Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Sciences de l'environnement: Océanographie

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Feux de biomasse,Anhydrosucres,Analyses isotopiques spécifiques de carbone (CSIA),EA-IRMS et EA-AixMICADAS,Chromatographie préparative HPLC-RI,Chromatographie ionique HPAEC-PAD

Keywords

Biomass burning,Anhydrosugars,Compound specific carbon isotope analysis (CSIA),EA-IRMS and EA-AixMICADAS,Preparative chromatography (HPLC-RI),Ionic chromatography (HPAEC-PAD)

Titre de thèse

Développement d’outils analytiques pour la quantification et l’étude isotopique des composés organiques issus des feux de biomasse dans l’environnement
Development of analytical tools for the quantification and isotopic study of organic compounds from biomass burning in the environment

Date

Jeudi 26 Septembre 2019

Adresse

Campus de Luminy - OCEANOMED Bâtiment Méditerranée 13288 MARSEILLE cedex 09 Amphithéâtre OCEANOMED

Jury

Directeur de these M. Richard SEMPERE Mediterranean Institute of Oceanography (M.I.O), Université Aix Marseille
CoDirecteur de these M. Christos PANAGIOTOPOULOS Mediterranean Institute of Oceanography (M.I.O), Université Aix Marseille
Rapporteur Mme Christine HATTE Laboratoire des Sciences du Climat et de lEnvironnement (LSCE), CEA-CNRS-UVSQ
Rapporteur M. Philippe KERHERVé Laboratoire CEFREM, UMR 5110 CNRS, Université de Perpignan Via Domitia
Examinateur Mme Anne-Marie DELORT Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, UMR 6296 CNRS, UCA SIGMA, Université Clermont Auvergne
Examinateur Mme Madeleine GOUTX Mediterranean Institute of Oceanography (M.I.O), Université Aix Marseille

Résumé de la thèse

La pollution émise par les feux de biomasse (biomass Burning; BB) reste un problème majeur de santé publique et du changement climatique, car elle contribue de manière significative à augmenter les maladies cardiopulmonaires chez l'homme et affecte le bilan radiatif global terrestre. Afin d’améliorer notre compréhension sur l’origine et le devenir des composés issus des BB dans l’environnement, nous avons élaboré des nouvelles méthodes analytiques (isotopiques & chromatographiques) permettant de détecter et quantifier les anhydrosucres (traceurs spécifiques des BB) ainsi qu’un ensemble de sucres les plus abondants dans les écosystèmes naturels. Ces travaux ont été réalisés à partir d’échantillons issus du milieu terrestre et marin comme la matière organique particulaire marine (POM), la matière organique à haut poids moléculaire marine (HMWDOM), et les particules totales suspendues atmosphériques (TSP). La première méthode développée a permis d’effectuer des mesures isotopiques à l’échelle moléculaire des sucres par EA-IRMS (δ13C) et/ou EA-AixMICADAS (∆14C) après leur purification préalable par la chromatographie préparative HPLC-RI. Nos résultats ont montré la présence d’anhydrosucres dans la POM marine avec une signature isotopique terrestre (δ13C lévoglucosane = −27.2‰, et δ13C mannosane = −26.2‰), ce qui reflète un apport terrestre de ces sucres vers le milieu marin probablement par dépôt atmosphérique. De plus, la signature en radiocarbone du lévoglucosane (∆14C lévoglucosane = 33‰) issu des TSP atmosphériques indique une production récente de ce composé car il porte la signature isotopique du CO2 atmosphérique. La chromatographie HPAEC-PAD est la deuxième méthode développée dans ce travail pour la caractérisation de 17 sucres simples les plus répondus dans les écosystèmes naturels. Cette méthode a permis la première quantification des anhydrosucres dans la POM et l’HMWDOM marines à hauteur de 2% et 3% du total des sucres détectés respectivement. D’autre part, les émissions issues des BB ont été étudiées dans les aérosols de l’Est de la mer Méditerranée par un suivi des variations annuelles des anhydrosucres. Les résultats de cette étude ont montré la forte contribution des émissions issues des BB (13%) au pool de carbone organique dans les particules PM10 qui arrivent dans le bassin Est de la mer Méditerranée. Finalement, les méthodes développées dans cette étude ont montré leur grand potentiel pour quantifier et suivre la dynamique des composés issus des BB dans les environnements naturels. Il convient à présent de poursuivre ces études, plus particulièrement, pour améliorer nos connaissances sur le devenir des anhydrosucres dans la colonne d’eau et dans les sédiments marins (ce compartiment n’ayant jamais étudié) afin de comprendre l’impact des émissions issues des BB sur le milieu marin.

Thesis resume

Biomass burning (BB) pollution is a major concern for public health and also climate change as BB emissions increase significantly human cardiopulmonary diseases and affect the global terrestrial radiative budget. In order to improve our understanding on the origin and fate of compounds related to BB in the environment, we have developed new analytical methods (isotopic and chromatographic methods) allowing the detection and quantification of anhydrosugars (specific tracers of BB) as well as a broader panel of sugars in natural ecosystems. This research carried out on samples from the terrestrial and marine environment such as marine particulate organic matter (POM), marine high molecular weight dissolved organic matter (HMWDOM), and total suspended atmospheric particles (TSP). The first developed method allowed to perform for the first time compound specific isotopic measurements of individual sugars by EA-IRMS (δ13C) and/or EA-AixMICADAS (∆14C) after purification by preparative chromatography HPLC-RI. Our results showed the presence of anhydrosugars in the POM sample exhibiting isotopic signatures of δ13C levoglucosan = −27.2‰, and δ13C mannosan = −26.2‰, indicating an external terrestrial input to marine environment probably via atmospheric deposition. In addition, the radiocarbon signature of levoglucosan (∆14C levoglucosan = 33‰) from TSP sample indicates a modern age, suggesting its recent synthesis in the environment as it has the same isotopic signature with atmospheric CO2. The HPAEC-PAD chromatography is the second method developed in the frame of this study and provided a full analysis of 17-most abundant sugars found in natural environments. This method allowed for the first time the quantification of anhydrosucres in the marine POM and HMWDOM that represent 2% and 3% of total sugars detected, respectively. In a complementary study, the emissions from BB have been also studied in aerosols from the Eastern Mediterranean Sea by monitoring the annual variations of anhydrosugars. The results of this study highlight the important contribution of BB emissions (up to 13%) to organic carbon pool in the PM10 particles arriving in the Eastern Mediterranean. Finally, the methods developed in this study have shown their high potential to quantify and monitor the anhydrosugars including other sugars in natural environments. This research may be pursued by following the dynamics of anhydrosugars in the water column and sediment which will improve our knowledge about the fate and the origin of these compounds in the marine environment.