COMPOSITION CHIMIQUE ET SOURCES DES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES A DJOUGOU (BENIN)

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Emissions biogéniques

Les particules émises par cette source sont principalement d’origine végétale ou animale. Elles sont composées de pollen, de spores, de débris divers d’animaux et de végétaux, de virus, de bactéries et autres micro-organismes. Les quantités émises sont fonction de l’écosystème ; plus la végétation est dense, plus elles sont abondantes. Les travaux les plus remarquables mentionnant la composante biogénique des aérosols en éléments traces ont été réalisés par Crozat (1979) en Côte d’Ivoire et en Haute-Volta ainsi qu’Artaxo et al. (1988, 1990a, 1990b et 1994) en Amazonie. Crozat a très clairement mis en évidence l’existence du potassium dans les aérosols émis par la forêt tropicale. Artaxo et al. ont identifié la végétation comme étant à l’origine d’au moins 62 % de la masse des aérosols collectés. Les éléments qui ont pu être mis en relation avec cette origine sont les composés azotés, soufrés, K, Ca, Mg, Cl et Rb.

Emissions marines

Les sels marins sont libérés dans l’atmosphère par l’éclatement de bulles d’air qui ontété mises en suspension par l’action du vent sur les surfaces océaniques (Blanchard, 1983). Leur présence dans l’atmosphère est donc essentiellement conditionnée parles vents de surface et de la proximité du site de mesures par rapport à l’océan. Les sels marins constituent une fraction entièrement naturelledes aérosols. Ils sont composés à 99 % de six ions majeurs : ce sont quatre cations, sodium (Na+), potassium (K+), magnésium (Mg²+) et calcium (Ca²+) et deux anions, Chlorure (Cl-) et sulfate (SO4²-) (Seinfeld and Pandis, 1998 ; Sciare et al., 2005). Avec les poussières minérales, ils représentent la majeure partie de lamasse d’aérosols émis globalement. Les estimations d’émission varient entre 1012 et 6×1012 kg/an (Erickson and Duce, 1988 ; Tegen et al., 1997). Le diamètre de cesparticules peut varier entre 0.05 μm et plusieurs centaines de μm, la majorité desparticules ayant un diamètre supérieur à 1 μm. Leur durée de vie dans l’atmosphèreest par conséquent très variable.

Emissions terrigènes

Les poussières minérales sont des particules émises dans l’atmosphère sous forme particulaire par action du ventsur les surfaces continentales désertiques ou semi-arides (Figure 1.3). Bien qu’essentiellement d’origine naturelle, une partie des émissions peut être imputable aux activités humaines car le développement de l’agriculture intensive tend à augmenter la surface des zones érodables (Tegen et al., 1996). Une étude a ainsi estimé que 30 à 50 % du contenu actuel de l’atmosphère enpoussière minérale provient de l’érosion de surfaces modifiées par l’activité humaine (Tegen and Fung, 1995). La fraction des émissions d’origine anthropique reste cependant soumise à de fortes incertitudes et controverses. Selon de nombreuses estimations, les aérosols désertiques constituent la première source en masse d’aérosols naturels émis à l’échelle globale. Onévalue à une valeur comprise entre 1000 et 3000 Tg par an, la quantité d’aérosols désertiques (D’Almeida, 1986 ; Tegen et Fun, 1994 ; Mahowald et al. 1999 ; Tegen et al., 2004), ce quireprésente environ 40 % des émissions totales d’aérosols (Andreae, 1985 ; Ramanathan, 2001 ; IPCC, 2001). En Afrique, le Sahara et le sahel sont la première source mondiale de production des aérosols désertiques. En effet, le Sahara avec une superficie d’environ 8.5 millions de km² (Laurent, 2005) est le plus grand désert de la terre. Les émissions annuelles de cette source sont estimées entre 400 et 700 Mt (Schutz et al., 1981 ; D’Almeida, 1987 ; Swap et al., 1992 ; Laurent 2008). Ces particules ont un diamètre qui peut varier de moins d’1 μm jusqu’à 20 μm, mais plus de 80 % d’entre elles sont situées dans le mode grossier. La durée de vie des poussières désertiques est très variable car les plus grosses sont déposées rapidement sous l’effet de leurpoids alors que la fraction submicronique peut résider plusieurs semaines dans l’atmosphère.

Emissions volcaniques

Les volcans peuvent émettre des fines particules de roches et de minéraux encore appelés cendres volcaniques. Ces cendres peuvent être transportées sur plusieurs centaines ou milliers de kilomètres, mais tendent à retomber assez rapidement. Les volcans émettent également des gaz soufrés en particulier le SO2 et le H2S qui s’oxydent dans l’atmosphère pour former des aérosols soufrés submicroniques.

Sources anthropiques

Les sources majeures des aérosols anthropiques sont les combustions. L’émission des aérosols de combustion résulte des réactions de combustions incomplètes. Contrairement aux combustions complètes qui transforment le carbone en dioxyde de carbone (CO2), les combustions incomplètes conduisent à l’émission de particules dites primaires telles queles carbones suies (EC) et le carbone organique primaire (OCp), les polluants gazeux tels que le monoxyde de carbone (CO) et des composés organiques volatiles (COV). Par photochimie, ces COV peuvent donner lieu à la formation de particules organiques dites secondaires (SOA). Des chercheurs récemment ont montré que les émissions anthropiques en Afrique contribuent de façon importante à la pollution atmosphérique. Ils ont montré que la plupart des modèles climatiques sous-estiment les émissions polluantes africaines qui pourraient à l’horizon 2030 contribuerpour 20 à 55 % des émissions globales anthropiques des polluants gazeux ou particulaires (Liousse et al, 2014). Les principales sources d’émission d’aérosols de combustion en Afrique sont :
– Les feux de biomasse (Figure 1.4) : Ce sont essentiellement les feux de végétation liés aux pratiques culturales, à l’élevage, à l’agriculture et à la déforestation.
– Le biofuel (Figure 1.5) : il correspond à la combustion du charbon de bois, du bois, des résidus agricolesdes déchets d’animaux pour des fins d’usage domestique ou industriel.
– Les combustibles fossiles (Figure 1.6), issus de l’utilisation des énergies de sources fossiles telles que l’essence, le diésel et les fiouls dans divers secteurs d’activités (le trafic routier, les industries et l’usage domestique).

Combustions de biomasse

La combustion de la biomasse génère des aérosols primaires qui proviennent de la combustion incomplète de la matière organique. Ce n’est qu’au début des années 80 que Seiler et Crutzen (1980) ont montré l’impact climatique que pouvaient avoir les émissions de ces feux dans l’atmosphère. En effet, les quantités de particules émises lors de ces processus de combustion sont énormes. Selon Crutzen et Andreae (1990), 2000 à 5000 Tg de composés carbonés et 15 à 46 Tg de composés azotés sont émis chaque année par les feux.
Les premières mesures effectuées sur les feux de savane, en Afrique, ont été publiées par Delmas (1982). Ensuite les études se sont multipliées à partir du début des années 90. On retiendra les travaux de Bonsang et al. (1995), Cachier et al. (1995), Helas et al. (1995), Lacaux et al. (1995), Rudolph et al. (1995), Liousse et al. (1996) réalisés dans le cadre de la campagne FOS/DECAFE-91, mais aussi les résultats obtenus après la campagne SAFARI-92 (IGPB, IGAC) qui sont compilés dans l’article de Andreae et al. (1996).
Pour le continent africain, des résultats montrent l’importance de l’apport particulaire des feux de biomasse à l’atmosphère (Cachier et al., 1991, 1995, 1996 ; Andreae et al., 1996). Cette influence des feux de brousse sur la composition chimique des aérosols avait déjà été mise en évidence par Crozat et al. (1978) en Afrique de l’Ouest, principalement à l’aide du potassium qui est un traceur de combustion de biomasse. Les composés chimiques sont injectés dans l’atmosphère sous forme de particules de suie ou de cendres. Ils sont constitués de carbone organique associé à des atomes d’oxygène et d’hydrogène (CO, CO2, CH4, …), et de carbone suie encore appelé carbone élémentaire ou black carbon dont le contenu en carbone est plus élevé. Des études ont montré que ces feux sont également à l’origine d’espèces chimiques telles que le potassium (K), le chlore (Cl), l’ammonium (NH4), le nitrate (NO3), le sulfate (SO4), les acides organiques (Andreae et al., 1996) et le calcium (Ca), (Cachier et al., 1991).
Des aérosols ont également été analysés dans des panaches de feux de savane, en Afrique, par Gaudichet et al. (1995) et dans des panaches de feux de forêts, en Amazonie, par Echalar et al. (1995). Pour la savane africaine, les résultats mettent clairement en évidence la contribution des émissions de feux de biomasse pour des éléments tels que Cl, S, K, Cu et Zn. Par contre, pour la forêt, seuls Ca et Si sont enrichis. De plus, les éléments terrigènes Al et Fe présentent des concentrations très élevées dans les aérosols de feux de biomasse, ce qui implique d’importants processus de remobilisation de poussières terrigènes lors de ces feux.
L’Afrique apporte une contribution importante dans les émissions globales liées aux feux de biomasse. Ces combustions anthropiques génèrent environ 46 % des émissions de carbone suie et 55 % des émissions de carbone organique primaire à l’échelle mondiale (Liousse et al. 1996). En 1992, Calabri and Cisela ont montré que sur 750 millions d’hectares de végétation brûlées chaque année dans le monde, l’Afrique contribue pour près de la moitié contre environ 12 à 13 millions aux moyennes et hautes latitudes de l’hémisphère nord. Les estimations des émissions dans ces cas de figures comportent de nombreuses incertitudes, car les facteurs d’émission dépendent de la naturemême de la combustion ainsi que du type de végétation brûlée, donc varient d’un lieu à un autre.

Combustions de biofuels et les combustions fossiles

En dehors des feux de biomasse, le carbone suie et le carbone organique primaire sont issus de l’usage de biofuels et des combustibles fossiles. Malheureusement, ces sources sont mal renseignées en Afrique car ces estimations figurent principalementdans des modèles d’estimation globale. Une première estimation régionale a été menée dans Liousse et al., 2014 utilisant une approche basée sur la consommation en combustibles fossiles et biofuels avec les facteurs d’émission standard correspondant (Assamoi, 2011). Cependant, ces estimations sont très dépendantes de la technologie utilisée (véhicules 2 roues ou 4 roues), du secteur d’activité (industrie, transport, …), de la qualité des installations ou des engins. Dans le cadre du projet européen DACCIWA des améliorations sont en cours. Elles varient donc d’une région à une autre (Junker et Liousse, 2008 ; Bond et al. 2004).

Impact sur l’environnement

Les dépôts acides (humides et secs), principalement des aérosols sulfatés et nitrés ainsi que des acides organiques (acétique, formique, oxalique), peuvent avoir de nombreux effets nuisibles sur les écosystèmes, notamment lorsque le sol dans une région ne peut pas neutraliser l’acide. Ces dépôts peuvent ralentir la croissance des végétaux en acidifiant le sol à partir duquel les racines obtiennent leurs éléments nutritifs. Ils peuvent aussi acidifier les lacs, les rivières et cours d’eau fragiles et ainsi nuire à l’écosystème aquatique en fragilisant la diversité des espèces. En outre, les dépôts acides peuvent aussi détériorer les matériaux d’immeubles et altérer le bâti. Concernant les dépôts d’éléments en trace de type ferreux, ils peuvent contribuer à l’eutrophisation du milieu aquatique lorsqu’ils apportent, de manière excessive, les nutriments essentiels au développement de la flore marine. Une autre conséquence de l’impact des aérosols sur l’environnement est la profonde modification du cycle de l’eau qu’il pourrait entraîner en influençant la durée de vie des nuages. En effet, l’augmentation du nombre de noyaux de condensation (aérosols) tend à diminuer des précipitations (Rosenfeld et al., 2000).

Impact sur la santé humaine

Les aérosols sont considérés comme étant la composante la plus dangereuse pour la santé humaine, les particules les plus fines étant les plus mises en cause. En effet, la toxicité des aérosols est fonction non seulement de la quantité présente dans l’air et de la composition chimique (Doumbia, 2012 ; Val et al., 2013), mais aussi de la taille, les plus grossiers étant retenus au niveau du nez et des voies respiratoires supérieures et les plus fins étant déposés plus loin dans le système respiratoire. A court terme, ces aérosols sont à l’origine des maladies telles que la toux, les maux de gorge, les crises d’asthme et à plus ou moins long terme en fonction de la sensibilité de chaque individu, ils conduisent au développement des maladies respiratoires chroniques (diminution des capacités respiratoires, bronchites chroniques, cancer des poumons), cardio-vasculaires et aux maladies de la peau. Des études récentes montrent même l’implication des particules atmosphériques dans la survenue de maladies ou d’accidents cardiovasculaires tels que thromboses et infarctus (Dockery et Stone, 2007). Le récapitulatif des maladies engendrées à court et à long terme par l’inhalation des particules est présenté dans le Tableau 1.3.

Etudes épidémiologiques

Les effets à court terme des PM

Les effets à court terme des PM ont été évalués principalement sur la mortalité et les évènements d’admission à l’hôpital associés aux pics de pollution atmosphérique. Les études épidémiologiques révèlent les liens entre les niveaux ambiants de pollution atmosphérique particulaire et de nombreux évènements sanitaires. La Figure 1.10 présente la gradation dans la gravité, les effets allant des limitations d’activité aux décès. Les proportions des sujets affectés par ces effets diminuent avec leur gravité.
L’étude de Pope et al. (1992) s’est intéressée à l’effet de PM10 sur la mortalité d’habitants de l’Utah aux Etats-Unis suite a des pics de pollution entre 1985 et 1989. Elle a montré une association entre les pics de pollution particulaire et la mortalité journalière qui subit une hausse de 16 % lorsqu’il y a une augmentation de 100 µg/m3 de PM10 sur 5 jours d’affilée. Une méta-analyse réalisée deux ans plus tard sur des cas américains a confirmé cet effet de la pollution particulaire mais avec les TSP (Schwartz, 1994). Pour une augmentation de 100 μg/m3 de TSP, ils ont observé un excès de risque de mortalité de 1,06. De même, une étude évaluant l’effet de la pollution particulaire de 6 villes différentes de ce pays a conclu à une augmentation de la mortalité de 1,26 attribuée aux PM10 pour la ville la plus polluée, Steubenville en Ohio ayant une moyenne de 46 μg/m3 (Dockery et al., 1993).

Effets à long terme des particules atmosphériques

Les études à long terme sont basées sur l’effet d’une exposition constante aux PM pendant une durée déterminée sur les fonctions pulmonaires, la survenue de bronchites chroniques, le risque de cancer du poumon et la mortalité pour des problèmes cardio-respiratoires. L’étude de Pope et al. (2002) fait référence en évaluant pour la première fois l’effet à long terme de PM2.5 et les PM fines, sur le cancer pulmonaire et la mortalité cardio-pulmonaire aux Etats-Unis. Une augmentation de PM2.5 de 10 μg/m3 a été associée à l’augmentation de mortalité de : 4 % toutes causes confondues, 6 % pour des causes cardio-pulmonaires et 8 % par cancer du poumon. Il n’a pas pu être montré d’association entre les PM grossières ou les TSP sur la mortalité de ces cas. L’implication des PM10 et PM2.5 dans l’aggravation de pathologies chroniques obstructives a été mise en évidence plusieurs fois (Zanobetti et al., 2008 ; Pope et al., 2009). Ces effets semblent être plus importants lors d’une exposition à long terme à une pollution de fond plutôt qu’une exposition forte lors d’un pic de pollution (Pope et al., 2007). D’autres travaux ont mis en évidence l’excès de risque de cancer pulmonaire associé à l’exposition a long terme aux PM2.5 (Harrison et al., 2004 ; Ostro et al., 2009 ; Katanoda et al., 2011).
La contribution des PM issues du trafic automobile a été soulignée avec une étude réalisée en Autriche, France et Suisse (Kunzli et Tager, 2000). La pollution de l’air globale a été associée a 6 % de mortalité totale dont 50 % des cas sont attribues aux émissions de vehicules ; ainsi qu’a de nouveaux cas de bronchites chroniques, la survenue d’épisodes de bronchite et des crises d’asthme. Le type de source émettant les PM est donc important dans leurs effets, de même que leur taille.

Rôle des PM dans leurs effets

La taille des particules détermine leurs effets sur la santé (Figure 1.11) : plusieurs études montrent des effets sur la mortalité et la morbidité cardiorespiratoires supérieurs avec les PM2.5 comparativement aux PM10 (Belleudi et al., 2010 ; Dockery et al., 1993). Une étude réalisée récemment sur des cas hospitalisés àPékin en Chine a pris en compte la distribution granulométrique des aérosols (Leitte et al., 2011). Les appels d’urgence de personnes hospitalisées pour problèmes respiratoires ont été analysés et mis en relation avec la pollution particulaire entre 2004 et 2006. Une association entre les visites d’urgence pour causes respiratoires et la concentration de PM d’un diamètre compris entre 100 et 1000 nm et leur surface a été mise en évidence, celle-ci étant plus importante pour les PM de 50 à 100 nm. De même, en Allemagne l’augmentation de la mortalité journalière toutes causes confondues et cardiorespiratoires ainsi que l’augmentation de crises d’asthme sont associés à l’augmentation du nombre de PM 0.01-0.5 et à la masse des PM 0.1-2.5 sans qu’il y ait d’association avec les PM 2.5-10 (Peters et al., 1997 ; Wichmann et al., 2000). Néanmoins, certains travaux associent les effets sanitaires des PM aux particules grossières plutôt qu’aux plus fines (Lippmann et al., 2000 ; Brunekreef et Fosberg, 2005).
Les études épidémiologiques évaluent les effets de l’exposition humaine aux particules par rapport à des relevés de pollution atmosphérique, ce qui n’est pas représentatif de l’exposition réelle. De plus, les mécanismes induisant ces effets ne sont pas identifiables avec ce type d’étude. Pour approfondir ces questions, les études toxicologiques permettent de contrôler les expositions de modèles d’études humains, animaux ou in vitro sur des cultures cellulaires.

Les biomarqueurs de la réponse pro-inflammatoire : les cytokines pro-inflammatoires

Des études réalisées en laboratoire ont mis en évidence l’induction d’expression et de sécrétion de diverses cytokines pro-inflammatoires telles que le GM-CSF, le TNF-α, l’IL-6, l’IL-8 en réponse à l’exposition aux PM sur des cellules épithéliales bronchiques humaines cultivées in vitro. L’IL-6 et l’IL-8 ont été choisies pour étudier la réponse pro-inflammatoire des cellules exposées aux particules de Yaoundé, leurs sécrétions ayant été mises en évidence in vivo et in vitro dans plusieurs études après exposition à des PM ambiantes ou une catégorie spécifique de PM (Carter et al., 1997 ; Boland et al., 1999 ; Ishii et al., 2004).
– l’interleukine 6 (l’IL-6)
L’IL-6 est une cytokine pro-inflammatoire pleiotropique et immunomodulatrice secrétée par les cellules épithéliales et endothéliales de l’appareil respiratoire, macrophages alvéolaires, lymphocytes B. Elle joue un rôle essentiel dans la différenciation finale des lymphocytes B, la croissance des cellules hématopoïétiques et la différentiation des cellules T. L’importance de l’IL-6 dans la pathogenèse de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) a été mise en évidence par des études montrant chez ces malades de fortes concentrations d’IL-6 dans le sérum et les crachats, associées au déclin des fonctions pulmonaires (Donaldson et al., 2005 ; Walston et al., 2007). L’IL-6 a été liée à la faiblesse des muscles squelettiques pulmonaires chez les patients atteints de BPCO ainsi que l’exacerbation des infections pulmonaires chez ces personnes (Wedzicha et al., 2000 ; Yende et al., 2005 ; Yende et al., 2006).
– l’interleukine 8 (l’IL-8)
L’IL-8 est la chimiokine principale attirant les neutrophiles (Kobayashi et al., 2008) qui est produite majoritairement par les cellules épithéliales de l’appareil respiratoire mais aussi par les macrophages et les cellules endothéliales. L’IL-8 est présente à forte dose chez des patients atteints de mucoviscidose et de BPCO (Sly et al., 2009 ; De Diego Damia et al., 2011). La baisse de production d’IL-8 seule ou associée à celle d’autres cytokines pro-inflammatoires supprime l’attraction et l’activation des neutrophiles (Richman-Eisenstat et al., 1993).

Les biomarqueurs du métabolisme des xénobiotiques – Le cytochrome P 450 1A1 (CYP1A1)

Cette enzyme qui fait partie de la famille des cytochromes P450 est localisée dans la membrane du réticulum endoplasmique. Le CYP1A1 est exprimé de manière constitutive de manière quasiment indétectable dans les tissus extra pulmonaires (Bieche et al., 2007) et est inductible par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des hydrocarbures aromatiques halogènes (Whitlock et al., 1999). Son activation transcriptionnelle est sous le contrôle d’un récepteur intracellulaire, l’arylhydrocarbon receptor AhR, dont les HAP sont les ligands directs.
Les études toxicologiques ont montré que des PM et leurs extraits organiques induisent l’expression et l’activité du CYP1A1 dans des cellules épithéliales bronchiques humaines in vitro (Bonvallot et al., 2001 ; Billet et al., 2007 ; Lauer et al., 2009 ; Baulig et al., 2009 ; Abbas et al., 2009). La métabolisation des HAP par le CYP1A1 aboutit généralement à la production d’oxyde de HAP pouvant produire des mutations de l’ADN. L’activité métabolique du CYP1A1 est donc associée à l’apparition de cancers, notamment de cancer pulmonaire chez les fumeurs car la fumée de cigarette est riche en HAP (Whitlock et al., 1999).
– La NADPH quinone oxydoréductase 1 (NQO-1)
Les particules atmosphériques via leur effet oxydatif et leur contenu en composés organiques pourraient activer des facteurs de transcription se liant aux Anti-oxydant Response Element (ARE) et Xenobiotic Response Element (XRE), ceci permettant d’induire la transcription de NQO-1. Plusieurs études montrent en effet que des cellules épithéliales bronchiques induisent l’expression de NQO-1 en réponse a l’exposition a des PM2.5 ou leurs extraits organiques (Billet et al., 2007 ; Abbas et al., 2009 ; Lauer et al., 2009 ; Baulig et al., 2009).

Gènes du métabolisme des enzymes anti-oxydantes

– La superoxyde dismutase (SOD)
Cette enzyme catalyse la dismutation de l’O2- en H2O2. La SOD existe sous trois isoformes qui se différencient par leur localisation cellulaire et par leur cofacteur métallique : une forme cytosolique et nucléaire associée aux ions cuivre et zinc (Cu/Zn-SOD appelée SOD-1), une forme mitochondriale associée au manganèse (Mn-SOD appelée SOD-2) et une forme extracellulaire (EC-SOD appelée SOD-3). La distribution de ces différentes isoformes varie selon le tissu. L’isoforme majoritaire dans le poumon est la SOD-2 dont l’ARNm est prédominant dans les cellules de la barrière pulmonaire et les conduits alvéolaires (Rahman et al., 2006). La Mn-SOD est induite par un stress oxydant mais aussi par des cytokines pro-inflammatoires (Masuda et al., 1988 ; Wong et al., 1988).
Une surexpression de la Mn-SOD a été observée dans l’épithélium bronchique et alvéolaire de fumeurs malades de BPCO comparativement aux individus sains (Harju et al., 2004) ainsi que chez des sujets atteints de cancer pulmonaire alors que la catalase montrait de faibles niveaux d’expression (Chung-man Ho et al., 2001). Il a été émis l’hypothèse que l’inflammation pulmonaire contribuant aux forts taux de Mn-SOD et faibles taux de catalase, aboutirait à une augmentation du H2O2 intracellulaire, créant un environnement intracellulaire favorable aux dommages de l’ADN et des structures cellulaires.
– L’hème oxygénase HO-1
HO-1 est une enzyme catalysant la conversion de l’hème en biliverdine, réduite enzymatiquement par la bilirubine. L’hème est potentiellement oxydant et la bilirubine anti-oxydante, raison pour laquelle on classe HO-1 dans les enzymes anti-oxydantes. HO-1 est l’isoforme des hème oxygénases fortement inductible par des agents chimiques induisant une augmentation des espèces activées de l’oxygène dans la cellule car elle contient dans son promoteur plusieurs éléments de réponse aux antioxydants (Prestera et al., 1995), sa transcription est donc activée par des facteurs de transcription sensibles au stress oxydant.
HO-1 est surexprimée chez les fumeurs, les patients atteints d’asthme et le polymorphisme de HO-1 est associé à la susceptibilité à la BPCO alors que dans le cas du cancer du poumon HO-1 est suspectée d’accroitre les cellules tumorales (Fredenburgh et al., 2006).

ETUDES ANTERIEURES FAITES EN AFRIQUE DE L’OUEST ET CENTRALE

L’étude de les aérosols atmosphériques a débuté en Afrique tropicale dans les années 70 avec les travaux de Crozatet al., (1978) et Crozat (1979) qui ont montré respectivement l’influence des feux de brousse sur la composition chimique de cet aérosol en Afrique de l’Ouest et celle de la végétation en saison humide comme source biogénique des aérosols en zone de forêt ivoirienne. Les premières mesures effectuées sur les feux de savane ont été publiées par Delmas (1982). En 1984, Pelassy a étudié la composition chimique saisonnière des aérosols et ses sources en zone urbaine au Cameroun. Ensuite les études se sont multipliées à partir des années 90 au travers de campagnes de mesures internationales. Ces programmes se sont surtout intéressés à l’étude des aérosols issu des feux de biomasse sur des expériences à court ou à moyen terme. Il s’agit du programmeFOS/DECAFE (Fire Of Savannas/Dynamique Et Chimie Atmosphérique en Forêt Equatoriale) qui s’est déroulé à Lamto et à Bouaké en Côte d’Ivoire en janvier 1991 dans le but de paramétrer les émissions des feux de savane en fonction des caractéristiques physico-chimiques et biologiques de l’écosystème de savane africaine (Lacaux et al., 1995 ; Liousse et al., 1995 ; Gaudichet et al., 1995 ; Cachier et al., 1995). Ensuite des études ont été menées dans le cadre du programme EXPRESSO (Experiment for Regional Sources and Sinks of Oxidants) entre 1994 et 1996 (Delmas et al., 1999 ; Ruellan et al, 1999) avec pour objectif de déterminer les processus contrôlant la composition chimique de l’atmosphère tropicale au dessus de l’Afrique Centrale en zones de savane et de forêt. En marge de ces programmes d’autres études ont été menées dans cette région, à l’instar de celles faites par Crutzen et Andreae (1990), Cachier et Ducret (1991), Levine (1991), Cachier (1992), Andreae et al. (1992), et qui ont souligné le potentiel des gaz et particules issus des feux de biomasse à perturber l’atmosphère tropicale. Lacaux et al. (1993) ont estimé la contribution des feux de savane aux émissions globales des gaz traces et des aérosols à 30 % du total des émissions des feux de biomasse. Liousse et al. (1996) ont montré que les feux de savane contribuent approximativement à 25 % aux émissions du carbone particulaire à l’échelle globale. Ludwig et al. (2003) ont quant à eux défini le sol, les feux de biomasse et les feux de savane comme étant les sources majeures des aérosols atmosphériques en Afrique. En exemple, Maenhaut et Akilimali (1987) ont trouvé que les poussières minérales et les feux de biomasse étaient d’importantes sources d’aérosols à Kinshasa en République Démocratique du Congo (ex Zaïre) et à Butare au Rwanda.
Plus récemment, dans le cadre de AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), l’un des programmes majeurs investiguant en zones rurales Ouest africaine, différents auteurs ont travaillé sur les émissions des aérosols (Marticoréna et al., 2010 ; Liousse et al., 2010), leurs propriétés optiques (Mallet et al., 2008 ; Pelon et al., 2008 ; Solmon et al., 2008) afin d’étudier le transport, la distribution verticale et la variabilité spatiale des poussières minérales et du carbone particulaire. Ces études incluaient celle des impacts des aérosols basés sur les mesures de surface, par satellites et modèles (Haywood et al, 2008 ; Liousse et al., 2010 ; Reeves et al., 2010 ; Marticorena et al., 2010 ; Crumeyrolle et al., 2011 ; Formenti et al., 2011).
Toutes ces études sur les propriétés chimiques, physiques et optiques des aérosols atmosphériques en Afrique Centrale et de l’Ouest ont été faites sur des périodes courtes à moyennes et ont été centrées en général sur les saisons de feux. Pourtant au regard de l’influence des aérosols sur la dynamique photochimique et autres processus (formation et acidification des nuages et des précipitations, radiations solaires) de l’atmosphère africaine, et de leurs impacts sur le climat et la santé, il est important et primordial d’étudierles variations spatio-temporelles et saisonnières sur le long terme afin de déterminer leur contribution quantitative à ces phénomènesaux échelles locale et régionale. C’est dans ce contexte que s’inscriventles programmes INDAAF, POLCA et aujourd’hui DACCIWA qui ont été mis sur pied respectivement pour étudier la composition chimique de cet aérosol en milieux ruraux africains et pour étudier ses impacts sur la santé dans les capitales africaines.

Programme POLCA

Le programme POLCA entendu POllution des Capitales Africaines a été initié en 2007 et a pour objectif majeur l’étude de la pollution atmosphérique urbaine tant gazeuse que particulaire pour faire le lien avec la santé des populations de quelques villes d’Afrique de l’Ouest et Centrale (Bamako et Dakar) (Liousse et Galy-Lacaux, 2010). A la suite des études dans ces deux villes, une étude pilote a été initiée à Yaoundé de décembre 2012 à juillet 2013 afin d’y caractériser la pollution particulaire atmosphérique et d’en déterminer l’impact toxicologique en fonction de la taille et de la composition chimique des particules sur une période plus longue que celle documentée par les campagnes de mesures intensives menées à Bamako et Dakar. La Figure 2.3 illustre la situation géographique des différents sites.
POLCA est un programme CORUS portant sur la caractérisation physicochimique de la qualité de l’air des capitales Dakar et Bamako et de l’impact de ces pollutions sur la santé humaine, particulièrement l’impact de la pollution de l’air sur l’appareil respiratoire (inhalation). Le projet POLCA a pour objectif d’apporter des premières réponses aux questions scientifiques suivantes :
– quels sont les niveaux d’exposition annuels, saisonniers (particules, gaz) des populations ?
– quelles sont les caractéristiques physico-chimiques de cette pollution et des mélanges associés (organiques, inorganiques et métaux, …) ?
– quels sont les effets biologiques/toxicologiques de cette exposition en termes de mécanismes et processus (stress oxydant, réactions immunologiques et inflammatoires, …) ?
– quels sont les liens entre les données d’exposition et les affections respiratoires (asthme, BPCO, …) relevées dans les centres de santé (études épidémiologiques) ?

SITUATION GEOGRAPHIQUE DES SITES DE MESURES

Par son étendue géographique, 30 300 000 km2 entre les latitudes 35°N et 35°S et les longitudes 15°O et 50°E, l’Afrique est dotée d’une diversité climatique et de différents types d’écosystèmes. Nos sites d’étude en zone rurale s’étendent de la station de Nsimi, située au Sud du Cameroun, en zone de forêt dense et soumise au climat équatorial très humide à quatre saisons, à la station de Djougou au Nord-ouest du Bénin, caractérisée par un écosystème de savane humide et un climat soudano-sahélien à deux saisons. Le troisième site d’étude localisé à Yaoundé, la capitale du Cameroun, est représentatif d’une zone urbaine africaine.
Le découpage climatique et le type de végétation propre à chaque écosystème sont étroitement liés à la circulation météorologique générale au-dessus du continent.

Circulation atmosphérique générale au-dessusdu continent africain

La circulation atmosphérique générale au-dessus du continent africain est illustrée par la Figure  2.4. En hiver boréal l’anticyclone saharien, et en particulier le noyau libyen, acquiert son plus grand dynamisme dirigeant sur la région située au Nord du 5° parallèle Nord, un vent d’Est ou nord-est régulier et constant : l’alizé. Ce vent de terre, appelé harmattan, est un élément essentiel des climats de l’Afrique de l’Ouest. En moyenne sur l’année, l’harmattan souffle durant plus de cinq mois sur la zone soudano-sahélienne, mais il n’atteint le littoral que pendant deux à quatre semaines entre décembre et janvier. Parfois, l’anticyclone saharien se scinde en noyaux de hautes pressions laissant s’engouffrer de l’air polaire venu des hautes couches et crée des périodes d’alizé renforcé. En été boréal, les hautes pressions sahariennes s’affaiblissent et sont remplacées dans les basses couches par une dépression thermique. Parallèlement l’anticyclone de Ste-Hélène se rapproche de l’équateur géographique poussant devant lui un alizé actif (direction sud-est Nord-Ouest) qui franchit l’équateur. Il prend une direction sud-ouest nord-est et progresse sur le continent en se glissant sous l’alizé boréal, comme aspiré par la dépression thermique saharienne : c’est le phénomène de mousson. Les masses d’air, qui se sont chargées d’humidité lors de leur passage sur l’Océan Atlantique, apportent les pluies sur le continent.
La surface de séparation entre l’air humide qui provient de l’atlantique et l’air continental, qui a traversé le continent, est appelée Font Intertropical (FIT). La trace au sol de ce front varie de 5°N en janvier à 20°N en juillet. Le mouvement pendulaire annuel entre les deux positions extrêmes rythme les saisons de l’Afrique Intertropicale.

Description des différents sites d’échantillonnage

Les sites de Nsimi et de Yaoundé sont localisés dans le sud du Cameroun, ils sont caractérisés par un écosystème de forêt respectivement peu et très anthropisé et sont sous l’influence d’un climat de type équatorial à quatre saisons. Ils appartiennent sur le plan géologique au plateau sud camerounais dont les caractéristiques lithologiques, les évolutions tectonique et structurale ainsi que les différents faciès pédologiques sont présentés à la suite de la situation géographique des sites.

Site de Djougou (Bénin)

Djougou est situé au nord-ouest du Bénin à 9°41’ de latitude N et de 1°39’ longitude E, à environ 400 km de l’océan atlantique et de Cotonou (capitale du Bénin) dans le sud et de la zone sahélienne dans le nord (Figure 2.5). Son socle de nature granito-gneissique est dominé par les quartzites de Tanéka dans le nord-ouest du Bénin. Djougou a un relief de plateau relativement accidenté, qui est ponctué des affleurements des monts Tanéka (654 m) au nord – ouest, Kouffè et Sabarao (658 m) au sud-est, il se trouve sur un interfluve de 450 m d’altitude qui sépare deux bassins-versants (L’Ouémé et la Donga). Les sols de Djougou sont des sesquioxydes de fer et de manganèse. Ce sont des sols ferralitiques et ferrugineux (Faure, 1977), dont la faible perméabilité favorise l’érosion. Ils sont favorables à l’agriculture qui représente environ 70 % des activités économiques de la population (Commune de Djougou, 2009). Djougou est caractérisé par un écosystème de savane humide arborée assez dense parsemée d’importantes étendues forestières qui ne cessent de reculer sous la forte pression démographique. Le climat qui y prévaut est de type soudano-guinéen avec une saison sèche allant de novembre à avril et une saison humide allant de mai à octobre. Cette région connaît l’une des plus fortes pluviométries du Bénin grâce à l’influence orographique de la chaîne de l’Atacora (située au nord-ouest de Djougou et culminant à 658 m). La hauteur moyenne annuelle des précipitations oscille autour de 1350 mm.

Table des matières

• LISTE DES FIGURES
• LISTE DES TABLEAUX
• LISTE DES ABREVIATIONS
• INTRODUCTION GENERALE
• CHAPITRE I : LES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES
I.1. Définition des aérosols
I.2. Mécanismes de formation et tailles de les aérosols atmosphériques
I.3. Principales sources d’émissions des aérosols : focus sur l’Afrique
I.3.1. Sources naturelles
I.3.2. Sources anthropiques
I.4. Impact des aérosols
I.4.1. Impact sur le climat
I.4.2. Impact sur l’environnement
I.4.3. Impact sur la santé humaine
I.5. Etudes antérieures faites en Afrique de l’Ouest et Centrale
• CHAPITRE II : CADRE EXPERIMENTAL DE L’ETUDE
II.1. Présentation et objectifs des programmes INDAAF (ex-IDAF) et POLCA
II.1.1. Programme INDAAF
II.1.2. Programme POLCA
II.2. Situation géographique des sites de mesures
II.2.1. Circulation atmosphérique générale au-dessusdu continent africain
II.2.2. Description des différents sites d’échantillonnage
II.3. Protocoles de collecte et analytique
II.3.1. Echantillonnage des aérosols sur filtres
II.3.2. Les différentes techniques analytiques
• CHAPITRE III : COMPOSITION CHIMIQUE DE L’AEROSOL ATMOSPHERIQUE A NSIMI (ZOETELE AU CAMEROUN)
III.1. Paramètres climatiques
III.2. Variations saisonnières des concentrations des différentes espèces
III.2.1. Espèces carbonées
III.2.2. Espèces ioniques
III.2.3. Métaux en traces
III.2.4. Spéciation chimique et concentration ambiante de PM10
• CHAPITRE IV : COMPOSITION CHIMIQUE ET SOURCES DES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES A DJOUGOU (BENIN)
IV.1. Paramètres climatiques
IV.2. Variations saisonnières des concentrations des différentes espèces
IV.2.1. Espèces carbonées
IV.2.2. Espèces ioniques
IV.2.3. Métaux en traces
IV.2.4. Spéciation chimique et concentration ambiante de PM2.5 et PM10
• CHAPITRE V : POLLUTION DES CAPITALES AFRICAINES ET IMPACT SUR LA SANTE : CAS DE YAOUNDE (CAMEROUN)
V.1. CARACTERISATION CHIMIQUE ET ETUDE DES SOURCES DE L’AEROSOL YAOUNDE
V.1.1. Concentration gravimétrique des aérosols
V.1.2. Composition chimique des aérosols
V.1.3. Spéciation chimique des aérosols de Yaoundé
V.2. ETUDE DE L’IMPACT TOXICOLOGIQUE DE L’AEROSOL ATMOSPHERIQUE A YAOUNDE
V.2.1. Zoom sur les biomarqueurs d’exposition et d’effets d’exposition impliqués dans l’étude de la toxicité des aérosols atmosphériques de Yaoundé
V.2.2. Rôle des caractéristiques physico-chimiques et saisonnières des particules atmosphériques de Yaoundé dans les effets biologiques induits sur des cellules épithéliales bronchiques humaines
• CONCLUSION GENERALE
• REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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