Paleoenvironmental evolution of the Helvetic shallow-water carbonate platform near the Barremian-Aptian boundary, and its relationship with paleoceanographic and paleoclimatic change in the Tethys

Abstract:During my doctoral research, I focused on deciphering the interactions between sea-level and climate change during the Late Barremian-Early Aptian, their expression in the Tethys basin and in the Helvetic carbonate platform. The research highlights are summarized here in three points: In the Helvetic Alps, the transition between the Lower Schrattenkalk (Upper Barremian) and the Rawil Member (Lowermost Aptian) is characterized by a change from a predominantly photozoan to a heterozoan carbonate-producing system, which coincides in time with a general increase in detrital and nutrient input. The clay mineral record shows the appearance of kaolinite within the Rawil Member, whereas this mineral is absent from the uppermost Lower and lowermost Upper Schrattenkalk Members. This indicates the installation of a warmer and more humid climate during this time period. A negative peak in 513C is recorded at the top of the Lower Schrattenkalk Member, and correlates with the well-known negative excursion of -l%o occurring in other basins and dated as latest Barremian, thus confirming a latest Barremian and earliest Aptian age for the Lower Schrattenkalk and Rawil Members, respectively. Furthermore, a sequence stratigraphie framework has been defined for the Rawil Member, based on both the ecology of faunal and floral assemblages, and their palaeoenvironmental interpretation, as well as on the stacking pattern of limestone beds observed during field prospection. The presence of a sequence boundary is postulated near the top of the Lower Schrattenkalk Member, which is correlated with the earliest Aptian SbAl defined in Vercors (France). The SbAl is characterized by a maximum of proximal assemblages and by the disappearance of several benthic foraminiferal species. Within the Rawil Member itself, the stacking pattern and microfacies trends are interpreted to represent the TST of the first Aptian sequence. With regards to the pelagic setting in the Tethyan realm, I investigated the Gorgo a Cerbara section (central Italy). There, thin organic-rich layers occur episodically in pelagic carbonates of the upper Barremian portion of the Maiolica Formation. They are associated with high Corg:Ptot ratios, which indicate the presence of intermittent dysoxic to anoxic conditions. Coarse correlations are also observed between TOC, Ρ and biogenic silica contents, indicating links between Ρ availability, productivity, and organic matter preservation. The corresponding 813Ccarb and δ180 records remain, however, quite stable, indicating that these brief periods of enhanced TOC preservation did not have sufficient impact on the marine carbon household to deviate 6,3C records, and are probably not the consequence of major climate change. On the other hand, organic-rich layers become more frequent around the Barremian-Aptian boundary in both pelagic and hemi-pelagic environments (Gorgo a Cerbara and La Bédoule, France), which are correlated with negative excursions in 6l3Ccarb and 613Corg records. During the earliest Aptian, at Gorgo a Cerbara, the frequency of organic-rich intervals progressively increases and redox-sensitive trace-element enrichments become more frequent, until the highest TOC-enriched level just below the "Livello Selli", indicator of Oceanic Anoxic Event la (OAEla). The latter is associated with the well-known negative spike in 613Ccarb and S,3Corg records, a diminution in the δ,80 record interpreted as the consequence of a wanning interval, an important peak in Ρ accumulation and high Cor::Ptot ratios indicating the prevalence of anoxic conditions. The Selli Level (OAEla) documents a general cooling phase and coincides with maximum RSTE enrichments as well as high Corg:Ptot ratios, which confirm the importance of anoxic conditions during OAE1 a at this site.During the Early Aptian, environmental change on the platform is expressed by orbitolinids proliferation that may be induced by both climate change and sea-level rise. In the basin, the successive black shales horizons from the Late Barremian until the OAE la are interpreted as the progressive impact of palaeoenvironmental change probably linked to the formation of the Ontong- Java plate-basalt plateau.RésuméCe travail de thèse a permis d'investiguer les interactions entre les variations du niveau marin et les changements climatiques sur la plate-forme helvétique ainsi qu'en domaine pélagique à la limite Barrémien-Aptien (Crétacé).Dans les Alpes helvétiques, la limite Barrémien-Aptien est marquée par la transition du Schrattenkalk inférieur, caractérisé par des carbonates photozaires, au Membre de Rawil caractérisé par des carbonates héterozoaires. Cette transition est marquée par une arrivée massive d'éléments détritiques et un apport de nutriments ayant entraîné la prolifération de foraminifères agglutinés tels que les orbitolines. L'analyse des minéraux argileux indique l'apparition de la kaolinite durant le Membre de Rawil, interprétée comme l'installation d'un climat plus chaud et humide. Un pic négatif en 513C est enregistré au sommet du Schrattenkalk inférieur correspond à l'excursion négative de -1%0 bien connue en domaine pélagique et datée comme Barrémien terminal. Cette corrélation apporte un contrôle chronostratigraphique supplémentaire permettant de dater le Schrattenkalk inférieur du Barrémien sup. et le Membre de Rawil de l'Aptien inf. D'autre part, une étude stratigraphique, basée sur des observations de terrain et sur l'interprétation d'assemblages floristiques et faunistiques en terme de paléoenvironnement a permis de mettre en évidence une limite de séquence au sommet du Schrattenkalk inf., corrélable avec la SbAl définie dans le Vercors. Durant la mise en place du Membre de Rawil, l'évolution des microfaciès est interprétée comme le « Transgressive System Tract » de la première séquence aptienne.En domaine pélagique, de minces couches riches en matière organique (MO) apparaissent dès le Barrémien sup. dans la coupe de Gorgo a Cerbara (Italie). Elles sont associées à un ratio C:P élevé indiquant des conditions épisodiquement dysoxiques à anoxiques. De plus, une corrélation nette entre Carbone Organique Total (TOC), phosphore (P) et silice biogénique est observée correspondant à un lien entre Ρ disponible, productivité et préservation de la MO. Pourtant, dans le même temps, le ÔI3C et le δ1βΟ restent constants indiquant des conditions environnementales stables et un cycle du carbone non perturbé par la préservation de MO qui ne serait pas la conséquence d'un changement climatique global mais juste d'un effet local.Ala limite Barrémien-Aptien, en domaine hémi-pélagique (La Bédoule, France) et pélagique (Gorgo a Cerbara), les couches riches en MO sont plus fréquentes et plus épaisses, elles se sont déposées en même temps qu'un pic négatif en 513CCARB et ô13Coib probablement dû à un épisode volcanique. A l'Aptien inf. le TOC des niveaux riches en MO augmente progressivement en même temps que la teneur en éléments traces jusqu'au dernier enrichissement avant l'événement anoxique océanique la (OAE la) correspondant au « niveau critique inf. », indiquant des conditions anoxiques moins restreintes. Celui-ci est également caractérisé par le fameux pic négatif en Ô13C (C3), une diminution du δ180 interprétée comme un réchauffement, par un pic en Ρ et un ratio C:P élevé. L'OAE 1 a, quant à lui, enregistre un refroidissement et coïncide avec le maximum en éléments traces ainsi qu'un fort ratio C:P mettant en valeur l'importance des conditions anoxiques pendant 1ΌΑΕ la dans cette coupe alors qu'aucune perturbation n'est enregistrés à La Bédoule probablement à cause de conditions paléogéographiques locales.Durant l'Aptien inf., les changements environnementaux sur la plate-forme se marquent par la prolifération d'orbitolines due à un changement climatique et une hausse du niveau marin. En domaine profond, la succession de niveaux riches en MO du Barrémien sup. jusqu'à l'OAE la documente l'impact progressif de changements paléoenvironnementaux, probablement liés à la formation du plateau d'Ontong Java à l'ouest de l'océan Pacifique.

Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

Assessment of the occurrence of nanoparticles in Swiss industry and evaluation of the appropriatenesss of the measurement devices to determine the workforce exposure

Abstract : The occupational health risk involved with handling nanoparticles is the probability that a worker will experience an adverse health effect: this is calculated as a function of the worker's exposure relative to the potential biological hazard of the material. Addressing the risks of nanoparticles requires therefore knowledge on occupational exposure and the release of nanoparticles into the environment as well as toxicological data. However, information on exposure is currently not systematically collected; therefore this risk assessment lacks quantitative data. This thesis aimed at, first creating the fundamental data necessary for a quantitative assessment and, second, evaluating methods to measure the occupational nanoparticle exposure. The first goal was to determine what is being used where in Swiss industries. This was followed by an evaluation of the adequacy of existing measurement methods to assess workplace nanopaiticle exposure to complex size distributions and concentration gradients. The study was conceived as a series of methodological evaluations aimed at better understanding nanoparticle measurement devices and methods. lt focused on inhalation exposure to airborne particles, as respiration is considered to be the most important entrance pathway for nanoparticles in the body in terms of risk. The targeted survey (pilot study) was conducted as a feasibility study for a later nationwide survey on the handling of nanoparticles and the applications of specific protection means in industry. The study consisted of targeted phone interviews with health and safety officers of Swiss companies that were believed to use or produce nanoparticles. This was followed by a representative survey on the level of nanoparticle usage in Switzerland. lt was designed based on the results of the pilot study. The study was conducted among a representative selection of clients of the Swiss National Accident Insurance Fund (SUVA), covering about 85% of Swiss production companies. The third part of this thesis focused on the methods to measure nanoparticles. Several pre- studies were conducted studying the limits of commonly used measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates, This focus was chosen, because several discussions with users and producers of the measurement devices raised questions about their accuracy measuring nanoparticle agglomerates and because, at the same time, the two survey studies revealed that such powders are frequently used in industry. The first preparatory experiment focused on the accuracy of the scanning mobility particle sizer (SMPS), which showed an improbable size distribution when measuring powders of nanoparticle agglomerates. Furthermore, the thesis includes a series of smaller experiments that took a closer look at problems encountered with other measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates: condensation particle counters (CPC), portable aerosol spectrometer (PAS) a device to estimate the aerodynamic diameter, as well as diffusion size classifiers. Some initial feasibility tests for the efficiency of filter based sampling and subsequent counting of carbon nanotubes (CNT) were conducted last. The pilot study provided a detailed picture of the types and amounts of nanoparticles used and the knowledge of the health and safety experts in the companies. Considerable maximal quantities (> l'000 kg/year per company) of Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, and ZnO (mainly first generation particles) were declared by the contacted Swiss companies, The median quantity of handled nanoparticles, however, was 100 kg/year. The representative survey was conducted by contacting by post mail a representative selection of l '626 SUVA-clients (Swiss Accident Insurance Fund). It allowed estimation of the number of companies and workers dealing with nanoparticles in Switzerland. The extrapolation from the surveyed companies to all companies of the Swiss production sector suggested that l'309 workers (95%-confidence interval l'073 to l'545) of the Swiss production sector are potentially exposed to nanoparticles in 586 companies (145 to l'027). These numbers correspond to 0.08% (0.06% to 0.09%) of all workers and to 0.6% (0.2% to 1.1%) of companies in the Swiss production sector. To measure airborne concentrations of sub micrometre-sized particles, a few well known methods exist. However, it was unclear how well the different instruments perform in the presence of the often quite large agglomerates of nanostructured materials. The evaluation of devices and methods focused on nanoparticle agglomerate powders. lt allowed the identification of the following potential sources of inaccurate measurements at workplaces with considerable high concentrations of airborne agglomerates: - A standard SMPS showed bi-modal particle size distributions when measuring large nanoparticle agglomerates. - Differences in the range of a factor of a thousand were shown between diffusion size classifiers and CPC/SMPS. - The comparison between CPC/SMPS and portable aerosol Spectrometer (PAS) was much better, but depending on the concentration, size or type of the powders measured, the differences were still of a high order of magnitude - Specific difficulties and uncertainties in the assessment of workplaces were identified: the background particles can interact with particles created by a process, which make the handling of background concentration difficult. - Electric motors produce high numbers of nanoparticles and confound the measurement of the process-related exposure. Conclusion: The surveys showed that nanoparticles applications exist in many industrial sectors in Switzerland and that some companies already use high quantities of them. The representative survey demonstrated a low prevalence of nanoparticle usage in most branches of the Swiss industry and led to the conclusion that the introduction of applications using nanoparticles (especially outside industrial chemistry) is only beginning. Even though the number of potentially exposed workers was reportedly rather small, it nevertheless underscores the need for exposure assessments. Understanding exposure and how to measure it correctly is very important because the potential health effects of nanornaterials are not yet fully understood. The evaluation showed that many devices and methods of measuring nanoparticles need to be validated for nanoparticles agglomerates before large exposure assessment studies can begin. Zusammenfassung : Das Gesundheitsrisiko von Nanopartikel am Arbeitsplatz ist die Wahrscheinlichkeit dass ein Arbeitnehmer einen möglichen Gesundheitsschaden erleidet wenn er diesem Stoff ausgesetzt ist: sie wird gewöhnlich als Produkt von Schaden mal Exposition gerechnet. Für eine gründliche Abklärung möglicher Risiken von Nanomaterialien müssen also auf der einen Seite Informationen über die Freisetzung von solchen Materialien in die Umwelt vorhanden sein und auf der anderen Seite solche über die Exposition von Arbeitnehmenden. Viele dieser Informationen werden heute noch nicht systematisch gesarnmelt und felilen daher für Risikoanalysen, Die Doktorarbeit hatte als Ziel, die Grundlagen zu schaffen für eine quantitative Schatzung der Exposition gegenüber Nanopartikel am Arbeitsplatz und die Methoden zu evaluieren die zur Messung einer solchen Exposition nötig sind. Die Studie sollte untersuchen, in welchem Ausmass Nanopartikel bereits in der Schweizer Industrie eingesetzt werden, wie viele Arbeitnehrner damit potentiel] in Kontakt komrrien ob die Messtechnologie für die nötigen Arbeitsplatzbelastungsmessungen bereits genügt, Die Studie folcussierte dabei auf Exposition gegenüber luftgetragenen Partikel, weil die Atmung als Haupteintrittspforte iïlr Partikel in den Körper angesehen wird. Die Doktorarbeit besteht baut auf drei Phasen auf eine qualitative Umfrage (Pilotstudie), eine repräsentative, schweizerische Umfrage und mehrere technische Stndien welche dem spezitischen Verständnis der Mëglichkeiten und Grenzen einzelner Messgeräte und - teclmikeri dienen. Die qualitative Telephonumfrage wurde durchgeführt als Vorstudie zu einer nationalen und repräsentativen Umfrage in der Schweizer Industrie. Sie zielte auf Informationen ab zum Vorkommen von Nanopartikeln, und den angewendeten Schutzmassnahmen. Die Studie bestand aus gezielten Telefoninterviews mit Arbeit- und Gesundheitsfachpersonen von Schweizer Unternehmen. Die Untemehmen wurden aufgrund von offentlich zugànglichen lnformationen ausgewählt die darauf hinwiesen, dass sie mit Nanopartikeln umgehen. Der zweite Teil der Dolctorarbeit war die repräsentative Studie zur Evalniernng der Verbreitnng von Nanopaitikelanwendungen in der Schweizer lndustrie. Die Studie baute auf lnformationen der Pilotstudie auf und wurde mit einer repräsentativen Selektion von Firmen der Schweizerischen Unfall Versicherungsanstalt (SUVA) durchgeüihxt. Die Mehrheit der Schweizerischen Unternehmen im lndustrieselctor wurde damit abgedeckt. Der dritte Teil der Doktorarbeit fokussierte auf die Methodik zur Messung von Nanopartikeln. Mehrere Vorstudien wurden dnrchgefîihrt, um die Grenzen von oft eingesetzten Nanopartikelmessgeräten auszuloten, wenn sie grösseren Mengen von Nanopartikel Agglomeraten ausgesetzt messen sollen. Dieser F okns wurde ans zwei Gründen gewählt: weil mehrere Dislcussionen rnit Anwendem und auch dem Produzent der Messgeràte dort eine Schwachstelle vermuten liessen, welche Zweifel an der Genauigkeit der Messgeräte aufkommen liessen und weil in den zwei Umfragestudien ein häufiges Vorkommen von solchen Nanopartikel-Agglomeraten aufgezeigt wurde. i Als erstes widmete sich eine Vorstndie der Genauigkeit des Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS). Dieses Messgerät zeigte in Präsenz von Nanopartikel Agglorneraten unsinnige bimodale Partikelgrössenverteilung an. Eine Serie von kurzen Experimenten folgte, welche sich auf andere Messgeräte und deren Probleme beim Messen von Nanopartikel-Agglomeraten konzentrierten. Der Condensation Particle Counter (CPC), der portable aerosol spectrometer (PAS), ein Gerät zur Schàtzung des aerodynamischen Durchniessers von Teilchen, sowie der Diffusion Size Classifier wurden getestet. Einige erste Machbarkeitstests zur Ermittlnng der Effizienz von tilterbasierter Messung von luftgetragenen Carbon Nanotubes (CNT) wnrden als letztes durchgeiührt. Die Pilotstudie hat ein detailliiertes Bild der Typen und Mengen von genutzten Nanopartikel in Schweizer Unternehmen geliefert, und hat den Stand des Wissens der interviewten Gesundheitsschntz und Sicherheitsfachleute aufgezeigt. Folgende Typen von Nanopaitikeln wurden von den kontaktierten Firmen als Maximalmengen angegeben (> 1'000 kg pro Jahr / Unternehrnen): Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, und ZnO (hauptsächlich Nanopartikel der ersten Generation). Die Quantitäten von eingesetzten Nanopartikeln waren stark verschieden mit einem ein Median von 100 kg pro Jahr. ln der quantitativen Fragebogenstudie wurden l'626 Unternehmen brieflich kontaktiert; allesamt Klienten der Schweizerischen Unfallversicherringsanstalt (SUVA). Die Resultate der Umfrage erlaubten eine Abschätzung der Anzahl von Unternehmen und Arbeiter, welche Nanopartikel in der Schweiz anwenden. Die Hochrechnung auf den Schweizer lndnstriesektor hat folgendes Bild ergeben: ln 586 Unternehmen (95% Vertrauensintervallz 145 bis 1'027 Unternehmen) sind 1'309 Arbeiter potentiell gegenüber Nanopartikel exponiert (95%-Vl: l'073 bis l'545). Diese Zahlen stehen für 0.6% der Schweizer Unternehmen (95%-Vl: 0.2% bis 1.1%) und 0.08% der Arbeiternehmerschaft (95%-V1: 0.06% bis 0.09%). Es gibt einige gut etablierte Technologien um die Luftkonzentration von Submikrometerpartikel zu messen. Es besteht jedoch Zweifel daran, inwiefern sich diese Technologien auch für die Messurrg von künstlich hergestellten Nanopartikeln verwenden lassen. Aus diesem Grund folcussierten die vorbereitenden Studien für die Arbeitsplatzbeurteilnngen auf die Messung von Pulverri, welche Nan0partike1-Agg10merate enthalten. Sie erlaubten die ldentifikation folgender rnöglicher Quellen von fehlerhaften Messungen an Arbeitsplätzen mit erhöhter Luft-K0nzentrati0n von Nanopartikel Agglomeratenz - Ein Standard SMPS zeigte eine unglaubwürdige bimodale Partikelgrössenverteilung wenn er grössere Nan0par'til<e1Agg10merate gemessen hat. - Grosse Unterschiede im Bereich von Faktor tausend wurden festgestellt zwischen einem Diffusion Size Classiîier und einigen CPC (beziehungsweise dem SMPS). - Die Unterschiede zwischen CPC/SMPS und dem PAS waren geringer, aber abhängig von Grosse oder Typ des gemessenen Pulvers waren sie dennoch in der Grössenordnung von einer guten Grössenordnung. - Spezifische Schwierigkeiten und Unsicherheiten im Bereich von Arbeitsplatzmessungen wurden identitiziert: Hintergrundpartikel können mit Partikeln interagieren die während einem Arbeitsprozess freigesetzt werden. Solche Interaktionen erschweren eine korrekte Einbettung der Hintergrunds-Partikel-Konzentration in die Messdaten. - Elektromotoren produzieren grosse Mengen von Nanopartikeln und können so die Messung der prozessbezogenen Exposition stören. Fazit: Die Umfragen zeigten, dass Nanopartikel bereits Realitàt sind in der Schweizer Industrie und dass einige Unternehmen bereits grosse Mengen davon einsetzen. Die repräsentative Umfrage hat diese explosive Nachricht jedoch etwas moderiert, indem sie aufgezeigt hat, dass die Zahl der Unternehmen in der gesamtschweizerischen Industrie relativ gering ist. In den meisten Branchen (vor allem ausserhalb der Chemischen Industrie) wurden wenig oder keine Anwendungen gefunden, was schliessen last, dass die Einführung dieser neuen Technologie erst am Anfang einer Entwicklung steht. Auch wenn die Zahl der potentiell exponierten Arbeiter immer noch relativ gering ist, so unterstreicht die Studie dennoch die Notwendigkeit von Expositionsmessungen an diesen Arbeitsplätzen. Kenntnisse um die Exposition und das Wissen, wie solche Exposition korrekt zu messen, sind sehr wichtig, vor allem weil die möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit noch nicht völlig verstanden sind. Die Evaluation einiger Geräte und Methoden zeigte jedoch, dass hier noch Nachholbedarf herrscht. Bevor grössere Mess-Studien durgefîihrt werden können, müssen die Geräte und Methodem für den Einsatz mit Nanopartikel-Agglomeraten validiert werden.

The role of fungi in the precipitation of calcite : relationships between fungal filaments, nanofibres, and needle fibre calcite

RésuméLes champignons sont impliqués dans les cycles biogéochimiques de différentes manières. En particulier, ils sont reconnus en tant qu'acteurs clés dans la dégradation de la matière organique, comme fournisseurs d'éléments nutritifs via l'altération des minéraux mais aussi comme grands producteurs d'acide oxalique et de complexes oxalo-métalliques. Toutefois, peu de choses sont connues quant à leur contribution à la genèse d'autres types de minéraux, tel que le carbonate de calcium (CaCO3). Le CaCO3 est un minéral ubiquiste dans de nombreux écosystèmes et il joue un rôle essentiel dans les cycles biogéochimiques du carbone (C) et du calcium (Ca). Le CaCO3 peut être d'origine physico-chimique ou biogénique et de nombreux organismes sont connus pour contrôler ou induire sa biominéralisation. Les champignons ont souvent été soupçonnés d'être impliqué dans ce processus, cependant il existe très peu d'informations pour étayer cette hypothèse.Cette thèse a eu pour but l'étude de cet aspect négligé de l'impact des champignons dans les cycles biogéochimiques, par l'exploration de leur implication potentielle dans la formation d'un type particulier de CaCO3 secondaires observés dans les sols et dans les grottes des environnements calcaires. Dans les grottes, ces dépôts sont appelés moonmilk, alors que dans les sols on les appelle calcite en aiguilles. Cependant ces deux descriptions correspondent en fait au même assemblage microscopique de deux habitus particulier de la calcite: la calcite en aiguilles (au sens strict du terme cette fois-ci) et les nanofibres. Ces deux éléments sont des habitus aciculaires de la calcite, mais présentent des dimensions différentes. Leur origine, physico-chimique ou biologique, est l'objet de débats intenses depuis plusieurs années déjà.L'observation d'échantillons environnementaux avec des techniques de microscopie (microscopie électronique et micromorphologie), ainsi que de la microanalyse EDX, ont démontré plusieurs relations intéressantes entre la calcite en aiguilles, les nanofibres et des éléments organiques. Premièrement, il est montré que les nanofibres peuvent être organiques ou minérales. Deuxièmement, la calcite en aiguilles et les nanofibres présentent de fortes analogies avec des structures hyphales, ce qui permet de confirmer l'hypothèse de leur origine fongique. En outre, des expériences en laboratoire ont confirmé l'origine fongique des nanofibres, par des digestions enzymatiques d'hyphes fongiques. En effet, des structures à base de nanofibres, similaires à celles observées dans des échantillons naturels, ont pu être produites par cette approche. Finalement, des enrichissements en calcium ont été mesurés dans les parois des hyphes et dans des inclusions intrahyphales provenant d'échantillons naturels de rhizomorphes. Ces résultats suggèrent une implication de la séquestration de calcium dans la formation de la calcite en aiguilles et/ou des nanofibres.Plusieurs aspects restent à élucider, en particulier la compréhension des processus physiologiques impliqués dans la nucléation de calcite dans les hyphes fongiques. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis de confirmer l'implication des champignons dans la formation de la calcite en aiguilles et des nanofibres. Ces découvertes sont d'une grande importance dans les cycles biogéochimiques puisqu'ils apportent de nouveaux éléments dans le cycle couplé C-Ca. Classiquement, les champignons sont considérés comme étant impliqués principalement dans la minéralisation de la matière organique et dans l'altération minérale. Cette étude démontre que les champignons doivent aussi être pris en compte en tant qu'agents majeurs de la genèse de minéraux, en particulier de CaCO3. Ceci représente une toute nouvelle perspective en géomycologie quant à la participation des champignons au cycle biologique du C. En effet, la présence de ces précipitations de CaCO3 secondaires représente un court-circuit dans le cycle biologique du C puisque du C inorganique du sol se retrouve piégé dans de la calcite plutôt que d'être retourné dans l'atmosphère.AbstractFungi are known to be involved in biogeochemical cycles in numerous ways. In particular, they are recognized as key players in organic matter recycling, as nutrient suppliers via mineral weathering, as well as large producers of oxalic acid and metal-oxalate. However, little is known about their contribution to the genesis of other types of minerals such as calcium carbonate (CaCO3). Yet, CaC03 are ubiquitous minerals in many ecosystems and play an essential role in the biogeochemical cycles of both carbon (C) and calcium (Ca). CaC03 may be physicochemical or biogenic in origin and numerous organisms have been recognized to control or induce calcite biomineralization. While fungi have often been suspected to be involved in this process, only scarce information support this hypothesis.This Ph.D. thesis aims at investigating this disregarded aspect of fungal impact on biogeochemical cycles by exploring their possible implication in the formation of a particular type of secondary CaC03 deposit ubiquitously observed in soils and caves from calcareous environments. In caves, these deposits are known as moonmilk, whereas in soils, they are known as Needle Fibre Calcite (NFC - sensu lato). However, they both correspond to the same microscopic assemblage of two distinct and unusual habits of calcite: NFC {sensu stricto) and nanofibres. Both features are acicular habits of calcite displaying different dimensions. Whether these habits are physicochemical or biogenic in origin has been under discussion for a long time.Observations of natural samples using microscopic techniques (electron microscopy and micromorphology) and EDX microanalyses have demonstrated several interesting relationships between NFC, nanofibres, and organic features. First, it has shown that nanofibres can be either organic or minera! in nature. Second, both nanofibres and NFC display strong structural analogies with fungal hyphal features, supporting their fungal origin. Furthermore, laboratory experiments have confirmed the fungal origin of nanofibres through an enzymatic digestion of fungal hyphae. Indeed, structures made of nanofibres with similar features as those observed in natural samples have been produced. Finally, calcium enrichments have been measured in both cell walls and intrahyphal inclusions of hyphae from rhizomorphs sampled in the natural environment. These results point out an involvement of calcium sequestration in nanofibres and/or NFC genesis.Several aspects need further investigation, in particular the understanding of the physiological processes involved in hyphal calcite nucleation. However, the results obtained during this study have allowed the confirmation of the implication of fungi in the formation of both NFC and nanofibres. These findings are of great importance regarding global biogeochemical cycles as they bring new insights into the coupled C and Ca cycles. Conventionally, fungi are considered to be involved in organic matter mineralization and mineral weathering. In this study, we demonstrate that they must also be considered as major agents in mineral genesis, in particular CaC03. This is a completely new perspective in geomycology regarding the role of fungi in the short-term (or biological) C cycle. Indeed, the presence of these secondary CaC03 precipitations represents a bypass in the short- term carbon cycle, as soil inorganic C is not readily returned to the atmosphere.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Circum-Alpine marine circulation and paleoenvironmental conditions during the Miocene

Trace element and isotopic compositions of marine fossils and sediment were analyzed from several Miocene deposits in the circum-Alpine region in order to reconstruct the paleoceanographic and paleoclimatic changes related to sea level changes, basin evolution and Alpine orogeny. To the north and the east the Alps were border by an epicontinental sea, the Paratethys, while to the south the Mediterranean surrounded the uplifting mountains during the Miocene. The thesis mainly focused on sediments and fossils sampled from Miocene beds of these two oceanic provinces. The north Alpine Molasse, the Vienna and Pannonian Basins were located in the Western and Central Paratethys. O-isotope compositions of well-preserved phosphatic fossils in these sediments support deposition under sub-tropical to warm-temperate climate with water temperatures between 14 to 28 °C for the Miocene. δ18O values of fossil shark teeth from different horizons vary similarly to those of the global trend until the end of the Badenian, however the δ18O values show wider range, which indicates local effects iii the sub-basins. The trend of 87Sr/86Sr in the samples roughly agrees with an open ocean environment for the Miocene. Yet a number of samples deviate from typical open ocean compositions with higher ratios suggesting modification of seawater by local and old terrestrial sources. In contrast, two exceptional teeth from the locality of La Moliere have extremely low δ18O values and low 87Sr/86Sr. However, the REE patterns of their enameloid are similar to those of teeth having O and Sr isotopic compositions typical of a marine setting at this site. Collectively, this suggests that the two teeth formed while the sharks frequented a freshwater environment with very low 18O-content and 87Sr/86Sr controlled by Mesozoic calcareous rocks. This is consistent with a paleogeography of high-elevation (~2300m) Miocene Alps adjacent to a marginal sea. The local effects are also reflected in the εNd values of the Paratethyan fossils, which is compatible with input from ancient crystalline rocks and Mesozoic sediments, while other samples with elevated εNd values indicate an influence of Neogene volcanism on the water budget. Excluding samples whose isotopic compositions reflect a local influence on the water column, an average εNd value of -7.9 ± 0.5 may be inferred for the Paratethys seawater. This value is indistinguishable from the Miocene value of the Indian Ocean, supporting a dominant role of ludo-Pacific water masses in the Paratethys. Regarding the Mediterranean, stable C-and O-isotope compositions of benthic and planktonic foraminifera from the Umbria-Marche region (UMC) have an offset typical for their habitats and the changes in composition mimic global changes, suggesting that the regional conditions of climate and the carbon cycle were controlled by global changes. The radiogenic isotope compositions of the fossil assemblages allow for distinction of periods. From 25 to 19 Ma, high εNd values and low 87Sr/86Sr of sediments and fossils support intense tectonism and volcanism, related to the opening of the western Mediterranean. Between 19 and 13 Ma the Mediterranean has εNd values that are largely controlled by incursion of Indian Ocean water. Brief periods of local hinterland control on seawater compositions are indicated by spikes in the εNd record, coinciding with volcanic events and a short sea-level decrease at about 15.2 Ma. Lower 87Sr/86Sr compared to the open ocean is compatible with rapid uplift of the hinterland and intense influx of Sr from Mesozoic carbonates of the western Apennines, while higher 87Sr/86Sr for other sites indicates erosion of old crustal silicate rocks. Finally, from 13 to 7 Ma the fossils have 87Sr/86Sr similar to those of Miocene seawater and their εNd values indicates fluctuating influence of Atlantic, and Indian Ocean or Paratethys sources of seawater entering the Mediterranean, driven by global sealevel changes and local tectonism. RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les compositions en éléments traces et isotopiques de fossiles marins et de sédiments on été analysées à partir de nombreux dépôts marins dans la région circum Alpine dans le but de reconstruire les changements paléocéanographiques et paléoclimatiques liés aux changements du niveau marin, à l'évolution en bassins et à l'orogénie alpine. Au nord et à l'est des Alpes, une mer épicontinentale appelée Paratéthys s'est ouverte, alors que plus au sud la mer Méditerranée bordait au Miocène les Alpes naissantes. Le but de cette recherche est de se concentrer sur les sédiments et les fossiles provenant des couches du Miocènes de ces deux provinces marines. Les bassins de la Molasse Alpine du nord, de Vienne et Pannonien étaient situés au niveau de la Paratéthys Occidentale et Centrale. Les compositions isotopiques de l'oxygène de fossiles phosphatés bien préservés dans ces sédiments étayent la théorie d'un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures entre 14 et 28°C pendant le Miocène. Les valeurs δ18O des fossiles sont similaires à la tendance globale jusqu'à la fin du Badénien. Cependant les larges fluctuations en δ18O indiquent des effets locaux au niveau des sous bassins. En outre, deux dents de requin exceptionnelles présentent des valeurs extrêmement basses de δ18O. Ces données suggèrent que ces deux dents se sont formées alors que les requins fréquentaient un environnement d'eau douce avec de faibles valeurs de 18O. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévatian moyenne des Alpes du Miocène (~2300m). La tendance 87Sr/86Sr pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert au cours du Miocène. Toutefois un nombre d'échantillons dévie des compositions d'océan ouvert typiques, avec des rapports élevés suggérant des modifications de l'eau de mer par des sources locales et terrestres. Les effets locaux sont aussi reflétés au niveau des valeurs en εNd des fossiles paratéthysiens. Ceci est cohérent avec un apport d'anciennes roches cristallines et de sédiments mésozoïques, tandis que d'autres échantillons avec des valeurs hautes de εNd indiquent une influence d'un volcanisme néogène dans le budget marin. En excluant les échantillons dont les compositions isotopiques confirment une influence locale, une valeur moyenne de εNd de 7.9 t 0.5 peut être déduite pour l'eau de la Parathétys. Cette valeur est semblable à la valeur correspondant à l'Océan Indien durant le Miocène, confirmant un rôle dominant de cet océan dans la Paratéthys. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 millions d'années (Ma), des valeurs élevées de εNd et un faible rapport 87Sr/86Sr dans les sédiments soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée montre des valeurs de εNd qui sont largement contrôlées par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs de εNd, coïncidant avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Enfin, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports ß7Sr/8fiSr similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Leurs valeurs de εNd indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de merde la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (POUR LE GRAND PUBLIC) Les analyses des compositions en éléments traces et isotopiques des fossiles marins sont un outil très utile pour reconstruire les conditions océaniques et climatiques anciennes. Ce travail de thèse se concentre sur les sédiments déposés dans un environnement marin proches des Alpes au cours du Miocène, entre 23 et 7 millions d'années (Ma). Cette période est caractérisée par une tectonique alpine active, ainsi que par des changements climatiques et océanographiques globaux importants. Dans le but de tracer ces changements, les compositions isotopiques du Strontium, du Néodyme, de l'Oxygène et du Carbone ont été analysées dans des fossiles bien préservés ainsi que les sédiments contemporains. Les échantillons proviennent de deux provinces océaniques distinctes, la première est la Mer Méditerranée, et l'autre est une mer épicontinentale appelée Parathétys, qui existait au nord et à l'est des Alpes durant le Miocène. Au niveau de la Parathétys Occidentale et Orientale, les compositions isotopiques d'oxygène de dents de requins confirment un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures d'eau entre 14 et 28°C au Miocène. En outre, deux dents de requins exceptionnelles ont enregistré des compositions isotopiques d'oxygène extrêmement basses. Cela suggère que ces deux dents se sont formées alors que les requins entraient dans un système d'eau douce. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévation des Alpes au Miocène qui est aussi élevée que celle d'aujourd'hui. La tendance isotopique du Strontium pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert. Cependant un certain nombre d'échantillons indique des modifications de l'eau de mer par des sources terrestres locales. Les effets locaux sont aussi visibles au niveau des compositions isotopiques du Néodyme, qui sont en accord avec un apport provenant de roches cristallines anciennes et de sédiments du Mésozoïque, alors que d'autres échantillons indiquent une influence volcanique néogène dans le budget marin. A l'exclusion des échantillons dont les compositions correspondent à une influence locale, les compositions isotopiques du Néodyme de la Parathétys sont très similaires aux valeurs de l'Océan Indien, montrant ainsi un rôle important des masses d'eau IndoPacifiques dans cette région. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus, les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 Ma, des rapport isotopiques élevés pour le Néodyme et faibles pour le Strontium dans les sédiments et les fossiles soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée présente des rapports isotopiques du Néodyme qui sont largement contrôlés par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs des isotopes du Néodyme coïncident avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Finalement, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports isotope Strontium similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Les rapports isotopiques du Néodyme indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de mer de la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale.

Permian-Triassic of the Tethys: Carbon isotope sudies

Profiles of carbon isotopes were studied in marine limestones of Late Permian and Early Triassic age of the Tethyan region from 20 sections in Yugoslavia, Greece, Turkey, Armenian SSR, Iran, Pakistan, India, Nepal, and China. The Upper Permian sections continue the high positive values of 13C previously found in Upper Permian basins in NW Europe and western USA. In the more complete sections of Tethys it can now be demonstrated that the values of 13C drop from the Murgabian to the Dzhulfian Stages of the Upper Permian, then sharply to values near zero during the last two biozones of the Dorashamian. These levels of 13C sample the Tethys Sea and the world ocean, and equal values from deep-water sediments at Salamis Greece indicate that they apply to the whole water column. We hypothesize that the high values of 13C are a consequence of Late Paleozoic storage of organic carbon, and that the declines represent an episodic cessation of this organic deposition, and partial oxidation of the organic reservoir, extending over a period of several million years. The carbon isotope profile may reflect parallel complexity in the pattern of mass extinction in Late Permian time. Des profils isotopiques du carbone ont été établis dans des calcaires marins d'âge tardi-permien à  éo-triasique répartis dans 20 endroits du domaine téthysien: Yougoslavie, Grèce, Turquie, République d'Arménie, Iran, Pakistan, Inde, Népal et Chine. Les profils établis dans le Permien supérieur montrent les mêmes valeurs positives de 13C observées antérieurement dans des bassins de même âge en Europe occidentale et dans l'ouest des USA. Dans les profils les plus complets de la Téthys, il est maintenant établi que les valeurs de 13C décroissent depuis le Murgabien jusqu'au Dzhulfien (Permien supérieur) pour devenir proches de zéro dans les deux dernières biozones du Dorasharmen. Ces valeurs de 13C sont caractéristiques de la Téthys et de l'Océan mondial; elles s'appliquent à toutes les profondeurs d'eau, comme en témoignent les valeurs fournies par des sédiments de mer profonde à Salamis (Grèce). Nous formulons l'hypothèse que les hautes valeurs de 13C sont la conséquence du stockage du carbone organique au Paléozoïque supérieur et que leur décroissance traduit un arrêt épisodique de cette sédimentation organique, accompagné d'une oxydation partielle de la matière organique s'étendant sur une période de plusieurs Ma. L'influence parallèle des phénomènes d'extinction massive à le fin du Permien se refléterait également dans les profils isotopiques du carbone.

Regulierungen an der Schnittstelle zwischen den Ressourcen Wald und Klima : Einflussfaktoren auf die Inwertsetzung der CO₂-Senkenleistung des Waldes

Les forêts dont le volume sur pied augmente contribuent à atténuer les changements climatiques et constituent un puits de carbone. En Suisse, seul très peu d'entreprises forestières valorisent le service de puits de carbone. Ce travail vise à chercher les raisons expliquant cette réticence. Les facteurs politiques et juridiques influençant les décisions des entreprises forestières sont analysées à l'aide du modèle des régimes institutionnels de ressource. Les résultats obtenus sont vérifiés et complétés à l'aide d'informations collectées lors d'interviews d'experts menées auprès d'entreprises forestières et décideurs politiques. Cette étude identifie des facteurs favorisant ou entravant la valorisation du service de puits de carbone des forêts et propose des options d'action.

Rôle des champignons dans la voie oxalate-carbonate

La présente thèse met en évidence trois rôles des champignons dans la voie oxalate-carbonate. (i) La dynamique fongique de production des cristaux d'oxalate de calcium montre une diminution du nombre de ces cristaux comparativement à ceux préalablement produits. Afin de confirmer ce résultat, une méthode analytique faisant usage de la chromatographie liquide mesurant l'oxalate total, a été mise en pratique. De plus, des champignons à pourriture blanche ont été cultivés sur un milieu Schlegel couramment utilisé par les bactériologistes pour montrer la dissolution bactérienne des oxalates de calcium. Certains champignons se sont révélés positifs au test. (ii) Une approche en microcosme a été employée pour comprendre le rôle respectif des champignons et des bactéries dans la voie oxalate-carbonate. Champignons et bactéries sont la composante biologique du système oxalate-carbonate et sont donc ajoutés au sol des microcosmes selon les séries : (A) champignons seuls, (B) bactéries seules et (C) champignons et bactéries ensemble. En prenant en considération la variable oxalate et en opérant une approche factorielle en accord avec la théorie de la hiérarchie, les séries additionnelles suivantes ont été étudiées : (D) champignon plus oxalate, (E) bactéries plus oxalate et (F) champignon et bactéries ensemble plus oxalate. En présence d'oxalate de calcium les résultats des quantités de champignon vivant (évaluées par dosage de l'ergostérol) au cours du temps montrent que la rapidité de colonisation des microcosmes est accélérée de trois semaines ; c'est une fertilisation du sol opérée par l'oxalate qui favorise la biomasse vivante du champignon. Les champignons à leur tour survivent sur le long terme (3 mois) seulement en présence des bactéries sinon leur biomasse vivante reste faible. Par conséquent, c'est l'interaction entre champignons et bactéries sous forme de coexistence qui permet leur survie réciproque. Les champignons interagissent en synergie avec les bactéries dans le sol du microcosme mais les bactéries, moteur de l'alcalinisation du sol, survivent plus longtemps et atteignent des populations plus élevées seulement quand le champignon et l'oxalate sont présents. En plus des résultats sur les quantités de champignons et de bactéries, le suivi du pH pour toutes les séries des microcosmes examinées laisse apparaître une propriété émergente. Pour l'unique série (F), il se produit une alcalinisation du milieu de deux unités et demie de pH. L'hypothèse de base selon laquelle l'oxalate est responsable d'une favorisation de la voie oxalate-carbonate a été vérifiée. Le rôle des champignons est de favoriser les populations bactériennes sous l'action fertilisante de l'oxalate. (iii) L'origine du calcium, une des questions à résoudre les plus importantes afin que la voie oxalate-carbonate agisse comme un puits de carbone, a été abordée théoriquement, par une littérature élargie, et expérimentalement en boîte de Pétri, en utilisant la colonisation fongique. Le rôle des champignons est de transloquer et libérer du calcium activement et passivement dans le sol.

Ionizing radiation enhances immunogenicity of cells expressing a tumor-specific T-cell epitope.

BACKGROUND: p53 point mutations represent potential tumor-specific cytolytic T lymphocyte (CTL) epitopes. Whether ionizing radiation (IR) alters the immunological properties of cells expressing mutant p53 in respect of the CTL epitope generated by a defined point mutation has not been evaluated. METHODS: Mutant p53-expressing syngeneic, nontumor forming BALB/c 3T3 fibroblasts, tumor forming ras-transfected BALB/c 3T3 sarcomas, and DBA/2-derived P815 mastocytoma cells, which differ at the level of minor histocompatibility antigens, were used as cellular vaccines. Cells were either injected with or without prior IR into naive BALB/c mice. Cellular cytotoxicity was assessed after secondary restimulation of effector spleen cells in vitro. RESULTS: Injection of P815 mastocytoma cells expressing the mutant p53 induced mutation-specific CTL in BALB/c mice irrespective of prior irradiation. However, syngeneic fibroblasts or fibrosarcomas endogenously expressing mutant p53 were able to induce significant mutation-specific CTL only when irradiated prior to injection into BALB/c mice. IR of fibroblasts did not detectably alter the expression of cell surface molecules involved in immune response induction, nor did it alter the short-term in vitro viability of the fibroblasts. Interestingly, radioactively-labeled fibroblasts injected into mice after irradiation showed altered organ distribution, suggesting that the in vivo fate of these cells may play a crucial role in their immunogenicity. CONCLUSIONS: These findings indicate that IR can alter the immunogenicity of syngeneic normal as well as tumor forming fibroblasts in vivo, and support the view that ionizing radiation enhances immunogenicity of cellular tumor vaccines.

Identification and functional characterization of auxiliary enzymes of the β-oxidation in " Arabidopsis thaliana "

Abstract: The ß-oxidation is the universal pathway that allows living organisms to degrade fatty acids. leading to lipid homeostasis and carbon and energy recovery from the fatty acid molecules. This pathway is centred on four core enzymatic activities sufficient to degrade saturated fatty acids. Additional auxiliary enzymes of the ß-oxidation are necessary for the complete degradation of a larger array of molecules encompassing the unsaturated fatty acids. The main pathways of the ßoxidation of fatty acids have been investigated extensively and auxiliary enzymes are well-known in mammals and yeast. The comparison of the established ß-oxidation systems suggests that the activities that are required to proceed to the full degradation of unsaturated fatty acids are present regardless of the organism and rely on common active site templates. The precise identity of the plant enzymes was unknown. By homology searches in the genome of Arabidopsis thaliana, I identified genes. encoding for proteins that could be orthologous to the yeast or animal auxiliary enzymes Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerase, Δ 3,5, Δ 2,4 -dienoyl-CoA isomerase, and type 2 enoyl-CoA hydratase. I established that these genes are expressed in Arabidopsis and that their expression can be correlated to the expression of core ß-oxidation genes. Through the observation of chimeric fluorescent protein fusions, I demonstrated that the identified proteins are localized in the peroxisóme, the only organelle where the ß-oxidation occurs in plants. Enzymatic assays were performed with the partially purified enzymes to demonstrate that the identified enzymes can catalyze the same in vitro reactions as their non-plant orthologs. The activities in vivo of the plant enzymes were demonstrated by heterologous complementation of the corresponding yeast Saccharomyces cerevisiae mutants. The complementation was visualized using the artificial polyhydroxyalkanoate (PHA) production in yeast peroxisomes. The recombinant strains, expressing a Pseudomonas aeruginosa PHA synthase modified for a peroxisomal localization, produce this polymer that serves as a trap for the 3-hydroxyacyl-CoA intermediaries of the ßoxidation and that reflects qualitatively and quantitatively the array of molecules that are processed through the ß-oxidation. This complementation demonstrated the implication of the plant Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerases and Δ3,5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomerase in the degradation of odd chain position unsaturated fatty acids. The presence of a monofunctional type 2 enoyl-CoA hydratase is a novel in eukaryotes. Downregulation of the corresponding gene expression in an Arabidopsis line, modified to produce PHA in the peroxisome, demonstrated thàt this enzyme participates in vivo to the conversion of the intermediate 3R-hydroxyacyl-CoA, generated by the metabolism of fatty acids with a cis (Z)-unsaturated bond on an even-numbered carbon, to the 2Eenoyl-CoA for further degradation through the core ß-oxidation cycle. Résumé: La ß-oxydation est une voie universelle de dégradation des acides gras qui permet aux organismes vivants d'assurer une homéostasie lipidique et de récupérer l'énergie et le carbone contenus dans les acides gras. Le coeur de cette voie est composé de quatre réactions enzymatiques suffisantes à la dégradation des acides gras saturés. La présence des enzymes auxiliaires de la ß-oxydation est nécessaire à la dégradation d'une gamme plus étendue de molécules comprenant les acides gras insaturés. Les voies principales de la ß-oxydation des acides gras ont été étudiées en détail et les enzymes auxiliaires sont déterminées chez les mammifères et la levure. La comparaison entre les systèmes de ß-oxydation connus suggère que les activités requises pour la dégradation complète des acides gras insaturés reposent sur la présence de site actifs similaires. L'identité précise des enzymes auxiliaires chez les plantes était inconnue. En cherchant par homologie dans le génome de la plante modèle Arabidopsis thaliana, j'ai identifié des gènes codant pour des protéines pouvant être orthologues aux enzymes auxiliaires Δ3 Δ2-enoyl-CoA isomérase, Δ 3,5 Δ 2,4-dienoyl-CoA isomérase et enoyl-CoA hydratase de type 2 d'origine fongique ou mammalienne. J'ai établi la corrélation de l'expression de ces gènes dans Arabidopsis avec celle de gènes des enzymes du coeur de la ß-oxydation. En observant des chimères de fusion avec des protéines fluorescentes, j'ai démontré que les protéines identifiées sont localisées dans le péroxysomes, le seul organelle où la ß-oxydation se déroule chez les plantes. Des essais enzymatiques ont été conduits avec ces enzymes partiellement purifiées pour démontrer que les enzymes identifiées sont capables de catalyser in vitro les mêmes réactions que leurs orthologues non végétaux. Les activités des enzymes végétales in vivo ont été .démontrées par complémentation hétérologue des mutants de délétion correspondants de levure Saccharomyces cerevisiae. La visualisation de la complémentation est rendue possible par la synthèse de polyhydroxyalcanoate (PHA) dans les péroxysomes de levure. Les souches recombinantes expriment la PHA synthase de Pseudomonas aeruginosa modifiée pour être localisée dans le péroxysome produisent ce polymère qui sert de piège pour les 3-hydroxyacylCoAs intermédiaires de la ß-oxydation et qui reflète qualitativement et quantitativement la gamme de molécules qui subit la ß-oxydation. Cette complémentation a permis de démontrer que les Δ3, Δ2-enoyl-CoA isomérases, et la Δ3.5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomérase végétales sont impliquées dans la dégradation des acides gras insaturés en position impaire. L'enoyl-CoA hydratase de type 2 monofonctionelle est une enzyme nouvelle chez les eucaryotes. La sous-expression du gène correspondant dans une lignée d'Arabidopsis modifiée pour produite du PHA dans le péroxysome a permis de démontrer que cette enzyme participe in vivo à la dégradation des acides gras ayant une double liaison en conformation cis (Z) en position paire.

Differentiated chemical reactivity of nanoparticles toward DTT

RATIONALE: Induction of oxidative stress and impairment of the antioxidant defense are considered important biological responses following nanoparticle (NP) exposure. The acellular in vitro dithiothreitol (DTT) assay is proposed to measure the oxidative potential of NP. In addition, DTT can be considered as a model compound of sulfur containing antioxidants. The objective of this work is to evaluate the surface reactivity in solution of a NP panel toward DTT. METHOD: The NP panel was composed of four carbonaceous particles, six types of metal oxides and silver with primary size ranged from 7 to 300 nm. Suspensions were prepared in surfactant solution with 30 min sonication. DTT was used as reductant to evaluate the oxidative properties of the different NP. The determination of the NP ability to catalyze electron transfer from DTT to oxygen was carried out as described in Sauvain et al., Nanotoxicology, 2008, 2:3, 121−129. RESULTS: All the carbonaceous NP catalyzed the oxidation of DTT by oxygen following the mass based order: carbon black > diesel exhaust particle > nanotubes > fullerene. A contrasting reactivity was observed for the metallic NP. Except for nickel oxide and metallic silver, which reacted similarly to the carbonaceous NP, all other metal oxides hindered the oxidation of DTT by oxygen, with ZnO being the most effective one. CONCLUSIONS : DTT was stabilized against oxidation in the presence of metal oxide NP in the solution. This suggests that different chemical interactions take place compared with carbonaceous NP. To explain these differences, we hypothesize that DTT could form complexes with the metal oxide surface (or dissolved metal ions), rendering it less susceptible to oxidation. By analogy, such a process could be thought to apply in biological systems with sulfur−containing antioxidants, reducing their buffer capacity. Such NP could thus contribute to oxidative stress by an alternative mechanism.

A synchronous, middle early Aptian age for the demise of the Helvetic Urgonian platform related to the unfolding oceanic anoxic event 1a ("Selli event")

Un âge synchrone (partie moyenne de l'Aptien inférieur) de l'ennoiement de la plate-forme Urgonienne helvétique en relation avec l'événement océanique anoxique 1a ("événement Selli"). - La fin de la plate-forme urgonienne, calibrée par analyse des isotopes stables du carbone sur roche totale et par biostratigraphie basée sur les ammonites, est datée du milieu de l'Aptien inférieur (Près de la limite des zones weissi et deshayesi). Cet arrêt, synchrone dans des coupes représentatives du domaine helvétique alpin, est un événement environemental majeur renregistré en France, en Espagne, au Protugal, en Oman, au Mexique et dans le domaine Pacifique. En tenant compte des limites de résolution de la biostatrigraphie et des autres techniques de datation, cet épisode semble également être synchrone à l'échelle globale. Pour beaucoup d'auteurs, la disparition de récifs de coraux et de rudistes corrélée à la fin de la sédimentation urgonienne correspond à la mise en place de conditions anoxiques à l'Aptien inférieur. Celles-ci caractérisent un événement d'importance global: l'événement anoxique OAE 1a.