Etude de la composition physico-chimique, des sources émettrices et des effets sur la santé humaine des aérosols atmosphériques en zones rurales et urbaines en Afrique tropicale

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme INDAAF (International Network to study Deposition and Atmospheric chemistry in AFrica). Il a pour objectif d'étudier la physico-chimie des aérosols atmosphériques prélevés sur deux sites ruraux africains peu perturbés et représentatifs des écosystèmes de forêt (site de Nsimi au Cameroun) et de savane humide (site de Djougou au Bénin). Les aérosols prélevés hebdomadairement dans les fractions PM2,5 et PM10 à Nsimi de 2004 à 2009 et à Djougou de 2005 à 2009 ont été analysées, afin de caractériser les variations saisonnières des concentrations des différentes espèces chimiques et d'identifier leurs sources majeures en fonction des saisons. Les résultats obtenus ont permis (1) de mettre en évidence l'impact des paramètres climatiques sur les niveaux de concentration des espèces chimiques, la saison sèche présentant en général les plus importants, (2) d'identifier les sources combustion de biomasse et de biocombustible, terrigène, biogénique et secondaire comme présentes en saison sèche et les sources biogénique, feux domestiques et phénomène de guttation en saison humide, (3) de montrer l'impact de l'écosystème et de la situation géographique sur les émissions des aérosols : la source biogénique et la guttation sont plus importantes en forêt tandis que la source terrigène est plus importante en savane humide. Le second volet de cette thèse s'inscrit dans le cadre du programme POLCA (POLlution des Capitales Africaines). Le but était de caractériser la pollution particulaire à Yaoundé, capitale du Cameroun, et d'étudier son impact toxicologique sur la santé. Ce travail a permis de caractériser à l'échelle saisonnière la chimie de l'aérosol prélevé mensuellement de décembre 2012 à juillet 2013 et d'en déterminer les sources. Ensuite, divers tests de réponses biologiques des cellules épithéliales humaines exposées à ces aérosols ont permis de déterminer leur toxicité dans l'organisme humain en fonction des espèces chimiques les composant. Les résultats obtenus ont montré (1) l'impact de la taille et du nombre des particules de Yaoundé sur la toxicité : les plus fines induisant une plus forte expression de la réponse pro-inflammatoire des cytokines et des enzymes anti-oxydantes, (2) l'impact de la composition chimique sur cette toxicité : les aérosols riches en matières organiques particulaires induisant fortement l'expression des gènes du métabolisme des xénobiotiques, en particulier le CYP1A1.This thesis was a contribution to the INDAAF (International Deposition Network to study and Atmospheric chemistry in Africa) program. It aims was to study the physics and chemistry of atmospheric aerosol collected on two undisturbed African rural sites, representative of forest (Nsimi site Cameroon) and humid savanna (Djougou site Benin) ecosystems. Aerosols collected weekly in the PM2.5 and PM10 fractions at Nsimi, from 2004 to 2009 and at Djougou, from 2005 to 2009 were analyzed in order to characterize the seasonal variations of concentrations of the different chemical species and to identify their major sources according to the seasons. The contribution of each group of species was estimated from the total concentration of the aerosol. The results obtained allowed (1) to highlight the impact of climatic parameters on the concentration levels of the chemical species, with the dry season having the most important impact in general, (2) to identify biomass combustion sources and biofuel, terrigenous, biogenic, secondary as well as predominant in the dry season and biogenic sources, domestic fires and guttation phenomenon in the wet season, (3) to show the impact of the ecosystem and the location on emissions of aerosols: biogenic source and guttation are higher in the forest while terrigenous source is higher in wet savanna. The second part of my thesis is a part of the program POLCA (POLlution African Capitals). The main objective was to characterize particulate pollution in Yaounde, capital of Cameroon, and to study its toxicological impact on the human respiratory system. This work allowed to chemically characterize on a seasonal basis aerosols collected monthly from December 2012 to July 2013 and identify the sources. Furthermore, various tests on biological responses of human epithelial cells exposed to Yaounde aerosols were used to determine their toxicity in humans based on the component chemical species. The results showed (1) the impact of the size and number of Yaounde's particles on toxicity: the finer inducing a stronger expression of the pro-inflammatory cytokine response and anti-oxidant enzymes, (2) the impact of the chemical composition on this toxicity: aerosols with important quantities of particulate organic matter strongly induce gene expression of the metabolism of xenobiotics, especially CYP1A1