La pollution atmosphérique est une problématique urbaine majeure, avec des concentrations de polluants dépassant fréquemment les seuils de recommandations pour la santé. Les véhicules participent fortement à la pollution atmosphérique malgré l’intégration de systèmes de dépollution dans leur ligne d’échappement. L’objectif de ce travail de recherche était de caractériser les émissions primaires à l’échappement des véhicules ainsi que leur évolution physique en champ proche pour mieux comprendre la contribution des émissions primaires liées au trafic à la pollution atmosphérique urbaine. L’évolution des émissions a été étudiée dans une chambre de simulation atmosphérique qui a permis de simuler des conditions atmosphériques contrôlées.La première partie de ce travail était centrée sur les mesures d’émissions à l’échappement des véhicules récents qui sont ou seront majoritaires dans le parc automobile français dans les prochaines années. Pour cela, un échantillon de véhicules regroupant les principales technologies de dépollution commercialisées a été testé. Les gaz d’échappement émis par les véhicules ont été analysés lors de tests sur un banc à rouleau suivant différentes conditions de conduites. Les polluants soumis aux réglementations Européennes ont été mesurés, ainsi que certains composés non-réglementés par les normes Européennes mais dont la dangerosité a été mise en évidence par la communauté scientifique.La deuxième partie de ce travail se concentre sur l’évolution en champ proche des polluants particulaires dans les heures qui suivent leur rejet dans l’atmosphère. L’effet de la dilution soudaine des gaz en sortie de pot d’échappement a été étudié en utilisant une méthodologie innovante de prélèvement directement à l’échappement. Ensuite l’évolution des particules dans les premières heures après leur rejet a été étudiée dans une chambre de simulation atmosphérique de 8 m3, construite spécifiquement dans le cadre de cette thèse pour être couplé au banc à rouleau. / Air pollution is a major urban issue, with pollutant concentrations frequently exceeding health recommendations. Vehicles are highly involved in air pollution despite the integration of pollution control systems. The objective of this research is to characterise the primary exhaust emissions of vehicles and their physical evolution in the near field to better understand the impact of primary emissions related to traffic on urban air pollution. Emissions evolution was studied in an atmospheric simulation chamber with controlled atmospheric conditions. The first part of this work aims to determine the exhaust emissions of recent vehicles that are or will be major in the French car fleet in the coming years. A sample of vehicles grouping the main commercialised depollution technologies was tested on a chassis dynamometer according to different driving conditions and the emissions from their exhaust gas were analysed. The pollutants subject to European regulations were taken into account, as well as compounds not regulated by European standards but whose toxicity has been highlighted by the scientific community.The second part of this work focuses on the near-field evolution of particulate pollutants in the hours following their release into the atmosphere. The effect of the abrupt gas dilution at the end of the exhaust has been studied using an innovative sampling methodology directly at the exhaust of the vehicles. Then the evolution of the particles in the first hours after their rejection was studied in an atmospheric simulation chamber of 8 m3, built specifically within the framework of this thesis to be coupled with the dynamometer.

Les effets respiratoires aigus des expositions journalières à des particules fines et ultrafines ne sont pas pleinement documentés pour les expositions professionnelles, même si de nombreux travailleurs sont exposés à des niveaux de particules considérablement plus élevés que dans l'environnement. Cela est en partie attribuable au manque de données sur l'exposition. Actuellement, les études évaluant les expositions professionnelles aux particules fines et ultrafines sont peu nombreuses et manquent de méthodes standardisées pour permettre une conclusion générale sur l'exposition des travailleurs. Les paramètres pour améliorer l'évaluation de l'exposition incluent l'harmonisation des stratégies d'échantillonnage et l'évaluation de la distribution des tailles (e.g. particules de diamètres médians de 2.5 et 4 µm et particules ultrafines), de la composition chimique et du potentiel oxydatif de ces particules. Ainsi, dans un contexte d'incertitude sur les risques respiratoires aigus, et considérant le grand nombre de travailleurs potentiellement exposés en l'absence de données d'exposition comparables entre les milieux de travail, les besoins de produire des nouvelles connaissances dans ce domaine sont énormes. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse était d’estimer les risques associés à l’exposition journalière aux particules fines et ultrafines dans divers milieux de travail avec les trois sous-objectifs suivant: (1) estimer des niveaux de particules fines et ultrafines dans différents milieux de travail; (2) évaluer le potentiel oxydatif et le fardeau du potentiel oxydatif des expositions professionnelles aux particules fines dans deux milieux d'une école des métiers de la construction; (3) estimer, par une revue systématique et une méta-analyse, la relation entre les expositions professionnelles et environnementales à court terme (c.-à-d. journalière) aux particules fines et leurs effets respiratoires aigus sur la fonction pulmonaire. Pour le premier objectif, des mesures ont été effectuées pendant 12 jours d'échantillonnage dans une mine souterraine, un tunnel de métro, un atelier de réparation de camions et une fonderie. Des instruments à lecture directe et des mesures intégrées ont été utilisés et comprenaient des mesures de la concentration numérique, la concentration massique, la distribution granulométrique, la microscopie électronique à transmission et la composition (par exemple, le carbone total (CT) et le carbone élémentaire (CE)) des particules. Pour le deuxième objectif, le potentiel oxydatif (OPAA) et le fardeau oxydatif (OBAA) ont été évalués par le test d'ascorbate en utilisant un fluide de revêtement des voies respiratoires synthétique. Des échantillons personnels de PM4 (Nsoudage = 53; Nconstruction = 54) ont été prélevés dans la zone respiratoire, tandis que des mesures en postes fixes de PM4 (Nsoudage = 54; Nconstruction = 33) et de PM2.5 (Nsoudage = 53; Nconstruction = 34) ont été collectées à une distance d'environ 1,5 mètre des apprentis. Pour le troisième objectif, nous avons recherché des bases de données bibliographiques pour identifier les études portant sur les associations entre les expositions journalières aux particules fines (c.-à-d. PM2.5 et PM4) et les paramètres de la fonction pulmonaire (e.g. volume expiratoire forcé en 1 sec, FEV1) chez les adultes en bonne santé. Séparément pour les études environnementales et professionnelles, nous avons résumé les résultats à l'aide de méta-analyses à effets aléatoires lorsque cinq estimés d’association ou plus étaient disponibles. Les concentrations en nombre de particules les plus élevées ont été observées dans la mine souterraine, l’atelier de soudage et la fonderie. Pour les milieux de travail avec une exposition au diesel, la mine souterraine présentait la concentration numérique la plus élevée (134 000 particules/cm3) par rapport au tunnel de métro (32 800 particules/cm3) et à l'atelier de réparation de camions (22 700 particules/cm3). De plus, les concentrations massiques des particules fines, du CT et du CE étaient également plus élevées dans la mine souterraine par rapport aux autres milieux. Le ratio CT/CE était de 1,4 dans la mine, 2,5 dans le tunnel et 8,7 dans l'atelier, indiquant la présence d’une importante source de carbone organique non associée aux émanations de moteur diesel dans les milieux de travail non miniers. Cette source de carbone organique peut affecter l'estimation de l'exposition lorsque le CT est utilisé comme indicateur d'exposition au diesel. Les mesures de la distribution de la taille et les images capturées par microscopie à transmission électronique ont indiqué que les particules trouvées dans tous les milieux de travail étaient majoritairement dans la fraction ultrafine. Les particules collectées dans les milieux de travail ont été associés à différents niveaux de potentiel oxydatif. Les particules de soudage présentaient des niveaux plus élevés de OPAA (3,3 ρmol /min/µg) et OBAA (1750 ρmol/min/m3) que le site de construction (OPAA = 1,4 ρmol/min/µg; OBAA = 486 ρmol/min/m3). Ces niveaux d'OBAA dépassaient largement les niveaux trouvés dans l'environnement général. Dans les deux milieux de travail, les niveaux d'OPAA n'ont pas été influencés par les différentes stratégies d'échantillonnage (c.-à-d. mesures personnelles et en postes fixes) ou par la taille des particules (c.-à-d. PM2.5 et PM4). Cependant, en raison des concentrations de particules plus élevées, l'OBAA des échantillons personnels était significativement plus grand que celui des mesures d’ambiance dans l'atelier de soudage. La revue systématique et méta-analyse a montré que les associations entre les expositions journalières aux particules fines dans l’environnement général étaient plus prononcées qu’en milieu de travail pour un même incrément d'exposition. Une qu'une augmentation de 10 ug/m3 des expositions journalières aux particules fines respirables était associée à des réductions du FEV1 de 0,87 ml (IC à 95%: -1,36 à -0,37 ml; I2 = 54 %) dans les études professionnelles, et une augmentation similaire des particules fines était associée à une réduction de 7,62 mL (IC à 95%: -10,62 à -4,63 mL; I2 = 0%) dans les études environnementales. Des résultats similaires ont été observés pour les associations avec la capacité vitale forcée. En résumé, les résultats de cette thèse montrent que les travailleurs sont exposés à des niveaux importants de particules exprimées en termes de concentrations massiques et numériques, et que ces particules se trouvent principalement dans la fraction ultrafine. Les concentrations élevées de ces particules combinées à un potentiel oxydatif important entrainent un fardeau oxydatif qui dépasse largement celui d’études environnementales. De plus, les expositions professionnelles pendant un quart de travail entraineraient des effets sur la santé respiratoire décrits en termes de réduction de la fonction pulmonaire des travailleurs. À la lumière de ces résultats, des améliorations des pratiques d'hygiène industrielle et de la surveillance de l'exposition aux particules fines et ultrafines dans les milieux de travail sont nécessaires pour contrôler et limiter les risques sanitaires potentiels des expositions journalières à ces polluants. / Respiratory effects, such as lung function, of short-term exposures to fine and ultrafine particles are not well documented for occupational exposures, even though many workers are exposed daily to levels considerably higher than in the general environment. This limited understanding can be attributed to the lack of exposure data. Currently, studies assessing occupational exposures to fine particles and ultrafine fraction are few and lack standardized methods to allow a general conclusion about workers’ exposures. The steps for improving exposure assessment include the harmonization of sampling strategies and the assessment of additional information related to the size distribution (e.g. particles of median diameter of 2.5 and 4 µm, and ultrafine particles), chemical composition, and the oxidative potential of these particles. Thus, in a context of uncertainty about the acute respiratory risks, with many potentially exposed workers and in the absence of comparable exposure data, the needs for developing knowledge in this field are enormous. Hence, the main objective of this thesis was to estimate the risk of daily exposures to fine and ultrafine particles in various workplaces with three specific objectives: (1) to quantify and characterize exposures to fine and ultrafine particles in different workplaces in Québec by an innovative multi-metric approach; (2) to estimate the oxidative potential and oxidative burden of particles in two occupational settings from a construction trades school; (3) to separately estimate, by a systematic review and meta-analysis, the associations between short-term (i.e. daily and sub-daily) occupational and environmental exposures to fine particles and its acute respiratory effects on lung function in healthy adults. For the first objective, measurements were performed in an underground mine, a subway tunnel, a truck repair workshop, and a smelting industry for at least 12 sampling days each. Direct-reading instruments and filter-based methods were used and included measurements of the number concentration, mass concentration, size distribution, transmission electron microscopy and composition (e.g. Total carbon (TC) and elemental carbon (EC)) of particles. For the second objective, the oxidative potential (OPAA) and oxidative burden (OBAA) were assessed by the ascorbate assay with a synthetic respiratory tract lining fluid. Personal PM4 (Nwelding = 53; Nconstruction = 54) samples were collected from the breathing zone, while area samples of both PM4 (Nwelding = 54; Nconstruction = 33) and PM2.5 fractions (Nwelding = 53; Nconstruction = 34) were collected at distances of around 1.5 meter from the apprentices. For the third objective, we searched bibliographic databases to identify studies investigating associations between daily and sub-daily exposures to fine particles (i.e. PM2.5 and PM4) and lung function parameters (e.g. Forced Expiratory Volume in 1 sec, FEV1) in healthy adults. Separately for environmental and occupational studies, we summarized findings using random-effects meta-analyses when five or more independent estimates of association were available. The highest particle number concentrations were observed in the underground mine, welding shop and smelting industry. For the workplaces with diesel exposure, the underground mine had the highest geometric mean of particle number concentration (134,000 particles/cm3) compared to the subway tunnel (32,800 particles/cm3) and the truck repair workshop (22,700 particles/cm3). This same pattern of exposure in these workplaces were also observed for the mass concentration of fine particles, TC and EC. The TC/EC ratio was 1.4 in the mine, 2.5 in the tunnel and 8.7 in the workshop, indicating significant organic carbon interference in the non-mining workplaces that can affect exposure estimation when TC is used as an indicator of diesel exposure. Measurements of the size distribution and images captured by transmission electron microscopy indicated that the particles found in all workplaces were mainly in the ultrafine size fraction. Particles collected in the welding shop and construction site were associated with important levels of redox activity. Welding particles had higher OPAA (3.3 ρmol/min/µg) and OBAA (1,750 ρmol/min/m3) compared to the construction site (OPAA = 1.4 ρmol/min/µg; OBAA = 486 ρmol/min/m3). These levels of OBAA largely exceeded the levels found in environmental settings. In both workplaces, OPAA levels were not influenced by the different sampling strategies (i.e. area versus personal measurements) or size fractions (i.e. PM2.5 and PM4). However, driven by the higher particulate matter concentrations, the OBAA from personal samples was higher compared to area samples in the welding shop. The systematic review and meta-analysis showed that associations between daily exposures to fine particles and lung function in environmental settings were more pronounced than in occupational settings for a same exposure increment. An increase of 10 µg/m3 in the daily and sub-daily exposures to respirable fine particles were associated with FEV1 reductions of 0.87 mL (95% CI: -1.36 to -0.37 mL; I2= 54%) in occupational studies, and a similar increase in fine particles was associated with a reduction of 7.63 mL (95% CI: -10.62 to -4.63 mL; I2= 0%) in environmental studies. Similar results were observed for associations with the forced vital capacity. In summary, this thesis’s results showed that workers are exposed to important levels of particles expressed in terms of mass and number concentrations, and these particles are mainly in the ultrafine size range. The high particulate matter concentrations combined with an elevated oxidative potential resulted in significant levels of oxidative burden that largely exceeded those from environmental settings. Also, occupational exposures during a work shift may result in respiratory health effects described in terms of reduction in workers’ lung function. Based on our results, improvements in industrial hygiene practices and the surveillance of exposure to fine and ultrafine particles in the workplace are needed to control and limit potential health risks of daily exposure to these pollutants.

Emissions from airport operations are of significant concern because of their potential impact on local air quality and human health. The currently limited scientific knowledge of aircraft emissions is an important issue worldwide, when considering air pollution associated with airport operation, and this is especially so for ultrafine particles. This limited knowledge is due to scientific complexities associated with measuring aircraft emissions during normal operations on the ground. In particular this type of research has required the development of novel sampling techniques which must take into account aircraft plume dispersion and dilution as well as the various particle dynamics that can affect the measurements of the aircraft engine plume from an operational aircraft. In order to address this scientific problem, a novel mobile emission measurement method called the Plume Capture and Analysis System (PCAS), was developed and tested. The PCAS permits the capture and analysis of aircraft exhaust during ground level operations including landing, taxiing, takeoff and idle. The PCAS uses a sampling bag to temporarily store a sample, providing sufficient time to utilize sensitive but slow instrumental techniques to be employed to measure gas and particle emissions simultaneously and to record detailed particle size distributions. The challenges in relation to the development of the technique include complexities associated with the assessment of the various particle loss and deposition mechanisms which are active during storage in the PCAS. Laboratory based assessment of the method showed that the bag sampling technique can be used to accurately measure particle emissions (e.g. particle number, mass and size distribution) from a moving aircraft or vehicle. Further assessment of the sensitivity of PCAS results to distance from the source and plume concentration was conducted in the airfield with taxiing aircraft. The results showed that the PCAS is a robust method capable of capturing the plume in only 10 seconds. The PCAS is able to account for aircraft plume dispersion and dilution at distances of 60 to 180 meters downwind of moving a aircraft along with particle deposition loss mechanisms during the measurements. Characterization of the plume in terms of particle number, mass (PM2.5), gaseous emissions and particle size distribution takes only 5 minutes allowing large numbers of tests to be completed in a short time. The results were broadly consistent and compared well with the available data. Comprehensive measurements and analyses of the aircraft plumes during various modes of the landing and takeoff (LTO) cycle (e.g. idle, taxi, landing and takeoff) were conducted at Brisbane Airport (BNE). Gaseous (NOx, CO2) emission factors, particle number and mass (PM2.5) emission factors and size distributions were determined for a range of Boeing and Airbus aircraft, as a function of aircraft type and engine thrust level. The scientific complexities including the analysis of the often multimodal particle size distributions to describe the contributions of different particle source processes during the various stages of aircraft operation were addressed through comprehensive data analysis and interpretation. The measurement results were used to develop an inventory of aircraft emissions at BNE, including all modes of the aircraft LTO cycle and ground running procedures (GRP). Measurements of the actual duration of aircraft activity in each mode of operation (time-in-mode) and compiling a comprehensive matrix of gas and particle emission rates as a function of aircraft type and engine thrust level for real world situations was crucial for developing the inventory. The significance of the resulting matrix of emission rates in this study lies in the estimate it provides of the annual particle emissions due to aircraft operations, especially in terms of particle number. In summary, this PhD thesis presents for the first time a comprehensive study of the particle and NOx emission factors and rates along with the particle size distributions from aircraft operations and provides a basis for estimating such emissions at other airports. This is a significant addition to the scientific knowledge in terms of particle emissions from aircraft operations, since the standard particle number emissions rates are not currently available for aircraft activities.