L’objectif de ce travail de thèse est d’améliorer l’état de nos connaissances sur les processus de formation et du devenir de l’AOS, en lien avec la réactivité des COVB avec les oxydants de l’atmosphère et en particulier l’ozone, en utilisant le potentiel de l’écosystème landais en tant que source d'AOS biogénique. Pour cela, des campagnes de terrain ont été menées sur un site de mesure en forêt landaise, écosystème particulièrement approprié pour l’étude de la formation et du devenir des AOS. Au cours de ces campagnes, différents paramètres physico-chimiques complémentaires ont été mesurés, tels que les concentrations et les flux de particules, d’oxydants et de COVB. Des épisodes nocturnes de formation de nouvelles particules ont été mis en évidence, ce qui constitue un résultat original car les évènements rapportés jusqu’ici dans la littérature étaient principalement diurnes. La contribution importante de l’ozonolyse des monoterpènes émis par les pins maritimes, dominés par l’α- et le β-pinène, à la formation nocturne de nouvelles particules a également été démontrée. Les mesures de flux de particules réalisées suggèrent que les particules formées au cours de la nuit sont transférées depuis la canopée vers les plus hautes couches de l’atmosphère. Une production d’ozone a également été démontrée par la comparaison des mesures de flux d’ozone à un modèle physique de dépôt. Cette source d’ozone pourrait être liée à la photooxidation des COVB / Forest ecosystems affect air quality and climate, especially through the emissions and the reactions of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) with the atmospheric oxidants, known to generate Secondary Organic Aerosols (SOAs). This work aims to improve our knowledge on the processes involved in biogenic SOA formation and fate. Two field campaigns have been conducted in the Landes forest. In a first step, the measurement site was characterized by a statistical study of local meteorological conditions. During these campaigns, complementary physical and chemical measurements have been carried out, implying measurements of fluxes and concentrations of particles, BVOCs and oxidants. The results evidenced nocturnal new particle formation, which is an original result as this process was usually only reported during daytime. The strong contribution of BVOCs (dominated by α- and β-pinene) ozonolysis to nocturnal new particle formation has been demonstated. Particle flux measurements suggested that particles are transfered from the canopy to the higher atmospheric surface layer. The comparison between ozone fluxes and a physical ozone deposition model also highlighted an ozone production source. This ozone production might be related to BVOC photooxidation.

Les composés Organiques Volatils (COVs) sont des gaz carbonés rares, émis en faible concentration depuis les surfaces continentale et marine vers l’atmosphère. Très réactifs, ces composés sont impliqués dans la chimie atmosphérique et sont au cœur de nombreuses problématiques environnementales actuelles telles que le changement climatique lié aux gaz à effet de serre, la qualité de l’air et les rétroactions sur le fonctionnement des écosystèmes. Les couverts végétaux terrestres étaient jusqu’alors identifiés comme les sources principales de COVs d’origine biogénique. Mais, de récentes études suggèrent que les sols pourraient constituer des sources majeures de COVs. Or dans les paysages anthropisés agricoles, les sols sont l’objet d’usages et de gestions divers et variés et sont susceptibles de modifier qualitativement et quantitativement les patrons d’émissions de COVs. Paradoxalement, les sols d’agrosystèmes ont fait l’objet de peu d’inventaires de leurs émissions de COVs. La rareté des connaissances sur la contribution des sols d’agrosystèmes dans les émissions de COVs a motivé ce travail de thèse dans lequel trois objectifs ont été poursuivis : i) inventorier les spectres et quantifier les flux de COVs émis par les sols dans les paysages agricoles, ii) déterminer le rôle des microorganismes du sol dans les émissions et iii) identifier les déterminants abiotiques régulant les émissions de COVs par les sols. Une première partie du travail a consisté à analyser les dynamiques temporelles d’émissions de COVs sur le terrain, dans deux sites observatoires représentatifs du paysage agricole Breton : le site EFELE (SOERE-PRO) comprenant des sols cultivés soumis à des pratiques de fertilisation contrastées, et la Zone Atelier Armorique (ZAAr) comprenant des prairies permanentes fertilisées et des prairies humides caractérisées par un faible degré d’anthropisation. La deuxième partie du travail a été menée en laboratoire pour expliciter et compléter les observations de terrain, deux séries d’expérimentations en laboratoire ont été réalisées permettant de manipuler, i) la source de carbone organique du sol via l’apport de différentes molécules modèles, ii) les communautés microbiennes par la transplantation de communautés microbiennes naturelles dans trois sols distincts. Cette étude aura permis de montrer, en laboratoire et sur le terrain, qu’un sol émet une quarantaine de masses dont seules quelques-unes (1 à 4) sont dominantes. Ces spectres de COVs sont par ailleurs spécifiques des usages des sols (culture vs prairie) et des pratiques de fertilisation. Nous montrons aussi : i) qu’il existe une temporalité des émissions de COVs par les sols allant de 22 à 167 μg de COVs par m−2 h−1, la période hivernale étant la moins émissive et que ii) s’ajoute que certaines pratiques de fertilisation, comme l’apport de lisier de porc, induisent un flux de méthanol pouvant atteindre jusqu’à 10 fois celui qui est observé par les sols amendés avec du digestat de lisier de porc. Concernant, le rôle des microorganismes du sol dans la production de COVs, nous démontrons que le spectre de COVs n’est pas représentatif de la diversité phylogénétique de la communauté du sol mais plutôt de l’activité métabolique des microorganismes actifs. S’agissant de l’exploration des déterminants abiotiques susceptibles de réguler les émissions, nos résultats suggèrent que l’ajout de molécules organiques au sol, induit un changement rapide dans le spectre de COVs émis par le sol. Cette modification est dépendante du degré de polymérisation de la molécule apportée. Pour conclure, l’approche intégrative et interdisciplinaire mise en œuvre dans ce travail de thèse a permis d’accroître les connaissances sur les émissions de COVs biogéniques par les sols. L’ensemble des recherches suggère que les émissions de COVs par les sols ne sont pas négligeables. Leur position dans les cycles biogéochimiques nécessite leur intégration dans les scenarii futurs des changements globaux. / Volatile Organic Compounds (VOCs) are trace carbonaceous gases emitted in low concentrations from the continental and marine surfaces to the atmosphere. Highly reactive, these compounds are involved in atmospheric chemistry and are at the heart of many current environmental issues such as climate change related to greenhouse gases, air quality and feedback on the functioning of ecosystems. Terrestrial plant cover was previously identified as the main source of VOCs of biogenic origin. But recent studies suggest that soils could be major sources of VOCs. However, in agricultural anthropogenic landscapes, soils are subject to various and varied uses and management and are likely to modify qualitatively and quantitatively the patterns of VOC emissions. Paradoxically, agrosystem soils have been the subject of few inventories of their VOC emissions. The scarcity of knowledge on the contribution of agrosystems soils in VOC emissions motivated this work of thesis in which three objectives were pursued : i) inventory the spectra and quantify the VOCs fluxes emitted by soils in agricultural landscapes (ii) to determine the role of soil microorganisms in emissions and (iii) to identify the abiotic determinants controlling VOC emissions by soils. A first part of the work has consisted in analyzing the temporal dynamics of VOCs emissions in the field, in two observatory sites representative of the Britain agricultural landscape : the EFELE site (SOERE-PRO) comprising cultivated soils subjected to contrasting fertilization practices, and the Zone Atelier Armorique (ZAAr) including fertilized permanent meadows and wet meadows characterized by a low degree of anthropization. The second step of the work was conducted in the laboratory to clarify and complete the field observations, two series of laboratory experiments were conducted to manipulate, i) the soil organic carbon source via the input of different model molecules (ii) microbial communities by transplanting natural microbial communities into three distinct soils. This study has generated technical advances and produced entirely new results concerning both the characterization of spectra and the quantification of biogenic VOC fluxes emitted by soils. Thus, we show, in the laboratory and in the field, that a soil emits about forty masses of which only a few (1 to 4) are dominant. These VOC spectra are also specific to land uses (crop vs meadow) and fertilization practices. We also show that : i) there is a temporality of VOC emissions by soils ranging from 22 to 167 μg of VOCs per m−2 h−1, the winter period is the least emissive and ii) adds that some fertilization practices, such as pig slurry, induce a flux of methanol up to 10 times that observed by soils amended with methanised pig slurry. Regarding the role of soil microorganisms in VOCs production, we demonstrate that the VOCs spectrum is not representative of the phylogenetic diversity of the soil community but rather of the metabolic activity of active microorganisms. As for the exploration of abiotic determinants that can regulate emissions, our results suggest that the addition of organic molecules to the soil induces a rapid change in the VOC spectrum emitted by the soil, ranging from a few hours to a few days after intake. This modification is dependent on the degree of polymerization of the molecule provided. All research suggests that VOC emissions by soils are not negligible. Their key position in terms of issues requires to be of greater interest and to take them into account in future scenarios of global changes (climate and land uses), especially with regard to emerging practices of soil management in connection with the ecological transition initiated in agriculture. Similarly, the consideration of VOCs emissions in the biogeochemical cycles of carbon and that of nitrogen to better understand the functioning of ecosystems is also discussed in this document.

<p>Volatile organic compounds (VOCs) are endogenous byproducts of metabolic pathways that can be altered by a disease or condition, leading to an associated and unique VOC profile or signature. Current methodologies for VOC detection include canines, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), and electronic nose (eNose). Some of the challenges for canines and GC-MS are cost-effectiveness, extensive training, expensive instrumentation. On the other hand, a significant downfall of the eNose is low selectivity. This thesis proposes to design a breathalyzer using chemiresistive gas sensors that detects VOCs from human breath, and subsequently create an interface to process and deliver the results via Bluetooth Low Energy (BLE). Breath samples were collected from patients with hypoglycemia, COVID-19, and healthy controls for both. Samples were processed, analyzed using GC-MS and probed through statistical analysis. A panel of 6 VOC biomarkers distinguished between hypoglycemia (HYPO) and Normal samples with a training AUC of 0.98 and a testing AUC of 0.93. For COVID-19, a panel of 3 VOC biomarkers distinguished between COVID-19 positive symptomatic (COVID-19) and healthy Control samples with a training area under the curve (AUC) of receiver operating characteristic (ROC) of 1.0 and cross-validation (CV) AUC of 0.99. The model was validated with COVID-19 Recovery samples. The discovery of these biomarkers enables the development of selective gas sensors to detect the VOCs. </p><p><br></p><p>Polyethylenimine-ether functionalized gold nanoparticle (PEI-EGNP) gas sensors were designed and fabricated in the lab and metal oxide (MOX) semiconductor gas sensors were obtained from Nanoz (Chip 1: SnO₂ and Chip 2: WO₃). These sensors were tested at different relative humidity (RH) levels, and VOC concentrations. Contact angle which measures hydrophobicity, was 84° and the thickness of the PEI-EGNP coating was 11 µ m. The PEI-EGNP sensor response at RH 85% had a signal 10x higher than at RH 0%. Optimization of the MOX sensor was performed by changing the heater voltage and concentration of VOCs. At RH 85% and heater voltage of 2500 mV, the performance of the sensors increased. Chip 2 had higher sensitivity towards VOCs especially for one of the VOC biomarkers identified for COVID-19. PCA distinguished VOC biomarkers of HYPO, COVID-19, and healthy human breath using the Nanoz. A sensor interface was created to integrate the PEI-EGNP sensors with the printed circuit board (PCB) and Bluno Nano to perform machine learning. The sensor interface can currently process and make decisions from the data whether the breath is HYPO (-) or Normal (+). This data is then sent via BLE to the Hypo Alert app to display the decision.</p>

El objetivo de esta Tesis Doctoral es estudiar diferentes herramientas para el manejo de plagas y enfermedades del cultivo de la platanera. Entre las herramientas que vamos a desarrollar, se van a analizar los compuestos orgánicos volátiles (COVs) fúngicos derivados de hongos entomopatógenos (HE) y nematófagos, como fuente de metabolitos con actividad antagónica contra el picudo negro (PN) de la platanera, Cosmopolites sordidus, para su control y manejo en el campo. Así mismo, vamos a estudiar las respuestas de cultivares de plataneras a quitosano, un polisacárido biodegradable, para evaluar su posible uso en el campo como estimulante y protector de las plantas frente a plagas y patógenos, como Fusarium oxysporum f. sp. cubense. El conjunto de capítulos de esta tesis pretende sentar las bases de una estrategia de manejo sostenible de plagas y enfermedades del cultivo de la platanera, basada en el uso de COVs derivados de hongos presentes de forma natural en los cultivos, en combinación con la suplementación de quitosano en el riego, para un efecto de protección y activación de las defensas de las plataneras antes de cualquier infección de plagas y/o enfermedades. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es encontrar nuevas fórmulas para la gestión integrada de plagas como Cosmopolites sordidus y enfermedades de la platanera en condiciones de campo. En esta Tesis Doctoral hemos ideado enfoques sostenibles para la gestión de las plagas y enfermedades de las plataneras. Nuestros objetivos son: a) Cosmopolites sordidus (picudo negro de la platanera, PN), la principal plaga de los cultivos de plátano y, b) el hongo del marchitamiento Fusarium oxysporum f. sp. cubense Raza Tropical 4 (FocTR4), agente causante de una nueva variante extremadamente virulenta de la enfermedad del “Mal de Panamá”, que se está extendiendo rápidamente por todo el mundo. Nuestras herramientas de gestión sostenible son: a) los hongos entomopatógenos (HE, conocidos por su uso como agentes de control biológico, ACBs) aislados de campos comerciales de plátanos, b) sus compuestos orgánicos volátiles (COVs) y, c) el quitosano, un compuesto biodegradable y elicitor de la inmunidad de las plantas con actividad antimicrobiana. Damos evidencia de que los COVs de los hongos agentes de control biológico son repelentes del PN. Pueden utilizarse en los cultivos de platanera mediante estrategias de push and pull para gestionar la plaga de forma sostenible. El quitosano puede utilizarse en el riego para prevenir las defensas de la platanera local y sistémicamente. Por lo tanto, este polímero, con probada actividad antimicrobiana frente a otros patógenos de marchitamiento de Fusarium spp., podría utilizarse contra la actual pandemia en las plataneras causada por FocTR4. La capacidad de inducir reguladores del crecimiento de las plantas sostiene también el papel fertilizante del quitosano. La inducción de compuestos relacionados con la respuesta sistémica adquirida (RSA) hace que el riego con quitosano sea una herramienta para manejar también las plagas de las plataneras sobre el suelo (PN) y las enfermedades (Sigatoka). De esta manera, los COVs y el quitosano podrían ayudar a reducir el uso de agroquímicos tóxicos en los cultivos de platanera en todo el mundo.

Volatile Organic Compounds (VOCs) are commonly used as indicators of an organism's health, among other factors. Traditionally, gas chromatographs (GC) are used to classify these but are prohibitively expensive and impractical for field use. This thesis outlines the motivations, design, construction, and characterization of a portable GC. This proof-of-concept uses off-the-shelf components to show that the production of a device is feasible. It was able to successfully generate carrier gas from the surrounding air via filtration by activated carbon fiber filters. It was also able to reliably produce distinguishable peaks for acetone and hexane at retention times that were reasonable for a prototype system. With some modifications, this system has the strong potential for long-term implementation in the field.

<p>This study is focused on the design, production, and operation of a controlled environmental olfaction chamber to evaluate human physiological and emotional response to volatile chemical emissions (VCPs) from scented household products in addition to careful characterization of the volatile organic compounds (VOCs) present in these product emissions. Utilizing proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry, the chamber can collect VCP emissions and identify VOCs present to complete an accurate chemical profile of household and common product emissions not previously known. This instrument is one of the first of its kind and will serve as a key element in understanding the relationship between human physical and cognitive health and the built environment.</p>