Impact of the C2/C6 ratio of high-molecular-weight hydroxyethyl starch on pharmacokinetics and blood coagulation in pigs

Rapport de synthèse : Contexte: l'hydroxyéthylamidon (HEA) est largement utilisé comme expanseur volémique en anesthésiologie et réanimation. Cependant, cette classe de produits perturbe le system de la coagulation. Des améliorations restent possibles dans le choix de la combinaison optimale de poids moléculaire, de degré de substitution en radicaux éthyle et de localisation de ces radicaux sur le squelette glucidique des polymères, afin d'optimiser leur efficacité et leur tolérance. L'HEA de poids moléculaire élevé et faiblement substitué n'affecte pas plus la coagulation sanguine que de l'HEA de bas poids moléculaire faiblement substitué. Nous examinons in vivo l'effet d'un abaissement du rapport C2/C6 sur les caractéristiques pharmacocinétiques et l'impact sur la coagulation sanguine d'un HEA de haut poids moléculaire faiblement substitué. Matériels et méthode: nous comparons dans une étude prospective, randomisée et parallèle l'HEA 650/0.42/2.8 avec l'HEA 650/0.42/5.6 auprès de 30 cochons. Avant, pendant et jusqu'à 630 minutes après une perfusion de 30 ml/kg d'HEA, des échantillons sanguins ont été collectés pour mesurer les concentrations d'HEA, les tests de coagulation plasmatique classiques et la coagulation sanguine par thrombélastographie (TEG®, Haemoscope Corporation, Niles, II, U.S.). Les paramètres pharmacocinétiques ont été estimés en adaptant un modèle à deux compartiments. Résultats: la constante d'élimination est de 0.009 ± 0.001 (min-1) pour l'HEA 650/0.42/2.8 et 0.007 ± 0.001 (min-1) pour l'HEA 650/0.42/5.6 (p<0.001); la surface sous la courbe de concentration est de 1374 ± 340 min*g/L pour l'HEA 650/0.42/2.8 et 1697 ± 411 min*g/L pour l'HEA 650/0.42/5.6 (p=0.026). Les concentrations mesurées d'HEA ne montrent pas de différence entre l'HEA 650/0.42/2.8 et l'HEA 650/0.42/5.6. Les deux solutions d'HEA affectent de façon identique la coagulation sanguine: l'index de coagulation thrombélastographique diminue pareillement à ta fin de la perfusion d'HEA 650/0.42/2.8 et d'HEA 650/0.42/5.6 (p=0.29). De même, le temps de thromboplastine partielle activée et le temps de prothrombine augmentent de manière similaire pour l'HEA 650/0.42/2.8 et l'HEA 650/0.42/5.6 (p=0.83). Conclusion: la réduction du rapport C2/C6 de l'HEA de poids moléculaire élevé et faiblement substitué aboutit à une élimination légèrement accélérée d'HEA. Cependant, elle ne modifie pas l'effet perturbateur sur la coagulation.

Molecular weight of hydroxyethyl starch : is there an effect on blood coagulation and pharmacokinetics ?

Résumé Fondement : le développement de solutions d'hydroxy-éthyl-amidons (HEAS) avec peu d'impact sur la coagulation sanguine, mais un effet supérieur sur la volémie, par comparaison aux HEAS couramment utilisés, est d'un grand intérêt clinique. Nous posons l'hypothèse que des solutions de haut poids moléculaire et de bas degré de substitution possèdent ces caractéristiques. Méthode : trente porcs ont été perfusés avec trois HEAS différents (20 ml/kg) de même degré de substitution (0.42) mais de poids moléculaire différent (130, 500 et 900 kDa). Une série de prélèvements sanguins ont été effectués sur 24 heures, sur lesquels des analyses de coagulation sanguine étaient effectuées par thromboélastographie et dosages plasmatiques. De plus, la concentration plasmatique ainsi que le poids moléculaire in vivo ont été déterminés, ainsi que des paramètres de pharmacocinétiques, ceci en se basant sur un modèle bi-compartimental. Résultats : les analyses de thromboélastographie et les tests de coagulation plasmatique n'ont pas démontré d'altération plus marquée de la coagulation sanguine après l'utilisation des solutions des HAES 500 et HAES 900, par comparaison avec celle de HAES 130. Par contre, les HAES 500 et HAES 900 ont présenté une plus grande aire sous la courbe (area under the curve), dans la relation concentration en fonction du temps [1542 (142) g min litre-1, p<0.001, 1701 (321) g min litre-1, p<0.001] par rapport au HAES 130 [1156 (223) g min litre-1]. La demi-vie alpha (t ½α) était plus longue pour les HAES 500 [53.8 (8.6) min, p<0.01] et HAES 900 [57.1 (12.3) min, p<0.01 ]que pour le HAES 130 [39.9 (10.7) min]. La demi-vie beta (t½β) était par contre similaire pour les trois types de HAES [de 332 (100) à 381 (63) min]. Conclusions : pour les HAES de bas degré de substitution, le poids moléculaire n'est pas un facteur clé en ce qui concerne l'altération de la coagulation. La persistance intravasculaire initialement plus longue des HAES de haut poids moléculaire et bas degré de substitution pourrait résulter dans un plus long effet volémique de ces substances. Abstract Background: The development of hydroxyethyl starches (HES) with low impact on blood coagulation but higher volume effect compared with the currently used HES solutions is of clinical interest. We hypothesized that high molecular weight, low-substituted HES might possess these properties. Methods: Thirty pigs were infused with three different HES solutions (20 ml kg-1) with the same degree of molar substitution (0.42) but different molecular weights (130, 500 and 900 kDa). Serial blood samples were taken over 24 h and blood coagulation was assessed by Thromboelastograph® analysis and analysis of plasma coagulation. In addition, plasma concentration and in vivo molecular weight were determined and pharmacokinetic data were computed based on a two-compartment model. Results: Thromboelastograph analysis and plasma coagulation tests did not reveal a more pronounced alteration of blood coagulation with HES 500 and HES 900 compared with HES 130. In contrast, HES 500 and HES 900 had a greater area under the plasma concentration-time curve [1542 (142) g min litre-1, P<0.001, 1701 (321) g min litre-1, P<0.001] than HES 130 [I 156 (223) g min litre-1] and alpha half life (t ½α) was longer for HES 500 [53.8 (8.6) min, P<0.01 ] and HES 900 [57. I (I 2.3) min, P<0.01 ] than for HES 130 [39.9 (I 0.7) min]. Beta half life (t½β), however, was similar for all three types of HES [from 332 (100) to 381 (63) min]. Conclusions. In low-substituted HES, molecular weight is not a key factor in compromising blood coagulation. The longer initial intravascular persistence of high molecular weight lowsubstituted HES might result in a longer lasting volume effect.

Molar substitution and C2/C6 ratio of hydroxyethyl starch: influence of blood coagulation

Résumé Cette étude a démontré l'effet individuel sur la coagulation sanguine humaine des deux principales caractéristiques de la molécule d'hydroxyéthylamidon (HES) : la substitution molaire et le rapport C2/C6. L'analyse par thrombélastographe (TEG®) indique que la molécule de HES dont la substitution molaire est de 0.42 et le rapport C2/C6 de 2.7 a le moins d'effet sur la coagulation sanguine chez l'être humain. Objectifs de l'étude Le développement d'hydroxyéthylamidons (HES) qui ont à la fois peu d'impact sur la coagulation sanguine et une longue persistance intravasculaire est d'un grand intérêt clinique. Une précédente étude in vitro a démontré qu'une solution de HES de haut poids moléculaire et de bas degré de substitution molaire ne compromettait pas plus la coagulation sanguine qu'une solution HES de poids moléculaire moyen (1). La présente étude examine l'effet individuel de la substitution molaire et du rapport C2/C6 d'une solution de HES de haut poids moléculaire (700 kDa) sur la coagulation sanguine. Matériel et méthode Nous avons prélevé du sang chez 30 adultes en bonne santé; le sang a été mélangé avec 6 solutions de HES qui diffèrent par leur degré de substitution molaire (0.42 et 0.51) et leur rapport C2/C6 (2.7, 7 et 14) à trois degrés de dilution : 20%, 40% et 60%. Les échantillons ont ensuite été analysés par thrombélastographe. Les données ont été étudiées par analyse de variance à trois voies pour mesures répétées sur une voie (dilution). Résultats Plus la substitution molaire est élevée, plus la coagulation sanguine est compromise et ce concernant tous les paramètres du TEG® (tous les p sont < à 0.05). La solution HES avec le rapport C2/C6 le plus bas a l'effet le moins prononcé sur le temps r (p<0.001), l'angle α (p=0.003) et l'Index de Coagulation CI (p<0.001) ; on n'a pas observé d'effet sur le temps k (p=0.513) et l'amplitude maximale (p=0.699) concernant ce paramètre. Conclusion L'analyse par thrombélastographe révèle qu'une molécule de HES avec une substitution molaire de 0.42 et un rapport C2/C6 de 2.7 a un effet minimal sur la coagulation sanguine humaine in vitro.

Tree cover at fine and coarse spatial grains interacts with shade tolerance to shape plant species distributions across the Alps

The role of competition for light among plants has long been recognized at local scales, but its potential importance for plant species' distribution at larger spatial scales has largely been ignored. Tree cover acts as a modulator of local abiotic conditions, notably by reducing light availability below the canopy and thus the performance of species that are not adapted to low-light conditions. However, this local effect may propagate to coarser spatial grains. Using 6,935 vegetation plots located across the European Alps, we fit Generalized Linear Models (GLM) for the distribution of 960 herbs and shrubs species to assess the effect of tree cover at both plot and landscape grain sizes (~ 10-m and 1-km, respectively). We ran four models with different combinations of variables (climate, soil and tree cover) for each species at both spatial grains. We used partial regressions to evaluate the independent effects of plot- and landscape-scale tree cover on plant communities. Finally, the effects on species' elevational range limits were assessed by simulating a removal experiment comparing the species' distribution under high and low tree cover. Accounting for tree cover improved model performance, with shade-tolerant species increasing their probability of presence at high tree cover whereas shade-intolerant species showed the opposite pattern. The tree cover effect occurred consistently at both plot and landscape spatial grains, albeit strongest at the former. Importantly, tree cover at the two grain sizes had partially independent effects on plot-scale plant communities, suggesting that the effects may be transmitted to coarser grains through meta-community dynamics. At high tree cover, shade-intolerant species exhibited elevational range contractions, especially at their upper limit, whereas shade-tolerant species showed elevational range expansions at both limits. Our findings suggest that the range shifts for herb and shrub species may be modulated by tree cover dynamics.

Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Subcellular investigation of photosynthesis-driven carbon assimilation in the symbiotic reef coral Pocillopora damicornis.

Reef-building corals form essential, mutualistic endosymbiotic associations with photosynthetic Symbiodinium dinoflagellates, providing their animal host partner with photosynthetically derived nutrients that allow the coral to thrive in oligotrophic waters. However, little is known about the dynamics of these nutritional interactions at the (sub)cellular level. Here, we visualize with submicrometer spatial resolution the carbon and nitrogen fluxes in the intact coral-dinoflagellate association from the reef coral Pocillopora damicornis by combining nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) and transmission electron microscopy with pulse-chase isotopic labeling using [(13)C]bicarbonate and [(15)N]nitrate. This allows us to observe that (i) through light-driven photosynthesis, dinoflagellates rapidly assimilate inorganic bicarbonate and nitrate, temporarily storing carbon within lipid droplets and starch granules for remobilization in nighttime, along with carbon and nitrogen incorporation into other subcellular compartments for dinoflagellate growth and maintenance, (ii) carbon-containing photosynthates are translocated to all four coral tissue layers, where they accumulate after only 15 min in coral lipid droplets from the oral gastroderm and within 6 h in glycogen granules from the oral epiderm, and (iii) the translocation of nitrogen-containing photosynthates is delayed by 3 h. IMPORTANCE: Our results provide detailed in situ subcellular visualization of the fate of photosynthesis-derived carbon and nitrogen in the coral-dinoflagellate endosymbiosis. We directly demonstrate that lipid droplets and glycogen granules in the coral tissue are sinks for translocated carbon photosynthates by dinoflagellates and confirm their key role in the trophic interactions within the coral-dinoflagellate association.

Macrophages induce neutrophil apoptosis through membrane TNF, a process amplified by Leishmania major.

Neutrophils are recruited to the site of parasite inoculation within a few hours of infection with the protozoan parasite Leishmania major. In C57BL/6 mice, which are resistant to infection, neutrophils are cleared from the site of s.c. infection within 3 days, whereas they persist for at least 10 days in susceptible BALB/c mice. In the present study, we investigated the role of macrophages (MPhi) in regulating neutrophil number. Inflammatory cells were recruited by i.p. injection of either 2% starch or L. major promastigotes. Neutrophils were isolated and cultured in the presence of increasing numbers of MPhi. Extent of neutrophil apoptosis positively correlated with the number of MPhi added. This process was strictly dependent on TNF because MPhi from TNF-deficient mice failed to induce neutrophil apoptosis. Assays using MPhi derived from membrane TNF knock-in mice or cultures in Transwell chambers revealed that contact with MPhi was necessary to induce neutrophil apoptosis, a process requiring expression of membrane TNF. L. major was shown to exacerbate MPhi-induced apoptosis of neutrophils, but BALB/c MPhi were not as potent as C57BL/6 MPhi in this induction. Our results emphasize the importance of MPhi-induced neutrophil apoptosis, and membrane TNF in the early control of inflammation.

Relating the permeability of quartz sands to their grain size and spectral induced polarization characteristics

Recently, Revil & Florsch proposed a novel mechanistic model based on the polarization of the Stern layer relating the permeability of granular media to their spectral induced polarization (SIP) characteristics based on the formation of polarized cells around individual grains. To explore the practical validity of this model, we compare it to pertinent laboratory measurements on samples of quartz sands with a wide range of granulometric characteristics. In particular, we measure the hydraulic and SIP characteristics of all samples both in their loose, non-compacted and compacted states, which might allow for the detection of polarization processes that are independent of the grain size. We first verify the underlying grain size/permeability relationship upon which the model of Revil & Florsch is based and then proceed to compare the observed and predicted permeability values for our samples by substituting the grain size characteristics by corresponding SIP parameters, notably the so-called Cole-Cole time constant. In doing so, we also asses the quantitative impact of an observed shift in the Cole-Cole time constant related to textural variations in the samples and observe that changes related to the compaction of the samples are not relevant for the corresponding permeability predictions. We find that the proposed model does indeed provide an adequate prediction of the overall trend of the observed permeability values, but underestimates their actual values by approximately one order-of-magnitude. This discrepancy in turn points to the potential importance of phenomena, which are currently not accounted for in the model and which tend to reduce the characteristic size of the prevailing polarization cells compared to the considered model, such as, for example, membrane polarization, contacts of double-layers of neighbouring grains, and incorrect estimation of the size of the polarized cells because of the irregularity of natural sand grains.

The role of basalt replenishment in the generation of basaltic andesites of the ongoing activity at Arenal volcano, Costa Rica: evidence from clinopyroxene and spinel

The bulk composition of magma erupted from Volcan Arenal has remained nearly constant (SiO2 = 53.6-54.9 wt%; MgO = 5.0-4.5 wt%) during almost 30 years of continuous activity (1969-1996). None the less, clinopyroxene (cpx) phenocrysts and their spinel inclusions record a much more complex open-system evolution in which steady-state production of the erupted basaltic andesitic magma is linked to episodic injections of basalt into Arenal's magma conduit/reservoir system. High-resolution major element zoning profiles (electron microprobe) on a large number of phenocrysts (>14,000 analyses), tied to back-scattered electron (BSE) images, have been used to assess the compositional characteristics of the magmatic end members as well as the timing and dynamics of magma replenishment events. No two cpx phenocrysts have exactly the same zoning profile. The vast majority of our analyses record the crystallization of cpx (Cr2O3 < 0.12 wt%; Mg# = 65-79; Al/Ti = 2-7) from a liquid comparable to or more evolved than erupted magma compositions. However, half of all cpx grains are cored by high-Cr cpx (Cr2O3 = 0.2-0.72 wt%) or contain similar basaltic compositions as abrupt growth bands in phenocrysts with and without high-Cr cores; phenocrysts with high-Cr cpx occur throughout the ongoing activity. In a few cases, high-Cr cpx occurs very near the outer margin of the grain without an apparent growth hiatus, particularly in 1968/69 and 1992/93. The main conclusions are: (1) all basaltic andesitic lavas erupted at Arenal during the ongoing activity that began in July, 1968, are the products of magma mixing, (2) clinopyroxenes record multiple replenishment events of basaltic magma in contrast to the near constancy of erupted bulk compositions, (3) some phenocrysts preserve records of multiple interactions with basaltic magmas requiring magmatic processes to operate on time-scales shorter than residence times of some phenocrysts, (4) multiple occurrences of clinopyroxene with high-Cr rims suggest that basalt replenishment events have occurred with sub-decadal frequency and may predate eruption by months or less. From this we infer that Arenal volcano is underlain by a continuously active, small-volume magmatic reservoir maintained in quasi-steady state by basalt recharge over several decades. The monotony of erupting Arenal magmas implies that fractionation, recharge, ascent, and eruption are well balanced in order for magmas to be essentially uniform while containing phenocrysts with vastly different growth histories at the time of eruption.

Prospects for biopolymer production in plants.

It is likely that during this century polymers based on renewable materials will gradually replace industrial polymers based on petrochemicals. This chapter gives an overview of the current status of research on plant biopolymers that are used as a material in non-food applications. We cover technical and scientific bottlenecks in the production of novel or improved materials, and the potential of using transgenic or alternative crops in overcoming these bottlenecks. Four classes of biopolymers will be discussed: starch, proteins, natural rubber, and poly-beta-hydroxyalkanoates. Renewable polymers produced by chemical polymerization of monomers derived from sugars, vegetable oil, or proteins, are not considered here.

Recrystallisation rims in zircon (Valle d'Arbedo, Switzerland): an integrated cathodoluminescence, LA-ICP-MS, SHRIMP, and TEM study

Recrystallization rims are a common feature of zircon crystals that underwent metamorphism. We present a microstructural and microchemical study of partially recrystallized zircon grains collected in polymetamorphic migmatites (Valle d'Arbedo, Ticino, Switzerland). The rims are bright in cathodo-luminescence (CL), with sharp and convex contacts characterized by inward-penetrating embayments transgressing igneous zircon cores. Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) data and transmission electron microscopy (TEM) imaging indicate that the rims are chemically and microstructurally different from the cores. The rims are strongly depleted in REE, with concentrations up to two orders of magnitude lower than in the cores, indicating a significant loss of REE during zircon recrystallization. Enrichment in non-formula elements, such as Ca, has not been observed in the rims. The microstructure of zircon cores shows a dappled intensity at and below the 100 nm scale, possibly due to radiation damage. Other defects such as pores and dislocations are absent in the core except at healed cracks. Zircon rims are mostly dapple-free, but contain nanoscale pores and strain centers, interpreted as fluid inclusions and chemical residues, respectively. Sensitive high-resolution ion microprobe (SHRIMP) U-Pb ages show that the recrystallization of the rims took place >200 Ma ago when the parent igneous zircon was not metamict. The chemical composition and the low-Ti content of the rims indicate that they form at sub-solidus temperatures (550-650 degrees C). Recrystallization rims in Valle d'Arbedo zircon are interpreted as the result of the migration of chemical reaction fronts in which fluid triggered in situ and contemporaneous interface-coupled dissolution-reprecipitation mechanisms. This study indicates that strong lattice strain resulting from the incorporation of a large amount of impurities and structural defects is not a necessary condition for zircon to recrystallize. Our observations suggest that the early formation of recrystallization rims played a major role in preserving zircon from the more recent Alpine metamorphic overprint.

Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

Weathering and the mobility of phosphorus in the catchments and forefields of the Rhone and Oberaar glaciers, central Switzerland: Implications for the global phosphorus cycle on glacial-interglacial timescales

In this study we evaluate the dynamics of the biophile element phosphorus (P) in the catchment and proglacial areas of the Rhone and Oberaar glaciers (central Switzerland). We analysed erosion and dissolution rates of P-containing minerals in the subglacial environment by sampling water and suspended sediment in glacier outlets during three ablation and two accumulation seasons. We also quantified biogeochemical weathering rates of detrital P in proglacial sedimentary deposits using two chronosequences of samples of fresh, suspended, material obtained from the Oberaar and Rhone water outlets, Little-Ice-Age (LIA) moraines and Younger Dryas (YD) tills in each catchment. Subglacial P weathering is mainly a physical process and detrital P represents more than 99%, of the precipitation-corrected total P denudation flux (234 and 540 kg km(-2) yr(-1) for the Rhone and Oberaar catchments, respectively). The calculated detrital P flux rates are three to almost five times higher than the world average flux. The precipitation-corrected soluble reactive P (SRP) flux corresponds to 1.88-1.99 kg km(-2) yr(-1) (Rhone) and 2.12-2.44 kg km(-2) yr(-1) (Oberaar), respectively. These fluxes are comparable to those of tropical rivers draining transport-limited, tectonically inactive weathering areas. In order to evaluate the efficiency of detrital P weathering in the Rhone and Oberaar proglacial areas, we systematically graded apatite grains extracted from the chronosequence in each catchment relative to weathering-induced changes in their surface morphologies (grades 1-4). Fresh apatite grains are heavily indented and dissolution rounded (grade 1). LIA grains from two 0-10 cm deep moraine samples show extensive dissolution etching, similar to surface grains from the YD profile (mean grades 2.7, 3.5 and 3.5, respectively). In these proglacial deposits, the weathering front deepens progressively as a function of time due to biocorrosion in the evolving acidic pedosphere, with mechanical indentations on grains acting as sites of preferential dissolution. We also measured iron-bound, organic and detrital P concentrations in the chronosequence and show that organic and iron-bound P has almost completely replaced detrital P in the top layers of the YD profiles. Detrital P weathering rates are calculated as 3 10 and 280 kg km(-2) yr(-1) for LIA moraines and 10 kg km(-2) yr(-1) for YD tills. During the first 300 years of glacial sediment exposure P dissolution rates are shown to be approximately 70 times higher than the mean global dissolved P flux from ice-free continents. After 11.6 kyr the flux is 2.5 times the global mean. These data strengthen the argument for substantial changes in the global dissolved P flux on glacial-interglacial timescales. A crude extrapolation from the data described here suggests that the global dissolved P flux may increase by 40-45% during the first few hundred years of a deglaciation phase

Garnet-chloritoid-kyanite metapelites from the Raspas Complex (SW Ecuador): a key eclogite-facies assemblage

The Raspas Complex (Ecuador) contains one of the few eclogitic bodies in the northern Andes. It consists of metaperidotites, eclogites, and metapelites. The latter display three assemblages: (i) garnet + chloritoid + kyanite, (ii) garnet + chloritoid and (iii) garnet + chlorite, in all cases with quartz and muscovite in addition. The growth of these assemblages was coeval with the main ductile deformation, and was followed by minor reequilibration (chlorite growth in garnet + chloritoid samples and chloritoid + quartz aggregates replacing garnet and kyanite in garnet + chloritoid + kyanite samples). Detailed microprobe analyses show increasing magnesian compositions for garnet (from core to rim) and chloritoid (inclusions within garnet compared to matrix grains) in kyanite-bearing samples. The above data are interpreted in the framework of the KFMASH system. Reaction progress along the divariant reaction Cld = Grt + Ky explains the change in chemistry of coexisting phases. The divariant Grt-Cld-Ky assemblage has a narrow stability field, and the P-T conditions are estimated at about 20 kbar, 550-600degreesC. Decompression, recorded by chloritoid-quartz pseudomorphs of garnet, probably occurred as temperature decreased.