Intrinsic ROS-production capacity of nanoparticles

Engineered nanomaterials (ENMs) exhibit special physicochemical properties and thus are finding their way into an increasing number of industries, enabling products with improved properties. Their increased use brings a greater likelihood of exposure to the nanoparticles (NPs) that could be released during the life cycle of nano-abled products. The field of nanotoxicology has emerged as a consequence of the development of these novel materials, and it has gained ever more attention due to the urgent need to gather information on exposure to them and to understand the potential hazards they engender. However, current studies on nanotoxicity tend to focus on pristine ENMs, and they use these toxicity results to generalize risk assessments on human exposure to NPs. ENMs released into the environment can interact with their surroundings, change characteristics and exhibit toxicity effects distinct from those of pristine ENMs. Furthermore, NPs' large surface areas provide extra-large potential interfaces, thus promoting more significant interactions between NPs and other co-existing species. In such processes, other species can attach to a NP's surface and modify its surface functionality, in addition to the toxicity in normally exhibits. One particular occupational health scenario involves NPs and low-volatile organic compounds (LVOC), a common type of pollutant existing around many potential sources of NPs. LVOC can coat a NP's surface and then dominate its toxicity. One important mechanism in nanotoxicology is the creation of reactive oxygen species (ROS) on a NP's surface; LVOC can modify the production of these ROS. In summary, nanotoxicity research should not be limited to the toxicity of pristine NPs, nor use their toxicity to evaluate the health effects of exposure to environmental NPs. Instead, the interactions which NPs have with other environmental species should also be considered and researched. The potential health effects of exposure to NPs should be derived from these real world NPs with characteristics modified by the environment and their distinct toxicity. Failure to suitably address toxicity results could lead to an inappropriate treatment of nano- release, affect the environment and public health and put a blemish on the development of sustainable nanotechnologies as a whole. The main objective of this thesis is to demonstrate a process for coating NP surfaces with LVOC using a well-controlled laboratory design and, with regard to these NPs' capacity to generate ROS, explore the consequences of changing particle toxicity. The dynamic coating system developed yielded stable and replicable coating performance, simulating an important realistic scenario. Clear changes in the size distribution of airborne NPs were observed using a scanning mobility particle sizer, were confirmed using both liquid nanotracking analyses and transmission electron microscopy (TEM) imaging, and were verified thanks to the LVOC coating. Coating thicknesses corresponded to the amount of coating material used and were controlled using the parameters of the LVOC generator. The capacity of pristine silver NPs (Ag NPs) to generate ROS was reduced when they were given a passive coating of inert paraffin: this coating blocked the reactive zones on the particle surfaces. In contrast, a coating of active reduced-anthraquinone contributed to redox reactions and generated ROS itself, despite the fact that ROS generation due to oxidation by Ag NPs themselves was quenched. Further objectives of this thesis included development of ROS methodology and the analysis of ROS case studies. Since the capacity of NPs to create ROS is an important effect in nanotoxicity, we attempted to refine and standardize the use of 2'7-dichlorodihydrofluorescin (DCFH) as a chemical tailored for the characterization of NPs' capacity for ROS generation. Previous studies had reported a wide variety of results, which were due to a number of insufficiently well controlled factors. We therefore cross-compared chemicals and concentrations, explored ways of dispersing NP samples in liquid solutions, identified sources of contradictions in the literature and investigated ways of reducing artificial results. The most robust results were obtained by sonicating an optimal sample of NPs in a DCFH-HRP solution made of 5,M DCFH and 0.5 unit/ml horseradish peroxidase (HRP). Our findings explained how the major reasons for previously conflicting results were the different experimental approaches used and the potential artifacts appearing when using high sample concentrations. Applying our advanced DCFH protocol with other physicochemical characterizations and biological analyses, we conducted several case studies, characterizing aerosols and NP samples. Exposure to aged brake wear dust engenders a risk of potential deleterious health effects in occupational scenarios. We performed microscopy and elemental analyses, as well as ROS measurements, with acellular and cellular DCFH assays. TEM images revealed samples to be heterogeneous mixtures with few particles in the nano-scale. Metallic and non-metallic elements were identified, primarily iron, carbon and oxygen. Moderate amounts of ROS were detected in the cell-free fluorescent tests; however, exposed cells were not dramatically activated. In addition to their highly aged state due to oxidation, the reason aged brake wear samples caused less oxidative stress than fresh brake wear samples may be because of their larger size and thus smaller relative reactive surface area. Other case studies involving welding fumes and differently charged NPs confirmed the performance of our DCFH assay and found ROS generation linked to varying characteristics, especially the surface functionality of the samples. Les nanomatériaux manufacturés (ENM) présentent des propriétés physico-chimiques particulières et ont donc trouvés des applications dans un nombre croissant de secteurs, permettant de réaliser des produits ayant des propriétés améliorées. Leur utilisation accrue engendre un plus grand risque pour les êtres humains d'être exposés à des nanoparticules (NP) qui sont libérées au long de leur cycle de vie. En conséquence, la nanotoxicologie a émergé et gagné de plus en plus d'attention dû à la nécessité de recueillir les renseignements nécessaires sur l'exposition et les risques associés à ces nouveaux matériaux. Cependant, les études actuelles sur la nanotoxicité ont tendance à se concentrer sur les ENM et utiliser ces résultats toxicologiques pour généraliser l'évaluation des risques sur l'exposition humaine aux NP. Les ENM libérés dans l'environnement peuvent interagir avec l'environnement, changeant leurs caractéristiques, et montrer des effets de toxicité distincts par rapport aux ENM originaux. Par ailleurs, la grande surface des NP fournit une grande interface avec l'extérieur, favorisant les interactions entre les NP et les autres espèces présentes. Dans ce processus, d'autres espèces peuvent s'attacher à la surface des NP et modifier leur fonctionnalité de surface ainsi que leur toxicité. Un scénario d'exposition professionnel particulier implique à la fois des NP et des composés organiques peu volatils (LVOC), un type commun de polluant associé à de nombreuses sources de NP. Les LVOC peuvent se déposer sur la surface des NP et donc dominer la toxicité globale de la particule. Un mécanisme important en nanotoxicologie est la création d'espèces réactives d'oxygène (ROS) sur la surface des particules, et les LVOC peuvent modifier cette production de ROS. En résumé, la recherche en nanotoxicité ne devrait pas être limitée à la toxicité des ENM originaux, ni utiliser leur toxicité pour évaluer les effets sur la santé de l'exposition aux NP de l'environnement; mais les interactions que les NP ont avec d'autres espèces environnementales doivent être envisagées et étudiées. Les effets possibles sur la santé de l'exposition aux NP devraient être dérivés de ces NP aux caractéristiques modifiées et à la toxicité distincte. L'utilisation de résultats de toxicité inappropriés peut conduire à une mauvaise prise en charge de l'exposition aux NP, de détériorer l'environnement et la santé publique et d'entraver le développement durable des industries de la nanotechnologie dans leur ensemble. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer le processus de déposition des LVOC sur la surface des NP en utilisant un environnement de laboratoire bien contrôlé et d'explorer les conséquences du changement de toxicité des particules sur leur capacité à générer des ROS. Le système de déposition dynamique développé a abouti à des performances de revêtement stables et reproductibles, en simulant des scénarios réalistes importants. Des changements clairs dans la distribution de taille des NP en suspension ont été observés par spectrométrie de mobilité électrique des particules, confirmé à la fois par la méthode dite liquid nanotracking analysis et par microscopie électronique à transmission (MET), et a été vérifié comme provenant du revêtement par LVOC. La correspondance entre l'épaisseur de revêtement et la quantité de matériau de revêtement disponible a été démontré et a pu être contrôlé par les paramètres du générateur de LVOC. La génération de ROS dû aux NP d'argent (Ag NP) a été diminuée par un revêtement passif de paraffine inerte bloquant les zones réactives à la surface des particules. Au contraire, le revêtement actif d'anthraquinone réduit a contribué aux réactions redox et a généré des ROS, même lorsque la production de ROS par oxydation des Ag NP avec l'oxygène a été désactivé. Les objectifs associés comprennent le développement de la méthodologie et des études de cas spécifique aux ROS. Etant donné que la capacité des NP à générer des ROS contribue grandement à la nanotoxicité, nous avons tenté de définir un standard pour l'utilisation de 27- dichlorodihydrofluorescine (DCFH) adapté pour caractériser la génération de ROS par les NP. Des etudes antérieures ont rapporté une grande variété de résultats différents, ce qui était dû à un contrôle insuffisant des plusieurs facteurs. Nous avons donc comparé les produits chimiques et les concentrations utilisés, exploré les moyens de dispersion des échantillons HP en solution liquide, investigué les sources de conflits identifiées dans les littératures et étudié les moyens de réduire les résultats artificiels. De très bon résultats ont été obtenus par sonication d'une quantité optimale d'échantillons de NP en solution dans du DCFH-HRP, fait de 5 nM de DCFH et de 0,5 unité/ml de Peroxydase de raifort (HRP). Notre étude a démontré que les principales raisons causant les conflits entre les études précédemment conduites dans la littérature étaient dues aux différentes approches expérimentales et à des artefacts potentiels dus à des concentrations élevées de NP dans les échantillons. Utilisant notre protocole DCFH avancé avec d'autres caractérisations physico-chimiques et analyses biologiques, nous avons mené plusieurs études de cas, caractérisant les échantillons d'aérosols et les NP. La vielle poussière de frein en particulier présente un risque élevé d'exposition dans les scénarios professionnels, avec des effets potentiels néfastes sur la santé. Nous avons effectué des analyses d'éléments et de microscopie ainsi que la mesure de ROS avec DCFH cellulaire et acellulaire. Les résultats de MET ont révélé que les échantillons se présentent sous la forme de mélanges de particules hétérogènes, desquels une faible proportion se trouve dans l'échelle nano. Des éléments métalliques et non métalliques ont été identifiés, principalement du fer, du carbone et de l'oxygène. Une quantité modérée de ROS a été détectée dans le test fluorescent acellulaire; cependant les cellules exposées n'ont pas été très fortement activées. La raison pour laquelle les échantillons de vielle poussière de frein causent un stress oxydatif inférieur par rapport à la poussière de frein nouvelle peut-être à cause de leur plus grande taille engendrant une surface réactive proportionnellement plus petite, ainsi que leur état d'oxydation avancé diminuant la réactivité. D'autres études de cas sur les fumées de soudage et sur des NP différemment chargées ont confirmé la performance de notre test DCFH et ont trouvé que la génération de ROS est liée à certaines caractéristiques, notamment la fonctionnalité de surface des échantillons.

Late mesozoic to neogene radiolarian biostratigraphy and palaeoceanography in the Caribbean and East pacific region

^Raduolarians constitute a good tool for contributing to the biostratigraphy of accreted terranes and in deep-sea sediment sequences. The use of radiolarians is also proven to be valuable as a palaeoceanographic indicator. The present study evaluates radiolarians in three different geological settings, in order to better constrain the age of the sites and to try to understand their palaeoenvironmental situation at different periods, particularly in the Caribbean-Central America area. On the Jarabacoa Block, in Central Dominican Republic, a hundred meters of siliceous mudstones (Pedro Brand section in the Tireo Group) was dated as Turonian- Coniancian in age using radiolarians. A 40Ar-39Ar whole rock age of 75.1±1.1 Ma (Campanian), obtained in a basalt dyke crosscutting the radiolarian bearing rocks, a consistent minimum age for the pelagic-hemipelagic Pedro Brand section. The Jarabacoa Block is considered as the most complete outcrop section of Pacific ocean crust overlain by a first Aptian-Albian phase of Caribbean Large Igneous Province-type activity (CLIP), followed by the development of a Cenomanian-Santonian intraoceanic arc, which is in turn overlain by a late Campanian-Maastrichtian CLIP-phase. The Tireo Group records an episode of pelagic to hemi-pelagic and intermediate to acidic arc-derived sedimentation, previous to the youngest magmatic phase of the CLIP. Thus, the section of Pedro Brand has been interpreted in this study as being part of the intraoceanic arc. In northern Venezuela, a greenish radiolarite section from Siquisique Ophiolite (basalts, gabbros and some associated cherts) in Guaparo Creek has been studied. In previous studies, the Ophiolite unit (Petacas Creek section) has been dated as Bajocian-Bathonian, based on ammonites present in interpillow sediments from basalt blocks. New dating of the present study concluded in an Aptian?-Albian-Cenomanian age for the Guaparo creek section (middle Cretaceous), based on radiolarian assemblage associated to basalts-gabbros rocks of the unit. Previous plagioclase 40Ar-39Ar ages from the Siquisuique Ophiolite may be slightly younger (94-90 Ma.) and may, therefore, represent younger dykes that intruded onto a well-developed sheeted dyke complex of the Siquisique. The geochemistry of these rocks and the palaeotectonic reconstruction of the Caribbean area during this period suggest that these rocks were derived from a mid-ocean ridge with an influence of deep mantle plume. The Siquisique Ophiolite most probably represents a fragment of the proto-Caribbean basin. The Integrated Ocean Drilling Program Expedition 344 drilled a transect across the convergent margin off Costa Rica. Two sites of this expedition were chosen for radiolarian biostratigraphy and palaeoceanographic studies. Both sites (U1381C and U1414A) are located in the incoming Cocos plate, in the eastern Equatorial Pacific. The succession of U1381C yields a Middle Miocene to Pleistocene age, and presents an important hiatus of approximately 10 Ma. The core of U1414A exposes a continuous sequence that deposited during Late Miocene to Pleistocene (radiolarian zones RN6-RN16). The ages were assigned based on radiolarians and correlated with nannofossil zonation and tephra 40Ar-39Ar datation. With those results, and considering the northward movement of the Cocos plate motion (about 7 cm/year), deduction is made that the sites U1381C and U1414A were initially deposited during the Miocene, several hundreds of kilometres from the current location, slightly south of the Equator. This suggests that the faunas of these sites have been subjected to different currents, first influenced by the cold tongue of the South Equatorial Current and followed by the warm Equatorial Countercurrent. At last, coastal upwelling influenced faunas of the Pleistocene. -- Les radiolaires sont considérés comme un outil utile à la biostratigraphie des terrains accrétés et des sédiments profonds. Leur utilité est aussi prouvée comme étant remarquable au niveau des reconstructions paléocéanographiques. La présente étude évalue l'importance et la présence des radiolaires de trois localités géologiquement différentes d'Amérique Centrale-Caraïbes, dans le but d'améliorer les model d'âges et de mieux comprendre la situation paléoenvironnementale à travers le temps. Dans le Bloque de Jarabacoa, au centre de la République Dominicaine, une section de cent mètres (section de Pedro Brand, Groupe de Tireo) a été datée comme faisant partie du Turonien-Santonien, en utilisant les radiolaires. Une datation 40Ar-39Ar sur roche totale de 75±1.1 Ma (Campanien) a été obtenu pour vin dyke traversant les sédiments riches en radiolaires, en cohérence avec l'âge minimum accordé à la section de Pedro Brand. Aux Caraïbes, le Bloque de Jarabacoa est considéré comme l'affleurement le plus complet présentant une succession de croûte océanique d'origine Pacifique recouverte d'une première phase d'activité volcanique de type CLIP (Caribbean Large Igneous Province) d'âge Aptien- Albien, de dépôts d'arc volcanique intra-océanique d'âge Cénomanien-Santonien, puis d'une seconde phase de type CLIP d'âge Campanien-Maastrichtien. Le Groupe de Tireo enregistre un épisode de dépôt pélagiques-hémipélagiques et d'arc volcanique, antérieur à la plus jeune phase de type CLIP. Cette étude place donc la formation de la section de Pedro Brand au moment du développement de l'arc intra-océanique. A Guaparo Creek (nord du Vénézuela), une section de radiolarite verdâtre faisant partie des ophiolites de Siquisique (basaltes, gabbros, cherts) a été étudiée. Dans des études précédentes, sur la localité de Petacas Creek, l'unité ophiolitique a été daté d'âge Bajocien- Bathonien (Jurassique) sur la base d'ammonites trouvées dans des sédiments intercalés entre des laves en coussins. Les nouvelles datations de notre étude, basées sur des assemblages à radiolaires de l'unité à basaltes-gabbros, donnent un âge Aptien?-Albien-Cénomanien (Crétacé moyen). Les âges de l'Ophiolite de Siquisique, précédement calculés par la méthode sur plagioclases, pourraient être légèrement plus jeune (94-90 Ma) et donc représenter des intrusions plus récentes de dykes dans le complexe filonien déjà bien dévelopé. La géochimie de ces roches magmatiques, ainsi que les reconstructions paléotectoniques de la zone Caraïbes durant cette période, suggèrent que ces formations sont dérivées d'une ride médio-océanique associée à l'influence d'un panache mantellique. L'ophiolite de Siquisique représente très probablement un fragment du bassin de proto¬Caraïbe. L'expédition 344 du programme IODP (Integrated Ocean Drilling Program) a eu lieu dans l'optique de forer et dresser une coupe de la marge convergente au large du Costa Rica. Deux sites de cette expédition ont été choisis pour les besoins des études de biostratigraphie et de reconstruction paléocéanographique. Ces deux sites (U1381C et U1414A) sont situés sur la plaque subductante de Cocos, dans la zone Pacifique est-équatoriale. La carotte U1381C expose une séquence s'étalant du Miocène moyen au Pléistocène, et présente un important hiatus d'environ 10 Ma. La carotte U1414A expose une séquence continue s'étalant du Miocène tardif au Pléistocène (zone à radiolaires RN6-RN16). Les âges ont été assignés sur la base des radiolaires et corrélés avec les zones à nanofossiles et les datations 40Ar-39Ar sur téphras. Avec ces résultats, et en considérant le mouvement nord de la plaque de Cocos (environ 7 cm/an), déduction est faite que les deux sites étaient initialement situés, au cours du Miocène, à plusieurs centaines de kilomètres de leur location actuelle, au sud de l'équateur. Cela suggère que les faunes de ces sites ont été sujettes à différents courants; premièrement influencées par la langue froide du SEC (South Equatorial Current), puis par les eaux chaudes du ECC (Equatorial Countercurrent). Pour terminer, les remontées d'eau côtières ont influencées les faunes Pléistocène.

Vers une méthode commune à la police scientifique et à la criminologie

La criminologie et la police scientifique ont des origines communes mais se sont distanciées pour être finalement considérées comme séparées. Pourtant, les traces, résultat de l'action criminelle par les échanges de matière, indiquent ce qui s'est passé dans le cas particulier. Regroupées et comparées, elles émettent des signes sur l'existence de problèmes de sécurité. Une méthode fondée sur la résolution de problèmes peut ainsi intégrer naturellement la trace et constituer un socle pour un rapprochement des disciplines. Elle illustre d'une part l'importance pour la criminologie de ne pas ignorer le substrat matériel et informatique indispensable à l'explication de l'action criminelle, et pour la police scientifique de contextualiser ses informations en s'appuyant sur des théories en criminologie pour leur donner du sens. C'est l'enjeu de ce numéro spécial.