Soutenance de thèse de Justine VIROS

Les sources de Composés Organiques Volatils d’origine Biogénique (COVB) sont multiples (végétation terrestre, micro-organismes etc). Parmi les compartiments susceptibles d’émettre des COVB la litière n’a été que très peu étudiée, contrairement à la canopée. Pourtant, la caractérisation des différentes sources est nécessaire car l’émission de COVB dans l’atmosphère peut être à l’origine de la formation d’O3 et d’aérosols organiques secondaires (SOA) impactant directement les écosystèmes, le climat et la santé humaine. Or la litière s’accumule fortement en climat tempéré et sa présence tout au long de l’année en fait une source permanente à l’inverse des émissions des arbres décidus liées à la présence de feuilles. L’objectif de ce travail a été de caractériser les émissions de COVB de la litière et d’analyser les facteurs qui les influencent quantitativement et qualitativement. Pour cela, nous avons mené des prélèvements in vitro et in situ de COVB. Par ailleurs, l’échantillonnage des COVB a été effectué offline (utilisation de cartouches et analyses en chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse, GC-MS) mais également online (via un Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry,PTR-MS). L’analyse des émissions de la litière sénescente de 16 espèces méditerranéennes a montré de fortes variations d’émissions de COVB en fonction des espèces. En particulier, l’émission de composés terpéniques qui n’est observée que chez les espèces possédant des structures de stockage alors que l’émission de composés non-terpéniques est indépendante de la présence de ces structures. La quantité de COVB mesurée pour chaque litière a permis de classer les espèces en 3 catégories: les espèces dont la litière est une source de COVB négligeable (<0,10 µg.gMS-1.h-1), faible (0,1-1,0 µg.gMS-1.h-1) ou modérée (1,0-5,0 µg.gMS-1.h-1). Lors de cette étude, nous avons observé qu’au stade sénescent, une forte teneur en terpène n’était pas toujours synonyme d’émissions élevées. Enfin, les émissions des litières de Quercus pubescens et de Pinus halepensis ont montré un fort potentiel de formation de SOA et d’O3 pouvant altérer la qualité de l’air. Nous avons pu également démontrer que les émissions de la litière sénescente de P. halepensis, varient au cours du processus de décomposition. En effet, une forte variation qualitative et quantitative a été observée avec un pic d’émission après 3 mois de décomposition (9,18 µg.gMS-1.h-1). L’analyse online des émissions de la litière de pin d’Alep a permis de mettre en évidence la présence de composés terpéniques (monoterpènes, sesquiterpènes) mais aussi de composés non-terpéniques très volatils tels que le méthanol, l'acétone et l'acide acétique en quantité non-négligeable. Enfin, l’étude des émissions in situ de la litière de Pinus pinaster en période estivale a révélé des émissions modérées de COVB (1,3 mg.gMS-1.h-1). Ces émissions sont d’ailleurs influencées par de nombreux facteurs comme le contenu terpénique, la température et l’humidité. Enfin, nous avons estimé que cette litière avait un fort potentiel de formation de SOA et d’O3, qui, associé à une occupation régionale importante, la plaçait comme source non-négligeable de COVB en région tempérée. Ce travail a permis de mettre en évidence que la litière de certaines espèces pouvait contribuer de façon importante aux émissions globales de COVB, notamment aux émissions d’a-pinène, de b-pinène, de limonène, de b-caryophyllène mais aussi de méthanol, d’acétone et d’acide acétique. Les émissions sont influencées par la présence de structures de stockage et la teneur en terpène des litières mais également par l’état de décomposition de la litière associé à une colonisation par les micro-organismes et enfin par les variations de température et d’humidité. Ainsi, la poursuite d’études s’intéressant à ces émissions semble nécessaire afin de pouvoir estimer leur contribution globale aux sources biogéniques de COVB et à la qualité de l’air associée.

There are multiple sources of Biogenic Volatile Organic Compounds later refered to as BVOC (e.g. plants, microorganisms, algae). Among the compartments likely to emit BVOC, litter has not been much studied. However, the characterization of the different sources is necessary, as the emission of BVOC in the atmosphere can be at the origin of the formation of tropospheric ozone and secondary organic aerosols (SOA) and therefore directly impacts ecosystems, climate and health. Furthermore, litter is highly accumulated in temperate climates and its ubiquitous presence throughout the year could point it out as a constant source, opposed to emissions from deciduous trees that depend on the presence of leaves. The goal of this work was to caracterize the litter BVOC emissions and to understand the factors that could influence these emissions quantitatively and qualitatively. For this purpose we conducted in vitro and in situ measurements of BVOC. In addition, the sampling of BVOC was carried out both offline (using cartridges and gas chromatography coupled with a mass spectrometer -GC-MS- analysis) and online (via a Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry, PTR-ToF-MS). First, we have observed strong variations in BVOC emissions between litters of 16 Mediterranean species at a senescent stage, with emission of terpene compounds coming only from species with storage structures and non-terpene compounds emitted independently of the presence of these structures. The quantity of BVOC measured for each litter allowed us to sort the species in 3 categories: species whose litter is negligible (< 0.10 µg.gDM-1.h-1), low (0.1 - 1.0 µg.gDM-1.h-1) or moderate (1.0 - 5.0 µg.gDM-1.h-1). Secondly, we observed that a high concentration of terpene was not always an indicator of a high emission from senescent litter. Moreover, Quercus pubescens and Pinus halepensis litter showed a strong potential for SOA and O3 formation, which can alter air quality. While senescent litter from P. halepensis demonstrated a moderate emission, its emissions varied according to the decomposition time. Indeed, during this work a strong qualitative and quantitative variation of emission was observed with a peak after 3 months of decomposition (9.18 µg.gDM-1.h-1). The online analysis of Aleppo pine litter emissions highlighted the presence of terpenic compounds (monoterpenes and sesquiterpenes) but also highly volatile non-terpenic compounds such as methanol, acetone and acetic acid in non-negligible quantities. The study of in situ emissions from the litter of Pinus pinaster during the summer period also displayed average BVOC emissions (1.3 mg.gDM-1.h-1). Moreover, many factors have a strong influence on these emissions. Our study showed that the terpenic emissions from Pinus pinaster litter were dependent on the terpenic content, temperature and humidity. Finally, we estimated that its litter had a strong potential for SOA and O3 formation, which, combined with its significant regional occupation, placed it as a non-negligible source of BVOC in temperate regions. This work has shown that the litter of certain species could contribute significantly to global BVOC emissions, in particular to the emissions of α-pinene, β-pinene, limonene, β-caryophyllene, but also methanol, acetone and acetic acid. Emissions are influenced by the presence of storage structures and the terpene content of the litter. They can also be affected by the time of decomposition of the litter, associated with colonization by microorganisms and by variations in temperature and humidity. Thus, an increase of the number of studies focused on the BVOC emissions from litter seems necessary in order to be able to estimate its overall contribution to biogenic sources of BVOCs and the associated air quality.