 Organischer Kohlenstoff gesamt (TOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 B.2.6 Organischer Kohlenstoff gelöst (DOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 B.3 Weitere Validierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 B.3.1 Organischer Feststoffgehalt gesamt (oTSGes) . . . . . . . . . . . . . . 158 B.3.2 Organischer Feststoffgehalt < 63 µm (oTS63) . . . . . . . . . . . . . . 160 B.3.3 Chemischer Sauerstoffbedarf gesamt (CSBGes) . . . . . . . . . . . . . 162 B.3.4 Chemischer Sauerstoffbedarf membranfiltriert (CSBmf) . . . . . . . . 164 B.3.5 Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC) . . . . . . . . . . . . . . . . 166 B.3.6 Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) . . . . . . . . . . . . . . . . 168

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.