Exposition et métabolisme des hydrocarbures aromatiques : potentielle toxicité par voie orale

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Introduction générale

Les activités humaines fixes, telles que le chauffage ou les industries, mais aussi les activités mobiles avec le trafic routier, fluvial et aérien sont les principales responsables du rejet d’hydrocarbures aromatiques dans l’atmosphère. Ces polluants sont ensuite largement distribués dans l’ensemble des compartiments environnementaux : l’air, l’eau, les sédiments, le sol et les plantes, entraînant ainsi une contamination des espèces aquatiques et terrestres. La mise en place de dispositifs de surveillance des hydrocarbures aromatiques dans l’environnement est donc nécessaire.
Chez l’Homme, certains hydrocarbures aromatiques sont associés à des excès de cancer après exposition par inhalation. Cependant, bien que la toxicité des hydrocarbures aromatiques soit généralement reconnue par inhalation, l’impact de ces composés absorbés à travers l’alimentation reste globalement méconnu et assez peu étudié. Le benzo(a)pyrène est, par exemple, le seul hydrocarbure aromatique à faire l’objet d’une réglementation dans les produits alimentaires.
L’objectif du travail de thèse vise donc à développer les connaissances sur le niveau de contamination des hydrocarbures aromatiques dans les pommes, sélectionnées comme aliment d’étude.
Le premier chapitre de ce document propose, tout d’abord, une présentation générale des hydrocarbures aromatiques puis, traite de la dispersion de ces composés dans l’environnement. Ce chapitre étudie ensuite la présence des hydrocarbures aromatiques dans les aliments et particulièrement leur contenu dans les fruits et les légumes. Après avoir présenté la toxicité potentielle des hydrocarbures aromatiques via l’alimentation, les différentes méthodes d’extraction et d’analyse disponibles dans la littérature pour la détermination de ces composés sont passées en revue.
Le second chapitre est consacré aux détails du contexte de l’étude à travers la présentation du principal fruit investigué qui est la pomme, ainsi que de l’environnement des vergers en Normandie. Une présentation des objectifs du travail de thèse est également apportée à la fin de ce chapitre.
Le troisième chapitre présente le matériel ainsi que les conditions opératoires des différentes techniques d’extraction et d’analyse permettant la détection et la quantification des hydrocarbures aromatiques dans les fruits.
Le quatrième chapitre, consacré aux hydrocarbures aromatiques monocycliques (BTEX), aborde dans une première partie les méthodologies mises en œuvre pour la détermination de ces composés dans la pomme mais également dans d’autres fruits : la poire, la prune et le raisin. Le choix des méthodes d’extraction et d’analyse est tout d’abord discuté puis, le processus d’optimisation est détaillé. Les performances des méthodologies optimisées sont finalement présentées et comparées entre elles ainsi qu’avec les données de la littérature. Dans une seconde partie, les méthodes sont appliquées à la détermination des hydrocarbures aromatiques monocycliques dans des matrices fruitières. Ainsi, le contenu en BTEX dans des fruits (pomme, poire, prune et raisin) provenant d’un supermarché et dans des pommes récoltées en Normandie est évalué. Les BTEX résultants d’expositions aux fumées de combustion de biomasse et aux gaz d’échappement d’un moteur diesel sont également quantifiés.
Le cinquième chapitre, reprend la même structure que le chapitre précédent et présente les résultats obtenus pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
Enfin, le sixième et dernier chapitre fait office de conclusion générale des travaux de thèse et propose des perspectives au regard du potentiel des méthodologies optimisées.

Introduction Bibliographique

La pollution atmosphérique représente une préoccupation mondiale majeure à cause du réchauffement climatique observé depuis le début du XXème siècle, mais aussi en raison du lien établi entre les polluants atmosphériques et de nombreux problèmes de santé tels que des problèmes respiratoires, cardiovasculaires ou encore neurologiques (Curtis, 2006). Même si la qualité de l’air tend à s’améliorer en Europe depuis les années 1980, la pollution atmosphérique reste une cause importante de morbidité et de surmortalité (Elichegaray, 2010). La plus grande partie des polluants retrouvés dans l’atmosphère est d’origine anthropique. En effet, les activités humaines fixes : chauffage, industries, agriculture… et mobiles : trafic automobile, fluvial et aérien entraînent le rejet de nombreux polluants sous forme gazeuse tels que le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d’azotes (NOx) mais aussi dans la phase particulaire comme les métaux. L’agence de protection de l’environnement américaine (US-EPA) a établi une liste de polluants prioritaires à surveiller dans les échantillons environnementaux (US-EPA, dernière mise à jour décembre 2014). 16 Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ainsi que 3 composés monocycliques (benzène, toluène et éthylbenzène) figurent dans cette liste. Les hydrocarbures aromatiques sont des composés ubiquitaires associés à des excès de cancer chez les personnes les ayant inhalés. Cette introduction bibliographique cible plus particulièrement ces hydrocarbures aromatiques et va dans un premier temps être consacrée à la présentation de leurs principales caractéristiques (structure, propriétés physico-chimiques, origine, sources et formation). La dispersion des hydrocarbures aromatiques dans les différents compartiments de l’environnement ainsi que les conséquences écologiques engendrées par leur présence seront, dans un second temps, abordées. La contamination des aliments et la toxicité de ces composés par voie orale sera ensuite évoquée. Enfin, la dernière partie de cette introduction bibliographique traitera des différentes méthodes d’extraction et d’analyse des hydrocarbures aromatiques

Présentation des hydrocarbures aromatiques

Il existe un très grand nombre d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) (plus de 1000) mais les 16 de la liste de l’US-EPA établissant les polluants prioritaires à surveiller seront plus particulièrement abordés. Ces HAP possèdent au minimum 2 cycles aromatiques et peuvent en comporter jusqu’à 6 ou plus. En ce qui concerne les hydrocarbures aromatiques monocycliques, ils regroupent le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les xylènes (BTEX). Les diméthylbenzènes également appelés xylènes se composent de trois isomères (méta, ortho et para).

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction Bibliographique
1.1 Présentation des hydrocarbures aromatiques
1.1.1 Structure et propriétés
1.1.2 Origines
1.1.3 Identification de profils d’hydrocarbures aromatiques émis en fonction des sources d’émissions
1.1.4 Formation
1.2 Dispersion et mécanismes de dégradation des hydrocarbures aromatiques dans l’environnement
1.2.1 Dispersion des hydrocarbures aromatiques dans l’air
1.2.2 Dispersion des hydrocarbures aromatiques au niveau du sol
1.2.3 Dispersion des hydrocarbures aromatiques dans l’environnement aquatique
1.3 Conséquences écologiques
1.3.1 Contamination des végétaux
1.3.2 Contamination de la faune terrestre
1.3.3 Conséquences sur les micro-organismes du sol
1.3.4 Contamination des espèces aquatiques
1.3.5 Contamination des aliments
1.3.5.1 Contenu en hydrocarbures aromatiques dans les fruits et les légumes
1.3.5.1.1 Contenu en BTEX dans les fruits et légumes
1.3.5.1.2 Contenu en HAP dans les fruits et légumes
1.3.5.2 Impact de l’emballage et du stockage sur le contenu en hydrocarbures aromatiques dans les aliments
1.3.5.3 Impact des procédés de cuisson sur le contenu en hydrocarbures aromatiques dans les aliments28
1.3.5.4 Exposition humaine aux hydrocarbures aromatiques via l’alimentation
1.4 Exposition et métabolisme des hydrocarbures aromatiques : potentielle toxicité par voie orale
1.4.1 Les BTEX
1.4.1.1 Métabolisme des BTEX
1.4.1.2 Toxicité des BTEX chez l’Homme
1.4.1.3 Toxicité des BTEX chez les animaux
1.4.2 Les hydrocarbures aromatiques polycycliques
1.4.2.1 Métabolisme des HAP
1.4.2.2 Toxicité des HAP chez l’Homme
1.4.2.3 Toxicité des HAP chez l’animal
1.5 Réglementation concernant la présence d’hydrocarbures aromatiques l’eau de consommation et aliments
1.5.1 L’eau
1.5.1 Les aliments
1.6 Méthodes de détermination des hydrocarbures aromatiques
1.6.1 Méthodes d’extraction
1.6.1.1 Techniques d’extraction par solvant
1.6.1.1.1 Soxhlet
1.6.1.1.2 Extractions liquide/liquide et solide/liquide (LLE et SLE)
1.6.1.1.2.1 Extraction assistée par les ultrasons (UAE)
1.6.1.1.2.2 Extraction assistée par les micro-ondes (MAE)
1.6.1.1.2.3 Extraction par liquide pressurisé (PLE)
1.6.1.2 Purification
1.6.1.2.1 Extractions en phase solide (SPE)
1.6.1.2.2 Chromatographie d’exclusion
1.6.1.3 Procédures d’évaporation de solvant
1.6.1.3.1 Concentration sous flux gazeux
1.6.1.3.2 Concentration par évaporateur rotatif..
1.6.1.4 Techniques d’extraction avec support d’extraction miniaturisé
1.6.1.4.1 Micro-extraction en phase solide (SPME)
1.6.1.4.2 Extraction dynamique en phase solide (SPDE)
1.6.1.4.3 Extraction par sorption sur barreau magnétique (SBSE)
1.6.1.4.4 Micro-extraction par solide compacté (MEPS)
1.6.2 Séparation et détection analytique des hydrocarbures aromatiques
1.6.2.1 Séparation par chromatographie liquide à hautes performances (HPLC)
1.6.2.2 Détection après séparation en chromatographie liquide
1.6.2.2.1 Détecteur de fluorescence (FLD)
1.6.2.2.2 Détecteur ultraviolet-visible (UV)
1.6.2.2.3 Détecteur à barrettes de diode (DAD)
1.6.2.2.4 Spectromètre de masse (MS)
1.6.2.3 Séparation par chromatographie en phase gazeuse
1.6.2.3.1 Modes d’injection en chromatographie en phase gazeuse.
1.6.2.3.2 Colonnes et phases stationnaires en chromatographie en phase gazeuse
1.6.2.4 Détection après séparation par chromatographie en phase gazeuse
1.6.2.4.1 Détecteur à ionisation de flamme (FID)
1.6.2.4.2 Spectrométrie de masse (MS)
1.6.2.4.2.1 Modes d’ionisation lors du couplage avec la chromatographie en phase gazeuse
1.6.2.4.2.1.1 Ionisation électronique (EI)
1.6.2.4.2.1.2 Ionisation chimique (CI)
1.6.2.4.2.2 Analyseurs de masse mis en oeuvre lors du couplage avec
chromatographie en phase gazeuse
1.6.2.4.2.2.1 Quadripôle
1.6.2.4.2.2.1 Triple quadripôle et trappe ionique
1.6.3 Bilan sur les méthodes d’extraction et d’analyse des hydrocarbures aromatiques pour les fruits et
légumes
Chapitre 2 : Contexte et objectifs de l’étude
2.1 La pomme : Présentation et intérêts agricole et économique
2.1.1 La pomme : Un produit agricole local
2.1.2 Composition de la matrice pomme
2.2 L’environnement des vergers normands
2.3 Objectifs de la thèse
Chapitre 3 : Matériels et méthodes
3.1 Echantillons
3.2 Solvants et standards
3.3 Extractions
3.3.1 Matériels d’extraction
3.3.2 Procédures d’extraction
3.3.2.1 Extraction des composés volatils et semi-volatils : BTEX et HAP légers
3.3.2.2 Extraction des hydrocarbures aromatiques les plus lourds
3.3.2.2.1 Extraction assistée par les ultrasons couplée à une extraction sur phase
(UAE/SPE)
3.3.2.2.2 Extraction assistée par les ultrasons couplée à une micro-extraction par
compacté (UAE/MEPS)
3.4 Procédures de décontamination du matériel d’extraction et de la verrerie
3.4.1 Nettoyage de la verrerie
3.4.2 Nettoyage des capillaires du montage Visiprep Solid Phase Extraction Vacuum Manifold
3.5 Analyses par GC-MS
3.5.1 Matériel d’analyse (GC-MS)
3.5.2 Procédures analytiques de séparation et de détection en GC-MS
3.5.2.1 Analyse des BTEX et HAP légers
3.5.2.2 Procédure de désorption complémentaire pour le conditionnement des fibres avant extraction
3.5.2.3 Analyse des HAP lourds
3.5.2.4 Programme complémentaire pour l’élimination de résidus avant et après analyse par GC-MS
3.5.2.5 Vérification des séparations chromatographiques
3.6 Validation des méthodes
3.6.1 Linéarité et justesse : gammes d’étalonnage
3.6.2 Fidélité : tests de répétabilité et de fidélité intermédiaire
3.6.3 Sensibilité : limites de détection et de quantification (LOD et LOQ)
3.6.4 Analyses statistiques des données
3.7 Tests d’utilisation des méthodologies d’extraction
3.7.1 Détermination du taux de récupération après micro-extraction par solide compacté
3.7.2 Vérification de l’addition de HAP à une pomme entière
3.7.3 Essais de conservation des échantillons et des extraits
3.7.3.1 Congélation de broyats de pomme additionnés de BTEX en vue d’une extraction ultérieure
HS-SPME
3.7.3.2 Réfrigération de l’extrait après extraction assistée par les ultrasons en vue d’une purification ultérieure par micro-extraction par solide compacté
Chapitre 4 : Hydrocarbures Aromatiques Monocycliques
Partie 4.1 Approches méthodologiques pour la détermination des hydrocarbures aromatiques monocycliques dans des matrices fruitières
4.1.1 Choix des méthodologies d’extraction, de séparation et de détection pour les hydrocarbures aromatiques monocycliques
4.1.1.1 Choix de la méthodologie d’extraction pour les hydrocarbures aromatiques monocycliques
4.1.1.2 Choix du revêtement du support d’extraction en HS-SPME
4.1.1.3 Choix de la méthode séparative et de la phase stationnaire
4.1.1.4 Choix de la méthode de détection
4.1.1.5 Application des méthodologies à la séparation et à la détection des hydrocarbures aromatiques monocycliques
4.1.2 Optimisation de la procédure de désorption de la fibre après extraction en HS-SPME
4.1.2.1 Données de désorption thermique en HS-SPME dans la littérature
4.1.2.2 Paramètres sélectionnés pour la désorption de la fibre HS-SPME
4.1.2.3 Application de la HS-SPME à la détermination des BTEX présents à faibles concentrations (μg/kg) dans la pomme
4.1.3 Optimisation de la procédure de d’extraction en HS-SPME
4.1.3.1 Vérification de l’utilisation du nonane comme étalon interne pour la procédure d’extraction
HS-SPME (méthode HS-SPME 1)
4.1.3.2 Choix du mode de conservation pour les échantillons de pomme broyée
4.1.4 Validation de la méthode HS-SPME 1 avec la pomme et la poire
4.1.4.1 Essais de répétabilité et de fidélité intermédiaire pour la méthode HS-SPME 1 avec la
4.1.4.2 Réalisation des gammes d’étalonnage pour la méthode HS-SPME 1 avec la pomme
4.1.4.3 Détermination des limites de détection et de quantification pour la méthode HS-SPME
pomme
4.1.4.4 Réalisation des droites d’étalonnage avec la méthode HS-SPME 1 appliquée à la poire
4.1.4.5 Détermination des limites de détection et quantification pour la méthode HS-SPME
à la poire
4.1.5 Validation de la méthode HS-SPME 2 pour différentes matrices fruitières
4.1.5.1 Validation de la méthode HS-SPME 2 avec la pomme
4.1.5.1.1 Répétabilité et fidélité intermédiaire pour la méthode HS-SPME 2 avec la
4.1.5.1.2 Réalisation des gammes d’étalonnage pour la méthode HS-SPME 2 avec
4.1.5.1.3 Détermination des limites de détection et de quantification pour la méthode
SPME 2 avec la pomme
4.1.5.2 Validation de la méthode HS-SPME 2 avec d’autres matrices fruitières
4.1.5.2.1 Réalisation des gammes d’étalonnage avec la méthode HS-SPME 2 pour
matrices fruitières
4.1.5.2.2 Détermination des limites de détection et quantification pour la méthode
pour diverses matrices fruitières
4.1.6 Mise en place et évaluation d’un nouveau support d’extraction e HS-SPME pour l’analyse
dans la pomme
4.1.6.1 Essais de revêtements PDMS pour la fibre utilisée en micro-extraction en phase
l’espace de tête
4.1.6.2 Validation du revêtement PDMS 100 μm comme support d’extraction en HS-SPME
4.1.6.3 Réalisation des gammes d’étalonnage pour la méthode HS-SPME 3 avec la pomme
4.1.6.4 Détermination des limites de détection et de quantification pour la méthode HS-SPME
pomme
4.1.7 Comparaison des performances des méthodes HS-SPME avec la pomme
Partie 4.2 Applications à des matrices fruitières
4.2.1 Contenu en BTEX dans des pommes récoltées en Normandie
4.2.2 Estimation de l’apport de BTEX à travers l’ingestion des pommes récoltées
4.2.3 Estimation du contenu en BTEX dans des fruits du commerce
4.2.4 Détermination du contenu en BTEX dans des fruits du commerce exposés aux gaz d’échappement d’une motorisation diesel
4.2.5 Détermination des BTEX les pommes avant et après exposition aux fumées de combustion
biomasse
4.2.6 Conclusion
Chapitre 5 : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques
Partie 5.1 Approches méthodologiques pour la détermination des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans des matrices fruitières
5.1.1 Adaptation d’une méthode d’extraction des HAP dans la pomme par UAE/SPE pour leur dosage
l’état de traces (0 à 10 μg/kg)
5.1.1.1 Choix de la méthodologie d’extraction pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques
5.1.1.2 Préparation de l’échantillon et extraction assistée par les ultrasons
5.1.1.2.1 Solvants d’extraction
5.1.1.2.2 Matériel de préparation des échantillons
5.1.1.3 Elution en SPE
5.1.1.3.1 Montage de purification en SPE
5.1.1.3.2 Etape d’élution en SPE.
5.1.1.4 Etapes de concentration
5.1.1.5 Choix d’un étalon interne adapté à la méthodologie UAE/SPE
5.1.1.6 Séparation et détection en GC-MS
5.1.1.6.1 Introduction
5.1.1.6.2 Condition de séparation en GC-MS
5.1.1.6.3 Conditions de détection en GC-MS
5.1.2 Validation d’une stratégie combinant la HS-SPME et l’UAE/SPE pour l’extraction et la détermination des HAP à l’état de traces dans diverses matrices fruitières
5.1.2.1 Introduction
5.1.2.2 Validation du dosage des HAP lourds dans différentes matrices fruitières par UAE/SPE
5.1.2.2.1 Linéarité des HAP lourds pour une gamme de concentrations de 0 à 10 μg/kg
5.1.2.2.2 Limites de détection et de quantification des HAP lourds
5.1.2.3 Validation du dosage des HAP légers par HS-SPME
5.1.2.3.1 Séparation des HAP légers en GC-MS après extraction par HS-SPME
5.1.2.3.2 Choix de la fibre d’extraction en HS-SPME pour la détermination des HAP légers
5.1.2.3.3 Essais de répétabilité et de fidélité intermédiaire pour la détermination des HAP légers par HS-SPME
5.1.2.3.4 Vérification de la linéarité des courbes d’étalonnage pour la détermination de HAP légers à des teneurs inférieures à 10 μg/kg par HS-SPME (méthodes HS-SPME 2 et 3)
5.1.2.3.5 Détermination des limites de détection et de quantification des HAP légers par
SPME pour différentes matrices fruitières
5.1.2.4 Conclusion sur les méthodes HS-SPME et UAE/SPE
5.1.3 Validation d’une méthodologie de dosage rapide des HAP dans les pommes par UAE/MEPS
5.1.3.1 Optimisation de la procédure d’extraction des HAP par MEPS dans la pomme
5.1.3.1.1 Sélection du support d’extraction MEPS
5.1.3.1.2 Reproductibilité des résultats avec différents supports de type PEP pour l’extraction en MEPS
5.1.3.1.3 Détermination du volume d’extrait à prélever pour l’extraction en MEPS
5.1.3.1.4 Détermination des conditions d’élution optimales pour l’extraction en MEPS
5.1.3.1.5 Taux de récupération des HAP par UAE/MEPS et vérification méthodologique
5.1.3.1.6 Test de conservation de l’extrait UAE pour extraction différée en MEPS
5.1.3.2 Validation du dosage des HAP par UAE/MEPS et comparaison avec la stratégie combinant l’HS-SPME et l’UAE/SPE
5.1.3.2.1 Essais de répétabilité et de fidélité intermédiaire
5.1.3.2.2 Réalisation de l’étalonnage pour le dosage de HAP dans la pomme par UAE/MEPS
5.1.3.2.3 Détermination des limites de détection et de quantification pour le dosage des HAP dans la pomme par UAE/MEPS
5.1.3.2.4 Comparaison de la méthodologie UAE/MEPS avec la stratégie combinant l’HS-SPME et l’UAE/SPE
Partie 5.2 Applications à des matrices fruitières
5.2.1 Détermination des HAP dans des pommes récoltées en Normandie
5.2.2 Estimation de l’ingestion de HAP à travers la consommation des pommes récoltées en Normandie
5.2.3 Estimation du contenu en HAP dans les fruits et produits à base de fruits du commerce
5.2.3.1 Détermination des HAP dans les fruits du commerce
5.2.3.2 Détermination des HAP dans des produits à base de pomme du commerce
5.2.4 Détermination des HAP dans des fruits exposés aux émissions de gaz de moteur diesel
5.2.5 Détermination des HAP dans des pommes exposées à des fumées issues de la combustion
biomasse
5.2.6 Conclusion sur la présence de HAP dans les pommes
Conclusions et perspectives
Valorisation
Références