Thèse Caractérisation Déterminants et Modélisation du Potentiel Oxydant des Particules dans les Environnements Intérieurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE) Direction de la thèse : Gaëlle UZU ORCID 0000000277200233 Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-11-15T23:59:59 Le potentiel oxydant (PO) est un indicateur émergent permettant d'évaluer les effets néfastes des particules sur la santé. Il reflète leur capacité à induire un stress oxydatif chez les organismes vivants, notamment par la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), susceptibles de provoquer des altérations moléculaires et cellulaires.
À ce jour, le PO reste peu étudié dans les environnements intérieurs, alors que les individus y passent la majorité de leur temps. De plus, les particules y présentent des compositions spécifiques, influencées par les sources intérieures, les polluants adsorbés et les paramètres environnementaux (température, humidité).
Mieux comprendre les déterminants du PO en air intérieur permettrait d'affiner l'évaluation des risques sanitaires liés à l'exposition aux particules dans les espaces clos, et ainsi de contribuer à une meilleure gestion de la qualité de l'air intérieur.
Ce projet vise à combler ce manque de connaissances et à contribuer à l'évaluation sanitaire de la qualité de l'air intérieur en apportant des éléments pour caractériser, comprendre et modéliser le potentiel oxydant des particules dans les environnements intérieurs, en lien avec leur composition et les conditions ambiantes.
Il s'inscrit dans les activités de recherche du CSTB et de l'IGE sur la qualité de l'air intérieur, la toxicologie des particules et l'évaluation des expositions.
Les premiers mois de la thèse seront consacrés à une revue bibliographique approfondie, à la prise en main des infrastructures expérimentales (génération de particules, chambres d'essai, instrumentation de prélèvement) et à la formation aux techniques analytiques de mesure du PO.
Les missions du doctorant comprendront :
- Le développement d'un banc de génération de particules modèles, aux compostions multiples et représentatives des sources retrouvées dans les environnements intérieurs (combustion de biomasse, activités de cuisine, parfums d'ambiance, aérosols organiques secondaires...) afin de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces particules intérieures modèles et leur PO individuel.
- L'étude de l'influence des paramètres environnementaux (dont la température, l'humidité relative, la vitesse d'air) et de la présence simultanée de différentes familles de composés organiques et métalliques sur le PO des particules intérieures.
- L'Intégration des résultats dans les modèles d'exposition associés à la présence de particules dans les environnements intérieurs via la mesure de leur PO.
- L'application à des sources de particules intérieures réelles générées dans une chambre d'essai d'émission d'échelle 1:1 (AIR'IN) afin (i) d'évaluer dans des conditions réalistes, la détermination de leur PO et (ii) de disposer de données pour valider les approches par modélisation.
Les résultats attendus permettront d'élaborer une base de données de mesure du PO des particules intérieures, de caractériser l'impact sanitaire des polluants adsorbés sur ces particules sur la qualité de l'air intérieur, d'apporter des éléments de compréhension des paramètres environnementaux influençant le PO, et d'estimer l'exposition de la population à la pollution particulaire intérieure.
Des actions de valorisations scientifiques sont également attendues avec la rédaction d'articles scientifiques dans des revues à comité de lecture, des communications dans des conférences nationales et internationales.
- 1. Contexte scientifique et sanitaire

La pollution particulaire constitue l'un des principaux facteurs de risque environnementaux associés aux maladies respiratoires, cardiovasculaires et métaboliques. Les indicateurs réglementaires actuels reposent essentiellement sur la concentration massique des particules, notamment les PM et les PM,. Or, une même masse de particules peut présenter des propriétés toxicologiques très différentes selon sa taille, sa surface spécifique, sa composition chimique et les substances adsorbées à sa surface.
Dans ce contexte, le potentiel oxydant (PO, ou oxidative potential, OP) apparaît comme un indicateur complémentaire particulièrement pertinent. Il caractérise la capacité des particules à consommer les antioxydants présents dans les fluides biologiques ou à générer des espèces réactives de l'oxygène (reactive oxygen species, ROS). Une production excessive de ROS peut provoquer un déséquilibre entre mécanismes oxydants et défenses antioxydantes, conduisant à un stress oxydatif, à des dommages affectant les lipides, les protéines et l'ADN, ainsi qu'à l'activation de réponses inflammatoires. Il est recommandé dans la nouvelle directive EU sur la Qualité de l'air 2024/2881.
Le PO offre ainsi une mesure intégrative de certaines propriétés toxicologiques des particules que la seule concentration massique ne permet pas de représenter. Les études récentes confirment toutefois que les différentes méthodes acellulaires, notamment les tests au dithiothréitol (DTT), à l'acide ascorbique (AA) ne répondent pas nécessairement aux mêmes constituants chimiques. Leur utilisation conjointe est donc préférable pour caractériser plusieurs dimensions de la réactivité oxydante des particules (He et Zhang, 2023).
Alors que les individus passent généralement la majeure partie de leur temps dans des environnements clos, le potentiel oxydant des particules intérieures reste beaucoup moins documenté que celui des particules atmosphériques extérieures. Les particules rencontrées dans les logements, bureaux, écoles ou bâtiments recevant du public proviennent à la fois :
- de sources intérieures directes : cuisson, chauffage au bois, bougies, encens, tabagisme, produits parfumés, entretien et activités humaines ;
- de la remise en suspension des poussières déposées ;
- de réactions chimiques entre composés organiques volatils, ozone, oxydes d'azote et autres oxydants ;
- du transfert de particules provenant de l'air extérieur.

Les émissions de cuisson constituent, par exemple, une source importante et très variable de particules, de composés organiques volatils et de radicaux libres persistants. La température et le mode de cuisson modifient fortement les profils d'émission (Tang et al., 2024). Le vieillissement chimique des aérosols organiques de cuisson peut également transformer leur réactivité et leur toxicité ; sa cinétique dépend notamment de la température et de l'état physique des particules (Liu et al., 2024).
Une étude récente consacrée à plusieurs sources domestiques a par ailleurs montré que certaines émissions intérieures pouvaient présenter un PO intrinsèque supérieur à celui de particules extérieures couramment observées, soulignant l'importance de prendre en compte les activités domestiques dans l'évaluation de l'exposition (Subramanian et al., 2025).

- 2. Problématique scientifique
La masse des particules intérieures ne constitue pas nécessairement un indicateur suffisant de leur toxicité potentielle (Park et al., 2018). Une faible concentration massique peut être associée à une forte réactivité oxydante si les particules contiennent, par exemple, des quinones, des métaux de transition, des radicaux persistants à la surface (EPFR).
La problématique centrale de la thèse sera donc la suivante :
Dans quelle mesure la composition physicochimique, le vieillissement, les mélanges de polluants et les conditions microclimatiques déterminent-ils le potentiel oxydant des particules intérieures, et comment intégrer cet indicateur dans l'évaluation de l'exposition humaine ?
Cette problématique comporte plusieurs verrous scientifiques :
1. le manque de données comparables sur le PO des principales sources intérieures ;
2. la connaissance limitée des effets de la température, de l'humidité relative, de la vitesse d'air et du vieillissement chimique sur le PO ;
3. la difficulté à relier le PO à des familles précises de composés chimiques en air intérieur ;
4. l'intégration encore inexistante du PO dans les modèles d'exposition en air intérieur.

- 3. Hypothèses de recherche

La thèse reposera sur les hypothèses suivantes :
- le PO dépend davantage de la composition chimique et de l'état de vieillissement des particules que de leur seule concentration massique ;
- les différentes sources intérieures possèdent des signatures de PO spécifiques ;
- la coexistence de plusieurs polluants peut produire des effets additifs, synergiques ou antagonistes ;
- la température, l'humidité relative en air intérieur modifient le PO par l'intermédiaire de processus de condensation, d'évaporation, d'adsorption et de réaction multiphasique ;
- l'expression du PO à la fois par unité de masse et par unité de volume d'air permet de distinguer la toxicité intrinsèque des particules de l'intensité réelle de l'exposition ;
- un modèle combinant paramètres d'émission, composition chimique des sources et conditions ambiantes intérieures peut prédire le PO avec une précision compatible avec l'évaluation de scénarios réalistes.
L'objectif général est de caractériser, comprendre et modéliser le potentiel oxydant des particules présentes dans les environnements intérieurs, en identifiant ses déterminants physicochimiques et environnementaux et en évaluant sa contribution à l'exposition humaine.

La recherche se décline ensuite en six objectifs opérationnels complémentaires :
1. Produire des particules modèles représentatives des principales sources intérieures : cuisson, combustion de biomasse, bougies ou encens, produits parfumés et aérosols organiques secondaires.
2. Établir les relations entre composition particulaire, gazeuse et PO, en examinant notamment le rôle de la fraction organique hydrosoluble, des espèces organiques oxygénées, des métaux de transition, des quinones.
3. Quantifier l'influence des conditions ambiantes : température, humidité relative, taux de renouvellement d'air et présence d'oxydants sur la formation, le vieillissement et le PO des particules.
4. Intégrer le PO dans un modèle prédictif (modèle nodal thermo-aéraulique dynamique) en air intérieur (Modèle MATHIS-QAI, développé par le CSTB).
5. Intégrer le PO dans des scénarios d'exposition, puis valider les approches développées au moyen d'expériences réalisées à l'échelle réelle dans la chambre AIR'IN.

Méthodologie proposée
Axe 1 - Revue critique et harmonisation méthodologique
La première phase comprendra une revue systématique des connaissances sur :
les sources et compositions des particules intérieures ;
les mécanismes de génération des ROS des sources intérieurs
les méthodes de mesure du PO ;
les liens entre PO, effets cellulaires et effets sanitaires ;
les stratégies de modélisation de l'exposition intérieure.

Axe 2 - Génération et caractérisation de particules modèles
Un banc expérimental modulable sera développé afin de générer de manière contrôlée différentes familles de particules :
des fumées issues de la combustion de biomasse
des aérosols de cuisson obtenus à partir de différents aliments, huiles, températures et modes de cuisson
des émissions de bougies, encens ou produits parfumés ;
des aérosols organiques secondaires formés par réaction entre des composés organiques volatils et des oxydants ;
des particules supports enrichies en composés d'intérêt afin d'étudier séparément leurs contributions.

Les particules seront caractérisées selon plusieurs dimensions :
Concentration en nombre et en masse ;
Distribution granulométrique ;
Morphologie, selon les équipements disponibles ;
Composition chimique particulaire à l'IGE : carbone organique et carbone élémentaire, métaux et éléments traces, ions majeurs, traceurs composés organiques divers en fonction des besoins (lévoglucosan, polyols, quinones, acides gras, acides organiques, plastifiants, nicotine, parfums, biocides...)
Composition organique gazeuse au CSTB (COV du très volatil au semi-volatil, et PFAS gazeux).

Cette démarche permettra de constituer une bibliothèque de particules intérieures modèles associant source, conditions de génération, composition, propriétés physiques et PO.

Axe 3 - Influence des conditions environnementales et des mélanges
Un plan d'expériences multifactoriel sera utilisé pour étudier l'effet en air intérieur de :
la température ;
l'humidité relative ;
la vitesse d'air et le renouvellement d'air ;
la concentration d'ozone ou d'autres oxydants ;
la durée de vieillissement ;
la présence de mélanges de composés organiques ;


L'approche expérimentale cherchera à distinguer les effets propres de chaque facteur de leurs interactions. Une attention particulière sera portée aux phénomènes non linéaires : un mélange de composés peut présenter un PO différent de la somme des PO de ses constituants en raison de réactions chimiques, de phénomènes de complexation ou de compétition entre espèces antioxydantes et pro-oxydantes.

Axe 4 - Identification des déterminants du potentiel oxydant en air intérieur
Les données seront analysées au moyen de méthodes statistiques multivariées :
analyses en composantes principales ;
corrélations et régressions multivariées et méthodes de sélection de variables
modèles à effets mixtes ;
méthodes d'apprentissage supervisé, si le volume de données le permet.
Les modèles devront rester interprétables afin d'identifier les constituants et conditions expliquant le PO, plutôt que de produire uniquement une prédiction globale. Une validation croisée et un jeu de données indépendant seront utilisés pour éviter le surajustement.
Une comparaison entre tests acellulaires et, si les moyens du projet le permettent, quelques marqueurs biologiques ciblés pourra être envisagée. Elle permettrait d'examiner la portée toxicologique du PO sans assimiler directement un test acellulaire à un effet sanitaire complet.

Axe 5 - Modélisation de la contamination intérieure et de l'exposition
Le modèle MATHIS-QAI est un modèle de calcul nodal thermo-aéraulique dynamique incluant tous les transferts thermiques du bâtiment, développée au CSTB. Il permet d'estimer les concentrations intérieures en polluants gazeux et particulaires émis par des sources intérieures ou transférés de l'extérieur afin de prédire la contamination intérieure résultante, d'évaluer les performances de solutions de remédiation de la qualité de l'air intérieur. A l'heure actuelle, le logiciel MATHIS-QAI permet la prise en compte de différentes sources de polluants : l'émission des produits de construction et d'ameublement, le transfert des polluants atmosphériques extérieurs, le transfert des polluants gazeux du sol et le transfert de bio-contaminants (ex. SARS-CoV-2).
L'enjeu sera d'intégrer le PO dans cet outil afin de prédire son évolution dans les environnements intérieurs en fonction des sources de particules et des processus gouvernant leur devenir. Les concentrations particulaires simulées par MATHIS-QAI seront ainsi mises en relation avec les valeurs de PO intrinsèque déterminées expérimentalement pour les différentes sources étudiées. L'évolution du PO pourra également être paramétrée en fonction des principaux déterminants identifiés au cours de la thèse, notamment la composition des particules, leur vieillissement et les conditions environnementales telles que la température, l'humidité relative ou la présence d'oxydants. Cette approche permettra de simuler la dynamique temporelle du PO dans différentes configurations de bâtiments et pour différents scénarios de pollution intérieure.
Afin de renseigner l'exposition des occupants, les concentrations volumiques de PO ainsi simulées seront ensuite intégrées dans un modèle prenant en compte : :
l'émission des particules par les sources ;
leur dilution dans le volume intérieur ;
la ventilation ;
l'infiltration depuis l'extérieur ;
le dépôt sur les surfaces ;
la remise en suspension ;
les transformations physicochimiques ;
la durée et la fréquence d'occupation.
Pour un scénario s, l'exposition cumulée au PO pourra être représentée par :
E_(PO,s)=_0^TC_(PO,s) (t)'' IR(t)'' dt
où C_(PO,s) (t)est le PO volumique à l'instant t, et IR(t)le débit respiratoire de l'individu.
Plusieurs scénarios pourront être comparés : préparation d'un repas, utilisation d'un parfum d'ambiance, chauffage au bois, période d'inoccupation, ventilation naturelle ou mécanique, et présence de populations sensibles. Ces scénarios pourront ensuite être associés à différents profils d'occupation et de population afin d'évaluer leurs conséquences sur l'exposition.


Axe 6 - Validation en conditions réalistes
Si les conditions sont réunies, les approches pourront être appliquées à des émissions générées dans la chambre d'essai AIR'IN à l'échelle 1:1 (CSTB, Marne la Vallée). Les expériences reproduiront des situations réalistes en contrôlant :
les caractéristiques du local ;
les sources et leur durée d'utilisation ;
la ventilation ;
les conditions thermo-hygrométriques ;
le vieillissement des émissions ;

Les résultats mesurés seront comparés aux valeurs prédites par les modèles. Cette étape permettra d'évaluer la transférabilité des résultats obtenus sur le banc expérimental vers des espaces intérieurs réels.

7. Organisation prévisionnelle sur 36 mois
Période Activités principales
Mois 1-3 Revue bibliographique, formation dans les 2 laboratoires sur les protocoles analytiques.
Mois 3-14 Conception du banc, génération et caractérisation des particules modèles.
Mois 15-22 Étude multifactorielle des paramètres environnementaux, identification des déterminants.
Mois 23-30 Construction des modèles et validation à l'échelle 1 :1 (AIR'IN) + publication.
Mois 31-36 Consolidation des données, rédaction, publications et soutenance.

Formation souhaitée : Master 2 en physicochimie, sciences de l'atmosphère, toxicologie environnementale, instrumentation / métrologie, ingénierie de la santé, école d'ingénieur spécialisée.
Le candidat devra posséder de solides compétences en chimie analytique, physicochimie des particules, qualité de l'air ou métrologie.
De plus, il devra posséder un fort intérêt pour les projets expérimentaux, collaboratifs et multidisciplinaires. Des capacités d'organisation, de synthèse et de communication scientifique en anglais seront appréciées ainsi que de la rigueur, de l'autonomie, de la curiosité scientifique et une aptitude à travailler en équipe.
Le travail de thèse sera réalisé au sein de deux entités : (i) le Laboratoire de Mesures des polluants à l'émission (Pollem) du CSTB rattaché à la Division Exposition et Risques Sanitaires de la Direction Santé, Ambiances et Mobilité et (ii) le laboratoire de Chimie Atmosphérique (CHIANTI) de l'IGE. La proximité des deux entités, toutes deux situées à Saint Martin d'Hères (38), permettra un fonctionnement facilité entre les équipes.
Le doctorant bénéficiera d'un contrat de thèse CSTB. Le début de la thèse est programmé pour le 1er Janvier 2027 , pour une durée de 36 mois.

• Anglais
• Autonomie
• Chimie