Study of Volatile Organic Compounds toxicity at Air-Liquid Interface during repeated exposure : Case of toluene, its homologous and outflow emissions after its catalytic treatment

Le toluène est un solvant fréquemment utilisé par l’industrie manufacturière. Il appartient à la catégorie des composés organiques volatils (COV), dont nombre d’entre eux présentent des impacts néfastes sur la santé humaine et sont aujourd’hui classés cancérogènes, mutagènes et/ou reprotoxiques. Afin de diminuer la présence dans l’air de composés nocifs comme le toluène, il apparait essentiel d’envisager leur substitution dans les procédés industriels par des composés moins toxiques et/ou de réduire au maximum leurs émissions à la source. Dans ce contexte, le premier objectif du travail de recherche est d’étudier la toxicité aiguë et répétée du toluène, de ses homologues supérieurs, pouvant être utilisés comme composés de substitution, ainsi que de son homologue inférieur sur des cellules épithéliales bronchiques humaines à l’aide d’un dispositif d’exposition en interface air/liquide. Le deuxième objectif vise à évaluer le caractère toxique d’effluents gazeux issus de la dégradation du toluène par oxydation catalytique. Pour cela, les cellules BEAS-2B ont été exposées 1 heure par jour pendant 1, 3 et 5 jours au benzène, au toluène, au xylène ou au mésitylène, ainsi qu’aux effluents gazeux obtenus après traitement catalytique du toluène. Les effets toxiques ont été évalués au travers des paramètres de cytotoxicité, de réponse inflammatoire et d’expression génique des enzymes de métabolisation des xénobiotiques (EMX). L’exposition des cellules BEAS-2B au toluène et à ses homologues a révélé l’implication de voies métaboliques spécifiques à chaque composé. Une augmentation significative des marqueurs de l’inflammation a également été observée, avec une concentration plus importante pour le benzène et le xylène par rapport aux autres molécules. Concernant l’exposition aux effluents gazeux issus de l’oxydation catalytique du toluène, l’expression tardive de gènes impliqués dans le métabolisme des xénobiotiques organiques aromatiques, est compatible avec la présence de sous-produits, tels que le benzène ou les hydrocarbures aromatiques polycycliques. En conclusion, les résultats obtenus dans ce projet montrent l’intérêt de mener des expositions in vitro en condition répétée permettant de déceler de potentiels effets tardifs et la pertinence de la validation toxicologique des systèmes catalytiques avant leur formulation en pilote industriel.Toluene is a solvent widely used in manufacturing industries. It belongs to a family of volatile organic compounds (VOCs), many of which have adverse impacts on human health and are classified as carcinogenic, mutagenic or toxic for reproduction. Different measures have been implemented to reduce the emissions of toxic compounds, such as their replacement in the industry by less harmful compounds and/or reducing gas emissions at the source. In this context, the first objective of the research was to investigate the acute toxicity and the one after repeated exposure to toluene and its superior homologous solvents, which can be used as its substitution compounds, as well as its lower homologous on human bronchial epithelial cells using an air/liquid interface exposure device. The second objective was to assess the toxicity of gaseous effluents from the degradation of toluene by catalytic oxidation. For this purpose, BEAS-2B cells were exposed during 1 hour for 1, 3 or 5 days to benzene, toluene, xylene or mesitylene, and to the exhausts of catalytic oxidation of toluene. Toxic effects were evaluated through cytotoxicity, inflammatory response and gene expression of xenobiotic metabolism enzymes (XME). Exposure of BEAS-2B cells to toluene and its homologous compounds revealed the involvement of metabolic pathways specific to each compound. A significant increase in inflammatory marker response was also observed, with a higher concentration after cell exposure to benzene and to xylene compared to the other molecules. With regard to exposure to gaseous effluents from the catalytic oxidation of toluene, the late expression of genes involved in the metabolism of aromatic organic xenobiotics has made possible to highlight the presence of by-products, such as benzene or polycyclic aromatic hydrocarbons. In conclusion, the results obtained in this project show the interest of conducting repeated in vitro exposures to detect potential late effects, and the importance of toxicological validation of catalytic systems before scaling-up in industrial pilots