Les principaux polluants atmosphériques

Plusieurs éléments sont considérés comme des polluants de l’air parce qu’ils n’existent pas naturellement dans l’air ou ne s’y trouvent qu’à de très faibles niveaux de concentration, et qu’ils sont nocifs pour la santé et pour l’environnement. Ces polluants se divisent en deux catégories : gaz et particules.

1.3.1. Le monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone (CO) est formé par la combustion incomplète du carbone et provient essentiellement des moteurs des véhicules et des installations de combustion mal réglées. Il se fixe sur l’hémoglobine et peut entraîner des troubles respiratoires, des effets asphyxiants, des maux de tête et des troubles cardiaques.

1.3.2. L’ammoniac

L’ammoniac (NH₃) est un dérivé courant des déjections animales. Le bétail et la volaille sont souvent alimentés à l’aide d’une nourriture riche en protéines contenant un excédent d’azote dont la partie non métabolisée en protéines animales est rejetée dans les urines et les excréments puis transformée en ammoniac par une action microbienne. La fertilisation avec des engrais à base d’ammonium conduit aussi à des pertes de NH3 gazeux dans l’atmosphère. D’autre part, la

5 combustion de la biomasse est une source non négligeable d’ammoniac, ce composé réduit est émis lors des phénomènes de pyrolyse de la matière végétale qui précèdent la combustion. Dans l’air, il contribue à la formation de fines particules de nitrate d’ammonium et de sulfate d’ammonium, et contribue aux phénomènes d’acidification et d’eutrophisation des milieux naturels par dépôt de matière azotée (Anderson et al., 2003 ; Sutton et al., 2000 ; Webb et al., 2014). C’est un gaz odorant et irritant à forte concentration (Bhalla et al., 2011).

1.3.3. Les oxydes d’azote

Les oxydes d’azotes (NO_x) comprennent le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO₂). Ces composés sont essentiellement émis lors des phénomènes de combustion notamment, par le secteur des transports (véhicules) et les installations de combustion (chauffage, centrales thermiques, etc.) (OMS, 2011).

Le NO est issu des phénomènes de combustion à haute température par oxydation de l’azote de l’air, soit la réaction R1 :

N2 + O2 + chaleur  2NO (R1)

A température ambiante, le NO est instable et réagit avec l’oxygène (ou l’ozone) pour former du NO2, soit les réactions R2 ou R3:

2NO + O2  2NO2 (R2) ou NO + O3  NO2 + O2 (R3)

Les oxydes d’azote participent à la formation de polluants photochimiques comme l’ozone, néfastes pour la santé, et à la formation de l’acide nitrique qui contribue d’une part au phénomène de pluies acides et d’autre part à la formation des particules secondaires de nitrate d’ammonium et de nitrate de sodium par conversion gaz-particule.

Parmi les NOx, le NO2 est le plus nocif pour la santé humaine (Brunekreef et Holgate, 2002). C’est un gaz irritant pour l’appareil respiratoire et il favorise l’hyperréactivité bronchique. Les populations asthmatiques semblent être plus sensibles également à ce polluant, et chez l’enfant il peut favoriser des infections pulmonaires (OMS, 2011). Sa valeur moyenne d’exposition annuelle recommandée par l’OMS est de 40 µg/m3

6

1.3.4. Le dioxyde de soufre

Le dioxyde de soufre (SO2) a pour origine principale la combustion des énergies fossiles (diesel, charbon) riches en soufre. Les principales sources de SO2 sont donc les installations de chauffage industriel et domestique, la production d’électricité et les véhicules à moteur (OMS 2011). Certains procédés industriels produisent également des effluents soufrés tels que les raffineries de pétrole ainsi que certains procédés de fabrication. Le SO2 peut avoir aussi des sources naturelles dont les plus importantes sont les feux de forêts et les éruptions volcaniques (INERIS, 2011). Ce gaz peut s’oxyder puis se transformer en acide sulfurique qui contribue au phénomène de pluies acides et à la formation de particules secondaires par sa neutralisation avec l’ammonium (OMS, 2011).

Le SO₂ est un gaz irritant pour l’appareil respiratoire et engendre une exacerbation de l'asthme, des bronchites chroniques et une sensibilisation aux infections respiratoires. La valeur guide préconisée par l’OMS est de 20 µg/m3

comme moyenne journalière (WHO, 2005).

1.3.5. L’ozone

La production d’O3 troposphérique directement par des sources anthropiques ou naturelles est pratiquement nulle. Il se forme dans l’atmosphère à partir d’autres précurseurs chimiques et son processus de formation peut être résumé comme suit :

Le NO émis dans l’atmosphère réagit rapidement avec l’O3 pour former le NO2, comme présenté dans la réaction R3 (paragraphe 1.3.3). Le NO2 formé absorbe efficacement l’énergie du rayonnement solaire pour se dissocier en atomes d’oxygène et en NO, soit la réaction R4 :

NO2 + hv  NO + O (R4)

Ces atomes d’oxygène réagissent rapidement à leur tour avec le dioxygène (O2) pour reformer de l’ozone, soit la réaction R5 :

O2 + O + M  O3 + M (M = O2 ou bien N2) (R5)

M représente une troisième molécule qui absorbe l’énergie excédentaire libérée au cours de cette réaction, stabilisant ainsi la molécule d’ozone nouvellement formée. Ces réactions (R3, R4 et R5) décrivent un état d’équilibre photochimique qui s’établirait dans l’atmosphère.

7 Dans une atmosphère polluée, les COV participent à la formation de l’ozone. En effet, les rayonnements solaires transforment les COV en radicaux peroxydes qui réagissent avec le NO pour former le NO₂. Ensuite, ce NO₂ formé participe à la réaction R4 qui, suivie par la réaction R5, donne naissance à une nouvelle molécule d’ozone. L’O₃ est un gaz agressif provoquant une diminution de la fonction pulmonaire et un déclenchement des crises d’asthme (OMS, 2011). La concentration limite recommandée par l’OMS est de 100 µg/m3

moyenne sur 8 heures (WHO, 2005).

1.3.6. Les composés organiques volatils (COV)

Les COV regroupent une multitude de substances appartenant à différentes familles chimiques (hydrocarbures aromatiques, cétones, alcools, alcanes, aldéhydes, etc.) (ORS, 2007). Il est fréquent de distinguer le méthane (CH₄) qui est un COV particulier, car naturellement présent dans l'air. On parle alors de COV méthaniques (COVM) et de COV non méthaniques (COVNM). De manière simplifiée, les COVNM sont des gaz émis par la combustion de carburants (transport, industrie, élimination des déchets, etc.) ou par évaporation de solvants contenus dans certains matériaux et produits lors de leur fabrication, leur stockage et leur utilisation (peintures, cartouches des imprimantes, caoutchouc, colles, etc.) (Bernstein et al., 2008 ; Vardoulakis et al., 2011). De plus, les COV peuvent avoir des sources naturelles comme notamment les forêts et les prairies ; on parle alors de COV biogéniques. Les COV peuvent être classés selon leur température d’ébullition qui est liée au caractère volatil de la substance : les COV très volatils, volatils ou semi-volatils (Popescu et al., 1998). Les BTEX (Benzène, Toluène, Ethylbenzène et Xylènes) sont des COV considérés comme étant de bons indicateurs de la pollution urbaine, précisément induite par le trafic routier (ORS, 2007). Les effets sanitaires des COV sont divers et variables selon la nature du polluant envisagé. Ils vont d’une gêne olfactive légère jusqu’à des effets mutagènes et cancérogènes (benzène, formaldéhyde) (Carazo Fernández

et al., 2013 ; Duong et al., 2011 ; Sax et al., 2006 ; Venn et al., 2003).

1.3.7. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

Les HAP sont des composés organiques hydrocarbonés constitués de deux ou plusieurs cycles benzéniques. Ces noyaux aromatiques sont accolés soit de façon linéaire, soit angulaire ou en grappe. La formation des HAP peut résulter de processus naturels, mais l’activité anthropique

8 est généralement considérée comme la source majeure d’introduction d’HAP dans l’environnement. En ce qui concerne les sources naturelles, des HAP peuvent être générés par des feux de forêt ou de prairie ou lors des éruptions volcaniques. De plus, des fuites de réservoirs naturels de pétrole peuvent introduire des HAP pétroliers dans la mer. En ce qui concerne la pollution liée à l’activité anthropique, les HAP sont principalement générés par combustion incomplète de la matière organique à haute température tels que la combustion de carburant diesel ou essence (transports, industries), l’incinération des déchets et la combustion de bois et de charbon (domestique : cuisine et chauffage) (Marr et al., 2006 ; Ravindra et al., 2008 ; Ravindra

et al., 2006a).

Les HAP peuvent se trouver dans l’air ambiant sous forme gazeuse ou particulaire. Il en découle trois catégories d’HAP : les HAP volatils (constitués de deux cycles aromatiques) qui se retrouvent dans la phase gazeuse, les HAP semi-volatils (constitués de 3 et 4 cycles aromatiques) qui sont répartis entre les phases gazeuse et particulaire et les HAP lourds (constitués de 5 cycles ou plus) qui sont majoritairement adsorbés à la surface des particules.

Certains HAP sont classés cancérogènes de la classe 1 (cancérogène pour l’homme), de la classe 2A (cancérogène probable) et de la classe 2B (cancérogène possible) par le Centre International de la Recherche sur le Cancer (CIRC) (IARC, 2010 ; IARC 2012) et possédent des pouvoirs génotoxiques et mutagènes.

1.3.8. Les polychloro dibenzo-p-dioxines et -furanes

Les PolyChloro Dibenzo-p-Dioxines (PCDD) et PolyChloro DibenzoFuranes (PCDF) sont des composés aromatiques tricycliques comportant 1 à 8 atomes de chlore. Ils sont plus généralement appelés dioxines, bien que cette appellation désigne une famille bien plus large de molécules. Ils sont constitués de deux noyaux de benzène entourant un 3^ème noyau qui comporte 2 atomes d’oxygènes en position « para » pour les PCDD contre un seul atome d’oxygène pour les PCDF.

En effet, les émissions de PCDD et PCDF résultent principalement des activités industrielles, notamment de procédés faisant intervenir la combustion de la matière organique en présence de chlore à hautes températures : l'incinération de déchets (ménagers, industriels ou médicaux), la production de chaleur, les procédés métallurgiques, notamment ceux concernant les métaux ferreux et non ferreux et la réactivation du charbon actif. A une échelle beaucoup

9 plus petite, les combustions naturelles (feux de forêts, activité volcanique) constituent aussi des sources d'émission (INRS, 2006).

La principale source d'exposition humaine aux PCDD et PCDF est l'alimentation (90 %). Dans l'atmosphère, ils se retrouvent essentiellement associés aux particules plutôt que sous forme gazeuse à cause de leur faible pression de vapeur. Les congénères faiblement chlorés (congénères tétra et penta chlorés) se retrouvent à l'état gazeux en plus forte proportion que les congénères fortement chlorés (congénères hexa à octa chlorés), qui se retrouvent associés aux particules (INERIS, 2005).

Seuls 17 congénères sont considérés comme ayant une toxicité importante, et la 2,3,7,8-TCDD (dioxine de Seveso) est la plus toxique et est la seule reconnue cancérigène pour l’Homme, d’après le CIRC. Ces composés sont lipophiles et la majorité est très résistante au métabolisme chez l’Homme et ils peuvent être bioaccumulés (Bodin et al., 2007b). Ce sont des molécules très stables et elles sont d'autant plus stables que le nombre d'atomes de chlore est important. Cette stabilité explique leur degré de persistance dans l’environnement (INERIS, 2005).

1.3.9. Les polychlorobiphényles

Les PolyChloroBiphényles (PCB) sont des composés chimiques synthétiques extrêmement persistants, également connus en France sous le nom de pyralènes. La famille des PCB regroupe 209 molécules également appelées congénères. Ce sont des composés constitués de deux cycles benzéniques reliés entre eux, et possédant plusieurs atomes de chlore.

Les PCB n’existent pas à l’état naturel et ont été fabriqués par l’Homme pour la première fois en 1929 et ont été largement utilisés pendant des décennies comme isolants dans les transformateurs électriques et les condensateurs, comme lubrifiants dans les turbines et les pompes ou comme composants d’huiles, de soudures, d’adhésifs, de peintures et de papiers autocopiants. Leur présence dans l’environnement est principalement due à des contaminations «accidentelles» (déversements de quantités importantes par suite de fuites, d’explosions, d’incendies ou de rejets fortuits) et à des procédures inadéquates d’élimination qui ont eu cours dans le passé (décharges non contrôlées ou inappropriées, épandage des boues d’épuration). La production et la commercialisation des PCB sont interdites en France depuis 1987 (CIRE- Rhône-Alpes, 2010).

10 Les dosages des PCB dans l’environnement, les aliments ou chez l’Homme concernent généralement les 12 PCB « dioxin-like » ou PCB-DL (appelés comme cela puisqu’ils ont le même mécanisme de toxicité que les PCDD et PCDF), et les 7 PCB « indicateurs » ou PCBi les plus présents dans l’environnement et les aliments. Ces derniers représentent environ 50 % de l’ensemble des congénères et sont dosés pour estimer la contamination par les PCB totaux (CIRE-Rhône-Alpes, 2010). La principale voie d’exposition professionnelle est l’inhalation (Wolff, 1985). En outre, pour la population générale, la voie principale d’exposition est la nourriture contaminée (ATSDR, 2000).

1.3.10. Les métaux lourds

Ce sont des métaux de densité élevée comme le plomb (Pb), le Mercure (Hg), l’Arsenic (As), le Cadmium (Cd) et le Nickel (Ni). Cette appellation est de moins en moins utilisée, et celle d’éléments trace métalliques (ETM) est de plus en plus retenue et englobe un grand nombre d’éléments présents en très faible teneur dans l’environnement. Dans l’air, les métaux lourds se retrouvent majoritairement sous forme particulaire à l’exception du mercure qui est principalement gazeux. Ils proviennent de la combustion des combustibles fossiles et du bois, des cimenteries, de l’agriculture, de certains procédés industriels et de l’incinération des déchets. Ils peuvent s’accumuler dans l’organisme et avoir des effets variables selon les métaux : atteintes du système nerveux, des fonctions rénales ou hépatiques, etc. (Poey et Philibert, 2000).

1.3.11. La matière particulaire

La matière particulaire est détaillée dans le paragraphe suivant.

2. Les particules atmosphériques