Contribution des sources d'aérosols au potentiel oxydant : vers une meilleure prise en compte de la qualité de l'air

The quality of the air we breathe is responsible for many diseases ranging from asthma to cardiovascular disease and cancer. Worldwide, poor air quality is the 4th leading cause of death, mainly due to the presence of fine particles (aerosols or PM) of very varied chemistry and physical properties, coming from natural sources (forests, crustal dust, marine spray, etc.) or anthropogenic sources (road traffic, residential heating, cooking, industry, agriculture, etc.).The considerable diversity of these PMs makes the assessment of their toxicity complex. In this thesis, an integrative measure of the different physico-chemical properties of aerosols (size, shape, chemical composition, etc.) is used through the metric of the oxidizing potential (OP) of the particles. This indirect measurement of reactive oxygen species through the ascorbic acid (AA) and dithiothreitol (DTT) tests allows a vision of the aerosol closer to health impacts.In order to estimate the emission sources responsible for the OP, in-depth studies on the geochemistry of the sources and on their quantification through long field measurements and the use of the Positive Matrix Factorization (PMF) model are first presented. Uncertainties in the chemical profiles and contributions of PM sources are also quantified and the geochemical variability between sites estimated by the deltaTool method proposed by the FAIRMODE group. A large spatial scale synthesis of 15 sampling sites through a harmonized study shows the presence of 8 PMF factors present over the whole territory: biomass burning, road traffic, primary biological emissions, crustal dust, aged sea salt, MSA-rich, nitrate-rich and sulfate-rich. Other factors, specific to the peculiarity of each site, are also well determined.The contribution of these sources to the oxidizing potential is then investigated using the joint measurement of PO on the filters from the previous PMF studies. A simple inversion model (multiple linear regression) between the PM sources and the OP provides a statistically satisfactory estimate of the contribution of the sources to the OP. The geochemical relevance of this model is evaluated through its application on fifteen measurement series. The sources with a major intrinsic OP (i.e. per microgram of PM) are road traffic, biomass burning, crustal dust and to a lesser extent primary biogenic emissions for the DTT test and biomass burning and road traffic for the AA test.Thus, some sources that contribute significantly to the mass of PM contribute little to their PO (namely nitrate-rich) and there is a redistribution of the importance of PM sources according to whether the metric of observation is the mass concentration or their oxidizing potential.Measurements on annual sampling series and the large database of more than 1700 filters also highlight the importance of chronic exposure to oxidizing potential. The importance of biomass burning in winter, especially in alpine valleys, makes this source the main source of OP on annual average. However, the presence at lower but relatively constant concentrations during the year makes the road traffic source the major contributor to chronic exposure.Finally, due to the robust estimation of an intrinsic oxidizing potential by emission source typology, this thesis opens the way to the prediction of OP by deterministic models and to the improvement of the consideration of the oxidizing potential in epidemiological studies, important steps in order to eventually allow the use of this metric for air quality regulation.La qualité de l’air que nous respirons est responsable de nombreuses affections de santé allant de l’asthme aux pathologies cardio-vasculaires ou cancers. À l’échelle mondiale, la mauvaise qualité de l’air représente la 4eme cause de mortalité, principalement due à la présence de particules fines (aérosols ou PM pour particulate matter) de propriétés physico-chimiques très variées et provenant de sources naturelles (forêts, poussières crustales, spray marin, etc.) ou anthropiques (trafic routier, chauffage résidentiel, cuisine, industrie, agriculture, etc.).La diversité considérable de ces PM rend l’évaluation de leur toxicité complexe. Dans cette thèse, une mesure intégratrice des différentes propriétés physico-chimiques des aérosols (taille, forme, solubilité, composition chimique, etc.) est utilisée à travers la métrique du potentiel oxydant (PO) des particules. Cette mesure indirecte des espèces réactives de l’oxygène à travers les tests à l’acide ascorbique (AA) et au dithiothreitol (DTT) permet une vision de l’aérosol plus proche des impacts sanitaires.Afin d’estimer les sources d’émissions responsables du PO, des études approfondies de la géochimie des sources et de leur quantification à travers des mesures longue durée de terrain et l’utilisation du modèle Positive Matrix Factorization (PMF) sont tout d’abord présentées. Les incertitudes des profils chimiques et des contributions des sources de PM sont également quantifiées et la variabilité géochimique entre sites estimée par la méthode deltaTool proposée par le groupe FAIRMODE.Une synthèse à grande échelle spatiale portant sur quinze sites de prélèvements grâce à une étude harmonisée montre la présence de 8 facteurs PMF présents sur l’ensemble du territoire : combustion de biomasse, trafic routier, émissions biologiques primaires, poussières crustales, sel marin agé, MSA-rich, nitrate et sulfate-rich. D’autres facteurs, propres à la spécificité de chacun des sites, sont également bien déterminés.La contribution de ces sources au potentiel oxydant est ensuite étudiée grâce à la mesure conjointe du PO sur les filtres ayants permis les études PMF. Un modèle d’inversion simple (régression linéaire multiple) entre les sources de PM et le PO permet une estimation statistiquement satisfaisante de la contribution des sources au PO. La pertinence géochimique de ce modèle est évaluée à travers son application sur quinze séries annuelles (a minima) de mesure. Les sources présentant un PO intrinsèque les plus élevés sont le trafic routier, la combustion de biomasse, les poussières crustales et dans une moindre mesure les émissions primaires biogéniques pour le test au DTT et la combustion de biomasse et le trafic routier pour le test à l’AA. Ainsi, certaines sources contribuant de façon importante à la masse des PM ne contribuent pas ou peu à leur PO (notamment le nitrate-rich) et l’on observe une redistribution de l’importance des sources de PM selon que la métrique d’observation considérée est la concentration massique ou le potentiel oxydant.Les mesures sur des séries de prélèvements annuels et la grande base de données utilisée regroupant plus de 1700 filtres permet également de mettre en évidence l’importance de l’exposition chronique au PO. L’importance de la combustion de biomasse en hiver, notamment en vallées alpines, fait de cette source la source principale du PO en moyenne annuelle. Cependant, la présence à de plus faibles concentrations mais relativement constantes au cours de l’année fait des émissions primaire du trafic routier la contributrice majeure à l’exposition chronique.Finalement, de par l’estimation robuste d’un PO intrinsèque par typologie de source d’émission, cette thèse ouvre la voie à la prévision du PO par les modèles déterministes et à l’amélioration de la prise en compte du PO dans les études épidémiologiques, étapes importantes afin de permettre, à terme, l’utilisation de cette métrique pour la réglementation de la qualité de l’air