Anatomy of contaminated aquifers of an industrial site: insights from the stable isotope compositions of waters and dissolved inorganic carbon

The hydrogen and oxygen isotopes of water and the carbon isotope composition of dissolved inorganic carbon (DIC) from different aquifers at an industrial site, highly contaminated by organic pollutants representing residues of the former gas production, have been used as natural tracers to characterize the hydrologic system. On the basis of their stable isotope compositions as well as the seasonal variations, different groups of waters (precipitation, surface waters, groundwaters and mineral waters) as well as seasonably variable processes of mixing between these waters can clearly be distinguished. In addition, reservoir effects and infiltration rates can be estimated. In the northern part of the site an influence of uprising mineral waters within the Quaternary aquifers, presumably along a fault zone, can be recognized. Marginal infiltration from the Neckar River in the cast and surface water infiltration adjacent to a steep hill on the western edge of the site with an infiltration rate of about one month can also be resolved through the seasonal variation. Quaternary aquifers closer to the centre of the site show no seasonal variations, except for one borehole close to a former mill channel and another borehole adjacent to a rain water channel. Distinct carbon isotope compositions and concentrations of DIC for these different groups of waters reflect variable influence of different components of the natural carbon cycle: dissolution of marine carbonates in the mineral waters, biogenic, soil-derived CO2 in ground- and surface waters, as well as additional influence of atmospheric CO2 for the surface waters. Many Quaternary aquifer waters have, however, distinctly lower delta(13)C(DIC) values and higher DIC concentrations compared to those expected for natural waters. Given the location of contaminated groundwaters at this site but also in the industrially well-developed valley outside of this site, the most likely source for the low C-13(DIC) values is a biodegradation of anthropogenic organic substances, in particular the tar oils at the site.

Investigation of Postmortem Gases: A Forensic Imaging and Analytical Chemistry Approach

Background: Distinguishing postmortem gas accumulations in the body due to natural decomposition and other phenomena such as gas embolism can prove a difficult task using purely Multi-Detector Computed Tomography (MDCT). The Radiological Alteration Index (RAI) was created with the intention to be able to identify bodies undergoing the putrefaction process based on the quantity of gas detected within the body. The flaw in this approach is the inability to absolutely determine putrefaction as the origin of gas volumes in cases of moderate alteration. The aim of the current study is to identify percentage compositions of O2, N2, CO2 and the presence of gases such as H2 and H2S within these sampling sites in order to resolve this complication. Materials and methods: All cases investigated in our University Center of Legal Medicine are undergoing a Post-Mortem Computed Tomography (PMCT)-scan before external examination or autopsy as a routine investigation. In the obtained images, areas of gas were characterized as 0, I, II or III based on the amount of gas present according to the RAI (1). The criteria for these characterizations were dependent of the site of gas, for example thoracic and abdominal cavities were graded as I (1 - 3cm gas), II (3 - 5cm gas) and III (>5cm gas). Cases showing gaseous sites with grade II or III were selected for this study. The sampling was performed under CT-guidance to target the regions to be punctured. Luer-lock PTFE syringes equipped with a three-way valve and needles were used to sample the gas directly (2). Gaseous samples were then analysed using gas chromatography coupled to a thermal conductivity detector (GC-TCD). The components present in the samples were expressed as a percentage of the overall gas present. Results: Up to now, we have investigated more than 40 cases using our standardized procedure for sampling and analysis of gas. O2, N2 and CO2 were present in most samples. The following distributions were found to correlate to gas origins of gas embolism/scuba diving accidents, trauma and putrefaction: ? Putrefaction → O2 = 1 - 5%; CO2 > 15%; N2 = 10 - 70%; H2 / H2S / CH4 variable presence ? Gas embolism/Scuba diving accidents → O2 and N2= varying percentages; CO2 > 20% ? Trauma → O2 = small percentage; CO2 < 15%; N2 > 65% H2 and H2S indicated levels of putrefaction along with methane which can also gauge environmental conditions or conditions of body storage/burial. Many cases showing large RAI values (advanced alteration) did reveal a radiological diagnosis which was in concordance with the interpretation of the gas composition. However, in certain cases (gas embolism, scuba divers) radiological interpretation was not possible and only chemical gas analysis was found to lead to the correct diagnosis, meaning that it provided complementary information to the radiological diagnosis. Conclusion: Investigation of postmortem gases is a useful tool to determine origin of gas generation which can aid the diagnosis of the cause of death. Levels of gas can provide information on stage of putrefaction and help to perform essential medico-legal diagnosis such as vital gas embolism.

Burkholderia sartisoli sp. nov., isolated from a polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil.

A Gram-negative, rod-shaped, aerobic bacterium, designated strain RP007(T), was isolated from a polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soil in New Zealand. Two additional strains were recovered from a compost heap in Belgium (LMG 18808) and from the rhizosphere of maize in the Netherlands (LMG 24204). The three strains had virtually identical 16S rRNA gene sequences and whole-cell protein profiles, and they were identified as members of the genus Burkholderia, with Burkholderia phenazinium as their closest relative. Strain RP007(T) had a DNA G+C content of 63.5 mol% and could be distinguished from B. phenazinium based on a range of biochemical characteristics. Strain RP007(T) showed levels of DNA-DNA relatedness towards the type strain of B. phenazinium and those of other recognized Burkholderia species of less than 30 %. The results of 16S rRNA gene sequence analysis, DNA-DNA hybridization experiments and physiological and biochemical tests allowed the differentiation of strain RP007(T) from all recognized species of the genus Burkholderia. Strains RP007(T), LMG 18808 and LMG 24204 are therefore considered to represent a single novel species of the genus Burkholderia, for which the name Burkholderia sartisoli sp. nov. is proposed. The type strain is RP007(T) (=LMG 24000(T) =CCUG 53604(T) =ICMP 13529(T)).

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

New developments and applications in modelling occupational exposure to airborne contaminants

Résumé: L'évaluation de l'exposition aux nuisances professionnelles représente une étape importante dans l'analyse de poste de travail. Les mesures directes sont rarement utilisées sur les lieux même du travail et l'exposition est souvent estimée sur base de jugements d'experts. Il y a donc un besoin important de développer des outils simples et transparents, qui puissent aider les spécialistes en hygiène industrielle dans leur prise de décision quant aux niveaux d'exposition. L'objectif de cette recherche est de développer et d'améliorer les outils de modélisation destinés à prévoir l'exposition. Dans un premier temps, une enquête a été entreprise en Suisse parmi les hygiénistes du travail afin d'identifier les besoins (types des résultats, de modèles et de paramètres observables potentiels). Il a été constaté que les modèles d'exposition ne sont guère employés dans la pratique en Suisse, l'exposition étant principalement estimée sur la base de l'expérience de l'expert. De plus, l'émissions de polluants ainsi que leur dispersion autour de la source ont été considérés comme des paramètres fondamentaux. Pour tester la flexibilité et la précision des modèles d'exposition classiques, des expériences de modélisations ont été effectuées dans des situations concrètes. En particulier, des modèles prédictifs ont été utilisés pour évaluer l'exposition professionnelle au monoxyde de carbone et la comparer aux niveaux d'exposition répertoriés dans la littérature pour des situations similaires. De même, l'exposition aux sprays imperméabilisants a été appréciée dans le contexte d'une étude épidémiologique sur une cohorte suisse. Dans ce cas, certains expériences ont été entreprises pour caractériser le taux de d'émission des sprays imperméabilisants. Ensuite un modèle classique à deux-zone a été employé pour évaluer la dispersion d'aérosol dans le champ proche et lointain pendant l'activité de sprayage. D'autres expériences ont également été effectuées pour acquérir une meilleure compréhension des processus d'émission et de dispersion d'un traceur, en se concentrant sur la caractérisation de l'exposition du champ proche. Un design expérimental a été développé pour effectuer des mesures simultanées dans plusieurs points d'une cabine d'exposition, par des instruments à lecture directe. Il a été constaté que d'un point de vue statistique, la théorie basée sur les compartiments est sensée, bien que l'attribution à un compartiment donné ne pourrait pas se faire sur la base des simples considérations géométriques. Dans une étape suivante, des données expérimentales ont été collectées sur la base des observations faites dans environ 100 lieux de travail différents: des informations sur les déterminants observés ont été associées aux mesures d'exposition des informations sur les déterminants observés ont été associé. Ces différentes données ont été employées pour améliorer le modèle d'exposition à deux zones. Un outil a donc été développé pour inclure des déterminants spécifiques dans le choix du compartiment, renforçant ainsi la fiabilité des prévisions. Toutes ces investigations ont servi à améliorer notre compréhension des outils des modélisations ainsi que leurs limitations. L'intégration de déterminants mieux adaptés aux besoins des experts devrait les inciter à employer cet outil dans leur pratique. D'ailleurs, en augmentant la qualité des outils des modélisations, cette recherche permettra non seulement d'encourager leur utilisation systématique, mais elle pourra également améliorer l'évaluation de l'exposition basée sur les jugements d'experts et, par conséquent, la protection de la santé des travailleurs. Abstract Occupational exposure assessment is an important stage in the management of chemical exposures. Few direct measurements are carried out in workplaces, and exposures are often estimated based on expert judgements. There is therefore a major requirement for simple transparent tools to help occupational health specialists to define exposure levels. The aim of the present research is to develop and improve modelling tools in order to predict exposure levels. In a first step a survey was made among professionals to define their expectations about modelling tools (what types of results, models and potential observable parameters). It was found that models are rarely used in Switzerland and that exposures are mainly estimated from past experiences of the expert. Moreover chemical emissions and their dispersion near the source have also been considered as key parameters. Experimental and modelling studies were also performed in some specific cases in order to test the flexibility and drawbacks of existing tools. In particular, models were applied to assess professional exposure to CO for different situations and compared with the exposure levels found in the literature for similar situations. Further, exposure to waterproofing sprays was studied as part of an epidemiological study on a Swiss cohort. In this case, some laboratory investigation have been undertaken to characterize the waterproofing overspray emission rate. A classical two-zone model was used to assess the aerosol dispersion in the near and far field during spraying. Experiments were also carried out to better understand the processes of emission and dispersion for tracer compounds, focusing on the characterization of near field exposure. An experimental set-up has been developed to perform simultaneous measurements through direct reading instruments in several points. It was mainly found that from a statistical point of view, the compartmental theory makes sense but the attribution to a given compartment could ñó~be done by simple geometric consideration. In a further step the experimental data were completed by observations made in about 100 different workplaces, including exposure measurements and observation of predefined determinants. The various data obtained have been used to improve an existing twocompartment exposure model. A tool was developed to include specific determinants in the choice of the compartment, thus largely improving the reliability of the predictions. All these investigations helped improving our understanding of modelling tools and identify their limitations. The integration of more accessible determinants, which are in accordance with experts needs, may indeed enhance model application for field practice. Moreover, while increasing the quality of modelling tool, this research will not only encourage their systematic use, but might also improve the conditions in which the expert judgments take place, and therefore the workers `health protection.

The pollutant diethylhexyl phthalate regulates hepatic energy metabolism via species-specific PPARalpha-dependent mechanisms.

Background: The modulation of energetic homeostasis by pollutants has recently emerged as a potential contributor to the onset of metabolic disorders. Diethylhexyl phthalate (DEHP) is a widely used industrial plasticizer to which humans are widely exposed. Phthalates can activate the three peroxisome proliferatoractivated receptor (PPAR) isotypes on cellular models and induce peroxisome proliferation in rodents.Objectives: In this study, we aimed to evaluate the systemic and metabolic consequences of DEHP exposure that have remained so far unexplored and to characterize the underlying molecular mechanisms of action.Methods: As a proof of concept and mechanism, genetically engineered mouse models of PPARs were exposed to high doses of DEHP, followed by metabolic and molecular analyses.Results: DEHP-treated mice were protected from diet-induced obesity via PPARalpha-dependent activation of hepatic fatty acid catabolism, whereas the activity of neither PPARbeta nor PPARgamma was affected. However, the lean phenotype observed in response to DEHP in wild-type mice was surprisingly abolished in PPARalpha-humanized mice. These species differences are associated with a different pattern of coregulator recruitment.Conclusion: These results demonstrate that DEHP exerts species-specific metabolic actions that rely to a large extent on PPARalpha signaling and highlight the metabolic importance of the species-specific activation of PPARalpha by xenobiotic compounds. Editor's SummaryDiethylhexyl phthalate (DEHP) is an industrial plasticizer used in cosmetics, medical devices, food packaging, and other applications. Evidence that DEHP metabolites can activate peroxisome proliferatoractivated receptors (PPARs) involved in fatty acid oxidation (PPARalpha and PPARbeta) and adiposite function and insulin resistance (PPARgamma) has raised concerns about potential effects of DEHP on metabolic homeostasis. In rodents, PPARalpha activation also induces hepatic peroxisome proliferation, but this response to PPARalpha activation is not observed in humans. Feige et al. (p. 234) evaluated systemic and metabolic consequences of high-dose oral DEHP in combination with a high-fat diet in wild-type mice and genetically engineered mouse PPAR models. The authors report that mice exposed to DEHP gained less weight than controls, without modifying their feeding behavior; they also exhibited lower triglyceride levels, smaller adipocytes, and improved glucose tolerance compared with controls. These effects, which were observed in mice fed both high-fat and standard diets, appeared to be mediated by PPARalpha-dependent activation of hepatic fatty acid catabolism without apparent involvement of PPARbeta or PPARgamma. However, mouse models that expressed human (versus mouse) PPARalpha tended to gain more weight on a high-fat diet than their DHEP-unexposed counterparts. The authors conclude that findings support species-specific metabolic effects of DEHP mediated by PPARalpha activation.

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.

Evaluation of exposure biomarkers in offshore workers exposed to low benzene and toluene concentrations.

Characterize ethylbenzene and xylene air concentrations, and explore the biological exposure markers (urinary t,t-muconic acid (t,t-MA) and unmetabolized toluene) among petroleum workers offshore. Offshore workers have increased health risks due to simultaneous exposures to several hydrocarbons present in crude oil. We discuss the pooled benzene exposure results from our previous and current studies and possible co-exposure interactions. BTEX air concentrations were measured during three consecutive 12-h work shifts among 10 tank workers, 15 process operators, and 18 controls. Biological samples were collected pre-shift on the first day of study and post-shift on the third day of the study. The geometric mean exposure over the three work shifts were 0.02 ppm benzene, 0.05 ppm toluene, 0.03 ppm ethylbenzene, and 0.06 ppm xylene. Benzene in air was significantly correlated with unmetabolized benzene in blood (r = 0.69, p < 0.001) and urine (r = 0.64, p < 0.001), but not with urinary t,t-MA (r = 0.27, p = 0.20). Toluene in air was highly correlated with the internal dose of toluene in both blood (r = 0.70, p < 0.001) and urine (r = 0.73, p < 0.001). Co-exposures were present; however, an interaction of metabolism was not likely at these low benzene and toluene exposures. Urinary benzene, but not t,t-MA, was a reliable biomarker for benzene at low exposure levels. Urinary toluene was a useful biomarker for toluene exposure. Xylene and ethylbenzene air levels were low. Dermal exposure assessment needs to be performed in future studies among these workers.

Occupational exposure of truck drivers to dust and polynuclear aromatic hydrocarbons: a pilot study in Geneva, Switzerland.

The exposure to dust and polynuclear aromatic hydrocarbons (PAH) of 15 truck drivers from Geneva, Switzerland, was measured. The drivers were divided between "long-distance" drivers and "local" drivers and between smokers and nonsmokers and were compared with a control group of 6 office workers who were also divided into smokers and nonsmokers. Dust was measured on 1 workday both by a direct-reading instrument and by sampling. The local drivers showed higher exposure to dust (0.3 mg/m3) and PAH than the long-distance drivers (0.1 mg/m3), who showed no difference with the control group. This observation may be due to the fact that the local drivers spend more time in more polluted areas, such as streets with heavy traffic and construction sites, than do the long-distance drivers. Smoking does not influence exposure to dust and PAH of professional truck drivers, as measured in this study, probably because the ventilation rate of the truck cabins is relatively high even during cold days (11-15 r/h). The distribution of dust concentrations was shown in some cases to be quite different from the expected log-normal distribution. The contribution of diesel exhaust to these exposures could not be estimated since no specific tracer was used. However, the relatively low level of dust exposure dose not support the hypothesis that present day levels of diesel exhaust particulates play a significant role in the excess occurrence of lung cancer observed in professional truck drivers.

Solid phase microextraction as a short-term sampling technique for BTEX occupational exposure

Solid phase microextraction (SPME) has been widely used for many years in various applications, such as environmental and water samples, food and fragrance analysis, or biological fluids. The aim of this study was to suggest the SPME method as an alternative to conventional techniques used in the evaluation of worker exposure to benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX). Polymethylsiloxane-carboxen (PDMS/CAR) showed as the most effective stationary phase material for sorbing BTEX among other materials (polyacrylate, PDMS, PDMS/divinylbenzene, Carbowax/divinylbenzene). Various experimental conditions were studied to apply SPME to BTEX quantitation in field situations. The uptake rate of the selected fiber (75 microm PDMS/CAR) was determined for each analyte at various concentrations, relative humidities, and airflow velocities from static (calm air) to dynamic (> 200 cm/s) conditions. The SPME method also was compared with the National Institute of Occupational Safety and Health method 1501. Unlike the latter, the SPME approach fulfills the new requirement for the threshold limit value-short term exposure limit (TLV-STEL) of 2.5 ppm for benzene (8 mg/m(3))

Involvement of environmental mercury and lead in the etiology of neurodegenerative diseases.

The incidence of neurodegenerative disease like Parkinson's disease and Alzheimer's disease (AD) increases dramatically with age; only a small percentage is directly related to familial forms. The etiology of the most abundant, sporadic forms is complex and multifactorial, involving both genetic and environmental factors. Several environmental pollutants have been associated with neurodegenerative disorders. The present article focuses on results obtained in experimental neurotoxicology studies that indicate a potential pathogenic role of lead and mercury in the development of neurodegenerative diseases. Both heavy metals have been shown to interfere with a multitude of intracellular targets, thereby contributing to several pathogenic processes typical of neurodegenerative disorders, including mitochondrial dysfunction, oxidative stress, deregulation of protein turnover, and brain inflammation. Exposure to heavy metals early in development can precondition the brain for developing a neurodegenerative disease later in life. Alternatively, heavy metals can exert their adverse effects through acute neurotoxicity or through slow accumulation during prolonged periods of life. The pro-oxidant effects of heavy metals can exacerbate the age-related increase in oxidative stress that is related to the decline of the antioxidant defense systems. Brain inflammatory reactions also generate oxidative stress. Chronic inflammation can contribute to the formation of the senile plaques that are typical for AD. In accord with this view, nonsteroidal anti-inflammatory drugs and antioxidants suppress early pathogenic processes leading to Alzheimer's disease, thus decreasing the risk of developing the disease. The effects of lead and mercury were also tested in aggregating brain-cell cultures of fetal rat telencephalon, a three-dimensional brain-cell culture system. The continuous application for 10 to 50 days of non-cytotoxic concentrations of heavy metals resulted in their accumulation in brain cells and the occurrence of delayed toxic effects. When applied at non-toxic concentrations, methylmercury, the most common environmental form of mercury, becomes neurotoxic under pro-oxidant conditions. Furthermore, lead and mercury induce glial cell reactivity, a hallmark of brain inflammation. Both mercury and lead increase the expression of the amyloid precursor protein; mercury also stimulates the formation of insoluble beta-amyloid, which plays a crucial role in the pathogenesis of AD and causes oxidative stress and neurotoxicity in vitro. Taken together, a considerable body of evidence suggests that the heavy metals lead and mercury contribute to the etiology of neurodegenerative diseases and emphasizes the importance of taking preventive measures in this regard.

A flow cytometry based oligotrophic pollutant exposure test to detect bacterial growth inhibition and cell injury.

Toxicity of chemical pollutants in aquatic environments is often addressed by assays that inquire reproductive inhibition of test microorganisms, such as algae or bacteria. Those tests, however, assess growth of populations as a whole via macroscopic methods such as culture turbidity or colony-forming units. Here we use flow cytometry to interrogate the fate of individual cells in low-density populations of the bacterium Pseudomonas fluorescens SV3 exposed or not under oligotrophic conditions to a number of common pollutants, some of which derive from oil contamination. Cells were stained at regular time intervals during the exposure assay with fluorescent dyes that detect membrane injury (i.e., live-dead assay). Reduction of population growth rates was observed upon toxicant insult and depended on the type of toxicant. Modeling and cell staining indicate that population growth rate decrease is a combined effect of an increased number of injured cells that may or may not multiply, and live cells dividing at normal growth rates. The oligotrophic assay concept presented here could be a useful complement for existing biomarker assays in compliance with new regulations on chemical effect studies or, more specifically, for judging recovery after exposure to fluctuating toxicant conditions.

Indoor air quality in a public building following smoking bans

Introduction: Exposure to environmental tobacco smoke (ETS) is a major environmental risk factor. Indoor contaminants come from a variety of sources, which can include inadequate ventilation, volatile organic compounds (VOCs), biological agents, combustion products, and ETS. Because ETS is one of the most frequent causes of IAQ complaints as well as the high mortality of passive smoking, in June 2004 the University of Geneva made the decision to ban smoking inside the so called "Uni-Mail" building, the biggest Swiss University human science building of recent construction, and the ordinance was applied beginning in October 2004. This report presents the finding related to the IAQ of the "Uni-Mail" building before and after smoking bans using nicotine, suspended dust, condensate and PAHs level in air as tracers to perform an assessment of passive tobacco exposure for non-smokers inside the building. Methods: Respirable particles (RSP) A real time aerosol monitor (model DataRAM)was place at sampling post 1, level ground floor. Condensate It consists in extracting any organic matter taken on the glass fibre filters by MeOH, and then measuring the total absorbent of the MeOH extract to the UV wavelength of 447 nm. Nicotine Nicotine was taken by means of cartridges containing of XAD-4 to the fixed flow of 0.5 L/min. The analytical method used for the determination of nicotine is based on gas chromatography with Nitrogen selective detector GC-NPD. Results: Figure 1 shows the box plot density display of 3 parameters before and after smoking bans for all 7 sampling posts: dust, condensate and nicotine in air in μg/m3. Conclusion: Before the smoking ban, the level of the concentrations of respirable particles (RSP) is raised more, average of the day 320 μg/m3, with peaks of more than 1000 μg/m3, compared with the values of the surrounding air between 22 and 30 μg/m3. The nicotine level is definitely more important (average 5.53 μg/m3, field 1.5 to 17.9 μg/m3). Once the smoking bans inside the building were applied, one notes a clear improvement in terms of concentrations of pollutants. For dust, the concentration fell by 3 times (average: 130 μg/m3, range: 40 to 160 μg/m3) and that of nicotine by 10 times (average: 0.53 μg/m3, range: 0 to 1.69 μg/m3) compared to that found before smoking bans. The outdoor air RSP concentration was 22 μg/m3 or 10 times lower. Nicotine seems to be the best tracer for ETS free of interference, independent of location or season.