Transport, whose intensity year by year increase, has assuredly influence on air quality. This issue solution will be focused especially on localities burden with transport in urban areas. The contribution of transport to increased values of air pollution will be evaluated with regards to meteorological conditions. Background stations from Czech Hydrometeorological Institute categorization will be chosen such as comparative sites. Pollutants emitted from traffic such as particulate matter, nitrogen oxides and carbon monoxide will be observed except meteorological conditions.

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.

Urban wet weather discharge impairs the receiving water and sediment quality. Among other factors, particulate matter plays a role. It increases the suspended sediment load of the receiving water and may thus enhance the clogging of the bed sediment which serves as an important river habitat. This thesis investigates how much urban areas may contribute to the fine sediment and associated element load which is retarded by the bed sediment. It is based on an extensive field study. The study area was the Bode River, a mid-sized stream in Central Germany. About 10 km upstream of the river mouth, the sampling campaign took place close to Staßfurt, a town of 20’000. During the sampling campaign, the intrusion of fine sediment into the bed sediment was captured by sediment traps. Furthermore three possible sources of this fine sediment were sampled. Within the Town of Staßfurt, we sampled urban wet weather discharge at three sites to capture urban areas. As second source naturally occurring fine sediment was considered. Therefore we took sediment cores upstream of the Town of Staßfurt. As third source, the impact of the upstream catchment was captured by taking suspended sediment samples. For all sample types, particle-bound element contents were determined to establish element patterns of the receptor and the source sites. The rationale thereby is that the element pattern at the receptor sites results from the element patterns of the sources. Consequently the contribution of the sources can be calculated by mixing models. In the study area, particulate matter from urban areas is distinct from river borne fine sediment due to elevated copper, zinc, nitrogen and phosphorus contents. We conducted an in-depth analysis of this element pattern by a cluster analysis. It revealed that the particle-bound element pattern is source specific whereby nitrogen, phosphorus and carbon are related to sewage and behave differently than most metals such as copper which mainly originate from surface runoff. The degree to which element patterns agree from site to site is limited by the variability encountered within sample sets from individual sites. Thereby the variability of the element pattern depends on the complexity of the catchment. The contribution of urban areas to fine sediment and associated elements which were captured by sediment traps was calculated by a mixing model. Based on this mixing model, about 10% of the fine sediment originate from urban areas. Thereby the impact of the Town of Staßfurt could not be detected leading to the conclusion that upstream urban areas contribute most. Because of the elevated content of e.g. copper and zinc, urban areas contribute up to 40% and thus disproportionally high to particle-associated copper and zinc load. The source apportionment of the fine sediment is little influenced by the elements considered in the mixing model. Different element patterns showed that the median contribution of urban areas ranges from 0 – 20%. This lies within the interquartile range of the initial mixing model. Another result of the measurement campaign ist that sediment traps over-estimated the anthropogenic impact because they did not resemble the surrounding bed sediment. When they were exposed, they were completely free from fine sediment and hence served as sink of suspended sediment. During the sampling campaign, one source was not directly taken into account. It was possible, though, to delineate this source by nonnegative matrix factorization. Within the Town of Staßfurt, a soda ash production site discharges into the Bode River. The nonnegative matrix factorization uncovered that the soda ash production site is a major source of particulate matter and contributes up to 30% of the fine sediment captured by the traps downstream of the Town of Staßfurt. This source dilutes most element contents as it mainly consists of carbonates. This was revealed by studying the element binding according to the BCR extraction scheme. This thesis shows that urban areas may be a major source of particulate matter and especially associated elements retarded by the bed sediment. It shows that the element contents form a viable pattern to calculate how much urban areas contribute to fine sediment by mixing models. The thesis further shows that nonnegative matrix factorization is a viable tool to delineate such a distinct source as soda ash production site. / Misch- und Regenwasserentlastungen beeinträchtigen die Qualität von Vorflutgewässern. Unter anderem gelangt Feinsediment während Entlastungsereignissen in Vorflutgewässer. Dieses erhöht die Fracht an suspendiertem Sediment und verstärkt die Kolmatierung der Gewässersohle. Damit ist das hyporheische Interstitial, das ein wichtiges Fließgewässerhabitat ist, vom Eintrag von Feinsediment betroffen. Diese Arbeit untersucht, wie sehr urbane Flächen zur Feinsedimentfracht und zur Fracht von partikulär gebundenen Elementen beitragen können, die im Bettsediment zurückgehalten werden. Sie beruht auf einer umfangreichen Messkampagne. Das Untersuchungsgebiet dafür war die Bode, ein mittelgroßer Fluss in Mitteldeutschland. Etwa 10 km flussaufwärts der Mündung fand die Messkampagne nahe der Kleinstadt Staßfurt statt. Im Rahmen dieser Messkampagne haben wir den Eintrag von Feinsediment in das Bettsediment durch Sedimentkörbe erfasst. Drei Quellen dieses Feinsediments haben wir berücksichtigt. In Staßfurt wurden eine Regen- und zwei Mischwassereinleitungen beprobt, um urbane Flächen zu erfassen. Als zweite Quelle wurde natürlich vorkommendes Feinsediment berücksichtigt. Dafür haben wir Sedimentkerne flussaufwärts von Staßfurt genommen. Als dritte Quelle haben wir das stromaufwärts liegende Einzugsgebiet erfasst, indem wir das suspendierte Sediment beprobt haben. Für alle Proben wurde der Elementgehalt bestimmt, um das Elementmuster des Feinsediments, das ins Bettsediment eingetragen wurde, und der Quellen zu ermitteln. Der Grund für diese Messstrategie war, dass das Elementmuster des Feinsediments in den Körben aus den Elementmustern der Quellen, Regen- bzw. Mischwassereinleitungen, natürlich vorkommendes Feinsediment und suspendiertes Sediment aus dem Einzugsgebiet, resultieren sollte. Damit ist es möglich, den Beitrag über Mischungsmodelle zu berechnen. Im Untersuchungsgebiet unterscheidet sich das Feinsediment, das von urbanen Flächen stammt, von dem flussbürtigen Feinsediment aufgrund erhöhter Kupfer-, Zink-, Stickstoff- und Phosphorgehalte. Wir haben das Elementmuster der urbanen Flächen mit einer Clusteranalyse genauer untersucht. Dies ergab, dass das partikulär gebundene Elementmuster quellenspezifisch ist, wobei sich Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff Abwasser zuordnen lassen, während die meisten Metalle wie Kupfer und Zink hauptsächlich aus dem Oberflächenabfluss stammen. Das Maß, zu dem die Muster von Messpunkt zu Messpunkt übereinstimmen, wird durch die Variabilität beschränkt, die die Proben eines Messpunktes aufweisen. Diese Variabilität hängt dabei von der Komplexität des Einzugsgebiets ab. Über eine Mischungsrechnung konnten wir berechnen, wie viel urbane Flächen zur Fracht von Feinsediment und daran gebundenen Elementen in den Sedimentkörben beitrugen. Im Untersuchungsgebiet stammen etwa 10 % des Feinsediments, das durch die Sedimentkörbe aufgefangen wurde, von urbanen Flächen. Der Beitrag der Stadt Staßfurt konnte dabei aber nicht von dem Beitrag weiter flussaufwärts gelegener urbaner Gebiete getrennt werden. Daraus folgt, dass weiter stromaufwärts liegende Gebiete mehr beitragen als Staßfurt. Wegen des erhöhten Gehalts an z.B. Kupfer und Zink tragen urbane Flächen ca. 40 % und damit überproportional hoch zur partikulär gebundenen Kupfer- und Zinkfracht bei. Für die Berechung des Quellenbeitrags zum Feinsediment spielt es keine große Rolle, welche Elemente in der Mischungsrechnung berücksichtigt werden. Verschiedene Elementmuster ergeben, dass der Medianbeitrag urbaner Flächen zwischen 0 und 20 % liegt. Dies entspricht dem Interquartilsabstand der ursprünglichen Mischungsrechnung. Ein weiteres Resultat der Untersuchungen ist, dass die Sedimentkörbe den anthropogenen Einfluss überschätzten, weil sie das umgebende Bettsediment nicht exakt abbildeten und als Falle funktionierten. Innerhalb Staßfurts gibt es ein Sodawerk, das seine Produktionsabwässer in die Bode einleitet. Während der Messkampagne wurde diese Quelle nicht direkt erfasst. Es war trotzdem möglich, diese Quelle durch nicht-negative Matrix-Faktorisierung zu identifizieren. Die nicht-negative Matrix-Faktorisierung ergab, dass das Abwasser des Sodawerks eine Hauptquelle des Feinsediments der Bode ist. Bis zu 30 % des Feinsediments in den Sedimentkörben flussabwärts von Staßfurt lassen sich dem Sodawerk zuordnen. Dieses Feinsediment besteht hauptsächlich aus Karbonaten und verdünnt die meisten Elementgehalte. Dies wurde deutlich, indem die Elementbindungen nach dem BCR Extraktionsschema untersucht wurden. Diese Arbeit zeigt die Relevanz, die urbane Flächen als Quelle von Feinsediment und daran gebundener Elementfracht haben, die ins Interstitial eingetragen werden. Sie zeigt, dass die Elementgehalte ein Muster bilden, mit dem es möglich ist, über eine Mischungsrechnung zu klären, wie viel urbane Flächen zum Feinsediment beitragen. Die Arbeit zeigt ferner, dass nicht-negative Matrix-Faktorisierung ermöglicht, eine so charakteristische Quelle wie ein Sodawerk zu identifizieren.

La réglementation plus sévère sur les niveaux de matières particulaires (PM) en atmosphère ambiante fixée par l'Union européenne à l'horizon 2015 impose de pouvoir quantifier les contributions des différentes sources d'émission. Les sources d'émissions primaires de particules peuvent être anthropiques (chauffage au bois, au fioul, émissions véhiculaires ou industrielles, combustion de déchets verts, activités de cuisine,…) ou naturelles (végétaux, poussières crustales). Des processus secondaires de formation des particules (conversion gaz-particules) peuvent également contribuer aux taux de PM mesurés. L'identification et la quantification des sources peuvent être conduites notamment à travers l'étude de la composante organique des aérosols réalisée à partir d'analyses chimiques de prélèvements sur filtres en atmosphère ambiante ou à l'émission. Dans ce travail, des méthodologies de caractérisation des sources d'émission par l'analyse de la fraction organique des PM et la quantification de leur influence sur les concentrations ambiantes en particules fines ont été développées et/ou adaptées de méthodologies existantes sur de nombreux sites d'observation. Une attention particulière a été portée sur différents sites de la région Rhône-Alpes où de nombreux épisodes de dépassements des valeurs limites en PM sont régulièrement enregistrés. Les méthodologies ont été développés dans un premier temps sur un site urbain de référence (sites des Frênes à Grenoble) et s'appuient à la fois sur des approches qualitatives d'études des sources (étude d'empreinte de grandes familles chimiques, utilisation de ratios de composés traceurs) et quantitatives (ACP, mesures isotopiques du carbone, Molecular-Marker Chemical Mass Balance). Elles permettent une bonne estimation des sources de matière organique (OM) et des PM en hiver. Leurs applications à d'autres sites de topologies différentes (ruraux, fond de vallées, proximités de sources, marin) en France et en Suisse et à d'autres saisons a permis de montrer la complémentarité des différentes approches introduites et la nécessité de leur adaptation aux spécificités des sites pour permettre une bonne estimation des PM. L'estimation des contributions des sources à l'OM reste cependant encore à améliorer. De plus, dans le cadre de leur application à des sites de vallées alpines suisses, l'approche quantitative de type CMB basée sur l'étude de traceurs organiques a pu être confrontée à une méthode basée sur l'étude de la composante inorganique des aérosols. Les méthodologies développées et mises en œuvre au cours de ce travail constituent des outils de référence dans le cadre d'études des sources d'aérosol à portée scientifique ou réglementaire à l'échelle nationale ou internationale. / Tougher European Union regulations of ambient particulate matter (PM) will require apportionment of the different sources. Primary sources can be anthropological sources (biomass burning, fossil-fuel combustion, cooking, ….) and natural sources (vegetative detritus, crustal dust). PM can also be formed by gas-to-particle conversion processes (secondary sources). The identification and sources apportionment can be conducted by studying the organic fraction of aerosols using chemical analysis on off-line filters in ambient and in emissions of sources. In this work, methodologies of emission sources characterization by analyzing the organic fraction of PM and the sources apportionment on fine aerosol mass were developed and/or adapted from previous methodologies on many ambient sites. A special focus was placed on different sites of the Rhône-Alpes Region where many exceedances of authorized PM values are observed. Methodologies were developed primarily for an urban background site (Les Frênes site in Grenoble) and are based both on qualitative approaches (footprints study of large chemical family, use of tracer ratios) and quantitative approaches (PCA, isotopic carbon measurements, Molecular-Marker Chemical Mass Balance). They allow a good estimation of OM (organic matter) and PM sources in winter. Applications of those methodologies for other sites with different topologies (rural, valley bottoms, near sources, marine, in France and in Switzerland, for different seasons) showed the complementarity of the different methodologies proposed. It also pointed out the necessity of adapting them to the specificities of each sites in order to have a good estimation of PM. In addition, further work should still be done to improve sources apportionment of OM. Moreover, in the context of applying those methodologies to Swiss alpine valley sites, it got possible to compare the quantitative CMB approach based on the study of organic compounds with another approach based on the study of the inorganic fraction of aerosols. Methodologies developed and optimized during this work will be used like reference to scientific or regulation applications in other national or international studies.

Les particules atmosphériques sont responsables de 3,2 millions de morts par an, cette mortalité faisant suite à des cardiopathies, bronchopathies ou encore des cancers. De nombreuses études épidémiologiques et mécanistiques associent l’augmentation de la prévalence des cancers pulmonaires avec l’exposition à la pollution atmosphérique et aux particules fines (PM2.5), d’où leur classification très récente comme cancérogène avéré pour l’homme par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC groupe 1). Les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la pathogénicité pulmonaire des polluants atmosphériques restent encore très controversés, ceci étant notamment lié à l’utilisation de modèles de culture cellulaire très éloignées des conditions in vivo. De plus, les PM2.5 présente une complexité physico-chimique (taille, nombre, morphologie et composition chimique) et une grande variabilité temporelle. En effet, ces particules sont constituées de nombreux polluants toxiques organiques, notamment des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ou encore des métaux, et ce à des teneurs parfois importantes. La complexité de leur composition rend les données toxicologiques difficilement interprétables, d’autant plus que la majorité des études toxicologiques publiées jusqu’à récemment ont souvent négligé la détermination de leur caractéristiques physico-chimiques.Mon projet de thèse a pour objectif d’évaluer le rôle des PM2.5, prélevées sur un site urbain (Lille), dans la cancérogenèse pulmonaire et ce, par une approche pluridisciplinaire qui permettra d’établir un lien étroit entre la physico-chimie et la toxicologie de ces particules.La première partie de mon projet est consacrée aux prélèvements des PM2.5, à Lille, au cours de deux saisons contrastées, et à l’évaluation de leurs principales caractéristiques physico-chimiques, à savoir leur granulométrie, leur composition chimique (métaux et HAP) ou encore leur bioaccessibilité dans des milieux de culture cellulaire ou des fluides bronchiques.La seconde partie consiste au développement d’un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines, issues de sujets sains et de patients atteints de Broncho-Pneumopathies Chroniques Obstructives (BPCO), différentiées à l’interface air/liquide, puis exposées de manière réitérée à des concentrations relativement faibles des PM2.5 prélevées à Lille. Ce modèle innovant permet de mieux intégrer un certain nombre de facteurs liés à la préexistence d’un état inflammatoire chronique et d’obtenir un état de différenciation cellulaire le plus proche possible des conditions d’exposition in vivo. Sur ce modèle cellulaire, après exposition, le phénotype inflammatoire, l’état de stress oxydatif ainsi que les modifications génétiques et épigénétiques sont étudiés.Les résultats de ce travail contribueront par une approche pluridisciplinaire à mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à la toxicité voire la cancérogénicité des PM2.5, et à expliquer pourquoi les individus atteints de BPCO sont plus sensibles que les sujets sains à l’exposition à long terme à des niveaux usuels de PM2.5. / Atmospheric particles are responsible for 3.2 million deaths per year, this mortality is due to heart diseases, bronchial diseases or cancers. Numerous epidemiological and toxicological studies associate the lung cancer prevalence increase with exposure to air pollution and particularly fine particulate matter (PM2.5). PM2.5 were recently classified as carcinogen to humans by International Agency for Research in Cancer (IARC group 1). Cellular and molecular mechanisms involved in air pollutants pulmonary pathogenicity are still very controversial. This is particularly related to the use of cell culture models far from in vivo conditions. In addition, PM2.5 have a physico-chemical complexity (size, number, morphology and chemical composition) and a high temporal variability. Indeed, these particles contain many toxic organic pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), or metals, and sometimes at significant levels. The complexity of their composition makes the toxicological datas difficult to interpret, especially as the majority of toxicological studies published until recently have often overlooked the determination of their physicochemical characteristics.My thesis project aims at assessing the role of PM2.5, sampled on an urban site (Lille), in lung carcinogenesis through a multidisciplinary approach which will establish a tight connection between chemistry and toxicology of these particles.The first part of my project consisted of the PM2.5 sampling, in Lille, during two contrasting seasons, and the evaluation of their main physical and chemical characteristics, as their size, chemical composition (metals and PAHs ) or their bioavailability in cell culture media or bronchial fluids.The second part consisted of the development of human bronchial epithelial cells from healthy subjects and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD), differentiated in air / liquid interface conditions, and exposed to repeated low concentrations of PM2.5 collected in Lille. This innovative model better integrates a number of factors related to the pre-existence of a chronic inflammatory state and gets the closest cell differentiation state possible to the in vivo exposure conditions. On this cellular model, after exposure, the inflammatory phenotype, the oxidative state as well as genetic and epigenetic status were studied.Using a multidisciplinary approach, the results of this work will contribute to better understand the molecular mechanisms related to PM2.5 toxicity or carcinogenicity, and to explain why COPD patients are more sensitive than healthy people to PM2.5 long term exposure.

L'arrêt cardiaque est un problème majeur de santé publique. Il se caractérise par une perte subite des fonctions cardiaques, de la respiration et de l’état de conscience et est habituellement causé par une perturbation électrique au niveau du coeur. Les arrêts cardiaques hors hôpital (ACHH) concernent plus de 85% des arrêts cardiaques. Les taux de survie, tout en restant bas, varient largement à travers le monde, de 2 à 20%. Dans la population générale, l'incidence de la mort subite par arrêt cardiaque serait estimée à 4-5 millions de cas par an. La pollution de l'air est un problème environnemental majeur pour la santé. En 2013, elle était le quatrième facteur de risque de mortalité globale et était estimée être à l'origine de 5,5 millions de décès par an à travers le monde. Dans la littérature, l'exposition à court terme à la pollution de l'air, notamment en ce qui concerne les particules en suspension, est retrouvée en association avec la morbidité et la mortalité cardiovasculaire. Plusieurs études trouvent une association positive entre les particules fines notées PM2,5 (de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 μm) et les arrêts cardiaques hors hôpital (ACHH) bien que l'association soit non significative dans d'autres études. En ce qui concerne les particules en suspension notées PM10 (de diamètre aérodynamique inférieur à 10 μm), le dioxyde d'azote (NO2), l'ozone (O3) et le dioxyde de soufre (SO2), l'évaluation du risque d'ACHH conduit à des résultats discordants. Les mécanismes impliqués dans la relation entre la pollution de l'air et les ACHH ne sont pas clairement connus. Ils pourraient mettre en jeu des perturbations électriques et des réactions inflammatoires. Le but de notre travail est d'étudier l'effet de l'exposition à ces différents polluants à des échelles de temps horaire et journalière sur la survenue d'ACHH dans la région Nord-Pas de Calais, France. De plus, nous nous sommes intéressés plus spécifiquement aux ACHH survenant en période scolaire avec des analyses en sous-groupes notamment par sexe, âge, cause de l'arrêt, statut diabétique, afin de pouvoir révéler des sous-groupes potentiellement plus vulnérables. L'étude a collecté les ACHH qui sont survenus dans la région Nord-Pas-de-Calais, France, en 2015. Une étude de cas-croisé stratifiée sur le temps couplée à une régression logistique conditionnelle a été principalement utilisée pour évaluer l'association entre les ACHH et les polluants de l'air (PM2,5, PM10, NO2, O3, SO2) mesurés dans l'heure de l'arrêt jusqu'à 5 jours avant l'arrêt. 1039 cas ont été inclus dans l'étude. La plupart des associations positives significatives ont été observées pour les expositions aux PM2,5 et PM10 et pour les ACHH en période scolaire. Pour la plus petite p-value, le plus grand OR était : pour l'ensemble des ACHH et dans le sous-groupe des hommes, pour la moyenne cumulée sur 12 heures avant l'arrêt des PM10 (OR=1,33, p<0,001 et OR=1,34, p=0,001 respectivement) ; dans le sous-groupe des âges de 50 à 75 ans, pour la moyenne le jour de l'arrêt des PM2,5 (OR=1,27, p<0,001) ; dans le sous-groupe des arrêts de cause cardiaque, pour la moyenne quatre jours avant l'arrêt des PM2,5 (OR=1,26, p<0,001) ; dans le sous-groupe des cas avec diabète, pour la moyenne cumulée sur quatre heures avant l'arrêt des PM2,5 (OR=1,55, p=0,002). Les résultats montrent des associations significatives entre les particules en suspension et les ACHH en période scolaire, avec des sous-groupes de susceptibilité (hommes, âge de 50 à 75 ans, ACHH de cause cardiaque, et les diabétiques). L'exploration de sous-groupes de vulnérabilité est d'autant plus importante dans les études épidémiologiques des polluants de l'air du fait des risques peu élevés à l'échelle de la population habituellement observés. L'ensemble de ces informations pourraient encourager les autorités publiques à émettre des politiques de recommandations spécifiques ciblées pour les sous-groupes de susceptibilité. / Cardiac arrest is an important public issue. It refers to the sudden, unexpected loss of heart function, breathing and consciousness and usually results from an electrical disturbance in the heart. More than 85% of cardiac arrests are out-of-hospital cardiac arrests (OHCA). Overall survival rates remain low in most countries but vary widely across the world (range: 2–20%). In the general population, sudden cardiac death rates range from 4 to 5 million cases per year. Outdoor air pollution is a major environmental health problem. In 2013, it ranked as the fourth risk factor for global mortality and was estimated to cause 5,5 million deaths worldwide per year. Short-term exposure to air pollution especially with regard to fine particulate matter is increasingly associated in the literature with cardiovascular morbidity and mortality. A positive association can be found between fine particulate matter with an aerodynamic diameter under 2.5 μm (PM2.5) and OHCA in several studies, though the association remains insignificant in others. With respect to PM smaller than 10 microns (PM10), nitrogen dioxide (NO2), ozone (O3) and sulfur dioxide (SO2), the evaluation of risk of OHCA brings out inconsistent results. The way ambient air pollution and OHCA are related is still unclear. It might involve electrical disturbances and inflammatory reactions. The aim of our study is to investigate the effect of exposure to air pollution, on an hourly and daily scale, on the incidence of OHCA in Nord-Pas-de-Calais, France. Additional objectives were to investigate, among OHCA occurring during non-holiday periods, susceptible subgroups by sex, age, cause of the OHCA, diabetes status. The study included OHCA that occurred in the Nord-Pas-de-Calais region, France, in 2015. A time-stratified casecrossover study design coupled with a conditional logistic regression was primarily used to evaluate the association between OHCA and air pollutants (PM2,5, PM10, NO2, O3, SO2) measured within the hour of the arrest up to 5 days before. In all, 1039 cases were included. Most of the significant positive associations were found for PM2,5 and PM10 exposures and for OHCA during non-holiday periods. For the smallest p-value, the largest OR was : for all OHCA and within the subgroup of men, for the cumulative average twelve hours before the arrest of PM10 (OR=1,33, p<0,001 and OR=1,34, p=0,001 respectively) ; within the subgroup of age 50 to 75 years old, for the average on the day of the arrest of PM2,5 (OR=1,27, p<0,001) ; within the subgroup of arrests of cardiac cause, for the average four days before the arrest of PM2,5 (OR=1,26, p<0,001) ; within the subgroup of cases with diabetes, for the cumulative average four hours before the arrest of PM2,5 (OR=1,55, p=0,002).The findings show significant links between short-term exposure to particulate matter and OHCA during non-holiday periods, with susceptible subgroups (men, age 50 to 75 years old, OHCA of cardiac cause, and diabetics). Investigation of susceptible subgroups becomes especially important in epidemiological studies of air pollutants because of the small population-wide relative risks that are usually observed. The results of this study could encourage public authorities to implement specific policy recommendations aimed at vulnerable subgroups.

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.

En zone urbaine, la pollution atmosphérique représente un enjeu majeur de santé publique. La caractérisation du risque associé dépend fortement de la qualité de l’estimation des expositions. Si les études étiologiques s’appuient maintenant souvent sur des modèles ayant une résolution spatiale fine, les études d’impact sanitaire (EIS) reposent encore généralement sur des approches avec une faible résolution spatiale. Ces contrastes spatiaux pourraient entraîner des inégalités sociales dans la distribution de l’impact sanitaire des polluants atmosphériques. D’autres facteurs, et en particulier le bruit, partagent les mêmes sources et ont potentiellement des effets sur la santé, et devraient aussi être pris en compte dans les études épidémiologiques. Les objectifs étaient : 1. D’étudier la possibilité de modéliser la distribution des particules ultrafines (UFP) en milieu urbain, et d’évaluer la corrélation entre UFP et bruit ; 2. De réaliser une EIS des particules fines avec une résolution spatiale fine, et d’investiguer les inégalités socio-économiques dans le fardeau de maladie généré par les particules ; 3. D’estimer les bénéfices sanitaires de scénarios théoriques de réduction de la pollution de l’air à l’échelle urbaine.Le premier objectif fait partie du projet Tri-tabs, conduit dans les villes de Bâle, Gérone et Grenoble. Des mesures de 20 min du bruit routier et du trafic, mais pas des UFP, étaient fortement reproductibles sur plusieurs mois. Sur des mesures simultanées, la corrélation entre le bruit et les UFP était modérée, ce qui ouvre la possibilité d’un ajustement réciproque pour de futures études épidémiologiques, permettant ainsi de démêler leurs potentiels effets court terme.Le second objectif se focalise sur le long terme. La plupart du temps, les études d’impact sanitaire ne prennent pas en compte les variations spatiales des concentrations en polluants en zone urbaine. Dans les agglomérations de Grenoble et Lyon en 2012, l’exposition aux PM2.5 a été estimée à une échelle de 10×10 m en combinant un modèle de dispersion à des données de densité de population. Les événements de santé retenus étaient la mortalité ainsi que l’incidence du cancer du poumon (Grenoble) et des petits poids des naissances à terme. Les estimations de l’impact sanitaire ont été répétées en considérant les concentrations en polluants de façon homogène au sein de chaque agglomération. La proportion de cas attribuables à la pollution de l’air était de 3–8% pour la mortalité et 9–43% pour les petits poids de naissances à terme. A Grenoble, 6,8% des nouveaux cas de cancer du poumon étaient attribuables à la pollution de l’air. L’impact était sous-estimé de 8 à 20% lorsque les stations de mesure de fond étaient utilisées. Le risque attribuable était plus important dans les quartiers dont le niveau de défaveur sociale était intermédiaire ou légèrement au-delà.Nous avons estimé l’impact de scénarios de réduction des niveaux de particules fines. Les scénarios visant une réduction de ces niveaux de 5% permettraient une réduction d’environ 10% des décès attribuables aux particules, tandis que les actions visant à réduire uniquement la pollution chez les 10% d’habitants les plus exposés ne procureraient qu’un gain sanitaire marginal (environ 1%). En conclusion, nous avons montré que les mesures à court terme ne peuvent pas être utilisées pour modéliser les UFP en zone urbaine ; nous avons été parmi les premiers à réaliser une EIS s’appuyant sur un modèle de dispersion à résolution spatiale fine, et à avoir intégré les petits poids de naissances. Nos estimations ont montré que les stations de fond utilisées couramment en France pour les EIS tendent à sous-estimer les expositions, comparées à un modèle de dispersion. Notre estimation de la réduction des niveaux de particules fines nécessaire pour atteindre une réduction significative de l’impact sanitaire de la pollution de l’air en zone urbaine pourrait servir de guide à des politiques publiques. / In urban areas, atmospheric pollution represents a major threat to human health. The accurate characterization of this threat relies centrally on the quality of exposure assessment. It also requires assessment of other factors sharing the same sources and also possibly impacting health, such as noise. Fine-scale exposure assessment of air pollution levels may allow identifying spatial contrasts. Such spatial variations may lead to social differences in the distribution of the health impact of these pollutants.The general aims of the PhD were: 1. To study the possibility to model ultrafine particles distribution in urban areas and assess the correlation of ultrafine particles levels with road traffic noise; 2. To assess the risk incurred by air pollution exposure with a fine-scale modelling approach and investigate the potential socio-economic disparities in health burden induced by particulate matter; 3. To investigate the health benefits expected from hypothetical scenarios of reduction of air pollution levels at the urban scale.The first aim relies on Tri-tabs project, conducted in three European cities (Basel, Girona, Grenoble). Measurements during 20 minutes of outdoor noise and traffic, but not of UFP, were strongly reproducible over durations of a couple of days or months. In these areas, on the short-term, noise levels and UFP concentrations exhibited relatively moderate correlations, which may allow adjustment for mutual confounding in epidemiological studies, thus allowing to disentangle their possible short-term health effects.The second aim introduces health effects, and focuses on the longer term. Risk assessment studies often ignore within-city spatial variations of air pollutants. In Grenoble and Lyon areas (0.4 and 1.2 million inhabitants, respectively) in 2012, PM2.5 exposure was estimated on a 10×10 m grid by coupling a dispersion model to fine-scale data on population density. Outcomes were mortality, lung cancer and term low birth weight incidences. The numbers of cases attributable to air pollution were estimated overall and stratifying areas according to the European Deprivation Index, a measure of social deprivation. Estimations were repeated assuming spatial homogeneity of air pollutants within city. The proportion of cases attributable to air pollution was in the 3-8% range for mortality and 9–43% range for term low birth weight. In Grenoble, 6.8% (95% CI: 3.1–10.1%) of incident lung cancer cases were attributable to air pollution. The impact was underestimated by 8 to 20% when background monitoring stations were used to assess exposure, compared to fine-scale dispersion modeling. Health impact was highest in neighborhoods with intermediate to higher social deprivation.Several countries across Europe have implemented air pollution regulation policies, or low emission zones, France being an exception. We estimated the health impact of air pollution under different scenarios of reduction of fine particulate matter concentrations. Scenarios targeting a reduction in the PM2.5 annual averages by 5% led to a 10% decrease of the health burden, while actions aiming at only reducing the exposure of the population exposed above the 90th percentile did not yield a significant reduction of the health burden (around 1%).In conclusion, we have shown that short-term measurements cannot be used to model ultrafine particles levels in urban areas; we were among the first to rely on a fine-scale exposure model for estimating the health impact of air pollution, and quantify its impact on term low birth weight. Our estimations showed that background air quality monitoring stations used classically in France for health impact assessment studies tend to underestimate exposure, compared to a spatially-resolved dispersion model. We have provided an estimate of the air pollution decrease required to obtain a significant reduction of the health impact of air pollutants in urban areas.

The presented doctoral thesis deals with the characterization of elements in two size fractions of urban aerosol, which was sampled in all seasons on the terrace of the Institute of Analytical Chemistry of the CAS in Brno in 2018. The theoretical part of the thesis summarizes the basic information about the analysis and health risks of atmospheric aerosol and metals bound to aerosol. Furthermore, the work describes methods for determining the inhalation bioaccessibility of aerosol particles and methods used for the determination of oxidative potential. The first part of the thesis describes in detail the sampling and analysis of urban aerosol particles. The mass concentration of both aerosol size fractions and the total concentration of 21 elements were determined. The probable sources of the analysed elements were calculated using the enrichment factor and positive matrix factorization. The second part of the thesis deals with the determination of the oxidative potential of the aerosol and bioaccessible concentration of the analysed elements in three simulated lung fluids (deionized water, simulated alveoli fluid, Gamble solution). In addition to determining the oxidative potential of real samples, the oxidative potential of individual elements was also analysed. From the obtained results was calculated the probable contribution of the elements to the measured oxidative potential.