CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

A la croisée de la Géochimie, de l’Exposition et de la sanTé : une première STANDardisation du Potentiel Oxydant des PM avant l'OPérationnalité. – GET_OP_STAND_OP

Get OP Stand OP : A l'intersection de la géochimie, de l'exposition, et de la SANTé: le Potentiel oxydatif, vers une démonstration de l’opérationnalité.

Détermination de la fiabilité du potentiel oxydant comme indicateur pertinent des affections sanitaires liées aux particules fines, étape nécessaire avant son évaluation comme nouvelle métrique de régulation de la qualité de l’air.

Enjeux pour la mesure de la qualité de l’air dans le futur

La mauvaise qualité de l’air est la 4ème cause tous facteurs confondus de décès prématurés dans le monde. Les études épidémiologiques concordent vers l’importance des particules atmosphériques (PM) dans les affections sanitaires liées à l’air que nous respirons. Cependant, il est aussi bien établi qu’une large fraction des PM ne présente qu’une faible toxicité, et que seules quelques espèces chimiques ne contribuant que peu à la masse totale peuvent avoir un rôle prépondérant dans les mécanismes inflammatoires à la base des affections connues. Ainsi, la concentration massique des PM, actuellement utilisée comme métrique de régulation, n’est sans doute pas la plus exhaustive. <br />Le potentiel oxydant des aérosols (PO) est une mesure intégratrice des capacités réactionnelle des PM, qui mime la mise en contact des particules avec le milieu pulmonaire et évalue la capacité des particules à induire un déséquilibre rédox à la base de la cascade inflammatoire. Différentes mesures acellulaires du PO des PM sont proposées dans la littérature, selon l’antioxydant considéré (DTT, AA, RTLF, DCFH…), sans pour autant établir de consensus quant au « bon test » à utiliser. En effet, les mesures sont encore éparses et les liens entre PO et toxicologie, ou entre PO et épidémiologie nécessitent pourtant de nombreuses observations et études approfondies. <br />Cette ANR propose à la fois une mesure extensive du PO sur de nombreux sites de mesures couvrant à minima une année complète de prélèvement, l’évaluation de l’exposition avec cette métrique, ainsi qu’une étude croisée avec une cohorte en épidémiologie. Cet ensemble pourra permettre des avancées certaines afin de tester le caractère prédictif du PO à être une métrique pertinente de l’exposition sanitaire à la pollution atmosphérique.

WP1 : Contribution des sources au potentiel oxydant des aérosols :
La contribution des différentes sources d’émissions de particules (qu’elles soient naturelles ou anthropiques) est estimée à partir de prélèvement de terrain permettant une analyse poussée de leur composition. Un modèle inverse, (e.g PMF), permet alors de retrouver quelles sources ont contribuées et à hauteur de combien de µg/m³ par jour à la concentration massique des PM. Un second modèle inverse permet l’attribution d’un PO intrinsèque à chacune de ces sources par régression linéaire multivariée. La contribution de chacune des sources au PO des PM est ainsi estimée pour un ensemble de 15 sites urbains Français.
Parallèlement, un modèle de prévision déterministe de la qualité de l’air (similaire à un modèle météorologique) est confronté aux mesures de terrain, et la prédiction spatiale et temporelle du PO grâce à ce modèle est envisagé.

WP2 : Exposition/santé
Ce volet s’appuie sur la cohorte SEPAGES qui suit plus de 450 familles grenobloises pour étudier les impacts sanitaires liés à la pollution atmosphérique.
L’exposition personnelle est mesurée grâce à des préleveurs de particules miniatures portés pendant la grossesse et la petite enfance. Ces prélèvements permettent une mesure de l’exposition (concentration massique et PO personnel) au plus proche des conditions réelles, et sont ensuite mis en regard des observations de santé du développement de l’enfant.
En complément, des mesures ont été effectuées chez 40 participantes volontaires en air intérieur et extérieur, qui permettront également l’estimation des sources de PO en air intérieur et une première cartographie très locale du PO.

La stabilité à large échelle spatiale du PO intrinsèque des sources de PM permet d’estimer de manière robuste la contribution des différentes sources de PM au PO. Ce faisant, une redistribution importante de la contribution des sources est observée selon la métrique d’observation (masse ou PO). Notamment, le trafic routier est la première source contribuant au PO, loin devant les autres sources, ce qui n’était pas le cas pour la contribution à la masse des particules. La différence entre les différents tests de PO souligne l’importance des études épidémiologiques afin de déterminer laquelle de ces mesures de PO est la plus pertinente.

La documentation large et fine échelle du PO d’une telle ampleur constitue une première scientifique et permettra l’investigation de la relation entre PO et santé au sein de cette ANR (cohorte SEPAGES), mais également par la réutilisation d’autres cohortes européenne grâce à la prévision spatialisée du PO par modélisation déterministe.

Au final, la démonstration du caractère plus prédictif du PO par rapport à la masse pour les affections sanitaires, en lien avec les politiques publiques, permettra une prévention plus efficace de la qualité de l’air et la mise en place de régulation des émissions d’autant plus pertinentes.

Plusieurs articles concernant la contribution des sources de PM au PO ont d’ors et déjà été publiés, à propos de la variabilité fine échelle du PO au sein d’un bassin métropolitain, mais également sur les généralités observables à l’échelle de la France et de l’Europe.
1. “Source apportionment of atmospheric PM10 Oxidative Potential: synthesis of 15 year-round urban datasets in France”. Atmospheric Chemistry and Physics. 2021. doi.org/10.5194/acp-2021-77
2. “Disparities in particulate matter (PM10) origins and oxidative potential at a city-scale (Grenoble, France) – Part II: Sources of PM10 oxidative potential using multiple linear regression analysis and the predictive applicability of multilayer perceptron neural network analysis”. Atmospheric Chemistry and Physics. 2021. doi.org/10.5194/acp-21-5415-2021
3. “Disparities in particulate matter (PM10) origins and oxidative potential at a city-scale (Grenoble, France) – Part I: Source apportionment at three neighbouring sites”. Atmospheric Chemistry and Physics. 2020. doi.org/10.5194/acp-2021-57
4. “Sources of particulate-matter air pollution and its oxidative potential in Europe”. KR Daellenbach, G Uzu, J Jiang, LE Cassagnes… - Nature, 2020 doi.org/10.1038/s41586-020-2902-8

Poor air quality has become one of the main controllable public health problems in many areas, both in developing countries and industrial societies. Epidemiological studies suggest that the larger parts of air pollution chronic effects are likely to stem from Particulate Matter (PM). Most of these studies use PM mass concentration as the exposure metric and current regulation actions are also based on PM mass. However, much of the ambient particle mass consists of low toxicity components, whereas reactive trace species can be major contributors to PM toxicity. Mass may thus not be the best marker of the health impact of PM. However, there is currently no consensus regarding a possible alternative metric that would provide relevant information for health, and could be standardized and used in routine measurements.

One key parameter that drives the PM toxicity is their carrying or inducing reactive oxygen species (ROS) in the lung, at the origin of biological effects by disrupting the lung natural redox balance. This new health metric is defined as the Oxidative Potential (OP) of PM. Since OP integrates processes related to particles size and surface properties together with their chemical composition, it is believed to give a “simple” integrative metric more representative of PM potential interactions with specific targets in the human body.

GET OP, STAND OP overarching aim is to make significant progresses to validate or invalidate oxidative potential of PM as a relevant indicator of health impacts of PM exposure, as a step towards proposing it as metric for air quality regulation. To achieve this overall objective, the following program is being implemented.

WP1: Towards a CTM-based source apportionment of OP over Europe. WP1 methodology relies first on extended time series of OP measurements including three complementary assays. PM10/2.5 samples will come from contrasted environments from many past and ongoing programs that include extensive chemical characterization (~ 4 500 samples). We will apply an OP apportionment method for all sites, combining positive matrix factorization and multi-dimensional analysis of OP. Then, we perform the implementation of OP as a prognostic variable in chemical transport model LOTOS-EUROS with the overall goal to get daily OP maps over Europe. WP1 will lead to a comprehensive “climatology” of OP for various environments, assessing quantitative links with PM chemistry and sources. Ranking sources of PM emissions as OP contributors is a key parameter for policy initiatives, as is the demonstration of the capability of a large scale chemical-transport model to predict OP.

WP2: OP exposure in a medium-size town. WP2 will rely on a field campaign with both indoor and outdoor sampling for about 40 sites in the Grenoble area, in cold and warm seasons. We aim at recalculating a realistic average OP exposure for the whole population derived from personal OP and outdoor/indoor OP and to assess further spatial and temporal variations of OP in Grenoble. It is based on the Land-Use-Regression interpretation of OP measurements from indoor/outdoor campaigns and from the extended time-series of OP measurements from one background outdoor site of Grenoble.

WP3: OP relevance for cohort’s health. OP is usually assessed on filters from ambient samples which are not representative of personal exposure. In the context of the SEPAGES mother-child cohort in Grenoble, women and their newborns have carried for 8 days in several occasions a personal active PM sampler to monitor their exposure. We will characterize the association between personal OP (from cohort’s filter) and the health of pregnant women adjusting for the relevant confounders using regression models. WP3 will give a proper evaluation of the hypothesis that OP’s could be better predictor than the mass for each of the health endpoint.

Coordinateur du projet

Madame Gaelle Uzu (Institut des Géosciences de l'Environnement)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IGE Institut des Géosciences de l'Environnement

Aide de l'ANR 311 843 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 36 Mois

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