Les métaux lourds associés aux particules atmosphériques fines et ultrafines d'une zone industrielle : caractérisation physicochimique et bioaccessibilité

Heavy metals in fine and ultrafine atmospheric particles from an industrial area : physicochemical characterization and bioaccessibility

• Auteur / Autrice : Saliou Mbengue
• Direction : Pascal Flament, Laurent Alleman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Optique et Lasers, Physicochimie, Atmosphère
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Littoral en cotutelle avec École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie de l'atmosphère (Dunkerque, Nord) - Laboratoire de Physico-Chimie de l'Atmosphère / LPCA
• Partenaire(s) de recherche : : Institut de Recherche en Environnement Industriel (France)
• Jury : Président / Présidente : Yves Noack
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Flament, Laurent Alleman, Yves Noack, Patrice Coddeville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Camille Dumat, Sophie Ayrault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodisponibilité

Métaux

Granulométrie

Agrégats métalliques

Nanoparticules

Particules (matière)

Mots clés libres

Particules fines et ultrafines

Métaux particulaires

Distribution granulométrique

Sources

Bioaccessibilité

Fine and ultrafine particles

Particulate metals

Size distribution

Sources

Bioaccessibility

Résumé

L'exposition aux particules fines et ultrafines, pouvant contenir des éléments métalliques, est un sujet de préoccupation sanitaire majeure, notamment dans les zones fortement industrialisées. Cette thèse a consisté à mieux caractériser la fraction métallique des particules fines et ultrafines émises dans un contexte industrialo-urbain (Littoral dunkerquois) et à déterminer leur bioaccessibilité pulmonaire, en lien avec l'impact sanitaire. Des particules ont été collectées selon leur granulométrie dans des environnements très contrastés : (i) en milieu urbain sous l'influence du trafic automobile et d'émissions industrielles et (ii) à proximité immédiate et à la source même d'une usine de ferromanganèse (Glencore), caractéristique de l'activité industrielle du dunkerquois. La bioaccessibilité pulmonaire des éléménts métalliques a été déterminée par une extraction avec un fluide pulmonaire synthétique (solution "Gamble") et comparée avec une méthode d'extraction séquentielle. En milieu urbain, les concentrations élémentaires dans les particules ultrafines sont principalement liées aux sources locales (issues d'émissions de véhicules ou de chauffage). Les particules submicroniques (< 1µm) sont elles, principalement affectées par les sources industrielles, notamment la métallurgie, principale émettrice de métaux particulaires de la zone industrielle. Les autres sources identifiées par les traceurs métalliques sont la pétrochimie, la combustion des fiouls lourds et des charbons et les sources naturelles (terrigène et marine). Une variabilité temporelle importante des concentrations en masse des particules fines et ultrafines et de leurs teneurs en éléments métalliques a été observée, en cheminée et en champ proche de l'usine de ferromanganèse. Les fortes concentrations en particules ultrafines (PM₀,₁ : 60% de la masse des PM₂,₅), enrichies en métaux de cheminée, diminuent rapidement à proximité immédiate de l'usine, dû au changement rapide des conditions de température et d'humidité induisant des transformations précoces de la matière particulaire. Ce travail a permis par ailleurs de montrer que la bioaccessibilité des métaux associés aux particules est variable selon les propriétés physicochimiques des particules (spéciation chimique des métaux et distribution granulométrique), en lien avec leurs origines et leurs processus de formation. La bioaccessibilité des métaux peut aussi être affectée par des transformations physico-chimiques (mélange/agglomération, agrégation, oxydoréduction...) des particules fines durant leur transport atmosphérique. L'estimation in-vitro de la bioaccessibilité permet de mieux comprendre la biodosponibilité des métaux dans l'organiqme et donc de mieux appréhender l'impact sanitaire des métaux toxiques.

Exposure to metals from fine and ultrafine particles is of major health concern, especially in heavily industrialized areas. This thesis aims to better characterize the metal fraction of fine and ultrafine particles emitted in an industrial-marked urban context (Dunkirk harbour) and to determine their lung bioaccessibility, in relation with their health impact. Particles were collected according to their size in specific environments : (i) in an urban area influenced by traffic and industrial emissions and (ii) at the stacks and in the vicinity of a ferromanganese plant (Glencore), characteristic of the industrial activity in Dunkirk. Pulmonary bioaccessibility of metals was determined using a synthetic lung fluid (Gamble solution), and compared to a sequential extraction method. In the urban area, the elemental concentrations in ultrafine particles are primarily related to lacal sources (traffic and housse heating), while submicronic particles (< 1µm) are mainly affected by industrial sources, especially metallurgical plants, the main source of particulate metals in the industrial area. The other sources identified are petrochemistry, coal and heavy-fuels burning and natural sources (sea salts and crustal particles). A high temporal variability of fine and ultrafine particles mass concentrations and of their metal contents was observed at the stacks and in the close environment of the ferromanganese plant. The high concentrations of ultrafine particles (PM₀,₁ : 60% of the total PM₂,₅ mass), enriched in metals, as observed in stack flues, decrease rapidly in the vicinity of the plant, due to the changes in temperatureand humidity, inducing rapid transformations. The metal bioaccessibility varies according to the particle properties (metals chemical speciation and particle size distribution), depending on their origin and formation processes. This metal bioaccessibility may also be affected by physicochemical transformations of fine particles occuring during atmospheric transport (mixing/agglomeration, aggregation, oxidation or reduction processes). The in-vitro bioaccessibility assessment is of interest to better understand the metal bioavailability and thus for a better appreciation of the health impact of toxic metals.