Synthèse projet EuroTox - Ademe

 
DIAPOSITIVES SUIVANTES
Synthèse projet EuroTox - Ademe
FICHE TECHNIQUE

                                                     Synthèse projet EuroTox
 Évaluation de l’évolution du profil toxicologique des émissions Diesel et
                        essence d’Euro 3 à Euro 6b

                                                                         Novembre 2016

Ce qu’il faut retenir
L’objectif du projet EuroTox était d’évaluer les impacts toxicologiques des émissions à l’échappement de voitures à
motorisation Diesel et essence de générations différentes (Euro 3 à 6b), représentatifs du parc automobile 2016.
Ainsi, sur une même base de fonctionnement, le projet a cherché à établir un comparatif toxicologique de l’état du
parc automobile français de 2016.
Des cultures organotypiques pulmonaires ont été exposées en flux continu aux émissions diluées de véhicules
prélevés dans le parc automobile actuel. Quatre voitures Diesel (Euro 3, 4, 5 et 6b) et deux voitures essence (Euro
3 et 6b) ont été opérés sur banc à rouleaux sur la partie urbaine du cycle représentatif d’usage réel ARTEMIS à
raison de 3 heures par jour pendant 5 jours. À l’issue des expositions de 3 heures, des paramètres biologiques de
viabilité, de stress oxydant, de stress inflammatoire et de stress génotoxique ont été évalués.
Quelle que soit la norme Euro des voitures Diesel la viabilité tissulaire est restée bonne et aucun potentiel
génotoxique des émissions à l’échappement n’a été enregistré. Globalement plus la voiture Diesel est ancienne et
plus son impact sanitaire est marqué. Seule la voiture Diesel Euro 6b présente aucune dégradation des
paramètres biologiques suivis.
Pour les voitures essence il apparaît que les émissions dégradent peu d’indicateurs biologiques : un pour l’Euro 3
(vieillissement cellulaire) et deux pour l’Euro 6b (production d’un stress oxydant et activité de défense enzymatique
anti-oxydante).
En Euro 3, les émissions de CO de la voiture essence ont un fort impact sur le vieillissement cellulaire. Par ailleurs,
le stress oxydant et les émissions d’HC entrainent une atteinte potentielle de l’ADN en circulation tunnel
congestionné. Pour la voiture Diesel Euro 3, l’atteinte des cellules est beaucoup plus marquée avec une
sollicitation du système de défense immunitaire.
En Euro 6b, nous observons pour la voiture essence à injection directe l’apparition d’un léger stress oxydant avec
un accroissement des activités de défense lié probablement aux polluants non réglementés (aldéhydes,
ammoniac, aromatiques) ou à la nature des particules. Pour la voiture Diesel, les effets biologiques sont
neutralisés.

TABLE DES MATIÈRES
1.    Présentation du projet ........................................................................................................................................... 2
2.    Synthèse des résultats .......................................................................................................................................... 5
3.    Conclusion ............................................................................................................................................................. 8
Pour en savoir plus ....................................................................................................................................................... 8

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Synthèse projet EuroTox - Ademe
FICHE TECHNIQUE

1. Présentation du projet
      1.1. Contexte
Pour les voitures Diesel, l’introduction de la catalyse d’oxydation en 1996 (Euro 2) ainsi que la généralisation de
l’injection directe haute pression en 2001 (Euro 3) a permis de diminuer considérablement les émissions de
Composés Organiques Volatils. L’évolution des motorisations et l’introduction du filtre à particules sur les
motorisations Diesel, dès Euro 4 sur certains véhicules, a permis de diminuer les émissions par les moteurs de
particules fines, pour atteindre des seuils d’émission très faibles, quelle que soit la vitesse considérée, pour les
véhicules répondant aux normes Euro 5 et Euro 6. L’introduction sur les véhicules légers Euro 6 de la catalyse
sélective à l’urée (SCR) ou des pièges à NOx a permis de diminuer les émissions d’oxydes d’azote.
De même, pour les motorisations à allumage commandé, l’introduction des pots catalytiques trois-voies, dès le
début des années 90, et la baisse des seuils réglementaires Euro d’émissions de polluants ont permis de réduire
sensiblement leurs émissions de CO, HC et NOx.
Au 1er janvier 2016 la composition des voitures du parc automobile français était la suivante1 :
      -    38 % essence
      -    62 % Diesel
Si l’on considère les données 2015 du parc national des VP Diesel pondéré en véhicules.km, les Euro 3 (14 %) et
Euro 4 (33 %) représentent près de la moitié du parc roulant de VP Diesel et les Euro 5 38 %. Ainsi, malgré
l’arrivée sur le marché de véhicules plus performants d’un point de vue émissions de polluants (Euro 6b), le
renouvellement du parc est très lent et beaucoup de véhicules anciens sont encore en circulation.

      1.2. État de l’art
De nombreuses études comparent les émissions à l’échappement des différentes filières de carburant (essence,
gazole, GNV, GPL, E10, E85, etc.), des différentes motorisations (allumage commandé, Diesel, hybride, etc.) en
fonction ou pas des différentes normes Euro. Des données sur l’impact toxicologique de certains véhicules existent
mais elles concernent uniquement des véhicules anciens, notamment Diesel. Il manque d’études toxicologiques
comparant des véhicules anciens (Euro 3, 4 et 5) avec ceux vendus en 2016 (Euro 6b).

      1.3. Objectifs
Le projet a visé à évaluer les impacts toxicologiques respectifs de véhicules légers à motorisation Diesel et
essence de générations différentes (Euro 3 à 6b), représentatifs du parc automobile 2016. Ainsi, sur une même
base de fonctionnement, le projet a cherché à établir un comparatif toxicologique de l’état du parc automobile
français de 2016.

      1.4. Partenaires
           1.4.1. CERTAM
Le Centre d’étude et de recherche technologique en aérothermique et moteurs (CERTAM) est un CRITT (Centre
Régional d'Innovation et de Transfert Technologique). Il a pris naissance en 1991 en tant que spin-off d'un
laboratoire CNRS (CORIA UMR 6614) avec le soutien de la Région Haute Normandie, du Ministère de la
Recherche et de la Technologie, du CNRS, du Conseil Général de Seine Maritime ainsi que de l'Europe. Il est
composé d'une vingtaine de personnes. Ses activités regroupent du conseil et de l'expertise ainsi que des essais
sur banc moteur dans leurs locaux ou sur site industriel dans les domaines suivants :
          Caractérisation des émissions moteur (réglementées et non réglementées)
          Post-traitement des émissions : filtre à particules, DeNOx ...
          Préparation du Mélange
          Aérodynamique Interne. Métrologie standard (consommation, T, P, blow-by, PMI, PME, PMF, stabilité ...)

1   CCFA – Dossier Analyses et Statistiques (2018)

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FICHE TECHNIQUE

       Frottements
       Métrologie des particules (SMPS, ELPI, TEOM, PCS 2010, ...)
       Métrologie laser sur banc (champs de vitesse, turbulence ...)
       Qualité de l'air.
       Conceptions prototypes
Le CERTAM et l'INSERM U644 travaillent en partenariat depuis 1996 sur l'impact biologique des atmosphères
complexes. Au cours de ces années de recherche, différents modèles d'exposition de matériel biologique ont pu
être élaborés et un modèle de culture cellulaire a été développé au cours du programme européen MAAPHRI
(Multidisciplinary Approach to Airborne Pollutant Health Related Issues). Ce partenariat a également permis de
développer un modèle de culture organotypique de tranche de poumon. Ce modèle permet de conserver intact les
structures des alvéoles pulmonaires ainsi que les interactions entre les différents types cellulaires les constituant.
Dans ce projet le CERTAM a assuré la coordination du projet. Il était également en charge des parties véhicules,
cycles de roulage, expositions des cultures organotypiques et évaluations biologiques hors impact sur l’ADN.

        1.4.2. CEA / INAC / SyMMES / CIBEST
L’équipe Chimie Interface Biologie pour l’Environnement, la Santé et la Toxicologie (CIBEST) appartient au
laboratoire SyMMES (SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l’Énergie et la Santé) de l’INAC (Institut
NAnosciences et Cryogénie), institut de recherche fédératif CEA-Université Grenoble Alpes.
Les chimistes et biologistes de l’équipe CIBEST utilisent des approches complémentaires pour élucider les
mécanismes mis en jeu dans la toxicité humaine et environnementale d’agents physiques ou chimiques. Leurs
compétences multiples en synthèse, chimie analytique, spectroscopies, biochimie et biologie moléculaire et
cellulaire leur permettent de proposer des approches pluridisciplinaires pour mieux élucider les effets délétères de
rayonnements ionisants ou UV, de polluants environnementaux, de métaux et de nanoparticules. Ces études
mécanistiques apportent des éléments clés pour améliorer la santé humaine et leur second objectif est donc le
développement d’approches thérapeutiques ou d’outils diagnostiques innovants en mettant au point de nouvelles
molécules ou biomolécules ou en utilisant des agents génotoxiques.
Dans le projet, le CIBEST a eu en charge la détection et la quantification des bases et des adduits oxydants de
l’ADN par l’utilisation de techniques séparatives très hautes performances associées à de la spectrométrie de
masse en tandem.

    1.5. Description du programme de travail
Le projet EuroTox comprenait trois lots principaux :
    • Lot 0 : Coordination du projet
    • Lot 1 : Réception et validation des véhicules
    • Lot 2 : Études toxicologiques

        1.5.1. Lot 1 – Réception et validation des véhicules
L’étude a porté sur quatre voitures Diesel et deux voitures essence du segment B2 (citadine) ou M1 (compact)
issues du parc automobile actuel :
       D1 : Diesel Euro 3 avec catalyseur d’oxydation et boucle EGR
       D2 : Diesel Euro 4 avec catalyseur d’oxydation et boucle EGR
       D3 : Diesel Euro 5 avec catalyseur d’oxydation, d’une boucle EGR et d’un filtre à particules catalytique
        (type de FàP le plus commercialisé)
       D4 : Diesel Euro 6b équipé d’un catalyseur d’oxydation, d’une boucle EGR, d’un filtre à particules et d’un
        système SCR
       E1 : essence Euro 4
       E2 : essence Euro 6b (injection directe)

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FICHE TECHNIQUE

Ces six véhicules ont été contrôlés au niveau des émissions de polluants réglementés sur leur cycle
d’homologation NEDC.

         1.5.2. Lot 2 : Études toxicologiques
Le schéma ci-après présente les dispositifs expérimentaux mis en jeu dans le projet avec les parties (1)
préparation des échantillons pulmonaires, (2) génération des émissions polluantes des véhicules au banc à
rouleaux et (3) exposition de ces échantillons aux gaz d’échappement dilués dans les incubateurs de toxicologie.

                                               Dispositif expérimental global

La collecte des gaz d’échappement s’est effectuée sur véhicule, celui-ci effectuant un cycle de roulage
représentatif des usages réels en milieu urbain (cycle ARTEMIS urbain) sur un banc à rouleaux.
Pour les études toxicologiques, il a été appliqué le modèle de culture organotypique de tranches de poumon de rat
exposées aux atmosphères complexes, développé par le CERTAM et l’INSERM U644 2 . Les échantillons
pulmonaires sont prélevés sur des rats Wistar mâles. Après anesthésie, les poumons des rats sont gonflés par
instillation d’une solution d’agarose à faible température de fusion et sont ensuite gélifiés par perfusion systémique
d’une solution d’Eurocollins à 4°C via la veine cave inférieure. Le bloc cœur poumon est ensuite prélevé et des
carottes de poumon périphérique sont réalisées à l’aide d’un emporte-pièce. Ces carottes pulmonaires sont ensuite
tranchées par un Slicer Vitron afin d’obtenir des tranches de poumon de 8 mm de diamètre et 150 µm d’épaisseur.
Ainsi, l’intégrité structurelle et les populations cellulaires alvéolaires sont préservées. Les tranches sont ensuite
placées sur des inserts en titane à raison de 3 par insert. Le tout est ensuite placé dans une fiole à scintillation
disposant d’un bouchon ouvert afin de laisser passer les effluents moteurs lors de l’exposition. Après une heure de
récupération dans du milieu de culture permettant d’éliminer l’agarose et de restaurer les fonctions cellulaires à

2J.-P. Morin, F. Fouquet, C. Monteil, E. Le Prieur, E. Vaz, F. Dionnet (1999), Development of a new in vitro system for
continuous in vitro exposure of lung tissue to complex atmospheres: Application to diesel exhaust toxicology, Cell Biology and
Toxicology, Volume 15, Issue 3, pp 143-152 (https://doi.org/10.1016/S1382-6689(02)00066-2)

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FICHE TECHNIQUE

37°C, les échantillons pulmonaires sont prêts à être exposés aux émissions moteur dans les incubateurs de
toxicologie.
Les incubateurs de toxicologie sont des systèmes d’exposition à flux continu dans un système rotatif. Les
échappements moteurs sont prélevés en sortie de ligne d’échappement par un diluteur Fine Particle Sampler
(Dekati) à un taux de dilution fixe de 6,4. Ce dispositif permet d’échantillonner une fraction du débit échappement à
l’aide d’une dépression assurée par un dispositif venturi alimenté en air comprimé. Le dispositif réalise une pré-
dilution à chaud suivie d’une dilution principale permettant d’assurer l’absence de condensation des échappements
et le maintien des différents polluants gazeux et particulaires. Cette dilution primaire est mise à disposition de
l’incubateur de toxicologie qui dispose de 3 circuits d’exposition doublés afin de réaliser en parallèle des
expositions à 3 concentrations massiques différentes d’échappement à l’aide de boucles de dilutions secondaires
assurées par des régulateurs de débit massique. Ainsi, les échantillons pulmonaires ont été exposés à des
fractions massiques (Fm) d’échappement de 15,4 %, 7,7 % et 1,54 % correspondant respectivement à des taux de
dilution d’échappement brut de 6,5, 13 et 65. Ces concentrations permettent d’évaluer une exposition à des
concentrations représentatives de situations caractéristiques pouvant être rencontrées sur la route : tunnel
congestionné (Fm 15,4 %), périphérique parisien (Fm 1,54 %).
Les mesures effectuées ont été les suivantes :
          Analyse des émissions de polluants réglementés des différentes voitures : CO, HC, NO, NO2 et particules
           en masse
          Évaluation biologique pour trois niveaux de pollution urbaine (tunnel congestionné, embouteillage,
           circulation dense). Sept paramètres biologiques correspondant à sept indicateurs sanitaires ont été
           explorés :
                o   Concentration en Adénosine Tri-Phosphate (ATP 3 ) intracellulaire pour s’assurer de la viabilité
                    tissulaire
                o   Potentiel oxydant des émissions comme marqueur de la production d’un stress oxydant
                o   Production radicalaire post-exposition vs culture témoin (capacité des homogénats de cultures
                    organotypiques à oxyder un spin-probe intracellulaire, le CMH) pour suivre le vieillissement
                    cellulaire ou la naissance d’un cancer
                o   Taux de superoxyde dismutase (SOD) et de glutathion peroxydase (GPx) marqueur de l’activité de
                    défense enzymatique anti-oxydante (capacité à réagir à un stress)
                o   Taux de glutathion pour mesurer l’état des défenses des cellules
                o   Taux de TNF alpha pour évaluer la réponse inflammatoire et la stimulation des premières défenses
                    immunitaires
                o   Fréquence d’apparition d’adduits ou de bases oxydées dans l’ADN pour étudier le potentiel
                    génotoxique4 des émissions

2. Synthèse des résultats
       2.1. Synthèse des mesures d’émissions à l’échappement
Les mesures d’émissions à l’échappement des six véhicules obtenues dans des conditions de circulation urbaine
sont présentées sur les trois graphiques suivants.
Pour les voitures Diesel, nous notons une baisse régulière des émissions de CO, HC entre Euro 3 et 6b, celles de
NO ne baissent réellement qu’à partir d’Euro 6b, celles de NO 2 n’évoluent pas et les particules baissent en masse
et en nombre avec la mise en place d’un filtre à particules.
Pour les voitures essence nous constatons une diminution marquée des émissions de CO et dans une moindre
mesure celles des HC lorsque l’on passe d’Euro 3 à 6b, en revanche celles des NOx n’évoluent pas en restant à
des niveaux inférieurs aux voitures Diesel, même Euro 6b.

3   Molécule qui fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement cellulaire
4   Qui altère chimiquement l’ADN

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                                                                            1,0E+12                            0,5

                                                   Emissions en nombre/km

                                                                                           Emissions en g/km
                                                                            1,0E+10
                                                                                                               0,4
                                                                            1,0E+08
                                                                                                               0,3
                                                                            1,0E+06
                                                                                                               0,2
                                                                            1,0E+04

                                                                            1,0E+02                            0,1

                                                                            1,0E+00                            0,0
                                                                                      PN                              CO       HC         NO       NO2
                                                                                                                           Euro 3    Euro 6b

             Voitures Diesel – Cycle ARTEMIS urbain                                         Voitures essence – Cycle ARTEMIS urbain

                          Voitures Essence et Diesel Euro 3 et 6b – Cycle ARTEMIS urbain
La figure ci-dessus compare les émissions en ville des deux voitures essence et Diesel Euro 3 et des deux Euro
6b. Nous observons une très nette baisse des émissions de CO et d’HC entre Euro 3 et Euro 6b aussi bien pour
les motorisations essence que Diesel. Pour les NOx, les émissions de NO2 des voitures essence sont très
nettement en deçà de celles des voitures Diesel, quelle que soit la norme Euro alors que celles de NO sont
identiques entre essence et Diesel en Euro 6b.

    2.2. Synthèse de l’impact des émissions Diesel
Le tableau ci-après synthétise l’impact des émissions Diesel par rapport à un air sain.
Quelle que soit la norme Euro des voitures Diesel la viabilité tissulaire est restée bonne et aucun potentiel
génotoxique des émissions à l’échappement n’a été enregistré. Globalement plus la voiture Diesel est ancienne et
plus son impact sanitaire est marqué. Seule la voiture Diesel Euro 6b présente aucune dégradation des
paramètres biologiques suivis.

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    2.3. Synthèse de l’impact des émissions Essence
Le tableau ci-dessous synthétise l’impact des émissions essence par rapport à un air sain.
Il apparaît que les émissions des voitures essence dégradent peu d’indicateurs biologiques : un pour l’Euro 3
(vieillissement cellulaire) et deux, mais moins fortement, pour l’Euro 6b (production d’un stress oxydant et activité
de défense enzymatique anti-oxydante).

    2.4. Comparaison des résultats essence / Diesel
Le tableau ci-après présente en parallèle les résultats obtenus en essence et Diesel pour les normes Euro 3 et 6b.
En Euro 3, les émissions de CO de la voiture essence ont un fort impact sur le vieillissement cellulaire. Par ailleurs,
le stress oxydant et les émissions d’HC entrainent une atteinte potentielle de l’ADN en circulation tunnel
congestionné. Pour la voiture Diesel Euro 3, l’atteinte des cellules est beaucoup plus marquée avec une
sollicitation du système de défense.
En Euro 6b, nous observons pour la voiture essence à injection directe l’apparition d’un léger stress oxydant avec
un accroissement des activités de défense lié probablement aux polluants non réglementés (aldéhydes,
ammoniac, aromatiques) ou à la nature des particules. Pour la voiture Diesel, les effets biologiques sont
neutralisés.

Synthèse projet EuroTox                                                                                Page 7 sur 9
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3. Conclusion
Cette étude est très originale car elle compare, avec un même protocole expérimental, l’impact sanitaire
de l’ensemble des gaz d’échappement émis par des voitures essence et Diesel récentes (Euro 6b) et
plus anciennes (Euro 3, 4 et 5). Les résultats obtenus sur un très faible échantillon de véhicules (un seul
véhicule par carburant et par norme Euro) montrent une forte atténuation des effets biologiques des gaz
d’échappement en lien avec la sévérisation des seuils réglementaires d’émissions Euro. Ceci va dans le
sens de l’accélération du renouvellement du parc automobile. Il est intéressant de constater que d’après
les indicateurs biologiques suivis, le véhicule Diesel Euro 6b est le plus performant avec une absence
d’effet.
Nous pourrions envisager de renouveler ces travaux avec des véhicules Euro 6d-TEMP (essence,
Diesel, GNV, GPL, E85 etc.) pour confirmer la tendance à l’amélioration observée dans la présente
étude, évaluer l’impact du filtre à particules essence, de la présence d’éthanol dans le carburant, etc.

Pour en savoir plus
PRÉTERRE David (CERTAM). 2016. Évaluation de l’évolution du profil toxicologique des émissions Diesel et
essence d’Euro 3 à Euro 6b. Rapport final projet EuroTox. 81 pages.
Cet ouvrage est disponible en ligne www.ademe.fr/mediatheque

Synthèse projet EuroTox                                                                      Page 8 sur 9
L’ADEME EN BREF

L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie
(ADEME) participe à la mise en œuvre des politiques
publiques dans les domaines de l'environnement, de
l'énergie et du développement durable. Elle met ses
capacités d'expertise et de conseil à disposition des
entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics
et du grand public, afin de leur permettre de progresser
dans leur démarche environnementale. L’Agence aide en
outre au financement de projets, de la recherche à la mise
en œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion
des   déchets,   la   préservation   des    sols,   l'efficacité
énergétique et les énergies renouvelables, les économies
de matières premières, la qualité de l'air, la lutte contre le
bruit, la transition vers l’économie circulaire et la lutte
contre le gaspillage alimentaire.

L'ADEME est un établissement public sous la tutelle
conjointe du ministère de la Transition écologique et
solidaire et du ministère de l’Enseignement supérieur, de
la Recherche et de l’Innovation. www.ademe.fr / @ademe
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